工业过程控制工程课件第二章控制系统组成及指标PPT
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第二章 控制系统组成及指标
简单控制系统是由一个被调量、一个控制量 而且只用一个调节器、一个调节阀所组成的一个 闭合回路。
简单控制系统是最基本、最常见、应用最广 泛的控制系统，约占控制回路的80 ％以上。
扰动
输入量 e调节器
被控对象
输出量
1
2.1 控制系统组成 2.2 控制性能指标
2
2.1 控制系统组成
位的恒定，称Qo为操纵变量。进水量Qi
是造成被控变量产生不期望波动的原因， 图2.1-1 液位人工控制示意图
称为扰动。
6
若由操作工来完成这一控制任务，所要做的工作是：
① 用眼睛观察液位计实际液位的指示值，并通过神 经系统告诉大脑；
② 通过大脑对眼睛观测到的实际液位值与事先在大
脑中储存好的希望值即给定值进行比较，根据偏差的大
13
2.1.2 控制系统的方框图
用文字叙述的方法来描述控制系统的 组成和工作原理较为繁琐，在自动控制 中常常采用直观图形的方法来表达，即 方框图 。
14
图2.1-5 简单控制系统的方框图
15
几点说明：
✓ 方框图中的各个信号值都是增量，增益放大 系数和传递函数都是在稳态值为零的条件下 得到的。
✓ 各环节的增益有正、负之分/ ✓ 方框图中箭头方向表示的是信号的流向，指
小和方向，经过分析、思考，然后根据操作经验发出命 令；
③ 根据大脑发出的控制命令，通过手去改变出水阀门 开度，以改变Qo来控制液位；
④ 反复执行上述操作，直到将液位控制到所希望的数 值上。
上述操作工通过眼、脑、手相互配合完成液位的控制
过程就是一个人工控制过程。
7
由于人工控制受到生理上的限制，满足不了大型现 代化生产的要求。如果能用一些仪表或装置来代替操作 工的眼、脑、手自动地完成控制任务，不仅能大大减轻 操作工的劳动强生度，而且可大大提高控制速度和精度。 为此，采用液位测量变送器LT检测液位值并转换为标准 信号，如4~20mA。这一测量信号送往液位控制器LC， 控制器的设定值由人工给定。控制器根据偏差的正负、 大小及变化情况，发出控制信号。控制器的输出送往执 行器，此处为控制阀，控制阀根据控制信号变化增大或 减小阀门的开度，调节出水流量，使测量值接近或等于 给定值。这样，就构成了液位自动控制系统。
自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起 来的。
例1 液位控制系统 ：
图2.1-1为液体储罐内液位的人工控制示
意图。从维持生产平稳进行考虑，工艺
上希望罐内的液位h 能维持在所希望的位
置hs上。液位h 是需要控制的工艺变量，
称为被控变量。显然，当进水量Qi或出
水量Qo波动时，都会使罐内的液位发生
变化。现假定通过控制出水量Qo维持液
图2.1-4 流量控制系统
11
简单Leabharlann Baidu制系统特征：
被控对象
也称对象。是指被控制的生产设备或装置。针
对以上三例，分别是液罐、蒸汽加热器、管路 系统。被控对象需要控制的变量称为被控变量， 上述各例中为液位、温度：流量。
测量变送器
测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标
准信号的输出，作为测量值。标准信号的含义
向与指离的关系，使原因与后果的关系，不 是物料或能量的流向。
16
区分输入量、输出量和流入量、流出量： 从物料平衡和能量平衡的角度看，把被控对象 视为一隔离体，从外部流入对象内部的物质或 能量流称为流入量．从对象内部流出的流量称 为流出量。在控制系统中，无论流入量和流出 量，它们作为引起被控变量（输出量）变化的 原因，都是被控对象的输入量。
是其上下限符合规定系列0~10mA，4~20mA，
0.02~0.1MPa
12
执行器 常用的是控制阀。接受控制器来的信号u，直接 改变操纵变量q。操纵变量是被控对象的某输 入变量，通过操作这个变量可克服扰动对被控 变量的影响，通常是由执行器控制的某工艺流 量。
控制器 也称调节器。它将被控变量的设定值与测量值 进行比较得出偏差信号e，并按一定规律给出 控制信号u 。
5．控制量（调节量） 由调节机构(阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，用以控制 被调量的变化。
4
6．扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。 如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰。 如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。 由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。 变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,也称控制作用扰 动。
