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1、第1章 自控系统概述第1页，本讲稿共49页化工仪表自动化教材：化工自动化及仪表 杨丽明 张光新编著 化学工业出版社第2页，本讲稿共49页化工自动化及仪表领域：化工生产过程目的：自动控制系统（理论基础：自动控制理论）手段（计算机、PLC）第3页，本讲稿共49页qq自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成qq系统运行的基本要求系统运行的基本要求系统运行的基本要求系统运行的基本要求qq自控系统的分类自控系统的分类自控系统的分类自控系统的分类qq自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指
2、标qq传递函数和方块图传递函数和方块图传递函数和方块图传递函数和方块图qq管道及仪表流程图管道及仪表流程图管道及仪表流程图管道及仪表流程图第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 第4页，本讲稿共49页1.11.1自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成液位人工控制眼看（检测）实际液位H手工完成测量测量、求偏差求偏差和操纵阀门纠正操纵阀门纠正偏差偏差的全过程。液位自动控制进进料料口口液位检测液位检测变送装置变送装置液位控制器液位控制器液位控制器液位控制器可用一套自动化装置自动化装置代替人眼、脑、手的作用，完成水槽中液位高低的自动控制任务。大大脑（运算、命
3、令）脑（运算、命令）H和期望液位和期望液位H比较比较手动（执行）手动（执行）执执行行器器在化工化工设备上，配备自动化装置自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为“化工自动化化工自动化”。第5页，本讲稿共49页 为清楚表示出自动控制系统各组成环节之间的相互影响和信号联系，可用方块图来表示控制系统系统的组成。系统中每个环节环节用一个方块方块表示，带箭头的线条表示方块间联系（输入、输出关系），线上的字母表示相互间的作用信号。自动控制系统方块图自动控制系统方块图y(t)液位控制器被控对象（液体贮槽）液位测量、变送装置
4、+执行器（控制阀）干扰被控变量r(t)设定值e(t)偏差u(t)控制变量（操纵变量）广义对象液位自动控制系统液位自动控制系统方块图第6页，本讲稿共49页几个常用术语几个常用术语几个常用术语几个常用术语 ：（1 1）被控对象被控对象 需要控制的设备、机械或生产过程，简称对象。需要控制的设备、机械或生产过程，简称对象。y(t)液位控制器被控对象（液体贮槽）液位测量、变送装置+执行器（控制阀）干扰被控变量r(t)设定值e(t)偏差u(t)控制变量（操纵变量）广义对象（6 6）偏差偏差 设定值与测量值之差。设定值与测量值之差。（5 5）设（给）定值设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。工艺规定
5、被控变量所要保持的数值。（4 4）干扰干扰干扰干扰（扰动扰动扰动扰动）除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变 化的一切因素。化的一切因素。（3 3）控制变量（操纵变量）控制变量（操纵变量）受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量。受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量。（2 2）被控变量被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量。对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量。液位控制系统中的被控变量是哪个量？液位液位控制系统中的控制变量是哪个量？流量Qo液位控制系统中的干扰是
6、哪个量？流量Qi第7页，本讲稿共49页进料 TTTC出料 蒸汽设定值 冷凝水蒸汽加热器温度控制系统练习：下图是蒸气加热器温度控制系统示意图，试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、控制变量及可能存在的干扰。注：TC表示温度控制器；TT表示温度测量变送器 第8页，本讲稿共49页y(t)控制器被控对象测量、变送装置+执行器（控制阀）干扰被控变量r(t)设定值e(t)偏差u(t)控制变量（操纵变量）广义对象本书内容：1 自控系统概述2 控制系统基本组成环节特性分析（数学方法建模）3 过程参数的检测4 控制器5 计算机控制系统6 执行器7 简单控制系统8 复杂控制系统第9页，本讲稿共49页控制
7、系统的方块图：控制系统的方块图：控制系统的方块图：控制系统的方块图：控制器+设定值广义对象控制器被控对象测量变送装置+设定值执行器基本组成环节：1、被控对象2、检测与变送环节3、控制器（含比较机构）4、执行器固定因素补偿因素第10页，本讲稿共49页1.2 1.2 系统运行的基本要求系统运行的基本要求系统运行的基本要求系统运行的基本要求 1、基本要求a、运行稳定稳定 系统是否稳定和系统中各个环节的特性各个环节的特性、反馈性质反馈性质有关。反馈反馈反馈反馈：控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。负反馈负反馈:反馈的结果是使系统的输出减小正反馈正反馈:
