过程控制基础知识.详解

自动控制系统概述进水水池实际水位要求水位出水阀门Part1-1自动控制的基本原理与方式例1：恒值水位控制系统正确的操作步骤：图1-1人工控制的恒值水位系统1）将水位的要求值（期望水位）牢记在大脑中；2）用眼睛和测量工具测量水池实际水位；3）将期望水位和实际水位进行比较、计算、从而得出偏差值（大脑）；4）按偏差大小和正负性质，由大脑指挥手正确地调节进水阀门的开度。进水出水控制器气动阀门水池变送器图1-2简单的水位自动控制系统工作步骤：用变送器代替眼睛，用控制器代替人的大脑，用气动阀门代替手，得到图1-2所示自动控制系统1）在控制器中设定好水位的期望值；2）变送器将检测出来的实际水位送到控制器；3）控制器将实际水位与期望值比较，并经过计算产生控制信号；4）按减小误差的方向控制阀门的开度。自动控制概念在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置）,使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控变量）自动地按照预定的规律运行。简单控制系统的组成简单控制系统由被控对象、检测变送单元、控制器、执行器四个基本环节所组成。相互关系？信号联系？方框图每个方框表示组成系统的一个环节。信号线表示相互间信号的联系，箭头方向表示信号传递的方向。±信号相加点。分支点。图1-3自动控制系统通用方框图常用术语：被控对象：要求实现自动控制的设备或装置检测变送单元：一般由检测元件和变送器组成，作用是测量被控变量控制器：也称为调节器，作用是比较、运算、给出控制信号执行器：接收控制信号并对被控对象施加作用的装置前向通道：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通道反馈通道：从输出端到输入端的反方向通道设定值（输入值）：作用于控制系统输入端，并可实现使系统具有预定性能或预定输出的物理量测量值：被控变量的测量值偏差：设定值与测量值之间的差值控制变量：指控制器的输出（控制信号）操纵变量：指执行器的输出扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号被控变量（输出值）：指被控对象的输出冷却器继电器压缩机控制器蒸发器冰箱家用电冰箱温控系统被控对象：冰箱被控量：输入量：控制器设定值（代表温度的期望值）扰动量：开门时的外界温度请问：冰箱内温度进水出水控制器气动阀门水池变送器简单水位控制系统控制器偏差进水量出水量水池水位变送器-实际水位水位给定值进水调节阀画框图：温度控制系统练习：自动控制系统的分类什么是反馈？系统的输出变量通过测量仪表引回到系统输入端对控制作用产生影响1、按是否设有反馈环节分类开环控制系统和闭环控制系统若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环控制系统。图1-4开环控制系统原理框图系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制系统，就称为闭环控制系统。图1-5闭环控制系统原理方框图结构相对较简单、维护容易、成本低。被控量的控制精度取决于系统各环节的精度。开环控制系统的缺点：对元器件要求较高、抗干扰能力差。无法自动补偿系统干扰对被控量带来的影响。开环控制系统的优点：闭环控制系统的优点：抗干扰能力强。控制精度受环节的转换精度较小。闭环控制系统的缺点：控制作用对干扰作用有时间滞后。控制过程可能产生振荡。结构复杂、维护不易、可能存在稳定性问题。下列系统中哪些是开环控制，哪些是闭环控制？•家用电冰箱•家用洗衣机•家用空调•电风扇•饮水机闭环控制开环控制闭环控制开环控制闭环控制2、按输入量变化的规律分类定值控制系统：设定值保持不变（为恒定值）的反馈控制系统。例如：温度、液位、流量、压力控制系统等。随动控制系统：设定值不断的变化，没有确定的规律，是时间的未知函数。例如：雷达跟踪系统等。程序控制系统：设定值是根据工艺过程的需要而按照某种预定规律变化的，是一个已知的时间函数。举例：洗衣机，程序控制机床。本次课小结自动控制的定义？闭环控制的实质？自动控制系统的组成？自动控制系统中的常用术语？框图的基本画法？控制任务：保持炉温T恒定。被控对象：被控变量：扰动：执行器：测量变送单元:加热炉炉温T燃油压力的波动、环境温度的变化、物流量的改变燃油管阀门温度检测器、流量检测器知识目标：1、理解系统的动态与静态。2、明确自动控制系统运行的基本要求。3、掌握自动控制系统的过渡过程。4、掌握自动控制系统的性能指标。系统运行的基本要求系统的动态与静态静态的定义：在自动控制系统中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态，称为系统的静态（稳态）。动态的定义：在自动控制系统中，把被控变量随时间变化的不平衡状态，称为系统的动态。结论在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的，动态是普遍的、绝对的。基本技术性能要求基本要求：稳、准、快1、稳定性：扰动下不发散当扰动信号进入系统破坏系统平衡时，有重新恢复平衡的能力。响应2、准确性：与给定值的偏差小稳态响应与给定值加以比较，是否完全一致。不稳定系统，没有必要讨论准确性偏差：0偏差：0.5不稳定系统，没有必要讨论快速性缓慢收敛，稳定快速收敛，稳定3、快速性：用最少的时间达到要求扰动信号进入系统开始，到重新恢复平衡所用时间的长短来度量，即：动态性能指标。稳定性(稳)、快速性(快)、准确性(准)分别说明的是系统的动态品质还是静态品质？(1)“稳”与“快”是说明系统动态品质。(2)“准”是说明系统的稳态（静态）品质。