化工仪表及自动化第一章

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1、第一章 化工控制系统基本概念 第一节 化工自动化的主要内容 为了实现化工生产过程自动化 ,一般要包括自动检测 ,自 动保护 ,自动操纵和自动控制等方面的内容 ,现分别予以介 绍 。 1. 自动检测系统 利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量 ,指示或 记录的 ,称为自动检测系统 ,它代替了操作人员对工艺参数 的不断观察与记录 ,因此起到人的眼镜的作用 图 1-1的热交换器是利用蒸汽来加热冷液的 ,冷液经 4加热后 的温度是否达到要求 ,可用测温元件配上平衡电桥来进行测 量 ,指示和记录 :冷液的流量可以用孔板流量计来进行检测： 蒸汽压力可以用压力表来指示 ,这就是自动检测系统 。 2. 自动信

2、号和联锁保护系统 生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响，导致工 艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况时，就 有引起事故的可能。为此，常对某些关键性参数设有 自动信号联锁装置，当工艺参数超过了允许范围。危 险状态时，联锁系统就自动采取紧急措施，打开安全 阀或切断某些通路，并及时紧急停车，以防止事故的 发生和扩大 。 它是生产过程中的一种安全装置。例如某反应器的反应温度 超出允许极限值，自动信号系统就会发出声光信号，报警给 工艺操作人员以及时处理事故 .由于生产过程的强化，往往靠 操作人员处理事故已成为不可能，因为在一个强化的生产过 程中，事故常常会在几秒钟内发生，如当反应器的温度或压 力进

3、入危险限时，联锁系统可立即采取应急措施，加大冷却 剂量或关闭进料阀门，减缓或停止反应，从而可避免引起爆 炸等生产事故。 3. 自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设 备进行某些周期性操作，例如合成氨造气车地煤气发生炉， 要求按照吹风，上吹，下吹制气，吹净等步骤周期性地接通 空气和水蒸气。利用自动操纵机可以代替人工自动地按照一 定的时间程序扳动空气和水蒸汽的阀门，使它们交替地接通 煤气发生炉，从而极大地减轻了操作工人的重复性体力劳动。 自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自 动地投入运行或自动停车。 4. 自动控制系统 生产过程中各种工艺条件不可

4、能是一成不变的。特别是化工 生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联着，当其中某 一设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些 参数或多或少地波动偏离了正常的工艺条件，为此 ,就需要用 一些自动控制装置 ,对生产中某些关键性参数进行自动控制，使 它们在受到外界干扰 (扰动 )的影响而偏离正常状态时，能自动地 控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自 动控制系统。 由以上所述可以看出，自动检测系统只能完成“了解”生 产过程进行情况的任务：信号联锁保护系统只能在工艺条件 进入某种极限状态时，采取安全措施，以避免生产事故的发 生。 自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种周

5、期性 操纵： 只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺 参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证 生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。因此，自动控制 系统是自动化生产中的核心部分，也是本课程了解和学习 的重点。 第二节自动控制系统的组成 自动控制系统是在人工控制的基础上生产和发展起 来的。所以，在开始介绍自动控制的时候，先分析人 工操作并与自动控制加以比较，对分析和了解自动控 制系统是有裨益的。 图 1 2所示是一个液体贮槽，在生产中常用来作为 一般的中间容器或成品罐。 从前一个工序来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装，但流量 Q1(或 图

6、1-2 流出量 Q0 )波动时会引起槽内液体的波动，严重时会溢出 或抽空解决这个问题的最简单方法，是以贮槽液位位操作 治标，以改变出口阀门开度为控制手段，如图 1 2（ a） 所示。 当液位上升越多，阀门开得 越大，反之，当液位下降越 多，阀门关得越小。为了使 液位上升和下降都有足够得 余地，选择玻璃管液位剂指 示值中间的某一点为正常工 作时的液位高度，通过改变 出口阀门开度而使液位保持 在这一高度上，这样就不会 出现贮槽中液位过高而溢至 槽外，或使贮槽内液体抽空 （ 1） 检测 用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件 )中液位的高 低，并通过神经系统告诉大脑。 （ 2）运算（思考）、命令 大脑根据

7、眼睛看到的液位高度， 加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正 负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 （ 3） 执行 根据大脑发出的命令 ,通过手去改变阀门的开度 , 以改变出口流量 Q0 ,从而使液 位保持在所需高度上。 而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作 有三方面（如图 1 2（ b） 所示）。 眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算和执行三 个作用，来完成测量、求偏差、操纵阀门以纠正偏差的 全过程 .由于人工控制受到人的生理上的限制，因此在控 制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。为 了提高控制精度和减轻劳动强度，可用一套自动化装置 来代替上

