仪表与自动化(何道清)(二版) 第1章 自动控制系统基本概念

仪表与自动化何道清编西南石油大学仪表与自动化课程学时：48学时，其中实验6学时。使用教材：何道清、谌海云、张禾.仪表与自动化.北京：化学工业出版社,2008参考书籍：【1】厉玉鸣编.化工仪表及自动化.北京:化学工业出版社,2003【2】杨丽明等编.化工自动化及仪表.北京:化学工业出版社,2004【3】愈金寿主编.过程自动化及仪表.北京:化学工业出版社,2003【4】何道清编.传感器与传感器技术.北京:科学出版社,2004【5】陈夕松.汪木兰.过程控制系统.北京:科学出版社,2005【6】王可华.张继峰.石油仪表及自动化.北京:石油工业出版社，2006【7】CurtisDJohnson，ProcessControlInstrumentationTechnology【8】西南石油大学网站《仪表与自动化》网络课件。仪表与自动化教学重点：自动控制系统的基本概念及被控对象的数学模型；自动控制系统中的自动化仪表（测量元件及变送器，显示仪表，自动控制仪表，执行器等）；控制系统（简单控制系统，复杂控制系统，计算机控制系统简介）；控制方案设计及典型设备的控制方案设计分析。考核方法：平时(作业、考勤)20%+实验5％＋期末考试75%其它：每周交一次作业；每周辅导一次。第1章自动控制系统基本概念绪论0.1仪表自动化的概念生产过程自动化，就是在生产过程中，采用自动化仪表及装置，来检测、显示、记录和控制生产过程中的重要工艺参数，以代替操作人员的直接操作，使整个生产过程能自动地维持正常状态；当受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，又能自动地调回到规定的数值范围内。这种用自动化仪表来控制生产过程的方法，即生产过程自动化。仪表自动化技术是一门综合性的技术学科，它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于各类生产过程，以实现生产过程的自动化。绪论0.2仪表自动化技术的发展概况自动化发展主要特点：生产的需要、理论的开拓与技术手段的进展三者相互推动，相互促进。自动化发展主要阶段:机器生产控制理论简单控制系统复杂控制系统现代控制系统(直接数字控制-DDC，集散控制系统-DCS，SCADA系统,等)；或基地式控制器等组成的控制系统单元组合仪表组成的控制系统计算机控制系统（DCS）二级优化控制系统。1.1工业自动化的主要内容1.仪表及自动化发展状况生产过程自动化的意义：加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量；减轻劳动强度，改善劳动条件；保证生产安全，防止事故发生和扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力；改变劳动方式，提高职工科学技术水平，逐步消除体力劳动和脑力劳动间差别。1.1工业自动化的主要内容1.仪表及自动化发展状况生产过程自动化的意义：加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量；减轻劳动强度，改善劳动条件；保证生产安全，防止事故发生和扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力；改变劳动方式，提高职工科学技术水平，逐步消除体力劳动和脑力劳动间差别。1.1工业自动化的主要内容2.生产过程自动化主要内容：自动检测系统—工况参数自动检测(图1-0)；自动保护系统—工况参数超限自动联锁保护；自动操纵系统—按设定工艺步骤自动操纵和自动开停车；自动控制系统—工况参数偏离正常工艺条件，自动调整到正常状态。图1-0热交换器自动检测系统示意图1.2自动控制系统的组成和分类1．液位人工控制：检测—眼；运算（思考）、命令—脑；执行—手。图1-1液位人工控制1.2自动控制系统的组成和分类2.液位自动控制：测量元件及变送器—眼；控制器—脑；执行器—手。3.自动控制系统组成：图1-2液位自动控制1.2自动控制系统的组成和分类简单控制系统实例图1-3简单液位控制系统组成示意图1.2自动控制系统的组成和分类4．自动控制系统的分类：按结构特点分：单回路负反馈控制系统，串接控制系统，前馈控制系统，复合控制系统等；按信号特点分：定值控制，随动控制，顺序（程序）控制；按被控参数分：温度控制系统，压力控制系统，流量控制系统，液位控制系统，成分控制系统等1.2自动控制系统的组成和分类5.工业自动化仪表的分类：按仪表使用的能源分类①电动仪表（电能），②气动仪表（压缩空气），③液动仪表（少用）。按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类①检测仪表，②显示仪表，③集中控制装置，④控制仪表，⑤执行器。按仪表的组成形式分类①基地式仪表基地式仪表集变送、显示、控制各部分功能于一体，单独构成一个固定的控制系统，②单元组合仪表单元组合式仪表将变送、控制、显示等功能制成各自独立的仪表单元，各单元间用统一的输入、输出信号相联系。1.2自动控制系统的组成和分类单元组合仪表命名与性能：①QDZ（“气”、“单”、“组”）－气动单元组合仪表统一标准气源压力：0.14MPa；统一标准信号：0.02~0.1MPa(20~100kPa)；气路导管：Φ61紫铜管、塑料管、尼龙单管和管缆；精度：1.0级、1.5级。②DDZ（“电”、“单”、“组”）Ⅱ－Ⅱ型电动单元组合仪表统一标准电源：交流220V；统一标准信号：现场传输信号0~10mA；控制室联络信号0~2V；精度：0.5级、1.0级、1.5级。③DDZ（“电”、“单”、“组”）Ⅲ－Ⅲ型电动单元组合仪表统一标准电源：24V直流；统一标准信号：现场传输信号4~20mA；控制室联络信号1~5V；精度：0.2级、0.5级、1.0级、1.5级。1.2自动控制系统的组成和分类按防爆能力分类①普通型凡是未采取防爆措施的仪表，只能应用在非危险场所。②隔爆型采取隔离措施以防止引燃引爆事故的仪表。③安全火花型仪表这类仪表采用低压直流小功率电源供电，并且对电路中的储能元件(例如电容、电感)严加限制，使电路在故障下所产生的火花微弱到不足以点燃周围的易燃气体。