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1、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表示形式 自动控制系统的基本组成 自动控制系统的表示形式 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,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,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
2、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。,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。,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表示形式,4,图1-2 液位人工控制,图1-3 液位自动控制系统图,人工操作与自动控制比较图,一、自动控制系统的基本组成,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,5,组 成,自动化装置,被控对象,测量元件与
3、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表示形式,1.方框图 在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方框图来表示控制系统的组成。,6,二、自动控制的表示形式,带有输入输出信号的方框,比较点,分支点,图1.4 方框的组成单元示意图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,下页图为液位自动控制系统地方框图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方框表示为这个环节的输入，箭头离开方框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。,6,二、自动控制的表示形式,方框图中， x 指设定值；z
4、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表示形式,液位自动控制的方框图,图1-5液位自动控制系统方框图,7,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,其他控制系统 用同一种形式地方框图可以代表不同的控制系统,图1-6 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
5、系统同样可以用上页中的方框图表示,8,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,注意！方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。,9,方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表方框之间的物料联系。方框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，而方框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表示形式,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
6、馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。,10,图1-7 自动操纵系统方框图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,小结,11,2.管道及仪表流程图,管道及仪表流程图（PID Piping and Instrumention diagram）是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。管道及仪表流程图在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。在控制方案确定以后，由工艺人员和自控人员共同研究绘制。,33,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,34,图1-
7、8脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,左图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图,举例,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,（1）图形符号 测量点（包括检出元件、取样点）,35,检试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,图1-9 测试点的一般表示方法,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,连接线,36,通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方
8、式以示区别。,图1-10 联系线的表示法,工艺管道及控制流程图,仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。,37,工艺管道及控制流程图,38,表1-1 仪表安装位置的图形符号表示,工艺管道及控制流程图,39,对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。,图1-11 复式仪表的表示法,工艺管道及控制流程图,（2）字母代号,在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（
9、或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。,40,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,41,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,42,举例,以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。,塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,回流罐液位控制系统中的LIC-201是一台具有指示
10、功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。 塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。,塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。,43,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,（3）仪表位号,44,仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。,第三节 自动控制系统的分类,几种分类方法 按被控变
11、量来分类，如温度、压力等控制系统； 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； 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
12、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
13、，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
14、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1-12 控制系统方框图,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
15、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1-13 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
16、系统的过渡过程是衡量品质的依据。,22,图1-15 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. 最大偏差或超调量,最大偏差是指在过渡过程中，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。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程
17、度。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,2. 衰减比 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,五种重要品质指标之三 3. 余差 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,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之四 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
18、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,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之五 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,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,28,某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、
19、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。,举例,图1-16 温度控制系统过渡过程曲线,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,解 最大偏差A230-20030余差C205-200 由图上可以看出，第一个波峰值B230-20525， 第二个波峰值B2102055， 故衰减比应为B:B25:55:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔， 故周期T20-515（min）,29,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,分析 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200（2）4，这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为
20、画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。,30,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素,31,一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。,32,END,