8、树人工操作，这样就由人工控制变为自动控制 了。液体贮槽和自动化装置一起构成了一个自动控制系 统如图 1-3所示。 图 1 3 液位自动控制 变送器 控制器 给定值 自动化装置 0Q h 为了完成人的眼 、 脑 、 手三个器官的任务 ,自动化装置一般 至少也应包括三个部分 ,分别用来模拟人的眼 、 脑和手的功 能 .如图 1-3所示 ,自动化装置的三个部分分别是 : （ 1） 测量元件与变送器 它的功能是测量液位 ,并将液位的高 低转化为一种特定的、统一的输出信号 (如气压信号或电压、 电流信号等 )： （ 2） 自动控制器 它接受变送器送来的信号 ， 与工艺需要保 持的液位高度相比较得出偏差

9、， 并按某种运算结果 ， 然后将 此结果用特定信号 （ 气压或电流 ） 发送出去： （ 3）执行器 通常指控制阀，它与普通的阀门一样，只 不过自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启 度。 显然 ， 这套自动化装置具有人工控制中操作人员的 眼 、 脑 、 手的部分功能 ， 因此 ， 它能完成自动控制贮槽 中液位高低的任务 。 在自动控制系统的组成中，除了必须具有前述的自动 化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。 在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设 备或机械叫做被控对象，简称对象。图 1-3所示的液体贮 槽就是这个液位控制系统的被控对象。化工生产中的各 种塔器、反应器、换

10、热器、泵和压缩机以及各种容器、 贮槽都是常见的被控对象，甚至一段输气管道也可以是 一个被控对象。在复杂的生产设备中，如精馏塔、吸收 塔等，在一个设备上可能有好几个控制系统。这时在确 定被控对象时，就不一定是生产设备的整个装置。譬如 说，一个精馏塔，往往塔顶需要控制温度、压力等，塔 底又需要控制温度、塔釜液位等，有时中部还需要控制 进料流量，在这种情况下，就只有塔底某一与控制有关 底相应部分才是某一个控制系统底被控对象。例如，在讨论 进料流量的控制系统时，被控对象指的是进料管道及阀门等， 而不是整个精馏塔本身。 第三节 工艺管道及控制流程图 在工艺流程确定以后，工艺人员和自控设计人员应共同 研究

11、确定控制方案，控制方案地确定包括流程中各测量 点地选择、控制系统地确定及有关自动信号、联锁保护 系统的设计等。在控制方案确定以后，根据工艺设计给 出的流程图，按其流程顺序标注出响应的测量点、控制 点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工 艺管道及控制流程图（ PID）。 图 1-4是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流 程图 。 为了说明问题方便 ， 对实际的工艺过程及控制方 案都作出了部分修改 。 从脱甲烷塔出来的釜液进入脱乙 烷塔脱除乙烷 。 从脱乙烷塔塔顶出来的碳二馏分经塔顶 冷凝器冷凝后 ， 部分作为回流 ， 其余则去乙烷加氢反应 器进行加氢反应 。 从脱乙烷塔底出来的釜液

12、部分经再沸 器后返回塔底 ， 其余则去脱丙烷塔脱除丙烷 。 再绘制控 制流程图是 ， 图中所采用的图例符号要按有关的技术规 定进行 ， 可参见化工不设计标准 HGJ7-87 化工过程检 测 、 控制系统设计符号统一规定 。 下面结合图 1 4对 其中一些 常见的统一规定做一简要介绍 。 一 、 图形符号 1、 测量点 （ 包括检出元件 、 取样点 ） 是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起 点 ， 一般无特定的图形符号 ， 如图 1-5所示 。 图 1-4中的塔顶取 压点和加热蒸汽管线上的取压点都属于这种情形 。 必要时 ， 检测元件液可以用象形或图形符号表示 。 例如流量 检测

13、采用孔板时 ， 检测点也可用图 1-4中脱乙烷塔的进料管线上 的符号表示 。 2.连接线 通用的仪表信号线均以细实线表示 。 连接线表示交叉及相 接时 ， 采用图 1-6的形式 。 必要时也可用加箭头的方式表示信 号的方向 。 在需要时 ， 信号线也可接气信号 、 电信号 、 导压 毛细管等等采用不同的表示方式以示区别 。 3.仪表 （ 包括检测 、 显示 、 控制 ） 的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈 ， 直径约 10mm， 对于不 同的仪表安装位置的图形符号如图 1 1所示 。 图 1-5 测量点的一般表示方法 图 1-6 连接线的表示方法 测量点 交叉 相接 方向 . . 表

14、1-1 仪表安装位置的图形符号 序号 1 2 3 安装位置 就地安装仪 表 集中仪表盘 面安装仪表 就地仪表 盘面安装 仪表 图形符号 备注 嵌在管 道中 集中仪表盘 后安装仪表 就地仪表盘 后安装仪表 对于处理两个或两个 以上被测变量 ， 具有 相同或不同功能的复 式仪表时 ， 可用两个 相切的圆或分别用细 实线圆与细虚线圆相 切表示 （ 测量点在图 纸上距离较远或不在 同一图纸上 ） ， 如图 1 7所示 。 图 1-7 复式仪表的表示方法 二 、 字母代号 在控制流程图上 ， 用来表示仪表的小圆圈的上半圆内 ， 一 般写有两位 （ 或两位以上 ） ， 字母 ， 第一个字母表示被测变 量

