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1、,过程控制系统,全国高等职业教育工业生产自动化技术系列规划教材,绪论 第1章 过程控制基础知识 第2章 简单控制系统 第3章 串级控制系统 第4章 前馈控制系统 第5章 比值控制系统 第6章 其他控制系统 第7章 典型化工单元的控制 第8章 控制系统工程设计 附录A 工艺流程图上常用设备和机器图例符号 附录B 工艺流程图上常用物料代号 附录C 工艺流程图上管道、管件、阀门及附件图例符号 附录D 过程控制范例识读工业锅炉工艺控制流程图 附录E 某自控设计的自控设备表（表一）（部分）附录F 某自控设计的自控投备表（表二）（部分）参考文献,目录,退出,绪 论,生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金
2、、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分支 过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。前者在生产过程自动化中应用最早，已有六十余年的发展历史，这是本书要介绍的主要内容。后者是自20世纪70年代发展起来的以计算机为核心的控制系统，这部分内容将在计算机过程控制课程中予以专门介绍，因此不再纳入本书的讨论范围。,0.1 过程控制的定义和任务,1过程控制的基本
3、概念（1）自动控制。在没有人的直接参与下，利用控制装置操纵生产机器、设备或生产过程，使表征其工作状态的物理参数（状态变量）尽可能接近人们的期望值（即设定值）的过程，称为自动控制。（2）过程控制。对生产过程所进行的自动控制，称为过程控制。也可采用前面的表述方法：凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。（3）过程控制系统。为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或微型计算机等构成的控制总体，称为过程控制系统,2 过程控制的研究对象与任务 过程控制是自动化的一门分支学科，是对过程控制系统进行分析与综合。在这里，“综合”主要是指
4、方案设计。有关过程控制系统的设计内容和步骤将在第2章、第8章中予以专门介绍。3过程控制的目的 生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一工段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接地影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。,例如，用蒸汽加热反应器或再沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应
5、温度或塔釜温度控制好将极为困难；中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定安全生产的因素。例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限度，否则将威胁生产安全。还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。例如，某些混合气体的组成、溶液的酸碱度等。近二十几年来，工业生产规模的迅猛发展，加剧了对人类生存环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入了过程控制的目标范围。综上所述，过程控制的主要目标应包括以下几个方面：保障生产过程的安全和平稳；达到预期的产量和质量；尽可能地减少原材料和能源损耗；把生产对环境的危害降低到最小程
6、度。,由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标记之一。,图0.1 锅炉汽包示意图,图0.1所示是工业生产中常见的锅炉汽包示意图。锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生产中不可缺少的设备。保持锅炉汽包内的液（水）位高度在规定范围内是非常重要的，若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含水量高，不仅会影响蒸汽质量，还可能溢出水。这些都是危险的。因此对汽包液位严加控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施。其液位是一个重要的工艺参数。,如果一
7、切条件（包括给水流量、蒸汽量等）都近乎恒定不变，只要将进水阀置于某一适当开度，则汽包液位能保持在一定高度。但实际生产过程中这些条件是变化的，如进水阀前的压力变化、蒸汽流量的变化等。此时若不进行控制（即不去改变阀门开度），则液位将偏离规定高度。因此，为保持汽包液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况，控制进水量 在此，工艺所要求的汽包液位高度称为设定值；所要求控制的液位参数称为被控变量或输出变量；那些影响被控变量使之偏离设定值的因素统称为扰动作用，如给水量、蒸汽量的变化等（设定值和扰动作用都是系统的输入变量）；用以使被控变量保持在设定值范围内的作用称为控制作用。为了保持液位为定值，手工控制时主