图2.1-3 蒸汽加热器温度自动控制系统
10
例3 流量控制系统 它由管路系统、孔板和差压 变送器、流量控制器FC和 流量控制阀组成。控制的目 标是保持流量恒定。当管道 其他部分阻力发生变化或有 其他扰动时，流量将偏离设 定值。利用孔板作为检测元 件，把孔板上、下游的静压 用连接导管接至差压变送器， 将流量信号转化为标准电流 信号；该信号送至流量控制 器FC 与给定值进行比较， 流量控制器FC 根据其偏差 信号进行运算后将控制命令 送至控制阀，改变阀门开度， 就调整了管道中流体的阻力， 从而影响了流量，使流量维 持在设定值。
7．控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量 就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节作 用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。
8．自动控制系统 自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构 成一个自动控制系统。
5
2.1.1 控制系统组成
图2.1-2 液位自动控制系统
8
表2.1-1 被测变量和仪表功能的代号
TI表示温度指示，TT表示温度变送器，TIC表示温度指示
控制，HC表示手动控制。
9
例2 温度控制系统
它由蒸汽加热器、温度变 送器TT、温度控制器TC 和蒸汽流量控制阀组成。 控制的目标是保持流体出 口温度恒定。当进料流量 或温度等因素的变化引起 出口物料的温度变化时， 通过温度变送器TT测得温 度的变化，并将其信号送 至温度控制器TC与给定 值进行比较，温度控制器 TC根据其偏差信号进行 运算后将控制命令送至控 制阀，以改变蒸汽流量来 维持出口温度。
2.1.1 控制系统组成 2.1.2 控制系统的方框图
3
自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机 构。
简单控制系统是由一个被调量、一个控制量 而且只用一个调节器、一个调节阀所组成的一个 闭合回路。
简单控制系统是最基本、最常见、应用最广 泛的控制系统，约占控制回路的80 ％以上。
扰动
输入量 e调节器
被控对象
输出量
1
2.1 控制系统组成 2.2 控制性能指标
2
2.1 控制系统组成
位的恒定，称Qo为操纵变量。进水量Qi
是造成被控变量产生不期望波动的原因， 图2.1-1 液位人工控制示意图
称为扰动。
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若由操作工来完成这一控制任务，所要做的工作是：
① 用眼睛观察液位计实际液位的指示值，并通过神 经系统告诉大脑；
② 通过大脑对眼睛观测到的实际液位值与事先在大
脑中储存好的希望值即给定值进行比较，根据偏差的大
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2.1.2 控制系统的方框图
用文字叙述的方法来描述控制系统的 组成和工作原理较为繁琐，在自动控制 中常常采用直观图形的方法来表达，即 方框图 。
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图2.1-5 简单控制系统的方框图
15
几点说明：
✓ 方框图中的各个信号值都是增量，增益放大 系数和传递函数都是在稳态值为零的条件下 得到的。
✓ 各环节的增益有正、负之分/ ✓ 方框图中箭头方向表示的是信号的流向，指
小和方向，经过分析、思考，然后根据操作经验发出命 令；
③ 根据大脑发出的控制命令，通过手去改变出水阀门 开度，以改变Qo来控制液位；
④ 反复执行上述操作，直到将液位控制到所希望的数 值上。
上述操作工通过眼、脑、手相互配合完成液位的控制
过程就是一个人工控制过程。
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由于人工控制受到生理上的限制，满足不了大型现 代化生产的要求。如果能用一些仪表或装置来代替操作 工的眼、脑、手自动地完成控制任务，不仅能大大减轻 操作工的劳动强生度，而且可大大提高控制速度和精度。 为此，采用液位测量变送器LT检测液位值并转换为标准 信号，如4~20mA。这一测量信号送往液位控制器LC， 控制器的设定值由人工给定。控制器根据偏差的正负、 大小及变化情况，发出控制信号。控制器的输出送往执 行器，此处为控制阀，控制阀根据控制信号变化增大或 减小阀门的开度，调节出水流量，使测量值接近或等于 给定值。这样，就构成了液位自动控制系统。
自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起 来的。
例1 液位控制系统 ：