15、， 后继字母表示仪表的功能 ， 常用被测变量和仪表功能的 字母代号见表 1-2。 表 1-2 被测变量和仪表功能的字母代号 注 ， “ 供选用的字母 （ 例如表中 Y） ， 指的是在个别设计中反复使用 ， 而本表内 未列入含义的字母 。 使用时字母含义需在具体工程的设计图例中作出规定 ， 第 一位字母是一种含义 ， 而作为后继字母 ， 则为另一种含义 。 ” 以图 1-4的乙烷塔控制流程图、来说明如何以字母代号 的组合来表示被测变量和仪表功能的。塔顶的压力控制系 统中的 PIC 207， 其中第一个字母 P表示被测变量为压力， 第二位字母 I表示具有指示功能，第三个字母 C表示具有控 制功能，

16、因此 PIC的组合就表示一台具有指示功能底 压力 控制器。该控制系统是通过改变气相采用量来维持塔压稳 定的。同样，回流罐液位控制系统中的 LIC-201是一台具 有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷 剂量来维持回流罐中液位稳定的。 在塔的下部的温度控制系统中的 TRC 210表示一台具 有记录功能的温度控制器，它是表示通过改变进入再沸 器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。当一台仪表同 时具有指示、记录功能时，只需标注字母代号“ R”,不 标“ I”,所以 TRC-210可以同时具有指示、记录功能，同 样，在进料管线上的 FR-212可以表示同时具有指示、记 录功能的流量仪表。 在

17、塔底液位控制系统中的 LICA 202表示一台具有指 示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量 来维持塔釜液位稳定的。仪表圆圈外标有“ H”、 “L”字 母，表示该仪表同时具有高、低限报警，在塔釜液位过 高或过低时，会发出声、光报警信号。 三 、 仪表位号 在检测 、 控制系统中 ， 构成一个回路的每个仪表 （ 或元 件 ） 都应有自己的仪表位号 。 仪表位号是由字母代号组 合和阿拉伯数字编号两部分组成 。 字母代号的意义前面 已经解释过 。 阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部 ， 其第 一位数字表示工段号 ， 后续数字 （ 二位或三位数字 ） 表 示仪表序号 。 图 1-4中仪表的数字编

18、号第一位都是 2， 表 示脱乙烷塔在乙烯生产中属于第二工段 。 通过控制流程 图 ， 可以看出其上每台仪表的测量点位置 、 被测变量 、 仪表功能 、 工段号 、 仪表序号 、 安装位置等 。 例图 1-4中 的 PI-206表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示 仪表 ， 该仪表为就地安装 ， 工段号为 2， 仪表号为 06。 而 TRC 210表示同一工段的一台温度纪录控制仪 ， 其温度 的测量的在塔的下部 ， 仪表安装在集中仪表盘面上 。 第四节自动控制系统方块图 在研究自动控制系统时 ， 为了能更清楚地表示出一个自 动控制系统中各个组分环节之间的相互影响和信号联系 ， 便于对系统分析

19、研究 ， 一般用方块图来表示控制系统的组 成 。 例如图 1-3的液位自动控制系统可以用图 1-8的方块图 表示其信号的相互关系 ， 箭头指向方块表示为这个环节的 输入 ， 箭头离开方块表示这个环节的输出 。 线旁的字母表 示相互间的作用信号 。 图 1-3的贮槽在图 1-8中用一个 “ 对象 ” 方块来表示 ， 其 液位就是生产过程中所要保持恒定的变量 ， 在自动控制系 统 给定值 测量元件 变送器 控制器 控制阀 对象 被控变量 干扰作用 控制器输出 操纵变量 x z e p q y 图 1-8 自动控制系统方块图 f 中称为被控变量 ， 用 y来表示 。 在方块图中 ， 被控变量 y 就

20、是对象的输出 。 影响被控变量 y的因素来自进料流量的 改变 ， 这种引起被控变量波动的外来因素 ， 在自动控制 系统中称为干扰作用 （ 扰动作用 ） ， 用 f表示 。 干扰作用 是作用于对象的输入信号 。 与此同时 ， 出料流量的改变 是由于控制阀动作所致 ， 如果用一方块表示控制阀 ， 那 么 ， 出料流量即为 “ 控制阀 ” 方块的输出信号 ， 出料流 量的变化也是影响液位变化的因素 ， 所以也是作用对象 的输入信号 。 出料流量信号 q在方块图中把控制阀和对象 连接在一起 。 贮槽液位信号是测量元件及变送器的输入信号，而变 送器的输出信号 z进入比较机构，与工艺上需要保持的被 控变量

