冶金过程检测与控制

操纵器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。

如果两个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，现在操纵器将按照偏差的大小向执行器输出一个操纵信号，手执行器
执行器即可按照操纵信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量发生变化，达到操纵锅炉汽包水位的目的。

几个常用术语：(重点明白得)
被控过程（对象）工艺参数需要操纵的生产过程设备或机器等。

如锅炉汽包，发酵罐。

被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数。

如汽包水位、发酵温度。

操纵变量受操纵器操纵，用以克服扰动的阻碍使被控变量保持设定值的物料量或能量。

如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。

扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

如蒸汽负荷的变化、冷却水温度的变化等。

设定值被控变量的预定值。

偏差(e) 被控变量的设定值与实际值之差。

在实际操纵系统中，能够直截了当猎取的信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。

§1.3 过程操纵系统的两种表示形式
一、方框图
方框图是操纵系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是操纵系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。

方框图组成：
方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示其自身特性的数学表达式或文字讲明；
信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称为该环节的输出信号。

比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“－”号表示相减；
分支点----表示信号引出，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。

带有输入输出信号的方框比较点分支点
图1.3方框的组成单元示意图
绘制方法：以如图1.4，锅炉汽包水位操纵系统为例，系统中的每一个环节用一个方框来表示，
四个方框分不表示：被控对象（锅炉汽包）、测量变送装置、操纵器和执行器。

每个方框都分不标出各自的输入、输出变量。

如被控对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动量，它们也作为输入信号作用于被控对象。

图1.4 锅炉汽包水位操纵系统方框图
在绘制方框图时应注意几点：
（1）方框图中每一个方框表示一个具体的实物。

（2）方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。

方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向性。

关于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会引起输出的改变，输出的改变可不能返回去阻碍输入。

例如冷水流量会使汽包水位改变，但反过来，汽包水位的变化可不能直截了当使冷水流量跟着改变。

（3）比较点不是一个独立的元件，而是操纵器的一部分。

为了清晰的表示操纵器比较机构的作用，故将比较点单独画出。

二、管道及外表流程图
管道及外表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程操纵的原理图，是操纵系统设计、施工中采纳的一种图示形式。

该图是在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、操纵点、操纵系统及自动信号与连锁爱护系统等。

由工艺人员和自控人员共同研究绘制。

在管道及外表流程图的绘制过程中所采纳的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。

下面结合化工部《过程检测和操纵系统用文字代号和图形符号》HG20505-92，简单介绍一些常用的图形符号和文字代号。

1．图形符号
过程检测和操纵系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和外表圆圈等。

（1）测量点
图1.5 测量点的图形符号
测量点
（2）连接线
(a) (b) (c)
图1.6连接线的图形符号
（3）外表
常规外表图形符号是直径为12mm(或10mm)的细实线圆圈。

（见教材P7）
（4）执行器
执行器的图形符号是由执行机构和调剂机构的图形符号组合而成。

（见教材P8）
2. 外表位号
在检测、操纵系统中，构成回路的每个外表（或元件）都用外表位号来标识。

外表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。

外表位号中的第一个字母表示被测变量，后继字母表示外表的功能；回路的编号由工序号和顺序号组成，一样用三位至五位阿拉伯数字表示，如下例所示：
顺序号（一样用两位数字，也能够用三位数字）
工序号（一样用一位数字，也能够用两位数字）
功能字母代号
被测变量字母代号
在管道及外表流程图中，外表位号的标注方法是：字母代号填写在外表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中。

(a)就地安装 （b ）集中盘面安装
3．字母代号
外表信号中表示被测变量和外表功能的字母代号(见教材P9表1.3)。

管道及外表流程图实例
图1.8和图1.9为简化的锅炉汽包管道及外表流程图和发酵罐管道及外表流程图。

图1.10 为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及外表流程图。

T R C 1 31 TRC
101
PI 121
图1.8 锅炉汽包管道及外表流程图室 图1.9 发酵罐管道及外表流程图
图1.10 碳化工序管道及外表流程图
表示为第一工序第01个流量操纵回路（带累计指示），累计指示仪及操纵器安装在操纵
室。

