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1、化工自動(dòng)化及儀表,課程的重要性：,控制系統(tǒng)在石油、化工、制藥、冶金、造紙等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍。生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)工藝變量，有著一定的控制要求。如： 1）精餾塔的塔頂或塔釜溫度，在操作壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產(chǎn)品。 2）化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達(dá)到指標(biāo)。 因此，工藝技術(shù)人員必須充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設(shè)計(jì)出合理、高效的生產(chǎn)工藝。,使用常規(guī)儀表的中央控制室,DCS控制系統(tǒng),1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述,本章的主要內(nèi)容：,1.1 自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng),1.3 控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo),1.1 自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述,1

2、.1.1 控制理論的發(fā)展,1）經(jīng)典控制理論:20世紀(jì)4050年代Nyquist(1932)頻域分析方法Bode圖(1945 )分析方法根軌跡(1948)分析方法 特點(diǎn)：主要從輸出與輸入量的關(guān)系來(lái)分析與研究問(wèn)題。 適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。它是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。PID控制規(guī)律是經(jīng)典控制理論最輝煌的成果。,2）現(xiàn)代控制理論:20世紀(jì)60年代得到迅猛發(fā)展。 其主要內(nèi)容為： 線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理論，最佳估計(jì)理論，系統(tǒng)辨識(shí)。 特點(diǎn)： 從輸入-狀態(tài)-輸出的關(guān)系，全面地分析與研究系統(tǒng)。 適用范圍：不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線性時(shí)變，非線性

3、及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出系統(tǒng)。,3）大系統(tǒng)理論:20世紀(jì)70年代開(kāi)始將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合形成大系統(tǒng)理論 核心思想： 系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào) 適用范圍： 高維線性系統(tǒng),1.1.2 控制儀表的發(fā)展1）基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路2）單元組合式（按功能）： DDZ（電動(dòng)）, QDZ （氣動(dòng)）20世紀(jì)60年代，單元之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)聯(lián)系3）計(jì)算機(jī)： DDC, DCS （20世紀(jì)70年代）自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過(guò)程：模擬儀表-數(shù)字儀表-智能儀表。,1.1.3 當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn)生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注DCS正在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式系統(tǒng)綜合自

4、動(dòng)化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng),手動(dòng)控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，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。,鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng),加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng),術(shù)語(yǔ)被控過(guò)程（被控對(duì)象）：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，針對(duì)需要控制的工藝參數(shù)的生產(chǎn)過(guò)程（設(shè)備或機(jī)器特性）。被控變量：被控過(guò)程內(nèi)需要控制的工藝參數(shù)。,被控過(guò)程：汽包被控變量：汽包液位,操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過(guò)程并引起被控變量變化的

5、因素。,操縱變量：水的流量擾動(dòng)：水壓力、蒸汽壓力等,設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。偏差：被控變量設(shè)定值與實(shí)際值之差。負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減（負(fù)反饋閉環(huán)的才可以獨(dú)立工作）。,加熱爐的溫度控制系統(tǒng),被控過(guò)程：加熱爐,被控變量：物料出口溫度,操縱變量：燃料油流量,擾動(dòng)：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等,1.2.2閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制 閉環(huán)控制： 在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。 閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：控制不夠及時(shí)；如果系

6、統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。,開(kāi)環(huán)控制： 開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：不需要對(duì)被控變量進(jìn)行測(cè)量，只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，控制及時(shí)。開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)：由于不測(cè)量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量偏離設(shè)定值，并無(wú)法消除偏差，這是開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)。,開(kāi)環(huán)的液位控制系統(tǒng) （按擾動(dòng)控制，又稱前饋控制）,開(kāi)環(huán)控制舉例,鍋爐汽包開(kāi)環(huán)控制,1.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖 （第二次課） 在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信

7、號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開(kāi)方框的為環(huán)節(jié)輸出。,閉環(huán)控制系統(tǒng)組成,檢測(cè)元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值y(t)。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測(cè)量值y(t)并輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。 系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過(guò)程、執(zhí)行器、檢測(cè)元件與變送器的組合稱為廣義對(duì)象。,閉環(huán)控制系統(tǒng)組成,在分析控制系統(tǒng)的工作過(guò)程時(shí)，有幾個(gè)很重要的概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(