8、反馈的结果是使系统的输出增加。工业控制系统一般情况下都应为负反馈。b、满足一定的精度或某些规定的性能指标控制器+r(t)y(t)e(t)负反馈控制器+r(t)y(t)e(t)正反馈第11页，本讲稿共49页2 2、闭环与开环、闭环与开环 闭环：闭环：闭环：闭环：控制器被控对象测量变送装置+SP执行器开环：开环：开环：开环：控制器被控对象控制依据：偏差特点：控制精度高，抗干扰能力强；但使用元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。特点：控制方式简单，但控制精度低，抗干扰能力差。第12页，本讲稿共49页3 3、正作用与反作用、正作用与反作用正作用环节:输出信号随输入信号的增加而增加的环节反作用环
9、节:输出信号随输入信号的增加而减小的环节能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关负反馈：所有环节作用的乘积为负负反馈：所有环节作用的乘积为负。测量变送器测量变送器一般均具有正作用正作用特性。液位控制器液体储槽测量变送器+SP执行器进进料料口口执执行行器器测测量量变变送送器器控控控控制制制制器器器器？“正”“正”？由于被控对象和执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的，所以应当通过控制器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求。反正液位控制系统第13页，本讲稿共49页1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类（1）按反馈形式 闭环控制系统 开环控制系
10、统控制器广义对象+设定值?“正”“反”（2）按控制系统的结构形式简单控制系统 复杂控制系统第14页，本讲稿共49页（3）按给定值分类a、定值控制系统给定值不变（恒定值）b、随动控制系统给定值随时间不断变化（非预先规定好的）（自动跟踪系统）对象控制器执行器测量变送给定值 Q1 燃料量Q2 空气量c、程序控制系统设定值是一个变化的、已知的时间函数，按生产工艺要求规律变化，控制系统按设定程序自动进行。例：加热炉燃烧过程控制，空气量跟随燃料的变化而变化，保证达到最佳燃烧。要求：Q2=KQ1第15页，本讲稿共49页1.4 1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标（1）稳态
11、和动态控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。静态被控变量不随时间变化的平衡状态（动态平衡：变化率为0，不是静止）。动态被控变量随时间变化的不平衡状态。（2）过渡过程过渡过程过渡过程：受到干扰作用后系统失稳(偏离平衡状态)，在控制器的控制下，被控变量回复到平衡状态的过程。控制器被控对象测量变送装置+SP执行器第16页，本讲稿共49页 在分析和设计控制系统时往往选定阶跃干扰（输入）为在分析和设计控制系统时往往选定阶跃干扰（输入）为分析依据。分析依据。阶阶跃跃干干扰扰：在在某某一一瞬瞬间间
12、t t0 0，干干扰扰突突然然阶阶跃跃式式地地加加入入系系统统，并并保保持持在在这个幅值。这个幅值。特点：特点：1 1、比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、对于一、比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。其它变化比较缓和的各种干扰。2 2、阶跃干扰形式简单，易于实现。、阶跃干扰形式简单，易于实现。实际过程容易产生阶跃干扰。实际过程容易产生阶跃干扰。输 入 量时间tt00第17页，本讲稿共49页阶跃干扰下过渡过程的几种基本形式：阶跃干扰下过渡过程的
13、几种基本形式：非周期衰减过程非周期衰减过程 衰减振荡过程衰减振荡过程 等幅振荡过程等幅振荡过程 发散振荡过程发散振荡过程 单调发散过程单调发散过程 X XX XX X一般不采用（e）第18页，本讲稿共49页（3 3）过渡过程的品质指标）过渡过程的品质指标 评价一个控制系统性能优劣的标准：以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差（超调量）衰减比余差过渡时间振荡周期（振荡频率）如何来评价自控系统的质量？必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。第19页，本讲稿共49页1.最大偏差或超调量（已知：给定值0）最大偏差最
14、大偏差：在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。0t yABB C 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。一般最大偏差小一些为好，若偏离越大，偏离的时间越长，表明被控变量离开正常的工艺指标就越远，不利于生产的正常进行。若干扰比较频繁，第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，引起偏差产生叠加，因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许值。超调量超调量：第一峰值A与新稳态值C之差，图中以B表示，即B=A-C。最大偏差大一点好还是小一点好？在衰减振荡过程中，最大偏差为第一个波的峰值，图中以A表示。被控变量变化曲线第20页，本讲稿共49页2.衰减比 衰减比：前后相邻两个峰值之比，图中以B:B表
