化工自動化及儀表第一章ppt課件

1、化工自動化及儀表華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系.學(xué)習(xí)這門課的必要性：1、自動控制系統(tǒng)運用非常普遍 用在國民生活的各個方面，化工領(lǐng)域的運用更加普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿消費過程、滌綸短纖維消費過程、制漿、造紙過程、制藥等等。2、工藝人員應(yīng)該掌握一定的控制系統(tǒng)的知識 才干設(shè)計合理的工藝，充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性，便于運用與維護。.早期運用模擬儀表的中央控制室.早期的DCS控制系統(tǒng).如今的DCS控制系統(tǒng).該課程的內(nèi)容1、自動控制系統(tǒng)概述2、過程特性3、檢測變送4、顯示儀表5、執(zhí)行器6、控制器7、自動控制系統(tǒng)的設(shè)計8、復(fù)雜控制系統(tǒng)9、計算機控制系統(tǒng).1 自動控制系統(tǒng)概述本章的主要

2、內(nèi)容：1.1 自動化及儀表開展概述1.2 自動控制系統(tǒng)1.3 控制系統(tǒng)過渡過程及質(zhì)量目的.1.1 自動化及儀表開展概述控制實際的開展經(jīng)典控制實際:20世紀(jì)40年代20世紀(jì)50年代Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點：主要從輸出與輸入量的關(guān)系方面分析與研討問題。.適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。以傳送函數(shù)為根底，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進展分析與設(shè)計PID控制規(guī)律是古典控制實際最輝煌的成果之一.現(xiàn)代控制實際:20世紀(jì)60年代獲得迅猛開展其主要內(nèi)容為： 根底線性系統(tǒng)實際，最優(yōu)控制理 論，最正確估計實際，系統(tǒng)辨識等。特點： 從輸

3、入-形狀-輸出的關(guān)系全面地分析 與研討系統(tǒng)。適用范圍： 不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線 形時變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸 入、多輸出的情況。.大系統(tǒng)實際:20世紀(jì)70年代開場將現(xiàn)代控制實際與系統(tǒng)實際相結(jié)合智能控制實際:不需求建立被控對象的數(shù)學(xué)模型中心思想： 系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍： 高維線性系統(tǒng).控制系統(tǒng)構(gòu)造及儀表的開展控制系統(tǒng)構(gòu)造的開展基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路就地式液位控制器及自力式溫度控制器單元組合式按功能劃分，然后組合： 有DDZ, QDZ，20世紀(jì)60年代，儀表之間用規(guī)范一致信號聯(lián)絡(luò)計算機：DDC,20世紀(jì)70年代 DCS集散控制系統(tǒng)先進控制和優(yōu)化控制：CIPS、FCS，

4、20世紀(jì)80年代以后. 自動化儀表的開展模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表.當(dāng)前自動控制系統(tǒng)開展的一些主要特點過程優(yōu)化遭到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國際一致規(guī)范的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)CIPS是開展方向.1.2 自動控制系統(tǒng) 1.2.1自動控制系統(tǒng) 自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包表示圖鍋爐設(shè)備的控制義務(wù)主要是：根據(jù)消費負(fù)荷的需求，供應(yīng)一定規(guī)格壓力、溫度的蒸汽，同時使鍋爐在平安、經(jīng)濟的條件下運轉(zhuǎn)。鍋爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng)有：1鍋爐汽包水位的控制3過熱蒸汽系統(tǒng)的控制2鍋爐熄滅的控制.汽包水位是鍋爐運轉(zhuǎn)的主要目的，維持水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐平安運轉(zhuǎn)的首要條件。蒸汽汽包省煤器給水圖1-1

5、鍋爐汽包表示圖水位過高：影響汽包內(nèi)的汽水分別，飽和水蒸汽帶水過多，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致?lián)p壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，作為汽輪機動力的話會損壞葉片，影響運轉(zhuǎn)的平安及經(jīng)濟性。.蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包表示圖水位過低：汽包內(nèi)水較少，負(fù)荷很大時，水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量急速減少，如不能及時得到控制，那么會燒干，燒壞水冷壁，甚至爆炸。.手動控制的步驟：蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包表示圖(2)把察看到的實踐數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏向的大小及變化情況做出判別，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。(1)察看液位數(shù)值；.蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包液位自動控制