表示为第一工序第01个带指示的手动操纵回路，手动操纵器（手操器）安装在操纵室。

表示为第一工序第01个带指示的液位操纵回路，液位指示操纵器安装在操纵室。

表示为第一工序第01、02个温度检测回路，温度指示仪安装在现场。

表示为第一工序第
01、02个压力检测回路，压力指示仪安装在现场。

§1.4过程操纵系统的要紧类型
按系统功能---温度操纵系统、压力操纵系统、位置操纵系统、流量操纵系统等；
按系统性能---线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统；
按被控变量的数量---单变量操纵系统和多变量操纵系统；
精浆液 二氧化碳 精浆液 TI PI 102 102 贮槽 FICQ 101 HIC 101 LIC 1O1 TI 101 PI 101 FICQ
101 HIC 101 LIC
101
TI
101
TI 102 PI
PI 101 102
所示的换热器。

换热器的工作原理是：冷物料与载热体（蒸汽）在换热器中进行热交换，使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。

因此，系统中被控变量为冷物料出口温度，操纵变量为蒸汽流量。

操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随之变化进而改变被控变量。

操纵系统方框图为图1.12(b)。

(a) (b)
图1.12 按设定值操纵的开环操纵系统
2、按扰动进行操纵
操纵方式的原理----需要操纵的仍旧是被控过程中的被控变量，而测量的是破坏系统正常进行的扰动量。

利用扰动信号产生操纵作用，以补偿扰动对被控变量的阻碍，故称按扰动进行操纵。

如图1.13所示的系统示意图和方框图。

（a）原理图（b）方框图
图1.13 按扰动操纵的开环操纵系统
由于测量的是扰动量，这种操纵方式只能对可测的扰动进行补偿。

关于不可测扰动及对象，各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的阻碍，系统自身无法操纵。

因此操纵精度仍旧受到原理上的限制。

§1.5. 过程操纵系统的性能指标及要求
一、过程操纵系统的过渡过程
1．几个概念
（1）静态-----被控变量不随时刻而变化的平稳状态
在这种状态下，系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原先的状态，其输入、输出信号的变化率为零。

而现在生产仍在进行，物料和能量仍旧有进有出。

因此静态反映的是相对平稳状态。

（2）动态-----被控变量随时刻而变化的不平稳状态
当一个原先处于相对平稳状态的系统受到扰动作用的阻碍后，其平稳状态受到破坏，被控变量偏离设定值，现在操纵器会改变原先的状态，产生相应的操纵作用，改变操纵变量去克服扰动的阻碍，力图复原平稳状态。

（3）过渡过程-----在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，系统将从原先的平稳状态经历
一个过程进入另一个新的平稳状态，这一过程就叫过渡过程。

一样来讲，一个操纵系统的好坏在静态时是难以判不的，只有在动态过程中才能充分反映出来。

系统在其进行过程中，会持续受到扰动的频繁作用，系统自身通过操纵装置持续地施加操纵作用去克服扰动的阻碍，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上。

因此，我们对系统研究的重点应放在操纵系统的动态过程上。

2．过渡过程的几种形式（重点）
常见的典型信号：
操纵系统在其运行的过程中，持续受到各种扰动的阻碍，这些扰动不仅形式各异，对被控变量的阻碍也各不相同。

为了便于对系统进行分析、研究，通常选择几种具有确定性的典型信号来代替系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。

常见的典型信号有：阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。

其中阶跃信号对被控变量的阻碍最大，且阶跃扰动最为常见。

图1.14阶跃信号 当A=1时称为单位阶跃信号
在阶跃信号作用下，被控变量随时刻的变化有以下几种形式。

如图1.15 所示。

图中，y 表示被控变量。

（1）发散振荡过程
如图1.15 中曲线①所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度越来越大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺承诺的范畴。