21、数值，即给定值（设定值） x进行比较，得出偏差 信号 e（ e x z）， 并送往控制器。比较机构实际上只 是控制器的一个组成部分，而不是一个独立的仪表，在 图中把它单独地画出来（一般方块图中是以或 表 示），为的是能更清楚地说明其比较作用。控制器根据 偏差信号的大小，按一定的规律运算后，发出信号 p送至 控制阀，使控制阀的开度发生变化，从而改变出料流量 以克服干扰对被控变量（液位）的影响。控制阀的开度 变化起着控制作用。具体实现控制作用的变量叫做操纵变 量，如图 1 3中流过控制阀的出料流量就是操纵变量。用 来实现控制作用的物料一般称为操纵介质或操纵剂，如上 述中的流出控制阀的流体就是操纵介

22、质。 用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统 。 例如 图 1 9所示的蒸汽加热器温度控制系统 ， 当进料流量或温 度变化等因素引起出口物料温度变化时 ， 可以将该温度变 化测量后送至温度控制器 TC。 温度控制器的输出送至控 制阀 ， 以改变加热蒸汽量来维持出口物 料的温度不变 。 这个控制系统同样可以用图 1 8的方 块图来表示 。 这时被控对象是加热器 ， 被控变量 y是出 口物料的温度 。 干扰作用可能是进料流量 、 进料温度 的变化 、 加热蒸汽压力的变化 、 加热器内部传热系数 或环境温度的变化等 。 而控制阀的输出信号即操纵变 量 q是加热蒸汽量的变化 ， 在这里 ， 加热蒸

23、汽是操纵介 质或操纵剂 。 必须指出 ， 方块图中的每一个方块都代表一个具体 的装置 。 方块与方块之间的连接线 ， 只是代表方块之 间的信号联系 ， 并不代表方块之间的物料联系 。 方块 之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向 ， 与 工艺流程图上的物料线是不同的 。 在工艺流程图上的物料 线是代表物料从一个设备进入另一个设备 ， 而方块图上的 线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致 。 例如对于控 制阀来说 ， 它控制着操纵介质的流量 （ 即操纵变量 ） ， 从 而把控制作用施加与被控对象去克服干扰的影响 ， 以维持 被控变量在给定值上 。 所以控制阀的输出信号 q， 任何情 况下都是指

24、向被控对象的 。 然而控制阀所控制的操纵介质 却可以是流入对象的 （ 例图 1-9中的加热蒸汽 ） ， 也可以 是由对象流出的 （ 例图 1-3中的出口流量 ） 。 这说明方块 图上控制阀的引起线只是代表施加到对象的控制作用 ， 并 不是具体流入或流出对象的流体 。 如果这个物料确实是流 入对象的 ， 那么信号与流体的方向才是一致的 。 对于任何以一个简单的自动控制系统，只要按照上面的原 则去作它们的方块图时，就会发现，不论它们在表面上有 多大差变，它的各个组成部分在信号传递关系上都形成一 个闭合的环路。其中任何一个信号，只要沿着箭头方向前 进，通过若干个环节后，最终又会回到原来的起点。所以，

25、 自动控制系统是一个闭环系统。 再看图 1-8中，系统输出变量是被控变量，但是它经过测量 元件和变送器后，又反悔到系统的输入端，与给定值进行 比较。这种把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些 环节重新返回到输入端的做法叫做反馈。从图 1-8还可以看 出，在反馈信号直接或经过一些环节而在给定值 x旁有一个 正号“ +”（正号可以省略）。这里正和负的意思是在比较 时， 以 x作为正值，以 z作为负值，也就是到控制器的偏差信 号 e x z。 因为图 1-8中的反馈信号 z取负值，所以叫负 反馈，负反馈的信号能够使原来的信号减弱。如果反馈 信号取正值：反馈信号使原来的信号加强，那么就是叫 做正反馈

26、。在这种情况下，方块图中的反馈信号 z旁则要 用正号“”，此时偏差 e x z。 在自动控制系统中都 采用负反馈。因为当被控变量 y受到干扰的影响而升高时， 只有负反馈才能使反馈信号 z升高，经过比较到控制器去 的偏差信号 e将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀 的开度发生变化，变化的方向为负 ,从而使被控变量下降 回到给定值，这样就达到了控制的目的。如果采用正 反馈，那么控制作用不仅不能克服干扰作用的影响，反而 是推波助澜，即当被控变量 y受到干扰升高时， z亦升高， 控制阀的动作方向是使被控变量进一步升高，而且只要有 一点微小的偏差，控制作用就会使偏差越来越大，直至被 控变量超出了安全范