8、要有三步：观察被控变量的数值，即汽包的液位；把观察到的被控变量值与设定值加以比较，根据两者的偏差大小或随时间变化的情况，作出判断并发布命令；根据命令操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。如采用检测仪表和自动控制装置来代替手工控制，就成为自动控制系统。,现以图0.2所示的锅炉汽包液位过程控制系统为例，说明过程控制系统的原理。当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测仪表得到其测量值z；在自动控制装置（液位控制器LC）中，将测量值z与设定值x比较，得到偏差e=z-x；经过运算后，发出控制信号，这一信号作用于执行器（在此为控制阀），改变给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值
9、。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺对象就组成了一个过程控制系统。,图0.2 锅炉汽包液位过程控制系统示意图,通常，设定值是系统的输入变量，而被控变量是系统的输出变量。输出变量通过适当的检测仪表，又送回输入端，并与输入变量相比较，因此称为反馈。二者相加称为正反馈，二者相减称为负反馈。输出变量与输入变量相比较所得的结果叫做偏差，控制装置根据偏差的方向、大小或变化情况进行控制，使偏差减小或消除。发现偏差，然后去除偏差，这就是反馈控制的原理。利用这一原理组成的系统称为反馈控制系统，通常也称为自动控制系统。在一个过程控制系统中，实现自动控制的装置可以各不相同，但反馈控制的原理却
10、是相同的。由此可见，有反馈存在和按偏差进行控制，是过程控制系统最主要的特点。4过程控制的特点 生产过程的自动控制，一般是要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度。过程控制有如下特点。,（1）被控对象的多样性 工业生产各不相同，生产过程本身大多比较复杂，生产规模也可能差异很大，这就给对被控对象的认识带来困难。不同生产过程要求控制的参数各异，且被控参数一般不止一个，这些参数的变化规律不同，引起参数变化的因素也不止一个，并且往往互相影响，所以要正确描绘这样复杂多样的对象特性还不完
11、全可能，至今也只能对简单的对象特性有明确的认识，对那些复杂多样的对象特性，还只能采用简化的方法来近似处理。虽然理论上有适应不同情况的控制方法，但由于对象特性辨识的困难，要设计出适应不同对象的控制系统至今仍非易事。（2）对象存在滞后 由于热工生产过程大多在比较庞大的设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，内部介质的流动与热量转移都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势，因此当流入或流出对象的物质或能量发生变化时，由于存在容量、惯性和阻力，被控参数不可能立即反映出来。滞后的大小决定于生产设备的结构与规模，并同其流入量与流出量的特性有关。显然，主产设备的规模愈大，物质传递的距离愈长，热量传
12、递的阻力愈大，造成的滞后就愈大。一般来说，热工过程中大都是具有较大滞后的对象，对自动控制十分不利。,（3）对象特性的非线性 对象特性往往是随负荷而变的。当负荷不同时，其动态特性有明显的差别，即具有非线性特性。如果只以较理想的线性对象的动态特性作为控制系统的设计依据，则难以达到控制目的。（4）控制系统比较复杂 由于生产安全上的考虑，生产设备的设计制造都力求使各种参数稳定，不会产生振荡，所以作为被控对象就具有非振荡环节的特性。热工对象往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化后，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这种对象就具有惯性环节的特性。也有无自动趋向平衡能力的对象，被控量会一直变化而不能稳定
13、下来，这种对象就具有积分特性。,由于对象的特性不同，其输入与输出量可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制器的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。这些都要以对象的特性为据，而对象的特性正如上述那样复杂且难于充分认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。目前已设计出的各种各样的控制系统（如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等），都是通过必要的理论计算，采用现场调整的方法达到过程控制的目的的。,0.2.1 自动控制理论的发展历程 20世纪40年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在
