化工自动化备课笔记

1[教学目的要求]：1、了解何为(过程)自动化和自动化技术、自动化仪表的简要发展过程2、掌握如何来构筑一个控制系统[教学重点]：自动化技术、自动化仪表的简要发展过程[教学难点]：如何来构筑一个控制系统[教学时数]：1[教学内容]：第一章绪论1.1何为(过程)自动化：从工艺的眼光来看在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：用自动化装置来管理设备（生产过程），使之正常运行换一种说法所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者状态上，或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行，保证生产过程运行在最佳状态所谓“自动控制”是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。为什么要实现自动控制？原因一：代替人的劳动，减轻劳动强度，提高生产效率原因二：炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越向大型化、复杂化方向发展，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证1.2如何来构筑一个控制系统？进料口出料口H玻璃管液位计21.3自动化技术的简要发展过程1、控制理论的简要发展过程自动控制的本质：是指应用自动化仪器仪表、自动控制装置代替人，自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求控制问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质和规律，运用适当的数学工具求取问题的解。“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，作为自动控制科学的核心的控制理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中发展起来。2、经典控制理论1868年J.C.Maxwell为了解决蒸汽机调速器的精度和稳定性之间的矛盾，首先提出了微分方程模型和稳定性分析的数学方法，从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象，他所发表的“论调节器”是目前比较公认的第一篇控制理论论文。1877年E.J.Routh和1895年A.Hurwitz创造性地提出了称为Routh，它是经典控制理论中最基础的稳定性分析工具之一。1932年Nyquist提出了“Nyquist稳定性判据”。1945年Bode建立了控制系统的频域设计方法（Bode图法）。之后，经过Wienner、Nichols等人的杰出贡献，终于形成了经典的反馈控制和频域理论，并于20世纪50年代趋于成熟经典控制理论建立在传递函数基础上的，主要针对线性定常、SISO对象，基于反馈控制的主导思想，完成控制系统的镇定任务。经典控制理论最辉煌的成果首推PID控制规律，对于无时间延迟的SISO系统极为有效。直到目前，在工业过程控制中仍然被广泛应用。（90％以上）3、现代控制理论由于工业生产过程也向着大型化、连续化的方向发展。导致（a）控制系统渐趋复杂：在整体结构上，表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等；在被处理的信息上，表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。iqh0q测量仪表设定值控制器3（b）控制要求越来越高，除了实现单纯的稳定控制以外，控制器的设计往往还要追求最佳的性能要求经典控制理论已无法满足解决多变量、非线性、不确定性以及最佳性能要求等问题的需要，这在客观上促使现代控制理论得以建立和发展。4、经典控制理论和现代控制理论的关系对于经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论而言，并非意味着相互的否定和排斥，它们之间有着共同发展、互相渗透、相互结合的发展关系。需要提出的是，在当今的过程控制领域中，几乎有90％以上的控制回路仍然沿用经典的PID控制算法或PID控制算法的变形，并能够获取比较满意的控制效果5、仪表的简要发展过程常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数）测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统6、自动化装置的简要发展过程1.4本课程的主要知识点自动控制究竟是一个什么“东西”？——不是名词解释需要学习自控回路（系统）的组成、基本工作原理、如何评价自动质量……怎么样来构建一个自动控制回路？需要学习构建自控回路的各环节的作用，各环节的特性对自控系统的影响，（最常用）检测仪表、控制仪表的基本工作原理，如何选择合适的自控设备（仪表）……·如何工程实施？——即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？0~100%/OnOff电动调节阀能源（动力）气动调节阀执行器连续：调节阀工作方式通断：开关阀**TPPLFA温度：温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器）压力：压力变送器差压：差压变送器变送器液位：差压变送器流量：流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计）成份：成份分析仪（在线、离线）4需要学习自动系统的设计、控制参数的整定……更复杂的控制回路如何工程实施？计算机控制是什么一回事？怎么样来设计一个计算机控制系统？……5[教学目的要求]：1、了解自控系统的组成、自控系统的分类、系统运行的基本要求自动控制、系统的过渡过程和品质指标2、掌握方块图、管道及仪表流程[教学时数]：2[教学重点]：自控系统的组成、自控系统的分类、系统运行的基本要求自动控制、系统的过渡过程和品质指标[教学难点]：方块图、管道及仪表流程[教学内容]：第2章自控系统基本概念2.1自控系统的组成控制系统的4个基本环节：被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器几个常用术语：（1）被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量：对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。（3）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称为控制变量或操纵变量。（4）干扰（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化的一切因素称为干扰。（5）设（给）定值工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。2.2系统运行的基本要求自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的反馈是控制系统的输出（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。若反馈的结果是使系统的输出减小，则称为负反馈若反馈的结果是使系统的输出增加，则称为正反馈工业控制系统一般情况下都应为负反馈。闭环与开环闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关6要实现自动控制，系统必须闭环。闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的？）1、输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节2、输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节例如：对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器3、能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关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。2.3控制系统的分类1）按被控变量对操作变量的影响分闭环控制系统——如：反馈控制开环控制系统——如：前馈控制2）按补偿干扰的方法分反馈干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰前馈干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器液位调节器液体储槽+－SP执行器液位变送器调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f7反馈+前馈3）按设定值的特点区分定值控制系统――设定值是由工艺要求给出的不变常数通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。随动控制系统――设定值随时间不断发生变化通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。教材中的程序控制事实上可以理解为随动控制4）按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制系统5）按控制变量的名称区分温度控制系统压力控制系统……6）按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制……2.4过渡过程和品质指标（1）静态（稳态）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（变化率为0，不是静止）。如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在控制领域中更多的称之为“稳态”。静态”是物料、能量、传热、传质、化学反应速度等平衡关系的最终体现。很明显，单纯用“静态”的概念来衡量控制系统的品质指标是不充分的。动态――被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作自动控制主要是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性――当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzey干扰f变送器前馈补偿器++8（2）过渡过程过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、且容易产生阶跃干扰。对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。几种典型的过渡过程：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程：一般是不允许的除开关量控制回路发散振荡过程单调发散过程（3）过渡过程的品质指标通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：·以系统受到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）……·以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。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——这是自动控制的主要研究内容以误差性能指标的形式给出9优化控制的策略：·平方误差积分指标·时间乘平方误差的积分指标·绝对误差积分指标·时间乘绝对误差积分指标021)(dtteJ022)(dttteJ03|)(|dtteJ04|)(|dttetJminJ10[教学目的要求]：1、了解对象的数学模型的建立2、掌握对象的三个特性参数及其意义[教学重点]：对象的数学模型的建立[教学难点]：对象的三个特性参数及其意义[教学时数]：3[教学内容]：第三章被控对象的数学模型3.1被控对象特性及其对过渡过程的影响对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)即对象受到输入作用后，被控变量是如何变化的、变化量为多少……输入量？？控制变量＋各种各样的干扰变量由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和1.数学模型的表示方法：参量模型：通过数学方程式表示常用的描述