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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化绪论绪论内容提要内容提要n 化工自动化的含义化工自动化的含义n 化工生产过程自动化的目的化工生产过程自动化的目的n 化工自动化的发展情况化工自动化的发展情况n 本学科的作用本学科的作用2化工自动化的含义化工自动化的含义n是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。简称。n在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的在化工设备上，配备上一些自动化装置，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，这种用部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法
2、，称为化工自动化。自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。3化工生产过程自动化的目的化工生产过程自动化的目的 n加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。n减轻劳动强度，改善劳动条件。减轻劳动强度，改善劳动条件。n能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。使用寿命，提高设备利用能力的目的。n生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的
3、文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。差别创造条件。4化工自动化的发展情况化工自动化的发展情况n20世纪世纪40年代以前年代以前n绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。n20世纪世纪50年代到年代到60年代年代n人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效
4、率、连续生产、使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。综合利用方向迅速发展。5化工自动化的发展情况化工自动化的发展情况n20世纪世纪70年代以来，化工自动化技术又有了新的年代以来，化工自动化技术又有了新的发展发展n已发展为综合自动化，应用的领域和规模越来越大；已发展为综合自动化，应用的领域和规模越来越大；显示了知识密集化、高技术集成化的特点；智能化程显示了知识密集化、高技术集成化的特点；智能化程度日益增加度日益增加 。n20世纪末，计算机、信息技术的飞速发展，引发世纪末，计算机、信息技术的飞速发展，引发了自动化系统结构的变革了自动化系统结构的变革6本学科的作用本学科
5、的作用n化工生产过程自动化是一门综合性的技术学科。它应用自化工生产过程自动化是一门综合性的技术学科。它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。务于化学工程学科。n对于熟悉化学工程学科的人员，如能再学习和掌握一些检对于熟悉化学工程学科的人员，如能再学习和掌握一些检测技术和控制系统方面的知识，必能在推进中国的化工自测技术和控制系统方面的知识，必能在推进中国的化工自动化事业中，起到事半功倍的作用。动化事业中，起到事半功倍的作用。7化工仪表及自动化化工仪表及自动化第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念
6、内容提要内容提要n 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容n 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及表示形式n自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成n自动控制系统的表示形式自动控制系统的表示形式n 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n 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n控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态n控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程n控制系统的品质指标控制系统的品质指标n影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主要因素1第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容n1.自动检测系统自动检测系
7、统n2.自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统n3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统n4.自动控制系统自动控制系统3利用各种检测仪表对主要工艺参利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。录，起到人的眼睛的作用。图1-1 热交换器自动检测系统示意图当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，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，告诫操作人员注信号系统就自动地发
8、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，意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切联锁系统立即自动采取紧急措施，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。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按照预先规定好
9、的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。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，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自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。内。第二节第二节 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n人工操作与自动控制比较图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要一、自动控制系统的基本组成一、自动控制系统的基本组成第二节第二节 自动控制系统的基本组成
10、及表示形式自动控制系统的基本组成及表示形式 5组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器第二节第二节 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及表示形式n1.方框图方框图n在在研研究究自自动动控控制制系系统统时时，为为了了便便于于对对系系统统分分析析研研究究，一一般都用方框图来表示控制系统的组成。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第二节 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及表示形式
11、n下下页页图图为为液液位位自自动动控控制制系系统统地地方方框框图图每每个个环环节节表表示示组组成成系系统统的的一一个个部部分分，称称为为“环环节节”。两两个个方方框框之之间间用用一一条条带带有有箭箭头头的的线线条条表表示示其其信信号号的的相相互互关关系系，箭箭头头指指向向方方框框表表示示为为这这个个环环节节的的输输入入，箭箭头头离离开开方方框框表表示示为为这这个个环环节节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。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二、自动控制的表示形式n方方框框图图中中，x 指指设设定定值值；z 指指输输出出信信号号；e 指指偏偏差差信信号号；p 指