图2.1-1为液体储罐内液位的人工控制示
意图。从维持生产平稳进行考虑，工艺
上希望罐内的液位h 能维持在所希望的位
置hs上。液位h 是需要控制的工艺变量，
称为被控变量。显然，当进水量Qi或出
水量Qo波动时，都会使罐内的液位发生
变化。现假定通过控制出水量Qo维持液
图2.1-4 流量控制系统
11
简单Leabharlann Baidu制系统特征：
被控对象
也称对象。是指被控制的生产设备或装置。针
对以上三例，分别是液罐、蒸汽加热器、管路 系统。被控对象需要控制的变量称为被控变量， 上述各例中为液位、温度：流量。
测量变送器
测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标
准信号的输出，作为测量值。标准信号的含义
向与指离的关系，使原因与后果的关系，不 是物料或能量的流向。
16
区分输入量、输出量和流入量、流出量： 从物料平衡和能量平衡的角度看，把被控对象 视为一隔离体，从外部流入对象内部的物质或 能量流称为流入量．从对象内部流出的流量称 为流出量。在控制系统中，无论流入量和流出 量，它们作为引起被控变量（输出量）变化的 原因，都是被控对象的输入量。
是其上下限符合规定系列0~10mA，4~20mA，
0.02~0.1MPa
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执行器 常用的是控制阀。接受控制器来的信号u，直接 改变操纵变量q。操纵变量是被控对象的某输 入变量，通过操作这个变量可克服扰动对被控 变量的影响，通常是由执行器控制的某工艺流 量。
控制器 也称调节器。它将被控变量的设定值与测量值 进行比较得出偏差信号e，并按一定规律给出 控制信号u 。
5．控制量（调节量） 由调节机构(阀门、挡板等)改变的流量(或能量)，用以控制 被调量的变化。
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6．扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。 如果扰动不包括在控制回路内部(例外界负荷)，称为外扰。 如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。 由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。 变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,也称控制作用扰 动。
图2.1-3 蒸汽加热器温度自动控制系统
10
例3 流量控制系统 它由管路系统、孔板和差压 变送器、流量控制器FC和 流量控制阀组成。控制的目 标是保持流量恒定。当管道 其他部分阻力发生变化或有 其他扰动时，流量将偏离设 定值。利用孔板作为检测元 件，把孔板上、下游的静压 用连接导管接至差压变送器， 将流量信号转化为标准电流 信号；该信号送至流量控制 器FC 与给定值进行比较， 流量控制器FC 根据其偏差 信号进行运算后将控制命令 送至控制阀，改变阀门开度， 就调整了管道中流体的阻力， 从而影响了流量，使流量维 持在设定值。
7．控制过程（调节过程） 原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量 就会偏离给定值。要通过自动控制仪表或运行人员的调节作 用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。
8．自动控制系统 自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构 成一个自动控制系统。
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2.1.1 控制系统组成
图2.1-2 液位自动控制系统
8
表2.1-1 被测变量和仪表功能的代号
TI表示温度指示，TT表示温度变送器，TIC表示温度指示
控制，HC表示手动控制。
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例2 温度控制系统
它由蒸汽加热器、温度变 送器TT、温度控制器TC 和蒸汽流量控制阀组成。 控制的目标是保持流体出 口温度恒定。当进料流量 或温度等因素的变化引起 出口物料的温度变化时， 通过温度变送器TT测得温 度的变化，并将其信号送 至温度控制器TC与给定 值进行比较，温度控制器 TC根据其偏差信号进行 运算后将控制命令送至控 制阀，以改变蒸汽流量来 维持出口温度。
2.1.1 控制系统组成 2.1.2 控制系统的方框图
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自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机 构。