27、围而破坏生产。所以控制系统绝对不 能单独采用正反馈。综上所述，自动控制系统是具有被控 变量负反馈的闭环系统。它与自动检测、自动操纵等开环 系统比较，最本质的区别，就在与自动控制系统有负反馈。 开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的，如 化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子。图 1-10 是这种自动操纵系统的方块图。自动机在操作时，一旦 开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。 这时煤气炉地工况如果发生了变化，自动机是不会自动地 根据炉子的实际工况来改变自己的操作的。自动机不能随 时“了解”炉子的情况并依此改变自己的操作状态，这是 开环系统的缺点。反过来说，自动控制系统由

28、于是具有负 反馈的闭环系统，它可以随时了解被控对象的情况，有针 对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和 方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的 状态，这是闭环系统的优点。 对象 自动操纵装置 操纵指令 操纵作用 工艺参数 图 1-10 自动操纵系统方块图 第五节自动控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法，可以按被控变量来分 类，如温度、压力、流量、液位等控制系统。也可以按 控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比 例微分、比例积分微分等控制系统。在分析自动控制系 统特性时，最经常遇到的是将控制系统按照工艺过程需 要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分

29、类， 这样可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 所谓 “ 定值 ” 就是恒定给定值的简称 。 工艺生产中 ， 如果 要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生 产指标上不变 ， 或者说要求被控变量的给定值不变 ， 那么 就需要采用定值控制系统 。 图 1-3所讨论的液位控制系统就 是定值控制系统的一个例子 ， 这个控制系统的目的是使贮 槽内液位保持在定值不变 。 同样 ， 图 1-9所示的温度控制系 统也属于定值控制系统 ， 它的目的是为了使出口物料的温 度保持恒定 。 化工生产中要求的大都是这种类型的控制系 统 ， 因此后面所

30、讨论的 ， 如果未加特别说明 ， 都是指定值 控制系统 。 2. 随机控制系统 (自动跟踪系统 ) 这类系统的特点是给定值不断变化 ,而且这种变化不是预先规 定好了的 ,也就是说给定值是随机变化的 .随机系统的目的就是 使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。 . 例如航空上的导航雷达系统、电视台的天线接收系统，都是随 动系统的一些例子。 在化工生产中，有些比值控制系统就属于随动控制系统。例 如要求甲流体与乙流体的流量保持一定的比值，当乙流体的流 量变化时，要求甲流体的流量能快速而准确地随之变化。由于 乙流体地流量变化在生产中可能是随机地，所以相当于甲流体 地流量给定值也是随机的

31、，故属于随动控制系统。 3. 程序控制系统 （ 顺序控制系统 ） 这类系统的给定值也是变化的 ， 但它是一个已知的时间函 数 ， 即生产技术指标需按一定的时间程序变化 。 这类系统 在间隙生产过程中应用比较普通 。 例如合成纤维锦纶生产 中的熟化罐温度控制和机械工业中金属热处理的温度控制 都是这类系统的例子 。 近年来 ， 程序控制系统应用日益广 泛 ， 一些定型的或菲定型的程序装置越来越多地被应用到 生产中 ， 微机计算机地广泛应用也为程序控制提供了良好 地技术工具与有利条件 。 第六章自动控制系统地过渡过程和品质指标 1. 制系统的静态与动态 在自动化领域中 ， 把被控变量不随时间而变化的

32、平衡状 态称为系统的静态 ， 而把被控变量随时间变化的不平衡状 态称为系统的动态 。 当一个自动控制系统的输入 （ 给定或干扰 ） 和输出均恒 定不变时 ， 整个系统就处于一种想对稳定的平衡状态 ， 系 统的各个组成环节如变送器 、 控制器 、 控制阀都不改变其 原先的状态 ， 它们的输出信号也都处于想对静止状态 ， 这 种状态就是上述的静态 。 值得注意的是这里所指的静态 与习惯上所讲的静止是不同的 。 习惯上所说的静止都是指静 止不动 （ 当然指的仍然是相对静止 ） 。 而在自动化领域中的 静态是指系统中个信号的变化率为零 ， 即信号保持在某一常 数不变化 ， 而不是指物料不流动或能量不交

33、换 。 因为自动 控制系统在静态时 ， 生产还在进行 ， 物料和能量仍然有进有 出 ， 只是平稳进行没有改变就是了 。 自动控制系统的目的就是希望将被控变量保持在一个不变 的给定值上 ， 这只有当进入被控对象的物料量 （ 或能量 ） 和 流出对象的物料量 （ 或能量 ） 相等时才有可能 。 例如图 1-3 所示的液位控制系统 ， 只有当流入贮槽的流量和流出贮槽的 流量相等时 ， 液位才能恒定 ， 系统才处于静态 。 图 1-9所示 的温度控制系统 ， 只有当进入换热器的热量和由换热器出来 的热量相等时 ， 温度才能恒定 ， 此时系统就达到平衡状态 ， 亦即处于静态 。 假若一个系统原先处于相对