12、指发发出出信信号号；q 指指出出料料流流量量信信号号；y 指指被被控控变变量量；f 指指扰扰动动作作用用。当当x 取取正正值值，z取取负负值值，e=x-z，负负反反馈；馈；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e=x+z，正反馈。，正反馈。第二节第二节 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及表示形式n液位自动控制的方框图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第二节第二节 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及表示形式n其他控制系统其他控制系统 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
13、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。这个控制系统同样可以这个控制系统同样可以用用上页中上页中的方框图表示的方框图表示8第二节第二节 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及表示形式n注注意意！方方框框图图中中的的每每一一个个方方框框都都代代表表一一个具体的装置。个具体的装置。9n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。n工
14、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。n自动控制系统是一个闭环系统第二节第二节 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及表示形式n小结小结n自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。n与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区与自动检测、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馈，开环系统中，被别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。控（工艺）变量是不反馈到输入端的。10举例举例化肥厂的造气自动机就是
15、典型的开环系统的例子化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令图1-7 自动操纵系统方框图第二节第二节 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及表示形式n小结小结开开环环系系统统：自自动动机机在在操操作作时时，一一旦旦开开机机，就就只只能能是是按按照照预预先先规规定定好好的的程程序序周周而而复复始始地地运运转转。这这时时被被控控变变量量如如果果发发生生了了变变化化，自自动动机机不不会会自自动动地地根根据据被被控控变变量量的的实实际际工工况况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭闭环环系系统统
16、：有有针针对对性性地地根根据据被被控控变变量量的的变变化化情情况况而而改改变变控控制制作作用用的的大大小小和和方方向向，从从而而使使系系统统的的工工作作状状态态始始终终等等于于或或接接近近于于所所希望的状态。希望的状态。112.管道及仪表流程图管道及仪表流程图n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）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
17、程图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、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。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1-8脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例左左图图是是乙乙烯烯生生产产过过程程中中脱脱乙乙烷烷塔塔的的工工艺艺管管道道及及控控制制流流程程图图 举例举例第二节第二节 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
18、成及表示形式n（1）图形符号）图形符号n测量点（包括检出元件、取样点）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第二节 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及表示形式n连接线连接线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式以示区别。图1-10 联系线的表示法 工艺管道
19、及控制流程图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（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工艺管道及控制流程图序序号号安装位安装位置置图形符号图形符号备注备注序序号号安装位置安装位置图形符图形符号号备注备注1就地安就地安装仪表装仪表嵌在管道嵌在管道中中4集中仪表集中仪表盘后安装盘后安装仪表仪表2集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 5就地仪表就地仪表盘面安装盘面安装仪表仪表3就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表38表1-1 仪表安装位置的图形符号表示
20、 工艺管道及控制流程图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工艺管道及控制流程图n（2）字母代号）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（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字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电
21、导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比（分数）比（分数）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、执行或未分类的终端执行机构表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号41第二节第二节 自
22、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及表示形式42举例举例以以脱脱乙乙烷烷塔塔控控制制流流程程图图，来来说说明明如如何何以以字字母母代代号号的组合来表示被测变量和仪表功能。的组合来表示被测变量和仪表功能。塔塔顶顶的的压压力力控控制制系系统统中的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。第二节第二节 自动控制系统的基本组成及自动控制系统的基本组成及表示形式表示形式 回回流流罐罐液液位位控控制制系系统统中的LIC
23、-201是一台具有指示功能的液位控制器，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。塔塔下下部部的的温温度度控控制制系系统统中的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。塔塔底底的的液液位位控控制制系系统统中的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第二节第二节 自动控制系统的基本组成及自动控制系统的基本组成及表示形式表示形式n（3）仪表位号）仪表位号44 仪仪表表位位号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
24、字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。举例举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为06。第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n几种分类方法几种分类方法n按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；n按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、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；比例微分、比例积分微分等控制系统；n将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定将控制系统按照工艺过程需