15、示，习惯上表示为n:1的形式。衰减比表明过渡过程的衰减程度。若衰减比较小(n1)，则过渡过程接近于等幅振荡过程，不稳定；若n很大，则又太接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢。n一般取4 10之间，是操作人员多年的操作经验总结。衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度较快，被控变量较快达到第一个峰值，然后马上下降，又较快达到一个低峰值，且第二个峰值远远低于第一个峰值。这种现象表明被控变量再振荡数次后很快会稳定下来，防止操作人员误操作使系统处于难以控制的状态。0t yABB C第21页，本讲稿共49页衰减比 n1等幅振荡 n1发散振荡 n1衰减振荡 不振荡 为了保持有足够的稳定程度
16、，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。衰减比：稳定性的指标第22页，本讲稿共49页3.余差 余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之间的偏差，图中以C表示。0t yABB C一般控制系统被控变量越接近设定值越好，所以余差越小越好。根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统。余差大一点还是小一点好？余差：准确性的指标。第23页，本讲稿共49页4.过渡时间过渡时间5.振荡周期振荡周期 或频率或频率 过渡时间：过渡时间：从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的
17、时间。一般认为被控变量进入新稳态值的5%或(2%)范围内且不再越出时为止时所经历的时间为过渡时间。0振荡周期：振荡周期：过渡过程同相两波峰(或波谷)间的时间间隔，其倒数称为振荡频率振荡频率。在衰减比相同的情况下，振荡周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。过渡时间短，表示过渡过程比较迅速，即使干扰频繁出现，系统也能适应，控制质量高；反之，过渡时间太长，第一个干扰引起的过渡过程尚未结束，第二个干扰就已经出现，几个干扰的影响叠加，可能使系统不能满足生产要求。过渡时间短一点好还是长一点好？过渡时间ts：快速性的指标。第24页，本讲稿共49页阶跃干扰作用下的过渡过程（给定值0，加一阶跃干扰）
18、定值系统0最大偏差A：衰减比n：余差e()：过渡时间tp：振荡周期：第25页，本讲稿共49页影响过渡过程的主要因素?固定因素：对象特性 测量仪表特性 执行器特性补偿因素：控制器特性控制器特性这是自动控制的主要研究内容第26页，本讲稿共49页例子某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。解：解：1、最大偏差：A230200302、余差C20520053、第一个波峰值B23020525第二个波峰值B2102055衰减比n25：55：l。4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T20515(min)
19、5、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土2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200(2)土4，这时，可在新稳态值(205)两侧以宽度为土4画一区域，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，过渡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。第27页，本讲稿共49页1 1、拉普拉斯变换、拉普拉斯变换拉氏变换的实质：拉氏变换的实质：将以时间t为自变量的函数f（t），转换成以复变量s（s=+j）为自变量的函数F（s）。其中：为原函数，为拉氏变换式（或象函数）拉氏变换：1.5 传递函数和方块图传递函数和方块图定义：F
20、(s)f(t)对应一一拉氏反变换：第28页，本讲稿共49页1、阶跃函数 的象函数。解：根据定义于是常见函数的拉普拉斯变换单位阶跃（A=1）:第29页，本讲稿共49页2、斜坡函数的拉氏变换。A=1:3、指数函数 的象函数。第30页，本讲稿共49页拉氏变换的性质拉氏变换的性质4、线性性质 3、平移性质1、微分性质 若 2、积分性质 5、终值性质 则推广：并且已知f(0)=0其中：为延迟函数第31页，本讲稿共49页象函数 F(s)原函数 f(t)，t0象函数 F(s)原函数 f(t)，t0部分常用的拉氏变换公式表拉氏变换的作用拉氏变换的作用:微分方程代数方程例：若：则：第32页，本讲稿共49页2 2
