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1、化工儀表及自動(dòng)化,第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念,內(nèi)容提要,化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素,1,內(nèi)容提要,工藝管道及控制流程圖圖形符號(hào)字母代號(hào)儀表位號(hào),2,第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,1. 自動(dòng)檢測系統(tǒng)2. 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3. 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4. 自動(dòng)控制系統(tǒng),3,第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,1. 自動(dòng)檢測系統(tǒng),2. 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),當(dāng)工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光

2、信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。,3. 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng),自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。,4. 自動(dòng)控制系統(tǒng),在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。,第二節(jié) 自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)圖,人工操作與自動(dòng)控

3、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(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,5,組成,自動(dòng)化裝置,被控對(duì)象,測量元件與變送器,自動(dòng)控制器,執(zhí)行器,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,液位自動(dòng)控制的方塊圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖，每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。,6,方塊圖中， x 指設(shè)定值；z 指輸

4、出信號(hào)；e 指偏差信號(hào)；p 指發(fā)出信號(hào)；q 指出料流量信號(hào)；y 指被控變量；f 指擾動(dòng)作用。當(dāng)x 取正值，z取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反饋。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,液位自動(dòng)控制的方塊圖,圖1-4 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,7,幾個(gè)常用術(shù)語 ：（1）被控對(duì)象 需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過程稱為被控對(duì)象，簡稱對(duì)象。（2）被控變量 對(duì)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(dòng)） 除控制變量（操

5、縱變量）以外，作用于對(duì)象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。（5）設(shè)（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(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實(shí)際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實(shí)際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏差。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,其他控制系統(tǒng) 用同一種形式的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(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，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(gè)控制系統(tǒng)同樣可以用上頁中的方塊圖表

6、示,8,P6圖1-5 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)：（1）被控對(duì)象-蒸汽加熱器（2）被控變量-出口物料的溫度（3）控制變量（操縱變量）-加熱蒸汽量（4）干擾（擾動(dòng)）作用 -進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度的變化 、加熱蒸汽壓力的變化、加熱器內(nèi)部傳熱系數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化（5）操縱介質(zhì)（操縱劑）-加熱蒸汽,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,注意！方塊圖中的每一個(gè)方塊都代表一個(gè)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(hào)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(hào)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(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而

7、方塊圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,小結(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 與自動(dòng)檢測、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)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,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖,小結(jié),11,設(shè)定器,控制器,被控對(duì)象,擾動(dòng),被控量,設(shè)定器,被控過程,傳感器,控制器,開環(huán)控制系統(tǒng)：,閉環(huán)控制系統(tǒng) :,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,幾種分類方法（一）按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；（二）按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積

8、分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；（三）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(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)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(dòng)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(gè)生產(chǎn)指標(biāo)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)。,13,1.定值控制方法,2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）,給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,3.程

9、序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）,給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。,14,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài),15,自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。,靜態(tài)被控變量不隨時(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、

10、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。,16,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),17,動(dòng)態(tài)被控變量隨時(shí)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(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。,結(jié)論：在自動(dòng)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(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(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(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)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(shù)指標(biāo)上。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),

11、二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。,18,當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。,舉例,圖1-7 控制系統(tǒng)方塊圖,動(dòng)態(tài)被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)。 如果系統(tǒng)原來處于相對(duì)平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當(dāng)出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化，此時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)生作用，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)執(zhí)行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設(shè)定值來，這么一個(gè)從干擾發(fā)生、系統(tǒng)控制、直到重新建立平衡的過程稱為“動(dòng)態(tài)”過程。 工藝設(shè)計(jì)主要圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作，自動(dòng)控制是在“靜態(tài)”特性基礎(chǔ)上研究其“動(dòng)態(tài)”特性當(dāng)系統(tǒng)失

12、去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。 如何來評(píng)價(jià)自控系統(tǒng)的質(zhì)量？ 必須分析“系統(tǒng)失穩(wěn)以后能否重新回到平衡狀態(tài)”、“從系統(tǒng)失穩(wěn)到重新回到平衡狀態(tài)”這個(gè)過程的各種指標(biāo)。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)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(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)： 這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)

13、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(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。,圖1-8 階躍干擾作用,20,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),自動(dòng)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(duì)于控制質(zhì)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(shí)），才可采用。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。,22,圖1-10 過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖,假定自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量

14、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(zhì)指標(biāo)。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),23,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一,1. 最大偏差A(yù)或超調(diào)量B,最大偏差A(yù) 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(gè)波的峰值。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。 超調(diào)量B 也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。 B=A-C,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),2. 衰減比 B/B 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，

15、它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二,24,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),3. 余差 C 當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)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(shí)的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)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)。,25,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),4. 過渡時(shí)間 從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，

16、就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。,26,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),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(shí)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(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。,27,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五,自動(dòng)控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：,最大偏差（超調(diào)量）？,衰減比？,余差？,過渡時(shí)間？,振蕩周期？,答：越小越好,n1等幅振蕩 n1發(fā)散振蕩 n1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(jié)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,自動(dòng)控制系統(tǒng)性能要求,五個(gè)字：穩(wěn)、準(zhǔn)、快、壯、省穩(wěn)： 擾動(dòng)下不發(fā)散準(zhǔn)： 與設(shè)定值的偏差小快： 用最少的時(shí)間達(dá)到要求壯： 適應(yīng)寬范圍工況?。?控制能量最省，波動(dòng)小，效率高,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),28,某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過