25、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。控制系统。12其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍第三节第三节 自动控制系统的分类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。131.1.定值控制方法定值控制方法2.2.随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随
26、机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类3.3.程序控制系统（顺序控制系统）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的过渡过程和品质指标 n一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态15自自动动控控制制目目的的：希希望望将将被被控控变变量量保保持持在在一一个个不不变变的的给给定定值值上上，这这只只有有当当进进入入被被控控对对象象的的物物料料
27、量量（或或能能量量）和和流流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。静静态态被被控控变变量量不不随随时时间间而而变变化化的的平平衡衡状状态态（变变化化率率为为0，不是静止）。，不是静止）。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 当当一一个个自自动动控控制制系系统统的的输输入入（给给定定和和干干扰扰）和和输输出出均均恒恒定定不不变变时时，整整个个系系统统就就处处于于一一种种相相对对稳稳定定的的平平衡衡状状态态，系系统统的的各各个个组组成成环环节节如如变变送送器器、控控制制器器、控控制制阀阀都都不不改改变变其其原原先先
28、的的状状态态，它它们们的的输输出出信信号号也也都都处处于于相相对对静静止止状状态态，这种状态就是这种状态就是静态静态。16第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标17动态动态被控变量随时间变化的不平衡状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：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
29、响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程n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。举例举例图1-12 控制系统方框图第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n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。n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
30、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的过渡过程和品质指标采用阶跃干扰的优点：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的过渡过程和品质指标n自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式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
31、周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对对于于控控制制质质量量要要求求不不高高的的场场合合，如如果果被被控控变变量量允允许许在在工工艺艺许许可可的的范范围围内内振振荡荡（主主要要指指在在位位式式控控制制时时），才可采用。才可采用。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标n控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。控制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
32、，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的过渡过程和品质指标23五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一1.最大偏差或超调量最大偏差或超调量 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度。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品
33、质指标2.衰减比衰减比 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二五种重要品质指标之二24第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之三五种重要品质指标之三3.余差余差 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的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之四五种
34、重要品质指标之四4.过渡时间过渡时间 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的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之五五种重要品质指标之五5.5.震荡周期或频率震荡周期或频率 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
35、为好。27第四节第四节 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、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。举例举例图1-16 温度控制系统过渡过程曲线第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标解解 最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值B B21021
36、020520555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）29第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 分分析析 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
37、出，过渡时间为22min。30第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素31 一一个个自自动动控控制制系系统统可可以以概概括括成成两两大大部部分分，即即工工艺艺过过程程部部分分（被被控控对对象象）和和自自动动化化装装置置部部分分。前前者者指指与与该该自自动动控控制制系系统统有有关关的的部部分分。后后者者指指为为实实现现自自动动控控制制所所必必需需的的自自动动化化仪仪表表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。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
38、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化工仪表及自动化化工仪表及自动化第二章第二章 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 内容提要内容提要n化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法n对象数学模型的建立对象数学模型的建立n建模目的建模目的n机理建模机理建模n实验建模实验建模n描述对象特性的参数描述对象特
39、性的参数n放大系数放大系数n时间常数时间常数n滞后时间滞后时间1第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法 自自动动控控制制系系统统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。系统的控制质量与被控对象的特性有密切的关系。研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素，如下图所示。输出变量输出变量输入变量输入变量通道通道 控制通道控制通道干扰通道干扰通道？几个概念几个概念2图2-1 对象的输入输出量第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描
