1控制系统基本概念(化工)

《化工过程自动化技术》生工09—1、2班总课时：4×9实验：0授课教师：司徒莹第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》课程介绍《化工仪表自动化》是利用自动控制学科、仪器仪表科学及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科的一门综合课程。通过本课程的学习，能了解和掌握化工过程控制与仪表的基本知识，领会自动控制系统的组成及原理第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》概述：生产过程自动化是工业企业现代化水平的一个重要标志。生产过程自动化：用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。自动调节系统是自动化生产的核心部分，只有自动调节系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数（主要四大参数p、h、q、t）的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》§1.1生产过程自动化的主要内容:生产过程自动化，一般要包括四个方面的内容。•自动检测系统:•信号联锁系统：•自动操纵系统：•自动控制系统：利用各种检测仪器对主要工艺参数进行指示或记录，“了解”生产的任务。对某此关键性参数设有自动信号联锁装置。当工艺参超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作。对生产中某些关键性参数进行自动调节，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》§1.2自动控制系统的组成及方块图人工控制自动控制图1-2人工操作图图1-3液位自动控制系统图第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》一、自动控制系统的组成a、被控对象（对象）b、检测变送器c、控制器d、执行器(自动化装置)辅助装置图1-3液位自动控制系统图第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》二、自动控制系统的方框图方框：表示一个组成部分，称环节。环节箭头连线：表示信号传递关系。圆圈：比较环节，表示信号相加减。+-1、简单控制系统方框图：被控对象执行器控制器检测元件及变送器＋－被控对象执行器控制器检测元件及变送器＋－被控变量y给定值xz测量值操纵变量q控制信号p偏差e干扰ƒ控制器第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》图1-5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。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》被控变量：需要控制的工艺参数给定值（或设定值）：对应于生产过程中被控变量的期望值测量值：由检测元件的到的被控变量的实际值。操纵变量（或控制变量）：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量成为操作变量，它调节阀的输出信号。干扰（或外界扰动）：引起被控变量偏离给定值的，除操作变量以外的各种因素。偏差信号：给定值与测量值的差，在反馈系统中，调节器是根据偏差信号的大小来控制操作变量的。控制信号：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。2、控制系统常用术语：第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》§1.3自动控制系统的分类分类方法很多，最经常使用的是按给定值的特点（是否变化？如何变化？）来划分。定值控制系统随动控制系统程序控制系统第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》按信号传递的路径来划分闭环控制系统开环控制系统第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》一、控制系统的过渡过程自动控制系统静态与动态：静态1（e=0)干扰作用e0控制作用静态2（e=0)动态（过渡过程）§1.4控制系统的过渡过程及其性能指标阶跃干扰：ƒt发散振荡过程等幅振荡过程衰减振荡过程非振荡的单调过程0不稳定稳定第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》二、控制系统的性能指标：余差e最大偏差A(或超调量σ):衰减比n回复时间ts(过渡过程时间、调整时间)振荡周期T质量指标主要有五项：(衰减振荡过程)第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》举例图1-11温度控制系统过渡过程曲线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℃）。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》解最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由图上可以看出，第一个波峰值B＝230-205＝25℃，第二个波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰减比应为B:B′＝25:5＝5:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20-5＝15（min）过渡时间为22min。(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±４℃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。)第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》三、影响控制系统过渡过程品质的主要因素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。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。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》§1.5工艺管道及控制流程图工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其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与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》图1-12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一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》一、图形符号1.检测点（包括检测元件、取样点）检测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1-13测试点的一般表示方法第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》2.连接线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。加箭头的方式表示信号的方向。图1-14联系线的表示法第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》3.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。序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘面安装仪表3就地仪表盘面安装仪表表1-1仪表安装位置的图形符号表示第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》二、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。三、仪表位号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。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》以脱乙烷塔控制流程图为例塔顶的压力控制系统中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。工段号为2，仪表序号为07第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》本章小结与作业小结：1、自动化系统的四种类型；2、自动控制系统的组成及其基本工作原理；3、简单控制系统的方框图；4、自动控制系统的常用术语；5、控制系统的五项.性能指标；6、工艺管道及控制流程图。作业：一、P16.：4二、P16.：11三、P16.：21、22第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》阶跃干扰：ƒt0发散振荡过程等幅振荡过程被调参数在给定值附近来回波动，且波动振幅保持不变。被调参数来回波动，且波动振幅逐渐变大，即离给定值越来越远。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》衰减振荡过程非振荡的单调过程阶跃干扰：ƒt0被调参数上下波动，但振幅逐渐减少，最后稳定在某一数值上被调参数在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》当过度过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差（C），或者说余差就是过度过程终了时的残余偏差。有余差的调节过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。没有余差的调节过程称为无差调节，相应的系统称为无差系统。（余差越小越好）第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》最大偏差是指被调参数偏离给定值的最大数值(最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度)。超调量(B)是第一个峰值A与新稳定值C之差,即B=A-C第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》衰减比是相邻两个峰值的比，即B:B',习惯上表示为n:1。一般n取4-10之间为宜。第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》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做过渡时间或调节时间.即t/第一章自动控制系统基本概念《化工过程自动化技术》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.即t1-t0振荡周期的倒数称为振荡频率.