6、系統(tǒng)表示圖鍋爐汽包液位自動控制系統(tǒng)LT：Level TransmitterLC：Level Controller.加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)TT：Temperature TransmitterTC：Temperature Controller管式加熱爐較為常見，溫度的高低直接影響產(chǎn)質(zhì)量量，溫度過高物料在加熱爐中會分解，甚至?xí)Y(jié)焦，會燒壞爐管.蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖術(shù)語過程被控對象：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)要滿足要求需求控制的消費過程、設(shè)備或機器。過程：鍋爐汽包被控變量：被控過程內(nèi)要求堅持設(shè)定值的工藝參數(shù)被控變量：汽包液位.支配變量：受控制器支配的用以抑制干擾的影響，使被控變

7、量堅持設(shè)定值的物料量或能量擾動：除支配變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的要素支配變量：進水流量蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖擾動：進水壓力、蒸汽流量.設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求堅持的數(shù)值偏向：被控變量實踐值與設(shè)定值之差負(fù)反響：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖.加熱爐溫度控制系統(tǒng)過程：被控變量：支配變量：擾動：加熱爐物料出口溫度燃料油流量被加熱原料油溫度、燃料油熱值等.閉環(huán)控制： 在反響控制系統(tǒng)中，被控變量的值被送回輸入端，與設(shè)定值進展比較，根據(jù)偏向去控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制 蒸

8、汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖.閉環(huán)控制的特點優(yōu)點：按偏向進展控制，使偏向減小或消除，到達被控變量與設(shè)定值一致的目的。 閉環(huán)控制的缺陷：控制不夠及時；假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會引起猛烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖.開環(huán)控制的特點優(yōu)點：不需求對被控變量進展丈量，只根據(jù)輸入信號進展控制，控制很及時。開環(huán)控制：根據(jù)擾動信號的變化來進展控制。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水開環(huán)的液位控制系統(tǒng)又稱前饋控制。. 由于不丈量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)遭到其他擾動作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無法消除偏向，這是開環(huán)控

9、制的缺陷。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水開環(huán)控制的缺陷：.開環(huán)控制與閉環(huán)控制實例比較1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖閉環(huán)控制開環(huán)控制.1.2.3自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖 在研討自動控制系統(tǒng)時，為了更清楚地表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，也可采用方框圖方塊圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)絡(luò)；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，分開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為丈量值y(t)。比較機構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與丈量值y(t)并輸出其差值

10、。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.控制安裝的作用是根據(jù)偏向的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制造用u(t)。比較機構(gòu)和控制安裝通常組合在一同，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接納控制器送來的u(t)，相應(yīng)地去改動支配變量q(t)。. 通常將過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。 .閉環(huán)控制系統(tǒng)組成幾個重要概念：1信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等既是實踐的物理量，又作為信息來轉(zhuǎn)換和作用。前一環(huán)節(jié)的輸出是后一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。.從整個系統(tǒng)來看，輸入信號： 設(shè)定值和擾動 輸出信號： 被控變量或丈量值閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.2閉環(huán)

11、：按信息的流向來說3動態(tài)：物理量是時間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制造用又使它回到設(shè)定值。 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.1.2.4 自動控制系統(tǒng)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動控制系統(tǒng)分為三類: 定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值堅持不變?yōu)橐缓愣ㄖ档姆错懣刂葡到y(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 .1.2.4 自動控制系統(tǒng)的分類隨動控制系統(tǒng) 設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出被控變量隨之而變化。 程序控制系統(tǒng) 設(shè)定值也是變化的，但它是一個知的時間函數(shù)，即根據(jù)需求按一定時間程序變化。 .例題： 以下圖為直接蒸汽加熱器的工藝流程圖，要求畫出以熱物料的出口