21、、传递函数、传递函数线性系统的输入输出关系如下微分方程描述：线性系统的输入输出关系如下微分方程描述：若将其进行拉普拉斯变换，并令初始条件为零，可得：若将其进行拉普拉斯变换，并令初始条件为零，可得：传递函数表征了系统本身的特性，仅与系统本身的结构有关。传递函数表征了系统本身的特性，仅与系统本身的结构有关。传递函数传递函数第33页，本讲稿共49页思考题与习题（P17）11.试写出下列表达式的传递函数：第34页，本讲稿共49页3 3、方块图、方块图Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+xzeuqyf1、加法器（比较机构）3 3、分支点、分支点4 4、环节、环节基本元素2、信息（用标有方向的线段表
22、示）Y(s)第35页，本讲稿共49页方块图的基本运算法则：方块图的基本运算法则：1 1、环节串联、环节串联2 2、环节并联、环节并联等效传函第36页，本讲稿共49页3 3、反馈回路、反馈回路E(s)Z(s)带入，得反馈传函E(s)Z(s)总结：第37页，本讲稿共49页方块图的基本运算法则方块图的基本运算法则2、分支点移动原则：分支点信号不变1、相加点移动原则：总输出不变？G(s)1/G(s)1/G(s)G(s)第38页，本讲稿共49页Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+X(s)Z(s)E(s)Y(s)F(s)Gf(s)解：求Y(s)/F(s)，此时X(s)=0方块图化简及应用：如图所示的
23、控制系统的方块图，如图所示的控制系统的方块图，求：求：定值系统的等效方块图（输入：定值系统的等效方块图（输入：F(s)F(s)，输出，输出Y(s)Y(s)，X(s)=0X(s)=0）随动系统的等效方块图（输入：随动系统的等效方块图（输入：X(s)X(s)，输出，输出Y(s)Y(s)，F(s)=0F(s)=0）例：例：第39页，本讲稿共49页Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+X(s)Z(s)E(s)Y(s)F(s)Gf(s)求Y(s)/X(s)，此时F(s)=0Gc(s)Gv(s)Go(s)Hm(s)+X(s)Z(s)E(s)Y(s)第40页，本讲稿共49页例：某原油加热控制系统。图中T
24、T为温度测量变送环节，TC为温度控制器。若被控对象控制通道的传递函数为 3/(5s+4)；控制器TC的传递函数为1；调节阀的传递函数为1；TT的传递函数为1；当设定值发生单位阶跃变化时，求原油出口温度的稳态变化量T（）。Gc(s)Gv(s)Go(s)Gm(s)+X(s)Z(s)E(s)Y(s)F(s)Gf(s)解：先画出方块图+第41页，本讲稿共49页15.图1-33是蒸气加热器温度控制系统示意，试解答下列问题(2)若被控对象控制通道的传递函数为 ；控制器TC的传递函数为 ；调节阀的传递函数为 ；测量、变送环节TT的传递函数为 。因是生产需要，出口物料温度从80提高到85时，物料出口温度的稳态
25、变化量T（）为多少？系统的余差为多少？思考题与习题（P18）第42页，本讲稿共49页G1(s)G2(s)G3(s)H1(s)+X(s)Y(s)H2(s)+?例：有一复杂系统方块图如图所示，求其传递函数G(s)=Y(s)/X(s)=?G1(s)G2(s)G3(s)H1(s)+X(s)Y(s)H2(s)+解：G1(s)G2(s)G3(s)H1(s)+X(s)Y(s)H2(s)+1/G1(s)1/G1(s)第43页，本讲稿共49页14、试化简图131、图132所示的方块图，并求其等效传递函数。思考题与习题（P1718）图131图132第44页，本讲稿共49页1.6 管道及仪表流程图在工艺设计给出的流
26、程图上，按流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号。第45页，本讲稿共49页(1)图形符号a、测量点 一般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b、连线连线 通用的仪表信号线均以细实线表示 c、仪表符号仪表符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm 就地安就地安装仪表装仪表 就地安就地安装仪表装仪表嵌在管嵌在管道中道中 集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 第46页，本讲稿共49页仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号例如：PIC207 TRC210 (2)(2)字母代号字母代号字母代号字母代号 字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量被测变量后继字母表示仪表的功能功能 PIC207压力压力指示指示控制控制(3)(3)(3)(3)仪表位号仪表位号仪表位号仪表位号 数字编号写在圆圈的下半部第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。第第2 2工段工段仪表序号为仪表序号为0707第47页，本讲稿共49页字母第一位字母后续字母A分析报警C控制F流量I电流指示L液位P压力R记录或打印T温度传送常用仪表功能字母代号第48页，本讲稿共49页脱乙烷塔的管道及仪表流程图第49页，本讲稿共49页