（2）非振荡衰减过程
如图1.15 中曲线②所示。

它表明被控变量受到扰动作用后，产生单调变化，通过一段时刻最终能稳固下来。

（3）等幅振荡过程
如图 1.15 中曲线③所示。

它表明系统受到扰动作用后，被控变量做上下振幅稳固的振荡，即被控变量在设定值的某一范畴内来回波动。

（4）衰减振荡过程
如图1.15 中曲线④所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动的幅度逐步减小，通过一段时刻最终能稳固下来。

（5）非振荡发散过程
如图1.15 中曲线⑤所示。

它表明系统受到扰动作用后，被控变量单调变化偏离设定值越来越远，以致超出工艺设计的范畴。

）t r ( A 0 t ≥0 t<0
图1.15 过渡过程的差不多形式
上面五种过程形式中，非振荡衰减过程②和衰减振荡过程④是稳固过程，能差不多满足操纵要求。

二、 过程操纵系统的质量指标
1．过程操纵系统的目标及其明白得
一个操纵良好的系统，在经受扰动作用后，一样应平稳、快速和准确地趋近或回复到设定值。

由于被控过程的具体情形不同，各种系统对平稳、快速、准确的要求也所不同，一个系统的平稳、快速、准确是相互制约的。

操纵系统最理想的过渡过程应具有什么形状，没有绝对的标准，要紧依据工艺要求而定，除少数情形不期望过渡过程有振荡外，大多数情形则期望过渡过程是略带振荡的衰减过程。

2．质量指标：
在比较不同操纵方案时，应第一规定评判操纵系统的优劣程度的性能指标，一样情形下，要紧采纳以阶跃响应曲线形式表示的质量指标。

在阶跃信号作用下常以下面几个特点参数作为质量指标。

（重点）
⑴ 衰减比（n ）
这是表示衰减过程响应曲线衰减程度的指标。

数值上等于同方向两个相邻波峰值之比，即：
'B B
n =(B ——前一个波峰值，B '——后一个波峰值。

)
n 是反映系统平稳性的指标，明显当n=1为等幅振荡；n<1为发散振荡；n>1为衰减振荡。

为保持系统有足够的稳固程度，工程上常取衰减比为4:1～10:1。

⑵ 峰值时刻t p
峰值时刻是指过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时刻。

t p 愈小表明操纵系统反应愈灵敏。

这是反映系统快速性的一个动态指标。

(3) 过渡时刻t s
过渡时刻是指操纵系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态复原到新的平稳状态所经历的最短时刻。

工程上常在被控变量进入新稳态值的±5%或±2%不再越出时，就认为被控变量已达到新的稳固。

（同学们讲一下：过渡时刻t s 体现了系统的是哪一目标特性？）
⑷最大偏差A(或超调量σ)
关于一个稳固的定值操纵系统来讲，最大偏差是指被控变量第一个波峰值与设定值的差。

（什么缘故？）最大偏差（或超调量）表示了被控变量偏离设定值的程度。

A(或σ)愈大，表示偏离生产规定的状态愈远，专门是对一些有危险限制的情形，如化学反应器的化合物爆炸极限等，应专门慎重，以确保生产安全进行。

（这一指标体现了系统的平稳和准确性的指标）
⑸余差C
余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。

它是反映操纵系统操纵精度的静态指标，一样期望它为零或不超过工艺设计的范畴。

过渡过程质量指标如图1.16所示。

小结：各种过渡过程的性能指标，其重要程度各不相同，且相互之间既有矛盾又相互联系。

在对系统进行分析设计时要注意综合考虑过程的快速性、稳固性和准确性。

在实际生产中，优先保证对生产过程起决定作用的要紧指标，不能片面追求全面的高性能。

图1.16过渡过程质量指标示意图。