(3)稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。自动控制系统的过渡过程控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。过渡过程的几种基本形式：特点：被控变量一直处于振荡状态，且振幅越来越大，逐渐偏离设定值。在生产过程中绝对不允许出现。特点：被控变量不振荡，但是偏离设定值越来越远。特点：等幅振荡，既不衰减也不发散，处于稳定与不稳定的临界状态。特点：衰减振荡，被控变量进过几个周期的波动能重新稳定下来。特点：非周期单调衰减，能重新稳定下来，但是需要的时间较长，快速性不好。1、以上哪几个过渡过程能说明系统是稳定的？2、哪一种过渡过程是我们所希望的？（结合系统基本性能的要求来思考）自动控制系统的控制性能指标①延迟时间响应曲线第一次达到稳态值的一半所需时间。②上升时间从稳态值的10%上升到90%所需时间。③峰值时间响应曲线达到过调量的第一个峰值所需的时间。dtrtpt反应系统的快速性④超调量第一个波峰值与新的稳态值之差。反映了系统的稳定性。超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。⑤调节时间(过渡时间)st系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的2%或5%。调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小，系统的快速性越好。⑥衰减比=nB1B2系统输出的第一个波峰值B1与第二个波峰值B2的比值。它表示系统输出响应过程振荡衰减的程度，是系统稳定性指标。习惯上用n：1表示衰减比衰减比小于1，则过渡过程是发散振荡衰减比等于1，则过渡过程是等幅震荡衰减比大于1，则过渡过程是衰减振荡衰减比一般取值：4:1~10:1⑦振荡次数在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。它也反映系统的稳定性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。系统稳态误差的大小反映了系统的准确性。它表明了系统控制的准确程度和抗扰动的能力。稳态误差越小，则系统的准确度越高。⑧稳态误差（余差）sse有差系统（图a）若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。无差系统（图b）若稳态误差为零，则系统称为无差系统。小结稳定性衰减比超调量震荡次数快速性延迟时间上升时间峰值时间过渡过程时间准确性稳态误差（余差）上节课内容回顾对系统静态和动态的理解？基本技术性能要求？自动控制系统的过渡过程？自动控制系统的性能指标？工艺管道及控制流程图知识目标：1、常用图形符号。2、字母代号。3、仪表位号。控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图也称工艺管道及仪表流程图（PID），是施工安装和生产操作时的主要参考依据。一、图形符号1、测量点一般无特定的图形符号测量点若测量点位于设备中，要标出测量点的位置：d=2㎜2、连接线图形符号仪表圆圈与过程测量点的连接引线，通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。通用的仪表信号线：细实线气压信号线：电信号线：或细实线0.15～0.3mm中粗线0.5～0.7mm粗实线0.9～1.2mm喷淋管伴热（冷）管道同心异径管管线宽度与其相接的新管线宽度相同原有管线柔性管气动信号线翅片管电动信号线仪表管道管道隔热层引线、设备、管件、阀门、仪表等图例夹套管其他物料管道电伴热管道主要物料管道名称图例名称图例3、仪表图形符号直径为12mm（或10mm）的细实线圆圈。仪表位号较多，圆圈内不能容纳时，可以断开。当两个测量点引到一台复式仪表上，而两个测量点在图纸上距离较远或不在同一张图纸上，则分别用两个相切的实线圆圈和虚线圆圈表示。测量点A测量点B仪表安装位置的图形符号表示安装位置安装位置图形符号图形符号就地安装就地安装（嵌在管道中）集中盘面安装就地盘面安装集中仪表盘背面安装就地仪表盘背面安装4、被测变量和仪表功能的字母代号两位及以上的字母。第一位表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。温差记录控制器字母第一位字母后继字母字母第一位字母后继字母被测变量或初始变量修饰词功能被测变量或初始变量修饰词功能A分析报警N供选用供选用B喷嘴火焰供选用O供选用节流孔C电导率控制P压力或真空试验点（接头）D密度差Q数量或件数积分、积算积分、积算E电压（电动势）检测元件R放射性记录、打印F流量比（分数）S速度、频率安全开关或联锁G尺度（尺寸）玻璃T温度传送H手动（人工触发）U多变量多功能I电流指示V粘度阀、挡板、百叶窗J功率扫描W重量或力套管K时间或时间程序自动-手动操作器X未分类未分类L物位指示灯Y供选用继动器或计算器M水分或湿度Z位置驱动、执行或执行器被测变量及仪表功能字母组合示例（以流量为例）控制器：FRCFIC读出仪表：FRFI开关和报警装置：FSHFSLFSHL变送器：FRTFITFV流量记录控制流量指示控制流量记录流量指示流量高报警流量低报警流量高低组合报警流量记录变送流量指示变送流量执行元件5、仪表位号的表示方法仪表位号组成字母代号组合和回路编号两部分组成。示例：TRC-101仪表序号（一般用二位数字，也可以用三位）工段号或车间代号功能字母代号（记录调节）被测变量字母代号（温度）仪表位号表示方法：字母代号填写在圆圈上半圈中；回路编号填写在圆圈下半圈中。集中仪表盘面安装仪表（中间有一横）TRC101就地安装仪表（中间没有一横）TI101