化工仪表及自动化-第1章-自动控制系统基本概念

化工仪表及自动化第一章自动控制系统基本概念内容提要化工自动化的主要内容自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的静态与动态控制系统的过渡过程控制系统的品质指标影响控制系统过渡过程品质的主要因素1内容提要工艺管道及控制流程图图形符号字母代号仪表位号2第一节化工自动化的主要内容1.自动检测系统2.自动信号和联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统3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，信号系统就自动地发出声光信号，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，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，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。第二节自动控制系统的基本组成及方块图4图1-2人工操作图图1-3液位自动控制系统图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现代化生产的需要第二节自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的组成5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第二节自动控制系统的基本组成及方块图液位自动控制的方块图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。6方块图中，x指设定值；z指输出信号；e指偏差信号；p指发出信号；q指出料流量信号；y指被控变量；f指扰动作用。当x取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。第二节自动控制系统的基本组成及方块图液位自动控制的方块图图1-4液位自动控制系统方块图7第二节自动控制系统的基本组成及方块图其他控制系统用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统图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。这个控制系统同样可以用上页中的方块图表示8第二节自动控制系统的基本组成及方块图注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。9方块与方块之间的连接线，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。方块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。工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，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统是一个闭环系统第二节自动控制系统的基本组成及方块图小结自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。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，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。10举例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对象操纵作用工艺参数操纵指令第二节自动控制系统的基本组成及方块图小结开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是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，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。比较闭环系统：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。11第三节自动控制系统的分类几种分类方法按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；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；将控制系统按照工艺过程需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。12其中第三种分类方法最普遍第三节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.定值控制方法2.随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化，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。第三节自动控制系统的分类3.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第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标一、控制系统的静态与动态15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（变化率为0，不是静止）。第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标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。16第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标17动态——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：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。第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标二、控制系统的过渡过程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。举例图1-7控制系统方块图第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标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。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：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1-8阶跃干扰作用20第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式21非周期衰减过程衰减震荡过程等幅震荡过程发散震荡过程X√√？对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标三、控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。22图1-10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，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一1.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。第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标2.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4～10之间为宜。五种重要品质指标之二24第四节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三3.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四4.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±５％（也有的规定为±２％）。26第四节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五5.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。27第四节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℃）。举例图1-11温度控制系统过渡过程曲线第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标解最大偏差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）29第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标分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±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。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。30第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素31一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。第四节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第五节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（PID图）。33第五节工艺管道及控制流程图34图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例右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五节工艺管道及控制流程图一、图形符号1.测试点（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1-13测试点的一般表示方法第五节工艺管道及控制