14、人类社会的各个方面有着深远的影响。与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。在自动化的发展中，有两个明显的特点：第一，任务的需要、理论的开拓与技术手段的进展三者相互推动，相互促进，显示了一幅交错复杂但又轮廓分明的画卷，三者间显出清晰的同步性；第二，自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植和借鉴起了交流汇合的作用。自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动
15、、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代控制理论。第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要,0.2 过程控制的发展与趋势,到第二次世界大战前后，控制理论有了很大发展。Nyquist（1932）和Bode（1945）频率域法分析技术及稳定判据、Evans根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟的阶段，这是第二代控制理论。至此，自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入、单输出（SISO）控制
16、系统进行分析与设计的理论，这就是今天所谓的古典控制理论。古典控制理论最辉煌的成果之一要首推PID控制规律。PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效。目前，工业过程控制中8090的系统还使用PID控制规律。经典控制理论最主要的特点是：线性定常对象，单输入、单输出，完成镇定任务。即便对这些极简单对象的描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展。从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。为适应多种结构系统的需要，在控制器方面，单元组合式仪表应运而生。在20世纪6070年
17、代的相当长的一段时期内，气动单元组合仪表（QDZ）和电动单元组合仪表（DDZ）是控制仪表的主流。20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它是以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的，而以在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统（LQG）设计方法宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。第三代控制理论在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，在过程控制领域也有所移植。,从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形成了大系统理论。其核心思想是系统的分解与协调。多级递阶优化与控制正是应用大系统理论的典范。
18、实际上，大系统理论仍未突破现代控制理论的思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其他复杂控制系统仍然束手无策。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用0.2.2 过程控制系统的发展与趋势 从系统结构来看，过程控制已经经历了四个阶段。1、基地式控制阶段（初级阶段）20世纪50年代，生产过程自动化主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表（如自力式温度控制器、就地式液位控制器等），实现生产设备就地分散的局部自动控制。在设备与设备之间或同
19、一设备中的不同控制系统之间，没有或很少有联系，其功能往往限于单回路控制。过程控制的目的主要是几种热工参数（如温度、压力、流量及液位）的定值控制，以保证产品质量和产量的稳定。时至今日，这类控制系统仍没有被淘汰，而且还有了新的发展，但所占的比重大为减少。,3计算机控制的初级阶段 20世纪70年代出现了计算机控制系统，最初是直接数字控制（DDC）实现集中控制，代替常规的控制仪表。但由于集中控制的固有缺陷，未能普及与推广就被集散控制系统（DCS）所替代。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化，有利于安全平稳生产。就控制策略而言，DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂的控制