34、平衡状态即静态 ， 由于干扰作 用而破坏这种平衡时 ， 被控变量就会发生变化 ， 从而使控制 器 、 控制阀等自动化装置改变原来平衡时所处于的状态 ， 产 生一定的控制作用来克服干扰的影响 ， 并力图使系统恢复平 衡 。 从干扰发生开始 ， 经过控制 ， 知道系统重新建立平衡 ， 在这段时间中 ， 整个系统的各个环节和信号都处于变动状态 之中 ， 所以这种状态叫做动态 。 在自动化工作中 ， 了解系统的静态是必要的 ， 但是了解系统 的动态更为重要 。 这是因为在生产过程中 ， 干扰是客观存在 的 ， 是不可避免的 ， 例如生产过程中前后工序的相互影响； 负荷的改变；电压 、 气压的波动；气候

35、的影响等等 。 这些干 扰是破坏系统平衡状态引起被控变量发生变化的外界因素 。 在一个自动控制系统投入运作时 ， 时时刻刻都有干扰作用于 控制系统 ， 从而破坏了正常的工艺生产状态 。 因此 ， 就需要 通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用 的影响 ， 从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术 指标上 。 所以 ， 一个自动控制系统在正常工作时 ， 总是处于 一波未平 ， 一波又起 ， 波动不止 ， 往复不息的动态过程中 。 显然 ， 研究自动控制系统的重点是研究系统的动态 。 二、控制系统的过渡过程 图 1-11是简单控制系统的方块图 。 假定系统原先处于平 衡状态 ，

36、系统中各信号不随时间而变化 。 在某一时刻 t0 ， 有一干扰作用于对象 ， 于是系统输出 y就要变化 ， 系统进 入动态过程 。 由于自动控制系统的负反馈作用 ， 经过一段 时间以后 ， 系统应该重新恢复平衡 。 系统由一个平衡状态 过渡到另一个平衡状态的过程 ， 称为系统过渡过程 。 系统在过渡过程中 ， 被控变量是随时间变化的 。 了解过 渡过程中被控变量的变化规律对于研究自动控制系统是十 分重要的 。 显然 ， 被控变量随时间的变化规律首先取决于 作用于系统的干扰形式 。 在生产中 ， 出现的干扰是没有 对象 执行器 控制器 测量变送器 x e z - b q y f 图 1-11 控

37、制系统方块图 固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系 统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其 中常用的是阶跃干扰，如图 1 12所示。由图可以看出，所 谓阶跃干扰就是在某一瞬间 t0 ， 干扰（即输入量）突然地阶 跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅度。采取阶跃干 扰的形式来研究自动控制系统是因为考虑到这种形式的干 扰比较突然，比较危险，它对于被控变量的影响也最大。 如果一个控制系统能够有效地克服这种类型地干扰，那么 对于其他比较缓和的干扰也一定能很好地克服，同时，这 种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。 时间 t 0t0 输 入 量 图 1-12 阶跃干

38、扰作用 一般来说 ， 自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有 图 1-13所示的几种基本形式 。 1.非周期衰减过程 被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化 ， 没有来回波动 ， 最后稳定在某一数值上 ， 这种过程形式为非周期衰减过程 ， 如图 1-13（ a） 所示 。 2.衰减振荡过程 被控变量上下波动 ， 但幅度逐渐减少 ， 最后稳定在某一 数值上 ， 这种过渡过程形式为衰减振荡过程 ， 如图 1-13（ b） 所示 。 （ b） （ a） y y t t 3.等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且 波动幅度保持不变， 这种情况称为等幅振荡过程，如图 1-13（ c） 所示。 4.

39、发散振荡过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值越 来越远，这种情况称为发散振荡过程，如图 1-13（ d） 所示。 以上过渡过程的四种形式归纳为三类。 （ 1）过渡过程（ d） 是发散的，称为不稳定过渡过程，其被 控变量在控制过程中，不但不能达到平衡状态，而且逐渐 远离给定值，它将导致被控变量超越工艺允许范围，严重时 会引起事故，这是工业上所不允许的，应竭力避免。 (2) 过渡过程（ a） 和（ b） 都是衰减的，称为稳定过程。被 控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态， 这是所希望的。 对于非周期性的衰减过程 ， 由于这种过渡过程变化较慢 ， 被控变量在控制过程

40、中长时间地偏离给定值 ， 而不是很快恢 复平衡状态 ， 所以一般不采用 ， 只是在生产上不允许被控变 量有波动的情况下才采用 。 （ d） （ c） y y t t 图 1-13 过渡过程的几种基本形式 对于衰减振荡过程 ,由于能够较快地使系统达到稳定状态 ,所 以在多数情况下 ,都希望自动控制系统在阶跃输入作用下 ， 能够得到如图 1-13（ b） 所示地过渡过程 。 （ 3）过渡过程形式（ c） 介于不稳定和稳定之间，一般也认 为是不稳定过程，生产上不能采用。只是对于某些控制质量 要求不高地场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围那振 荡（主要指在位式控制时），那么这种过渡过程的形式时可 以