12、溫度為被控變量，蒸汽流量為支配變量的控制系統(tǒng)帶檢測控制點的工藝流程圖，指明該控制系統(tǒng)中的被控變量、支配變量、過程以及主要擾動，畫出控制方案的方塊圖。蒸汽加熱器.解：蒸汽加熱器控制系統(tǒng)帶檢測控制點的工藝流程圖如下：.蒸汽加熱器控制系統(tǒng)的方塊圖如下：.1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及質(zhì)量目的蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖1.3.1靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動作用。靜態(tài)定態(tài)：當(dāng)輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)假設(shè)能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止形狀。此時輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性.動態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的

13、關(guān)系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入變化開場，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種形狀稱為動態(tài)。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖環(huán)節(jié)的動態(tài)特性.1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程 當(dāng)自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量即輸出隨時間不斷變化，它隨時間變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡形狀(靜態(tài))過渡到另一個平衡形狀靜態(tài)的過程。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)表示圖.1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程 一切正常任務(wù)的反響系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng),對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng),要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入

14、時的被控變量的過渡過程為例，由于階躍作用很典型，實踐上也經(jīng)常遇到，其他類型的干擾都是階躍信號的變種。.定值控制系統(tǒng)過渡過程的方式(階躍擾動) 發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減穩(wěn)定的過渡過程最常用.單項控制目的僅適用于衰減振蕩過程穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性1.3.3 自動控制系統(tǒng)的質(zhì)量目的綜合控制目的.最大動態(tài)偏向或超調(diào)量是描畫被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)目的。 對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏向是指被控變量第一個振蕩波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏向就是第一個波的峰值。為A 1最大動態(tài)偏向emax或超調(diào)量 穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()R(0

15、). 最大偏向表示系統(tǒng)的被控變量瞬間偏離給定值的最大程度。假設(shè)偏向越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常消費越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反響器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏向的允許值有所限制。.同時思索到干擾的延續(xù)出現(xiàn)，即當(dāng)?shù)谝粋€干擾還未去除時，第二個干擾能夠又出現(xiàn)了，偏向有能夠是疊加的，所以在決議最大偏向的允許值時，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。.在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)中，通常采用超調(diào)量這個目的來表示被控變量偏離設(shè)定值的程度。A超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,假設(shè)系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏向就等于超調(diào)量。普通超

16、調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。ytBBC0.衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)目的。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。 2衰減比n衰減比n穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y().衰減比n n1:衰減振蕩。n越大，那么控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度越高，當(dāng)n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。CtyBBA0n=1:等幅振蕩。n1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越猛烈，穩(wěn)定度也越低，.根據(jù)實踐操作閱歷，為堅持足夠的穩(wěn)定裕度，普通希望過渡過程有兩個波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1衰減率0.75衰減比10:1衰減率0.90CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性.3余差定義：控

17、制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。 余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個重要穩(wěn)態(tài)目的，實際上希望其為零，實踐上不超越預(yù)定的范圍即可。.上圖中， 在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于消費過程的要求，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學(xué)反響器的溫度控制要求高，余差就要小一些。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y().4回復(fù)時間過渡時間回復(fù)時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()定義：控制系統(tǒng)在遭到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值到達新的穩(wěn)態(tài)值所需求的時間。實際上講，控制系統(tǒng)要完全到達新的平衡形狀需求無限長的時間。.實踐上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的某一范圍 內(nèi)且不再越出時為止所

18、閱歷的時間，可計為過渡時間。普通希望過渡時間長or短？ytBB2%A0Ts短一些！.5振蕩頻率或振蕩周期在衰減比一樣條件下，振蕩周期與回復(fù)時間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或任務(wù)周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。.其它一些次要目的：振蕩次數(shù)：是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)?！袄硐脒^渡過程兩個波：是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：是指干擾開場作用起到第一個波峰所需求的時間。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y().小結(jié)：主要目的有：最大偏向、衰減比、余差、過渡時間。在實踐的系統(tǒng)中如何確定這些目的，要根據(jù)實踐情況來定。原那么：對消費過程有決議性意義的主要質(zhì)量目的應(yīng)該優(yōu)先保證。.例題：某換熱器的溫度調(diào)理系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如以下圖所示。試分別求出最大偏向、衰減比、余差、過