20、算法，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。,4.综合自动化阶段 20世纪80年代以后出现二级优化控制，在DCS的基础上实现先进 控制和优化控制。在硬件上采用上位机和DCS（或电动单元组合仪表）相 结合，构成二级计算机优化控制。随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统（CIPS）。同时，以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通信的现场总线网络控制系统（FCS）。FCS将对控制系统结构带来革命性变革，开辟控制系统的新纪元。当前自动控制系统发展的一些主要特点是：生产装置实施先进控制成为发展主流；过程
21、优化受到普遍关注；传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化系统（CIPS）是发展方向。,综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作优化、先进控制和基层控制等内容的递阶控制系统，亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统，CIPS）。这类自动化是靠计算机及其网络来实现的，因此也称为计算机集成过程系统（CIPS）。这里，“计算机集成”指出了它的组成特征，“过程系统”指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相对应，有人也称之为过程工业的CIMS。可以认为，综合自动化是当代工业自动化的主要潮流。它以整体优化为目标，以计算机为主要技术工具，以生产过程的管理和控制的自动化
22、为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整体的系统。,第1章过程控制基础知识,内容提要本章概括性地论述了学习过程控制所必须掌握的基础知识。主要介绍了自动控制系统的组成和分类，对自动控制系统运行的基本要求，并以满足稳定性、快速性和准确性三方面要求的单项性能指标作为重点，详细描述了衡量过程控制系统控制质量的品质指标；分别介绍了用理论分析法和实验测试法求取被控过程数学模型的一般步骤及主要注意事项。最后重点讨论常规控制器的基本控制规律及其对系统控制质量的影响。,1.1 自动控制系统的组成及分类,第1章 过程控制基础知识,1.1.1 人工控制与自动控制自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。下面先
23、通过一个实例，将人工控制与自动控制进行对比分析，从而进一步认识自动控制系统的特点及组成。如图1.1（a）所示是工业生产中常见的生产蒸汽的锅炉设备。在生产过程中将锅炉汽包内的水位高度保持在规定范围内是非常重要的，如果水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧干而发生事故；若水位过高，将使生产的蒸汽附带水滴，这不仅会影响蒸汽质量，汽包内的水还有可能溢出。这些都是危险的。因此对汽包液位严加控制是保证锅炉正常生产必不可少的重要条件。如果一切条件（包括给水流量、蒸汽量等）都近乎恒定不变，只要将进水阀置于某一适当开度，则汽包液位能保持在一定高度。但实际生产过程中这些条件是变化的，如进水阀前的压力变化、蒸汽流量的
24、变化等。此时若不进行控制（即不去改变阀门开度），则液位将偏离规定高度。因此，为保持汽包液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况，控制进水量。在此，把工艺所要求的汽包液位高度称为设定值；把所要求控制的液位参数称为被控变量或输出变量；那些影响被控变量使之偏离设定值的因素统称为扰动作用，如给水量、蒸汽量的变化等（设定值和扰动作用都是系统的输入变量）；用以使被控变量保持在设定值范围内的作用称为控制作用。,第1章过程控制基础知识,如图1.1（b）所示为人工控制示意图。为保持汽包液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制进水量。手工控制的过程主要分为三步：,第1章过程控制基础知识,用眼睛观察玻璃液位
25、计中的水位高低以获取测量值，并通过神经系统传送到大脑；大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后根据操作经验发出控制命令；根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀门的开度，使给水量与产汽消耗量相等，最终使水位保持在工艺要求的高度上。在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、判断和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、再施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持汽包水位的恒定。如采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为自动控制系统。如图1.1（c）所示为锅炉汽包液位自动控制系统示意图。这里以此为例来说明自动控制系统的工作原理。,第1章过程