41、采用的。 三 、 控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程时衡量控制系统品质的依据 。 由于在 多数情况下 ， 都希望得到衰减振荡过程 ， 所以取衰减振荡的过 渡过程形式来讨论控制系统的品质指标 。 假定自动控制系统在阶跃输入作用下 ， 被控变量的变化曲线 如图 1 14所示 。 这是属于衰减振荡的过渡过程 。 图上横坐标 t 为时间 ， 纵坐标 y为被控变量离开给定值的变化量 。 假定在时 间 t 0之间 ， 系统稳定 ， 且被控变量等于给定值 ， 即 y 0； 在 t 0瞬间 ， 外加阶跃干扰作用 ， 系统的被控变量开始按衰减振 荡的规律变化 ， 经过相当长时间后 ， y逐渐稳定在 C值上

42、， 即 y （ ） C 对于如图 1-14所示，如何根据这个过渡过程来评价控制系统 的质量呢？习惯上采用下列几个品质指标。 1.最大偏差或超调量 最大偏差时指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大 数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值， 在图 1-14中以 A表示。最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最 大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，即表明系统离开规 定的工艺参数指标就越远，这对稳定正常生产是不利的。因 此最大偏差可以作为衡量系统质量的一个品质指标。一般来 说，最大偏差当然是小一些为好，特别是对于一些有约束条 件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度 极限等，都会对

43、最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干 扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能 又 出现了，偏差有可能是叠加的，这就更需要限制最大偏差 的允许值。所以，在决定最大偏差允许值时，要根据工艺 情况慎重选择。 有时也可以用超调量来表征被控变量偏离给定值的程度。 在图 1-14中超调量以 B表示。从图中可以看出，超调量 B是 第一个峰值 A与新稳定值 C之差，即 B=A C。 如果系统的 新稳定值等于给定值，那么最大偏差 A也就与超调量 B相等 了。 2.衰减比 虽然前面以提及一般希望得到衰减振荡的过渡过程，但是 衰减快慢的程度多少为适当的呢？表示衰减程度的指标是衰减 比，它是前后相邻两

44、个峰值的比。在图 1-14中衰减比是 B： B, 习惯上表示为 n ： 1 。 假如 n只比 1稍大一点，显然过渡过程的 衰减程度很小，接近于等幅振荡过程，由于这种过程不易稳定、 振荡过于频繁、不够安全，因此一般不采用。如果 n很大，则 又太接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢，通常这也是不希 望的。一般 n取 4 10之间为宜。因为衰减比在 4 ： 1到 10 ： 1之 间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被控变量在同时 受到干扰作用和控制作用的影响后，能比较快地达到一个峰值， 然后马上下降，又较快地达到一个低峰值，而且第二个峰值远 远低于第一个峰值，当操作人员看到这种现象后；心里就比较

45、踏实，因为他知道被控变量再振荡数次后就会很快稳定下来， 并且最终的稳定值必须在两峰值之间，觉不会出现太高或太 低的现象，更不会远离给定值以至造成事故。尤其在反应比 较缓慢的情况下，衰减振荡过程的这一特点尤为重要。对于 这种系统，如果过渡过程是或接近于非振荡的衰减过程，操 作人员很可能在较长时间内，都只看到被控变量一直上升 （或下降），似乎很自然地怀疑被控变量会继续上升（或下 降）为止，由于这种焦急的心情，很可能会导致去拨动给定 值指针或仪表上的其他旋纽。假若一旦出现这种情况，那么 就等于对系统施加了人为的干扰，有可能使被控变量离开给 定值更远，使系统处于难于控制的状态。所以，选择衰减 振荡过程

46、并规定衰减比 4 ： 1至 10 ： 1之间，完全是操作人员 多年操作经验的总结。 3.余差 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳定值与定值 之间的偏差叫做余差，所以说余差就是过渡过程终了时的残 余偏差，在图 1-14中以 C表示。偏差的数值可正可负。在生 产中，给定值是生产的技术指标，所以，被控变量越接近给 定值越好，亦即余差越小越好。但在实际生产中，也并不是 要求任何系统的余差都很小，如一般贮槽的液位调节要求就 不高，这种系统往往液位有较大的变化范围，余差就可以大 一些。有如化学反应器的温度控制，一般要求比较高，应当 尽量消除余差。所以，对于余差的大小的要求，必须结合具 体系统作具体分