8、t)、f(t)等盡管是實(shí)際的物理量，但它們是作為信息來(lái)轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個(gè)環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，它送出的信息稱為輸出信號(hào)。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。每一環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。,從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，輸入信號(hào)：設(shè)定值和擾動(dòng) 輸出信號(hào)：被控變量、測(cè)量值（2）閉環(huán)：按信息的流向來(lái)說(shuō)（3）動(dòng)態(tài)：物理量是時(shí)間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。,閉環(huán)控制系統(tǒng)組成,1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類: 定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控

9、制系統(tǒng) 設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 隨動(dòng)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(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化,1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)、定態(tài)、平衡狀態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。從輸入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)控制

10、直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。,1.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過(guò)程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。 對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(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時(shí)的被控變量的過(guò)渡過(guò)程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對(duì)系統(tǒng)的影響是最嚴(yán)重的。,定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式(階躍擾動(dòng)),發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減,單項(xiàng)控制指標(biāo)

11、（僅適用于衰減振蕩過(guò)程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性,1.3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo),綜合控制指標(biāo),最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。為A,（1）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（ ）,穩(wěn)態(tài)特性,最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。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。同時(shí)考慮

12、到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。,A,超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差（即B=A-C）與穩(wěn)態(tài)值C之比。,衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。,（2）衰減比n,衰減比n,穩(wěn)態(tài)特性,衰減比n,n1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程接近于

13、非振蕩過(guò)程。 n=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(guò)程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，,根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過(guò)渡過(guò)程有兩個(gè)波左右，與此對(duì)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0.90,穩(wěn)態(tài)特性,（3）余差,定義：控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)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(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過(guò)預(yù)定的范圍。,上圖中，,在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于生產(chǎn)過(guò)程的要求，并不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。,C,t,

14、y,B,B,A,0,穩(wěn)態(tài)特性,（4）回復(fù)時(shí)間（過(guò)渡時(shí)間）,回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。,C,t,y,B,B,A,0,穩(wěn)態(tài)特性,實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的 或 或 的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過(guò)渡時(shí)間。一般希望過(guò)渡時(shí)間短一些。,Ts,（5）振蕩頻率（或振蕩周期）,在衰減比相同條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。,定義：過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。,其它一些次要指

15、標(biāo)：振蕩次數(shù)：是指在過(guò)渡過(guò)程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)。,“理想過(guò)渡過(guò)程兩個(gè)波”：是指過(guò)渡過(guò)程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來(lái)。上升時(shí)間：是指干擾開(kāi)始作用起到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。,穩(wěn)態(tài)特性,總結(jié)：,主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。原則：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。,例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間（設(shè)定值為200）。,(),解：,(1)最大偏差：,(2)余差：,(),(3)衰減比：,第一個(gè)波的振幅,第二個(gè)波的振幅,(),(),衰減比,(4)過(guò)

16、渡時(shí)間：,過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為 ，就可以認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為,(),那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫(huà)一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過(guò)渡過(guò)程為22min.,綜合控制指標(biāo) 綜合控制指標(biāo)就是通過(guò)偏差的某些函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分值來(lái)表述。通常采用三種表達(dá)形式：(1)絕對(duì)值積分鑒定IAE IAE|e|dt(2)平方積分鑒定ISE ISEe2dt(3)時(shí)間乘以絕對(duì)值的積分鑒定ITAE ITAE|e|tdt 在綜合指標(biāo)中，如直接對(duì)動(dòng)態(tài)偏差e積分，則正負(fù)偏差將相互抵消，此時(shí)即使偏差很大，目標(biāo)積分值仍很小。而采用絕對(duì)值積分或偏差平方積分可以避免正負(fù)偏差積分時(shí)相互抵消的現(xiàn)象。IAE與ISE相比，后者對(duì)最大偏差的數(shù)值更加敏感。而ITAE對(duì)后期的時(shí)間加大權(quán)值，對(duì)消除偏差所需時(shí)間更為敏感，可突出快速性要求。,演講完畢，謝謝觀看！,