26、控制基础知识,当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的测量信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到控制汽包水位稳定的目的。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动控制系统。通常，设定值是系统的输入变量，而被控变量是系统的输出变量。系统的输出变量通过适当的测量变送仪表又引回到系统输入端，并与输入变量相比较，这种做法称为“反馈”。当反馈信号与
27、设定值相减时，称为负反馈；反馈信号取正值与设定值相加，称为正反馈。输出变量与输入变量相比较所得的结果叫做偏差，控制装置根据偏差的方向、大小或变化情况进行控制，使偏差减小或消除。发现偏差，然后去除偏差，这就是反馈控制的原理。利用这一原理组成的系统称为反馈控制系统，通常也称为自动控制系统。在一个自动控制系统中，实现自动控制的装置可以各不相同，但反馈控制的原理却是相同的。由此可见，有反馈存在、按偏差进行控制，是自动控制系统最主要的特点。,1.1.2 自动控制的基本方式,自动控制系统一般有两种基本控制方式。我们通常按照控制系统是否设有反馈环节来对其进行分类。不设反馈环节的，称为开环控制系统；设有反馈环
28、节的，称为闭环控制系统。这里所说的“环”，是指由反馈环节构成的回路。下面介绍这两种控制系统的控制特点。1开环控制系统 若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到输入端，不形成信号传递的闭合环路。在开环控制系统中，控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。例如，家用洗衣机便是开环控制系统的实际例子。洗衣机从进水、洗涤、漂洗到脱水的整个洗衣过程，都是根据设定的时间程序依次进行的，而无需对输出信号（如衣服清洁程度、脱水程度等）进行测量。显然，开环控制系统不是反馈控制系统。,又如，图1.2所示的数控加工机床中广泛应用的精密定位控制系统，也是一个没有反馈环节的
29、开环控制系统。其工作流程如下：预先设定的加工程序指令通过运算控制器（可为微机或单片机）去控制脉冲的产生和分配，发出相应的脉冲；再由这些脉冲（通常还要经过功率放大）驱动步进电机，通过精密传动机构带动工作台（或刀具）进行加工。此系统的被控对象是工作台；加工程序指令是输入量；工作台位移是被控变量，它只根据控制信号（控制脉冲）而变化。系统中既不对被控变量进行测量，也无反馈环节，输出量（被控变量）并不返回来影响控制部分，因此这个定位控制系统是开环控制。此系统结构比较简单，但不能保证消除误差，图中，步进电机是一种由“脉冲数”控制的电机，只要输入一个脉冲，电机就转过一定角度，称为“一步”。所以根据工作台所需
30、要移动的距离，输入端给予一定的脉冲。如果因为外界扰动，步进电机多走或少走了几步，系统并不能“觉察”，从而造成误差。,开环控制系统的原理方框图如图1.3所示。图1.3 开环控制系统原理方框图 由此可见，由于开环控制方式不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，所以开环控制方式的特点是：无反馈环节；系统结构和控制过程均很简单，容易构成；操作方便；成本比相应的闭环系统低。由于不测量被控变量，也不与设定值比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，且无法消除偏差，因此开环控制的缺点是抗扰动能力差、控制精度不高。故一般情况下开环控制系统只能适用于对控制性能要求较低的场合。其具体应用原则如下
31、：当不易测量被控变量或在经济上不允许时，采用开环控制比较合适；在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大（或这些扰动因素产生的误差可以预先确定并能进行补偿）的情况下，也应尽量采用开环控制系统。但是当系统中存在无法预计的扰动因素、并且对控制性能要求较高时，开环控制系统便无法满足技术要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。,2闭环控制系统 凡是系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制系统，就称为闭环控制系统。在闭环控制系统中，系统的输出信号通过反馈环节返回到输入端，形成闭合环路，故又称为反馈控制系统。图1.1（a）中的锅炉汽包液位自动控制系统就是一个具有反馈环节的闭环控制系统，