47、析，不能一概而论。 在余差的控制过程称为有差调节 ， 相应的系统称为有差系统 。 没有余差的控制过程称为无差调节 ， 相应的系统称为无差系 统 。 1 过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止， 过渡过程所经历的时间叫做过渡时间。严格地讲，对于具有 一定衰减比地衰减振荡过渡过程来说，要完全达到新的平衡 状态需要无限长的时间。实际上，由于仪表灵敏度的限制， 当被控变量接近稳定值时，指示值就基本上不再改变了。 因此，一般是在稳定值的上下规定一个小的范围，当被控 变量进入这一范围并 不再越出时，就认为被控变量已经达 到新的稳定值，或者说过渡过程已经结束。这个范围一般 定为稳定值

48、的 5%(也有的规定为 2 )。按照这个规定， 过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控变量进入 新稳定值 5（或 2%）的范围内且不再越出时为止所 经历的时间。过渡时间短，表示过渡过程进行得比较迅速， 这是即使干扰频繁出现，系统也能适应，系统控制质量越 高，反之，过渡时间太长，第一个干扰引起得过渡过程尚 未结束，第二个干扰就已经出现，这样，几个干扰得影响 叠加起来，就可能使系统满足不了生产得要求。 5.振荡周期或频率 过渡过程同向两波峰 （ 或波谷 ） 之间得间隔时间叫振荡周 期或工作周期 ， 其倒数称为振荡频率 。 在衰减比相同得情 况下 ， 周期与过渡时间成正比 ， 一般希望振荡周期短

49、一些 为好 。 还有一些次要的品质指标，其中振荡次数，是指在过渡过 程内被控变量振荡的次数。所谓“理想过渡过程了两个 波”；就是指过渡过程振荡两次就能稳定下来，在一般情 况下，可认为是较为理想的过程。此外的衰减比约相当于 4:1，图 1-14所示的就是接近于 4:1的过渡过程曲线 。 上升时间也是一 个品质指标 ， 它是指干扰开始作用起至第一个波峰时所需的 时间 ， 显然 ， 上升时间以短一些为宜 。 综上所述 ， 过渡过程 的品质指标主要有：最大偏差 、 衰减比 、 余差 、 过渡时间等 。 这些指标在不同的系统中各有其重要性 ， 且相互之间既有矛 盾 ， 又有联系 。 因此 ， 应根据具体

50、情况分清主次 ， 区别轻重 ， 对那些对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以 保证 ， 另外 ， 对一个系统提出的品质要求和评价一个控制系 统的质量 ， 都应该从实际需要出发 ， 不应过分偏高偏严 ， 否 则就会造成人力物力的巨大浪费 ， 甚至无法实现 。 图 1-15 温度控制系统过渡过程曲线 210 205 200 230 20 22 5 温度 t/ 例 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过 程曲线如图 1-15所示 。 试分别求出最大偏差 、 余差 。 衰减比 、 振荡周期和过渡时间 （ 给定值为 200 ） 。 解 最大偏差 ： A=230-200=30 余差 C

51、 205-200 5 由图上可以看出 ， 第一个波峰值 B 230-205 25 ， 第二个 波峰值 B=210-205=5 ,故衰减比应为 B:B=25:5=5:1 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔 ， 故周期 T 20 5 15（ min） 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关 ， 假定被控变 量进入额定值的 2 ， 就可以认为过渡过程已经结束 ， 那么 限制范围为 200 （ 2 ） 4 ， 这时 ， 可在新稳定值 （ 200 ） 两侧以宽度为 4 画一区域 ， 图 1-15中以画有阴影 线的区域表示 ， 只要被控变量进入这一区域且不再越出 ， 过 渡过程就可以认为已经结束 ， 因

52、此 ， 从图上可以看出 ， 过渡 时间为 22min。 四影响控制系统过渡过程品质的主要因素从前面的讨论中 知道，一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程 部分（被控对象）和自动化装置部分。前者并不是泛指整个 工艺流程，而是指与该自动控制系统有关的部分，以图 1-9所 示的热交换器温度控制系统为例，其工艺过程部分指的是与 被控变量温度 T有关的工艺参数和设备结构。材质等因素， 也就是前面将的被控对象。自动化装置部分指的是为实现自 动控制所需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、 控制器和执行器等一部分。对于一个自动控制系统，过渡过 程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前

53、 所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有；热交 换器的负荷大小，热交换器的结构、尺寸、材质等，换热器 内的换热情况、散热情况及结垢程度等。自动化装置应按对 象性质加以选择和调整，两者要较好地结合。自动化装置地 选择和调整不当，也会直接影响控制质量。此外，在控制系 统运行过程中，自动化装置地性能一旦发生变化，如阀门失 灵、测量失真，也要影响控制质量。总之，影响自动控制 系统过渡过程品质地因素是很多地，在系统设计和运行过 程中都应给予充分注意。为了更好地分析和设计自动控制 系统，提高过渡过程地品质指标，从第三章开始，将对组 成自动控制系统地各个环节，按被控对象、测量与变送装 置、控制器与执行器地顺序逐个进行讨论，只有在充分了 解这些环节地作用和特性后，才能进一步研究和分析设计 自动控制系统，提高系统的控制质量。