20第一章自动控制系统基本概念

1第一节化工自动化的主要内容第二节自动控制系统的组成第三节自动控制系统的方块图第四节自动控制系统的分类第五节自动控制系统的过渡过程及品质指标第六节工艺管道及控制流程图(P&ID)第一章自动控制系统基本概念2第一节化工自动化的主要内容★自动检测系统对主要工艺参数进行测量、指示或记录，以代替操作人员对工艺参数进行不断地观察和记录。因此，自动检测系统又称为生产过程的“眼睛”。3★自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号;联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车。★自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：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：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车4★自动控制系统利用各种自动控制装置，对生产过程中某些重要的被控工艺变量进行自动控制，使被控变量在受到外界扰动而偏离正常给定值后，能自动地克服各种扰动作用的影响，并不断调节，使被控变量回到规定范围内。自动控制系统是自动化生产中的核心部分，也是本课程的重点。5第二节自动控制系统的组成人工控制自动控制系统冷物料热物料冷凝水T蒸汽控制仪表温度测量仪表蒸汽给定值自动控制装置热物料冷物料6一、自动控制系统组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器7一、自动控制系统组成★测量与变送装置：直接测量被控参数，并将信号转换成标准信号。★控制器：它接受变送器送来的信号，并与工艺规定值进行比较得出偏差，按某种规律算出结果，将此结果按特定的信号发送出去。★执行器：能根据控制器送来的信号值来改变阀门的开度大小。★被控对象(简称对象)：与控制有关的化工设备的相应部分，如贮液罐、精馏塔、换热器等。8Q1LTLCQ212349二、自动控制系统中几个常用术语★被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，y★操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量；q★扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于被控对象引起被控变量变化的因素；f★设定值：被控变量的预定值，按工艺要求需保持规定的数值；x★偏差：被控变量的给定值与测量值之差。e=x-z10第三节自动控制系统的方块图方块图：清楚地表示系统各组成部分之间的相互关系和信号之间的联系。方块图的画法：①用方块表示自动控制系统中的一个环节，如：对象、检测、控制器、执行器等都是一个环节；②两个方块间用一条带有单向箭头的连线表示两环节之间的信号联系和传递方向；箭头指向方块表示信号输入这个环节；箭头离开方块表示信号从这个环节输出。③用规定的字母表示环节间的作用信号。11第三节自动控制系统的方块图给定值偏差控制器执行器对象控制器输出操纵变量被控变量测量变送器测量值x-eqpy自动控制系统的方块图z干扰f12方块图中需要注意的几个问题★比较机构只是控制器的一个组成部分，不是一个独立的仪表，在图中单独画出来，为的是更清楚地说明其比较作用。★方块与方块之间的连线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。13方块图中需要注意的几个问题★自动控制系统是一个闭环系统，也是一个反馈系统；★在自动控制系统中都采用负反馈；e=x-z★自动控制系统与自动检测、自动操纵等系统的本质区别:自动控制系统是有负反馈的闭环系统:有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。自动检测、自动操纵系统为开环系统:这些系统按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，该系统不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。14第四节自动控制系统的分类按被控变量分:有温度、压力、流量等控制系统按控制器具有的控制规律来分类:有比例、比例积分、比例积分微分等控制系统被控变量给定值是否变化来分类:有定值控制、随动控制、程序控制系统15★定值控制系统指工艺生产过程中被控变量的设定值保持恒定不变的控制系统。化工生产中大多数控制类型，如液位控制等★随动控制系统(自动跟踪系统)给定值不断变化，要求被控参数以一定精度跟随给定值变化的控制系统，也叫自动跟踪系统，伺服系统。如导航雷达系统，比值控制系统。★程序控制系统被控变量的设定值遵循一定的规律变化，而且是事先给定的时间函数，则这种系统又称为顺序控制系统。如纤维锦纶生产中熟化罐温度控制系统、金属的热处理等。16第五节自动控制系统的过渡过程及品质指标一、自动控制系统的静态与动态自动控制目的：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称为系统静态。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，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●系统各环节不改变原先的状态，各信号变化率为零;●生产还在进行，仍有物料和能量平稳进出。17第五节自动控制系统的过渡过程及品质指标一、自动控制系统的静态与动态★动态: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。●干扰引起平衡状态破坏，控制器、控制阀改变原来状态，产生一定控制作用来克服干扰，使系统逐渐重新建立平衡；●在这段时间内，整个系统的各个环节和信号都处于变动之中。