32、其原理方框图如图1.4所示。图1.4锅炉汽包液位闭环控制系统原理方框图 从图1.4中可以看出，为使被控变量稳定在工艺要求的设定值附近，闭环控制系统均采用负反馈方式。在一个负反馈控制系统中，将被控变量通过反馈环节送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，从而实现控制作用。因此，“采用负反馈环节，按偏差进行控制”是闭环控制系统在结构上的最大特点。不论什么原因引起被控变量偏离设定值，只要出现偏差就会产生控制作用，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的，这是闭环控制的优点。这一优点使得闭环控制系统具有较高的控制精度和较强的抗扰动能力。因此，在实现对生产过程进行自动控制的过程控制系统
33、中，均采用闭环控制。闭环控制需要增加检测、反馈比较、控制器等部件，这会使系统较为复杂、成本提高。特别需要指出的是，闭环控制会带来使系统的稳定性变差甚至造成不稳定的副作用。这是由于闭环控制系统按偏差进行控制，所以尽管扰动已经产生，但在尚未引起被控变量变化之前，系统是不会产生控制作用的，这就使控制不够及时。此外，如果系统内部各环节配合不当，会引起剧烈振荡，甚至会使系统失去控制。这些是闭环控制系统的缺点，在自动控制系统的设计和调试过程中应加以注意。,1.1.3自动控制系统的组成,在研究自动控制系统时，为了更清楚地说明控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图来表示自动控制系统的原
34、理。方框图也是过程控制系统中的一个重要概念和常用工具之一。如图1.5所示，为通用的自动控制系统原理方框图，对该方框图说明如下。,图1.5自动控制系统通用方框图,（1）图中每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用一条带箭头的线段表示它们相互间的信号联系（而不表示具体的物料或能量），箭头方向表示信号传递的方向，线上的字母说明传递信号的名称。（2）进入环节的信号为环节输入，离开环节的信号为环节输出。输入会引起输出变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化，环节的这一特性称为“单向性”，即箭头具有“单向性”。（3）在方框图中，任何一个信号沿着箭头方向前进，最后又回到原来的起点，构成一个闭合回路。闭
35、环控制系统的闭合回路是通过检测元件及变送器，将被控变量的测量值送回到输入端与设定值进行比较而形成的，所以自动控制系统是一个负反馈闭环控制系统。（4）方框图中的各传递信号都是时间函数，它们随时间而不断变化。在定值控制系统中，扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它恢复到设定值。扰动作用与控制作用构成一对主要矛盾时，被控变量则处于不断运动之中。图1.5所示的方框图采用下列符号：x（t）设定值；z（t）测量值；e（t）偏差，e（t）x（t）z（t）；u（t）控制作用（控制器输出）；y（t）被控变量；q（t）操纵变量；f（t）扰动。由图1.5可以看出，一般自动控制系统包括被控对象、检测变送单元、控
36、制器和执行,（1）被控对象。被控对象也称被控过程（简称过程），是指被控制的生产设备或装置。工业生产中的各种塔器、反应器、换热器、泵和压缩机及各种容器、储槽都是常见的被控对象，甚至一段管道也可以是一个被控对象。在复杂的生产设备中（如精馏塔、吸收塔等），一个设备上可能有几个控制系统，这时在确定被控对象时，就不一定是生产设备的整个装置，只有该装置的某一与控制有关的相应部分才是某一个控制系统的被控对象。在图1.1中，被控对象就是锅炉汽包。（2）检测变送单元。该单元一般由检测元件和变送器组成。其作用是测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号的输出，作为测量值，即把被控变量y（t）转化为测量值z（t）
37、。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统一的气压信号（20100 kPa）或直流电流信号（010 mA或420 mA）。（3）控制器。控制器也称调节器。它将被控变量的测量值与设定值进行比较得出偏差信号e（t），并按某种预定的控制规律进行运算，给出控制信号u（t）。特别需要指出的是，在自动控制系统分析中，把偏差e(t)定义为e(t)x(t)z(t)。然而在仪表制造行业中，却把z(t)x(t)作为偏差，即e(t)z(t)x(t)，控制器以e(t)z(t)x(t)进行运算给出控制信号。两者的符号恰好相反。（4）执行器。在过程控制系统中，常用的执行器是控制阀，其中以气动薄膜控制阀最为多
