自动控制系统概述

课程概况授课学时：32学时配套课程：化工仪表及自动化实验（16学时）所用教材：《化工仪表及自动化》厉玉鸣化学工业出版社第五版参考教材：《过程自动化及仪表》俞金寿化学工业出版社第二版等考核方式：闭卷考试成绩（70%）+平时成绩（30%）基础知识：电路、电工、计算机化工仪表及自动化仪表？课程概况课程概况课程概况化工厂中央控制室课程概况自动化系统概述过程特性检测变送控制器执行器简单控制系统复杂控制系统先进控制系统典型控制系统概念控制系统组成系统设计及参数设定趋势化工自动化的主要内容自动控制系统的基本组成及表示形式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第一章自动控制系统基本概念过程自动化【定义】：是指在机器、设备上配置一些装置，代替人工的部分直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理生产过程的方法称为过程自动化。自动化？40℃化工自动化指在化工机器、设备上配置一些装置，代替人工的部分直接劳动，使化工生产过程在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理化工生产过程的方法称为化工自动化。第一节化工自动化的主要内容第一节化工自动化的主要内容P31.自动检测系统——“了解”生产任务4.自动控制系统——核心2.自动信号和联锁保护系统——安全装置3.自动操纵及自动开停车系统图1-1热交换器自动检测系统示意图图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表示形式自动控制系统的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第二节自动控制系统的基本组成及表示形式被控对象自动化装置控制器执行器检测变送被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。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。第二节自动控制系统的基本组成及表示形式第二节自动控制系统的基本组成及表示形式扰动：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素设定值：工艺参数所要求保持的数值偏差：被控变量的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对象：被控变量：操纵变量：扰动：第二节自动控制系统的基本组成及表示形式加热炉物料出口温度燃料油流量原料温度、燃料油热值等闭环控制---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，根据偏差进行控制，整个系统构成了一个闭环。---优点：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，达到被控变量与设定值始终保持一致。---缺点：控制不及时；如果系统内部各个环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至失去控制。开环控制---不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制,控制很及时。第二节自动控制系统的基本组成及表示形式第二节自动控制系统的基本组成及表示形式控制器执行器被控对象LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图1FfFTLTFdC蒸汽汽包省煤器给水举例方框图液位自动控制系统方框图第二节自动控制系统的基本组成及表示形式执行器广义对象控制器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。注意！方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，与工艺流程图上的物料线有区别。“环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性”。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表示形式用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统蒸汽加热器温度控制系统第二节自动控制系统的基本组成及表示形式给定值x偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对象测量元件变送器控制器测量值z干扰作用f管道及仪表流程图（PID图）第二节自动控制系统的基本组成及表示形式工艺人员确定工艺流程根据工艺流程图，按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工艺管道及控制流程图（PID图）工艺人员和自控设计人员应共同研究确定控制方案。控制方案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图1-6脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图塔顶出乙烷和更轻组分(如乙烯、甲烷)，塔底出丙烷和更重组分。举例第二节自动控制系统的基本组成及表示形式图1-6脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例举例第二节自动控制系统的基本组成及表示形式一、图形符号1.测试点（包括检出元件、取样点）2.连接线3.仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。第二节自动控制系统的基本组成及表示形式序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘后安装仪表3就地仪表盘面安装仪表表1-1仪表安装位置的图形符号表示P9第二节自动控制系统的基本组成及表示形式对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。图1-9复式仪表的表示法第二节自动控制系统的基本组成及表示形式二、字母代号在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。第二节自动控制系统的基本组成及表示形式字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析Analyze电导率Conductivity密度电压流量Flow电流CurrentIntensity时间或时间程序物位Level水分或湿度压力或真空Press数量或件数放射性Radioactivity速度或频率温度Temperature黏度力供选用位置差比（分数）低中间积分、累积安全报警Alarm控制（调节）Control检测元件指示Indicate自动-手动操作器积分、累积记录或打印Record开关、联锁传送Transfer阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构表1-2被测变量和仪表功能的字母代号R=R+I灯Lamp高三、仪表位号仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。第二节自动控制系统的基本组成及表示形式如果同一个仪表回路中有两个以上具有相同功能的仪表，可用仪表位号后附加尾缀（大写英文字母）加以区别，如：PT-202A，PT-202B；PV-201A，PV-201B液位指示、联锁、报警设备LISA112液位高度指示灯设备LLH114ALLM114BLLL114C第二节自动控制系统的基本组成及表示形式第二节自动控制系统的基本组成及表示形式图示为超细碳酸钙生产工艺中炭化部分的工艺管道及控制流程图，H—手动；I—指示；C—控制器；即：带显示的手动控制器（手操器）集中仪表盘面安装,第一工段，第01个……CO2就地安装压力指示仪表第一工段，第01个……L—液位；I—指示；C—控制器；即：具显示功能的液位控制回路集中仪表盘面安装，第一工段，第01个泵F—流量；I—指示；C—控制器；Q—累积；即：具有累积、显示功能的流量控制回路集中仪表盘面安装，第一工段，第二个。。。第三节自动控制系统的分类几种分类方法按被控变量来分类液位、温度、压力自动控制系统。。按控制器具有的控制规律来分类比例、积分、微分将被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类其中第三种分类方法最普遍第三节自动控制系统的分类给定值x可以是外部给定，也可以是内给定。第三节自动控制系统的分类1.定值控制系统2.随动控制系统（自动跟踪系统）3.程序控制系统（顺序控制系统）根据给定值的不同情况，将自动控制系统分为三类第三节自动控制系统的分类1.定值控制系统---给定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。---克服干扰的影响电阻丝加热恒温箱温度控制系统第三节自动控制系统的分类2.随动控制系统（自动跟踪控制）---给定值不断地变化，而且这种变化不是已知的、预先规定好的，而是随机的。并要求系统的输出（被控变量）随之变化。---给定值按一定的时间程序变化。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,f(t)如马弗炉程序升温系统3.程序控制系统（顺序控制系统）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）。LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图动态——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。当干扰作用于对象，系统被控变量发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标LTLC蒸汽汽包省煤器给水锅炉汽包自动控制系统示意图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来讲是比较严重的情况。第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标信号常见形式斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标阶跃信号A0t≥0t0数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。特点易产生对系统输出影响大便于分析和计算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。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√√？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n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n综合控制指标三、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三、控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量系统品质的依据。图1-10过渡过程品质指标示意图第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标1、最大偏差或超调量2、衰减比3、余差4、过渡时间5、振荡周期或频率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。超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即B=A-C,如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量