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工艺生产所要求控制的技术指标上。18二、控制系统的过渡过程控制器执行器对象测量变送器x-eqpy简单控制系统的方块图zf19二、控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程叫系统的过渡过程。在过渡过程中,系统的被控变量是随时间变化的，变化规律首先取决于系统的干扰形式。t0t输入量A阶跃干扰★干扰信号形式——阶跃干扰比较突然、危险、影响较大；形式简单、容易实现、便于分析、实验和计算20★过渡过程几种形式（在阶跃干扰作用下）发散振荡过程等幅振荡过程非周期衰减过程衰减振荡过程tYtYtYYt21三、自动控制系统的品质指标最大偏差A：被控变量偏离给定值的最大值。在衰减振荡过程中，最大偏差是第一个波的峰值。特别是对于一些有限制条件的系统，如反应器的化合物爆炸极限、催化剂烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。余差C：过渡过程结束后，被控变量新的稳定值与给定值之间的差值。有余差的控制系统称为有差系统。反之就为无差系统。tABB’CtStPY22三、自动控制系统的品质指标衰减比：前后相邻两峰值之比。用n表示n=B/B`，一般n取4～10之间为宜。过渡时间：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立起新的平衡为止，所经历的时间。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±５％（也有的规定为±２％）。tABB’CtStPY23三、自动控制系统的品质指标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。tABB’CtStPY24例题某发酵过程工艺规定操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图所示。试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入±2%新稳态值即达到稳定来确定）和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求？25工艺设定值为40℃,新稳定值为41℃衰减比第一个波峰值B=45-41=4℃；第二个波峰值B’=42-41=1℃；B：B’=4：1过渡时间ts：被控变量进入新稳态值的±2%，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围应是41×（±2%）=±0.82℃。过渡时间Ts=23min最大偏差A=45-40=5℃；超调量B=45-41=4℃余差C=41-40=1℃；振荡周期T=18-5=13min26四、影响控制系统过渡过程的主要因素★主要决定于对象的性质如换热器的负荷大小、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★自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量如测量是否失真，阀门是否失效，控制器的参数选择是否合适等27第六节工艺管道及控制流程图(PID)(PipingandInstrumentDiagram)★控制方案由工艺人员和自控设计人员共同研究确定；包括流程中各测量点的选择、控制系统的确定及有关自动信号、联锁保护系统的设计等。★在控制方案确定以后，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，简称PID。28脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图29★测量点：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；仪表测量点仪表被测设备被测设备一、图形符号(测量点、连接线、仪表的图形符号）★连接线：通用的仪表信号线均以细实线表示交叉相接方向30★仪表的图形符号：包括检测、显示、控制，细实线圆圈直径为10mm就地安装仪表集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表嵌在管道中就地仪表盘后安装仪表集中仪表盘后安装仪表31第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。字母第一位字母后续字母功能被测变量修饰词A分析报警BC燃烧电导率控制D密度差E电压检测元件F流量比（分数）HIJ手动电流功率跨度指示二、字母代号32二、字母代号（续）字母第一位字母后续字母功能被测变量修饰词K时间自动-手动操作器PQ真空或压力数量积分、累积RS放射性速度、频率安全记录或打印开关、联锁TVWYZ温度黏度力、重量事件、状态位置、维度传送阀、挡板、百叶窗套管继动器、计算器、转换器其它终端执行机构33脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图34数字编号：第一位表示工段号，后续数字表示仪表序号，一般为2位。三、仪表位号字母代号数字编号测量点位置控制流程图中仪表信息包括：安装位置被测变量仪表功能仪表序号工段号35碳八分离控制流程图36苏打灰混合桶控制回路37第一章练习题填空题⒈自动控制系统主要是由()组成。⒉一般来说，自动控制系统在阶跃干扰作用下，希望得到的过渡过程是（）。⒊衰减振荡过程的品质指标主要有(）。⒋在自动控制系统的方块图中，带有箭头的线段表示（）。⒌自动控制系统是具有被控变量()反馈的（）环系统，自动检测、自动操纵是（）环系统。38下面图哪个是闭环控制系统，哪个是开环控制系统？第一章练习题39第一章练习题下图为一加热炉的原料油出口温度控制系统，原料油在炉中被加热。⒈指出该系统中的被控对象、被控变量和操纵变量？⒉该系统可能的干扰有哪些？⒊画出该系统的方块图。