38、用。执行器接受控制器送来的控制信号u（t），直接改变操纵变量q（t）。操纵变量是被控对象的一个输入变量，通过操作这个变量可克服扰动对被控变量的影响，操纵变量通常是执行器控制的某一工艺变量。通常将系统中控制器以外的部分组合在一起，即将被控对象、执行器和检测变送环节合并为广义对象。因此，也可以将自动控制系统看成是由控制器和广义对象两部分组成,1.1.4 自动控制系统的分类,自动控制系统的分类方法有多种，每一种分类方法都反映了控制系统某一方面的特点。这里为了便于分析反馈控制系统的特性，按设定值的变化情况，将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。1定值控制系统 设定值保持不
39、变（为恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。在定值控制系统中，由于设定值是固定不变的，扰动就成为引起被控变量偏离设定值的主要因素，因此定值控制系统的基本任务就是要克服扰动对被控变量的影响，使其保持为设定值。所以也把仅以扰动量作为输入的系统叫做定值控制系统。本书叙述的自动控制系统均为定值控制系统。工业生产中大多数都是定值控制系统，如各种温度、压力、流量、液位等控制系统，恒温箱的温度控制，稳压电源的电压稳定控制等。换热器出口温度控制系统和图1.1（a）所示的锅炉汽包水位自动控制系统即属于定值控制系统。如图1.6（a）所示，是一个用电阻丝加热的恒温箱温度控制系统。控制变压器活动触点的位置即改变了输
40、入电压，使通过电阻丝的电流产生变化，从而将恒温箱控制在不同的温度值上。所以，控制活动触点的位置可以达到控制温度的目的。这里的被控变量是恒温箱的温度，经热电偶测量并与设定值比较后，其偏差经过放大器放大，控制电动机的转向，然后经过传动装置，移动变压器的活动触点位置，其控制结果使偏差减少，直到温度达到设定值为止。其系统方框图如图1.6（b）所示。,2 随动控制系统 随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系统的特点是设定值在不断变化，而且没有 确定的规律，是时间的未知函数，并且要求系统的输出（被控变量）随之而变化。自动 控制的目的是要使被控变量能够及时而准确地跟踪设定值的变化。例如，雷达跟踪系统 就是
41、典型的随动控制系统；各类测量仪表中的变送器本身亦可以看做是一个随动控制系 统，它的输出（指示值）应迅速、正确地随着输入（被测变量）而变化。如图1.7（a）所示，是工业生产中常用的比值控制系统。现以加热炉燃料与空气的混合比例控制系统为例说明其控制过程。在该系统中，燃料量是按工艺过程的需要而手动或自动地不断改变的，控制系统应使空气量跟随燃料量而变化，并自动按规定的比例增、减空气量，保证燃料经济地燃烧。如图1.7（b）所示是该系统的方框图，从图中可以清楚地看出，该系统也是一个随动控制系统。,3 程序控制系统 程序控制系统的设定值是根据工艺过程的需要而按照某种预定规律变化的，是一个已知的时间函数，自动
42、控制的目的是使被控变量以一定的精度、按规定的时间程序变化，以保证生产过程顺利完成。程序控制系统主要用于实现对周期作业的工艺设备的自动控制，如某些间歇式反应器的温度控制、冶金工业中退火炉的温度控制、程序控制机床等。,如图1.8所示，是某电炉炉温程序控制系统示意图。给定电压U0由程序装置给出（根据需要按时间变化，由时钟机构和凸轮产生），并与热电偶所产生的热电势U1比较。若U1U0，则放大器输入端有偏差电压UU0U1产生，此电压经放大后送到电动机。电动机根据偏差大小和极性而动作，经减速器改变电炉电阻丝的电流，使电炉内的温度发生变化，直至U1U0为止。此时放大器输入的偏差电压UU0U10，电动机不转动
43、。当U0按一定程序变化时，电炉温度也随之而变化，使热电势U1时时跟踪给定电压U0。,上述各种反馈控制系统中，各环节间信号的传送都是连续变化的，故称为连续控制系统或模拟控制系统，通称为常规过程控制系统。在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等工业生产中，定值控制系统占大多数，是主要的控制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统。,1.2系统运行的基本要求1.2.1 系统的动态与静态,1静态和静态特性自动控制系统的输入有两种，一种是设定值的变化（或称设定作用），另一种是扰动的变化（或称扰动作用）。当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。在自
44、动控制系统中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态，称为系统的静态（或稳态）。在此，值得指出的是，系统的静态与平时认为的静止不动是不相同的。静止，习惯上都是指静止不动。而在自动控制领域中，系统的静态，并非指系统内没有物料与能量的流动，而是指各个参数（或信号）的变化率为零，即参数保持不变，此时的控制系统暂时处于相对的平衡状态。自动控制系统在静态时，生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出，只是整个生产过程暂时平稳地进行，各参数保持不变。例如，前述锅炉汽包液位控制系统中，当给水量与蒸汽量相等时，液位保持不变，此时称系统达到了平衡，亦即处于静态。同样，对于系统中的任何一个环节来说，也存在静态。在保持平衡时
