化工自动化及仪表-1

化工自动化及仪表课程的重要性：控制系统在石油、化工、制药、冶金、造纸等工业领域的应用非常普遍。生产过程中，对工艺变量，有着一定的控制要求。如：1）精馏塔的塔顶或塔釜温度，在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品。2）化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。因此，工艺技术人员必须充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。使用常规仪表的中央控制室DCS控制系统1自动控制系统概述本章的主要内容：1.1自动化及仪表发展概述1.2自动控制系统1.3控制系统过渡过程及品质指标1.1自动化及仪表发展概述1.1.1控制理论的发展1）经典控制理论:20世纪40～50年代Nyquist(1932)频域分析方法Bode图(1945)分析方法根轨迹(1948)分析方法特点：主要从输出与输入量的关系来分析与研究问题。适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。它是以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计。PID控制规律是经典控制理论最辉煌的成果。2）现代控制理论:20世纪60年代得到迅猛发展。其主要内容为：线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系统辨识。特点：从输入-状态-输出的关系，全面地分析与研究系统。适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出系统。3）大系统理论:20世纪70年代开始将现代控制理论与系统理论相结合形成大系统理论核心思想：系统的分解与协调适用范围：高维线性系统1.1.2控制仪表的发展1）基地式：20世纪50年代，适用于单回路2）单元组合式（按功能）：DDZ,QDZ20世纪60年代，单元之间用标准统一信号联系3）计算机：DDC,DCS（20世纪70年代）自动化仪表的发展经历了如下过程：模拟仪表--数字仪表--智能仪表。1.1.3当前自动控制系统发展的主要特点•生产装置实施先进控制成为发展主流•过程优化受到普遍关注•DCS正在走向国际统一标准的开放式系统•综合自动化系统（CIPS）是发展方向1.2自动控制系统1.2.1自动控制系统蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图手动控制的步骤：(1)观察液位数值；(2)把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。(3)根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统T被加热原料TTTC燃料油出口温度加热炉的温度自动控制系统LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图术语被控过程（被控对象）：自动控制系统中，针对需要控制的工艺参数的生产过程（设备或机器特性）。被控变量：被控过程内需要控制的工艺参数。被控过程：汽包被控变量：汽包液位操纵变量：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。扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。操纵变量：水的流量扰动：水压力、蒸汽压力等LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：工艺参数所要求保持的数值。偏差：被控变量设定值与实际值之差。负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减。LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图T被加热原料TTTC燃料油出口温度加热炉的温度控制系统被控过程：加热炉被控变量：物料出口温度操纵变量：燃料油流量扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等1.2.2闭环控制与开环控制闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。开环控制：开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制及时。开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。开环的液位控制系统（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例1FfFTLTFdC蒸汽汽包省煤器给水LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包开环控制1.2.3自动控制系统的组成及方框图在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环控制系统组成•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值。•控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。•执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。•系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环控制系统组成在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动输出信号：被控变量、测量值（2）闭环：按信息的流向来说（3）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环控制系统组成1.2.4自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。随动控制系统设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.1静态与动态控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（稳态、定态、平衡状态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。1.3.2自动控制系统的过渡过程当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统的影响是最严重的。定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动)c(t)(e)单调衰减(c)等幅振荡(b)单调发散(d)衰减振荡(a)发散振荡c(t)c(t)c(t)c(t)ttttt•发散振荡•单调发散•等幅振荡•衰减振荡•单调衰减•单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性1.3.3自动控制系统的品质指标•综合控制指标最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为A（1）最大动态偏差（emax）或超调量（）CtyBB’A0稳态特性最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。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。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。A超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差（即B=A-C）与稳态值C之比。100%BCytBB’C0衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。（2）衰减比n'BnB衰减比nCtyBB’A0稳态特性'BnB衰减比nn1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。n=1:等幅振荡。n1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减率：'BBB衰减比4:1——衰减率0.75衰减比10:1——衰减率0.90CtyBB’A0稳态特性（3）余差e定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。()ery余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。上图中，()eryC在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0稳态特性（4）回复时间（过渡时间）回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。STCtyBB’A0稳态特性实际上，被控变量接近于新稳态值的或或的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。5%3%2%ytBB’5%A0Ts（5）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。其它一些次要指标：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。“理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。CtyBB’A0稳态特性总结：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为200℃）。max23020030e(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：2002055C(℃)22202002052102305t/min温度℃(3)衰减比：第一个波的振幅第二个波的振幅23020525B'2102055B(℃)(℃)衰减比25:55:1n2220200205