化工仪表及自动化第1章1精编版

化工仪表及自动化,第一章 自动控制系统基本概念,内容提要,化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程和品质指标 控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统的品质指标 影响控制系统过渡过程品质的主要因素,1,内容提要,工艺管道及控制流程图 图形符号 字母代号 仪表位号,2,第一节 化工自动化的主要内容,1. 自动检测系统 2. 自动信号和联锁保护系统 3. 自动操纵及自动开停车系统 4. 自动控制系统,3,第一节 化工自动化的主要内容,1. 自动检测系统,2. 自动信号和联锁保护系统,当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，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。,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种周期性操作。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,在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,4,图1-2 人工操作图,图1-3 液位自动控制系统图,人工操作与自动控制比较图,控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,自动控制系统的组成,5,组 成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,液位自动控制的方块图 在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。 下页图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条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，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,6,方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,液位自动控制的方块图,图1-4 液位自动控制系统方块图,7,几个常用术语 ： （1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。 （3）控制变量（操纵变量） 受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。 （4）干扰（扰动） 除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。 （5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。 （6）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,其他控制系统 用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统,图1-5 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上页中的方块图表示,8,P6图1-5 蒸汽加热器温度控制系统： （1）被控对象-蒸汽加热器 （2）被控变量-出口物料的温度 （3）控制变量（操纵变量）-加热蒸汽量 （4）干扰（扰动）作用 -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的变化、环境温度的变化 （5）操纵介质（操纵剂）-加热蒸汽,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。,9,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。 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。 自动控制系统是一个闭环系统,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,小结 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于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。,10,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,小结,11,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,开环控制系统：,闭环控制系统 :,第三节 自动控制系统的分类,几种分类方法 （一）按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； （二）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； （三）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。,12,其中第三种分类方法最普遍,第三节 自动控制系统的分类,“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若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，就需要采用定值控制系统。,13,1.定值控制方法,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该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。,第三节 自动控制系统的分类,3.程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，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。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,14,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,一、控制系统的静态与动态,15,自动控制目的：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。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，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相对静止状态，这种状态就是静态。,16,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,17,动态被控变量随时间变化的不平衡状态 。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：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。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，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。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,二、控制系统的过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,18,当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,举例,图1-7 控制系统方块图,动态被控变量随时间变化的不平衡状态。 如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。 工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。 如何来评价自控系统的质量？ 必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。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。,19,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、危险，且对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的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,图1-8 阶跃干扰作用,20,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式,21,非周期衰减过程,衰减震荡过程,等幅震荡过程,发散震荡过程,X,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,三、控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。,22,图1-10 过渡过程品质指标示意图,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上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程,多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,23,五种重要品质指标之一,1. 最大偏差A或超调量B,最大偏差A 是指在过渡过程中，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。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，都会对最大偏差的允许值有所限制。 超调量B 也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。 B=A-C,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,2. 衰减比 B/B 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。,五种重要品质指标之二,24,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,3. 余差 C 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,25,五种重要品质指标之三,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,4. 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过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。,26,五种重要品质指标之四,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,5.震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,27,五种重要品质指标之五,自动控制系统希望的结果：,最大偏差（超调量）？,衰减比？,余差？,过渡时间？,振荡周期？,答：越小越好,n1等幅振荡 n1发散振荡 n1衰减振荡 不振荡,为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程 不振荡：不便于操作人员掌握。,答：越小越好,答：越小越好,答：短好,自动控制系统性能要求,五个字：稳、准、快、壮、省 稳： 扰动下不发散 准： 与