45、环节的输出与输入关系称为环节的静态特性。系统和环节的静态特性是很重要的。系统的静态特性是控制品质的重要一环；被控过程的静态特性是扰动分析、确定控制方案的基础；检测装置的静态特性反映了它的精度；控制装置和执行器的静态特性对控制品质有显著的影响。,2动态和动态特性当系统暂处于平衡状态时，由于扰动作用或设定值变化（即输入发生变化），系统的平衡受到破坏，被控变量（即输出）随即发生变化，偏离设定值，自动控制装置就会相应动作，进行控制以克服扰动的影响，力图使系统恢复平衡。从输入开始变化时起，经过控制，直到再建立静态，在这段时间中整个系统的各个环节和变量都处于变动状态。在自动控制系统中，把被控变量随时间而变
46、化的不平衡状态，称为系统的动态。例如，前述锅炉汽包液位控制系统中，当给水量与蒸汽量不相等时，液位将上下波动变化，此时系统处于动态。系统处于动态时的输出与输入之间的关系称为系统的动态特性。同样，对任何一个环节来说，当输入变化时，也将引起输出的变化，其间的关系称为环节的动态特性。在控制系统中，了解动态特性甚至比了解静态特性更为重要，也可以说，静态特性是动态特性的一种极限情况。在定值控制系统中，扰动不断产生，控制作用也就不断克服其影响，系统总是处于动态过程中。同样，在随动控制系统中，设定值不断变化，系统也总是处于动态过程中。因此，控制系统的分析重点要放在系统和环节的动态特性上，这样才能设计出良好的控
47、制系统，以满足生产提出的各种要求。,3静态与动态的辩证关系以哲理的观点看，在自动控制系统中，平衡和静态是暂时的、相对的、有条件的，不平衡和动态才是普遍的、绝对的、无条件的。在生产过程中，扰动作用总是不断地产生，控制作用也就不断地去克服扰动对被控变量的影响，最后使被控变量恢复到设定值上来。所以，自动控制系统总是处在动态之中。,1.2.2 基本要求,自动控制理论是研究各种自动控制系统的共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特殊要求，但是，对于每一种类型的控制系统，对被控变量变化全过程提出的基本要求都是一样的。由于系统在控制过程中存在着动态过程，所以自动控制系统性能
48、的好坏，不仅取决于系统稳态时的控制精度，还取决于动态时的工作状况。因此，对自动控制系统的基本技术性能的要求，包含有静态和动态两个方面，一般可以将其归纳为稳定性、快速性和准确性，即“稳、快、准”的要求。1稳定性稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到外来作用后，经过一段时间，其被控变量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的；否则，则称系统是不稳定的。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控变量偏离设定值的初始偏差应随时间的增长而逐渐减小或趋近于零。具体来说，对于稳定的定值控制系统，当被控变量因扰动作用而偏离设定值后，经过一个动
49、态过程，被控变量应恢复到原来的设定值状态；对于稳定的随动控制系统，被控变量应能始终跟踪设定值的变化。反之，不稳定的控制系统，其被控变量偏离设定值的初始偏差将随时间的增长而发散，因此，不稳定的控制系统无法实现预定的控制任务。线性自动控制系统的稳定性是由系统结构和参数所决定的，与外界因素无关。因此，保证控制系统的稳定性，是设计和操作人员的首要任务。,2快速性一个能在工业生产中实际应用的控制系统，仅仅满足稳定性要求是不够的。为满足生产实际的要求，还必须对其动态过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。快速性是通过动态过程持续时间的长短来表征的。输入变化后，系统重新稳定下来所经历的过渡过程的时间越短
50、，表明快速性越好；反之亦然。快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度。因此，提高响应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系统的控制效率和控制过程的精度都是有利的。3准确性理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。但实际上，由于系统结构和参数、外来作用的形式等非线性因素的影响，被控变量的稳态值与设定值之间会有误差存在，称为稳态误差（余差）。稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标志，在技术指标中一般都有具体要求。稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能会造成系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统