40、述方法对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型静态数学模型静态数学模型动态数学模型动态数学模型基础基础特例特例3第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法一一般般是是在在工工艺艺流流程程和和设设备备尺尺寸寸等等都都确确定定的的情情况况，研研究究对对象象的的输输入入变变量量是是如如何何影影响响输输出变量的。出变量的。研研究究的的目目的的是是为为了了使使所所设设计计的的控控制制系系统统达达到到更更好好的的控控制制效果。效果。在在产产品品规规格格和和产产量量已已确确定定的的情情况况下下，通通过过模模型型计计算算，确确定定设设备备
41、的的结结构构、尺尺寸寸、工工艺艺流流程程和和某某些些工工艺条件。艺条件。（a）（b）（c）用于用于控制控制的数学模型（的数学模型（a、b）与用于）与用于工艺设计与分析工艺设计与分析的数学的数学模型（模型（c）不完全相同。）不完全相同。4第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法n数学模型的表达形式分类数学模型的表达形式分类51.1.非参量模型非参量模型 当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。特点特点形象、清晰，比较容易看出其定性的特征 缺点缺点直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困
42、难 表达形式表达形式对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示 第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法 当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。2.2.参量模型参量模型6第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法7对于线性的集中参数对象对于线性的集中参数对象 通常可用常系数线性微分方程式来描述，如果以x（t）表示输入量，y（t）表示输出量，则对象特性可用下列微分方程式来描述在允许的范围内，多数化工对象动态特性可以忽略输入量的导数
43、项可表示为 （2-1）第一节第一节 化工过程的特点及其描述方法化工过程的特点及其描述方法8举例举例一一个个对对象象如如果果可可以以用用一一个个一一阶阶微微分分方方程程式式来来描描述其特性（通常称一阶对象），则可表示为述其特性（通常称一阶对象），则可表示为或表示成或表示成式中式中（2-2）（2-3）上式中的系数与对象的特性有关，一般需要通过对象的内部机理分析或大量的实验数据处理得到。第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立n一、建模目的一、建模目的9（1）控制系统的方案设计（2）控制系统的调试和控制器参数的确定 （3）制定工业过程操作优化方案 （4）新型控制方案及控制算法的确定（5）计
44、算机仿真与过程培训系统 （6）设计工业过程的故障检测与诊断系统 第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立n二、机理建模二、机理建模10 根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而获取对象（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立n二、机理建模二、机理建模对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能适用。具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，
45、便于对模型参数进行调整。优点优点缺点缺点11第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立举例举例1.1.一阶对象一阶对象（1）水槽对象）水槽对象对象物料蓄存量的变化率对象物料蓄存量的变化率单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物料料依据依据12第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立13（2-4）若变化量很微小变化量很微小，可以近似认为Q2与h 成正比（2-5）将上式代入（2-4）式，移项令令则则转到转到22页页图2-2 水槽对象第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立14（2）RC电路电路ei若取为输入参数，eo为输出参数
46、，根据基尔霍夫定理 消去消去i i由于由于或或图2-3 RC电路第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立2.2.积分对象积分对象当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象。称为积分对象。Q2为常数，变化量为0说明，所示贮槽具有积分特性。其中，A为贮槽横截面积15图2-4 积分对象第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立163.3.二阶对象二阶对象（1）串联水槽对象）串联水槽对象假定输入、输出量变化很小的情况下，贮槽的液位与输出流量具有线性关系。假定每只贮槽的截面积都为A，则转到转到26页页图2-5 串
47、联水槽对象第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立消去消去Q Q1212、Q Q2 2、h h1 1整理得式中 为第一只贮槽的时间常数；为第二只贮槽的时间常数；为整个对象的放大系数。17第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立18（2 2）RC串联电路串联电路根据基尔霍夫定律根据基尔霍夫定律整理得整理得图2-6 RC串联电路第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立n三、实验建模三、实验建模19 对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为的输入作用（输入量），然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量（输出量）随时间变化的规律，得到一系列实验数据（或
48、曲线）。这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性。实验方法实验方法研究对象特性研究对象特性第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立n三、实验建模三、实验建模定定义义：通过这种应用对象的输入输出的实测数据来决定其模型的结构和参数。特特点点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理。系统辨识系统辨识20第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立21实验性能的测试方法实验性能的测试方法1.阶跃反应曲线法阶跃反应曲线法用实验的方法测取对象在阶跃输入作用下，输出量y随时间的变化规律。图2-7 简单水槽对象图2-8 水槽的阶跃反应曲线
49、优点优点简单缺点缺点稳定时间长测试精度受限简单水槽的动态特性简单水槽的动态特性举例举例第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立222.矩形脉冲法矩形脉冲法 当对象处于稳定工况下，在时间t0突然加一阶跃干扰，幅值为A，到t1时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量y随时间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。此外，还可以采用矩形脉冲波和正弦信号。图2-9 矩形脉冲特性曲线 图2-10 矩形脉冲波信号图2-11 正弦信号第二节第二节 对象数学模型的建立对象数学模型的建立n混合建模混合建模23 先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确
50、定的参数利用实测的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。举例举例 以换热器建模为例，可以先列写出其热量平衡方程式，而其中的换热系数K值等可以通过实测的试验数据来确定。途径第三节第三节 描述对象特性的参数描述对象特性的参数n一、放大系数一、放大系数K 对于前面介绍的水槽对象，当流入流量Q1有一定的阶跃变化后，液位h也会有相应的变化，但最后会稳定在某一数值上。如果我们将流量Q1的变化Q1看作对象的输入，而液位h的变化h看作对象的输出，那么在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象的静态特性。24第三节第三节 描述对象特性的参