此外，危险区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使高电压、大电流不能进入危险区。1.3自动控制系统方块图由传递方块（环节、装置）、带箭头的信号线、综合点、分支构成的表示控制系统组成和作用的图形。如图1-4所示图1-4自动控制系统方块图带箭头的信号线表示方块间的相互关系及信号的流向。自动控制系统分析：A．检测仪表；B控制仪表；C系统结构及特性分析；D被控过程特性1.3自动控制系统方块图例：蒸汽加热器温度控制系统图1-5蒸汽加热器温度控制系统1.3自动控制系统方块图图1-4贮槽液位控制系统与蒸汽加热器温度控制系统1.3自动控制系统方块图作业:1-1，1-3，1-7，1-8，1-111.4工艺管道与控制流程图在控制方案确定后，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的图形，即工艺管道与控制流程图。如图1-6所示工艺管道与控制流程图上设备间的工艺管线，表示物料的流动方向。1.4工艺管道与控制流程图图1-6脱乙烷塔工艺管道及控制流程图1.4工艺管道与控制流程图图形符号测量点，连接线，仪表，见表1-1。图1-7测量点的一般表示方法图1-8连接线的表示方法表1-1仪表安装位置的图形符号表示字母代号第一位字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能，见表1-2表1-2被测变量和仪表功能的字母代号仪表位号第一位数字表示工段号，后续数字表示仪表序号。例1-1图1-6中，PIC-207，表示工段号为2、仪表序号为07、集中仪表盘面安装的一台具有指示功能的压力控制仪表。字母第一位字母后续字母被测变量修饰词功能ACDEFHIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量手动电流时间或时间程序液位（物位）水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置、尺寸差比（分数）变化速率积算、累积安全Y轴X轴报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器灯连接点、测试点记录开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继电器或计数器驱动器、执行机构或未分类的终端执行器1.5过渡过程及其品质指标1.控制系统的静态和动态系统的被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态。系统的“静态”是自动控制系统的目标。系统的被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。系统的“动态”是自动控制系统的研究的重点，因为由于干扰的客观存在，系统总是处于“动态”过程中，自动化装置总是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（平衡状态）上。1.5过渡过程及其品质指标2.控制系统的过渡过程系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为系统的过渡过程。研究方法:阶跃干扰作用,观测控制系统被控变量的变化规律。图1-12阶跃干扰作用1.5过渡过程及其品质指标过渡过程的基本形式(控制系统在阶跃干扰下的响应曲线)图1-13过渡过程的几种基本形式1.5过渡过程及其品质指标2.控制系统的过渡过程过渡过程的基本形式：（在阶跃干扰作用下）非周期衰减过程(图1-13(a))（单调衰减过程）衰减振荡过程(图1-13(b))(自动控制系统主要采用的过渡过程)等幅振荡过程(图1-13(c))发散振荡过程(图1-13(d))单调发散过程(图1-13(e))稳定过程发散过程图1-4衰减振荡过渡过程控制系统的品质指标：（衰减振荡过程）最大偏差A；超调量B=AC；余差C；衰减比n=B:B=(4~10)，式中，B—第一个波峰值，B—第二个波峰值；（n1衰减振荡过程,n=1等幅振荡过程,n1发散过程）振荡周期T；过渡时间ts。1.5过渡过程及其品质指标1.5过渡过程及其品质指标例1-2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图1-5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最大偏差A=4540=5（℃）6℃衰减比B=4541=4（℃）；B=4241=1(℃)n=B:B=4:1=4余差C=4140=1（℃）振荡周期T=185=13（min）过渡时间被控变量进入新稳态值2%，就认为过渡过程已结束，那么限制范围是41(2%)=0.82℃，所以过渡时间ts=23min。控制系统满足工艺要求1.6控制系统基本概念系统——按照某种划分得到的若干元素的集合。反馈——将系统输出信号引回并加入到输入信号的系统结构和工作方式。负反馈——使系统输出信号趋于稳定或者说使系统的被控变量与定值之差减小的反馈。正反馈——使系统输出变量单调变化趋于极限或者说使系统的被控变量给定值之差不断增大的反馈。负反馈控制系统——具有负反馈作用的控制系统。信息——系统功能与属性的某种表达。如控制系统中，各环节的输入输出信号。控制——为实现目的而施加的作用。一切控制都是有目的的行为。开环控制——没有反馈的简单控制。如通常照明中的调光控制，电风扇的多级风速调节等。过程——一种自然的逐渐进行的运转或发展，如化学过程，生物过程，经济学过程等。工业生产过程的特征是，被处理为流体，包括液体、气体和粉体。1.6控制系统基本概念1.7控制系统常用术语被控对象（对象）——自动控制系统中，工况参数需要控制生产过程、生产设备或机器。被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。干扰——被控对象中除操纵变量外，能对被控变量具有影响作用的所有变量。偏差——设定值或给定值与测量值之差。给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。定值控制系统——给定值恒定的控制系统。随动控制系统（自动跟踪系统）——给定值随机变化的系统。程序控制系统——