化工儀表及自動化第1章課件

化工儀表及自動化第一章自動控制系統(tǒng)基本概念

內(nèi)容提要

化工自動化的主要內(nèi)容自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的品質指標影響控制系統(tǒng)過渡過程品質的主要因素1第一節(jié)化工自動化的主要內(nèi)容1.自動檢測系統(tǒng)2.自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)3利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統(tǒng)。它代替了操作人員對工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1熱交換器自動檢測系統(tǒng)示意圖當工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號系統(tǒng)就自動地發(fā)出聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。

自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設備進行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)可以按照預先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運行或自動停車。

在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態(tài)時，自動控制系統(tǒng)能自動地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。

第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖

4圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統(tǒng)圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖

自動控制系統(tǒng)的組成5組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控制器執(zhí)行器控制系統(tǒng)的4個基本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀表(測量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器幾個常用術語：（1）被控對象

需要實現(xiàn)控制的設備、機械或生產(chǎn)過程稱為被控對象，簡稱對象。（2）被控變量

對象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按某一規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。（3）控制變量（操縱變量）受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。

（4）干擾（擾動）除控制變量（操縱變量）以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。（5）設（給）定值

工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。（6）偏差

偏差本應是設定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設定值與測量值之差定義為偏差。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動控制的方塊圖在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)地方塊圖每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。6方塊圖中，

x

指設定值；z

指輸出信號；e

指偏差信號；p指發(fā)出信號；q

指出料流量信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當x

取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統(tǒng)方塊圖7第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖其他控制系統(tǒng)

用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)

當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個控制系統(tǒng)同樣可以用上頁中的方塊圖表示8第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。9方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)運行的基本要求

自動控制系統(tǒng)的（最）基本要求是系統(tǒng)運行必須是穩(wěn)定的反饋是控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過測量變送返回到控制系統(tǒng)的輸入端，并與設定值比較的過程。若反饋的結果是使系統(tǒng)的輸出減小，則稱為負反饋若反饋的結果是使系統(tǒng)的輸出增加，則稱為正反饋工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應為負反饋。

第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設定值進行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)根據(jù)設定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差。調(diào)節(jié)器被控對象測量變送裝置+－SP執(zhí)行器開環(huán)——系統(tǒng)的輸出沒有被反饋回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號進行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的輸出與設定值與測量值之間的偏差無關。要實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反饋。

第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。與自動檢測、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質的區(qū)別，就在于自動控制系統(tǒng)有負反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10舉例化肥廠的造氣自動機就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子自動操縱裝置對象操縱作用工藝參數(shù)操縱指令第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結開環(huán)系統(tǒng)：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規(guī)定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自動機不會自動地根據(jù)被控變量的實際工況來改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。11第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產(chǎn)指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。131.定值控制方法2.隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）

給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）

給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產(chǎn)技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應用比較普通。14第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)15自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。

靜態(tài)——被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標

當一個自動控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。16第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標17動態(tài)——被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。

從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結論：在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術指標上。第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。18當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。舉例圖1-7控制系統(tǒng)方塊圖第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。

19第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標采用階躍干擾的優(yōu)點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。圖1-8階躍干擾作用20第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發(fā)散震蕩過程X√√？對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標三、控制系統(tǒng)的品質指標控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質的依據(jù)。22圖1-10過渡過程品質指標示意圖

假定自動控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程

多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質指標。第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標23五種重要品質指標之一1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量是用來表征被控變量偏離穩(wěn)態(tài)值的程度。第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標2.衰減比衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質指標之二24第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之三3.余差當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。

25第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之四4.過渡時間

從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間叫過渡時間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經(jīng)達到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。26第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之五5.震蕩周期或頻率

過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27階躍干擾作用下的過渡過程（設定值固定，加一階躍干擾）——定值系統(tǒng)

0最大偏差emax：衰減比n：余差e(∞)：過渡時間tp：振蕩周期：超調(diào)量σ：第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標自動控制系統(tǒng)希望的結果：最大偏差（超調(diào)量）？衰減比？余差？過渡時間？振蕩周期？答：越小越好n＝1等幅振蕩n＜1發(fā)散振蕩n＞1衰減振蕩不振蕩

為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優(yōu)的結果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。答：越小越好答：越小越好答：短好第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標例子某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間(給定值為200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一個波峰值B＝230—205＝25℃

第二個波峰值B’＝210—205＝5℃

衰減比n＝25：5＝5：l。

4、振蕩周