化工仪表及其自动化

第一章自动控制系统基本概念第一节化工自动化的主要内容第二节自动控制系统的组成第三节工艺管道及控制流程图第四节自动控制系统方块图第五节自动控制系统的分类第六节自动控制系统的过渡过程和品质指标复习第一节化工自动化的主要内容1、自动检测系统2、自动信号和连锁保护系统3、自动操纵及开停车系统4、自动控制系统第二节自动控制系统的组成一控制的目的与要求二举例说明自动控制系统的组成冷流体蒸汽热流体凝液测量元件及变送器控制器Qi给定hQ0控制器变送器抑制外界扰动的影响，确保生产过程的稳定性，使生产过程的工况最优化。第三节工艺管道及控制流程图LTLCQiQ0给定h冷流体蒸汽凝液TTTC在化工控制流程图中，一般以细实线圆圈来表示仪表；圆圈内写有两位（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。在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表都有自己的仪表位号。仪表位号由字母代号和数字编号两部分组成。如PIC207三系统中常用术语被控对象、被控变量、操纵变量、扰动、设定值、偏差第四节自动控制系统方块图定义：描述系统各组成元、部件之间信号传递关系的图形。控制器输出_zx+控制器控制阀被控对象测量元件变送器给定值偏差操纵变量干扰作用被控变量测量值fepq第五节自动控制系统的分类一开环控制系统定义：输入量对输出量只有顺向影响，而输出对输入无影响。1、按设定值进行控制2、按扰动进行控制即前馈控制控制装置设定值蒸汽冷物料热物料FT控制装置蒸汽二闭环控制系统1、定义:不仅输入对输出有顺向影响，且输出对输入有反向影响。控制器输出_zx+控制器控制阀被控对象测量元件变送器给定值偏差操纵变量干扰作用被控变量测量值fepq反馈：把系统的输出信号直接或经过一些环节回送到输入端的做法叫反馈。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环控制系统。它是按偏差进行控制的。2、闭环控制系统的类型定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统3、闭环控制系统动态的概念4、开环与闭环系统的比较（精度、稳定性、抗干扰..)三复合控制系统前馈-反馈控制系统反馈控制器yf（t）测量元件变送器+x-控制阀++前馈控制器对象测量变送eZ第六节自动控制系统的过渡过程和品质指标1、静态一、控制系统的静态与动态2、动态前馈控制的优点是及时克服主要扰动对被控变量的影响。反馈控制系统的优点是检查控制效果，克服其它扰动。两者组合在一起，可提高控制质量。1、定义：由于干扰或设定的作用，使系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。二、控制系统的过渡过程2、系统过渡过程的分析方法：常选阶跃扰动对系统的过渡过程进行分析。0时间t输入量t0选择原因：1)因为阶跃扰动比较突然，比较危险，对被控变量的影响最大，如果一个控制系统能够有效地克服这类干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定能很好的克服。2）在生产过程中，阶跃扰动最为多见。3）这种干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。3、阶跃扰动下系统的过渡过程1)发散的过渡过程y(t)y(0)发散振荡ty(t)y(0)t非振荡发散具有这种过渡过程的控制系统不能满足生产要求，2）衰减的过渡过程y(t)y(0)t非周期衰减y(t)y(0)衰减振荡t是我们所需要的3）等幅振荡的过渡过程允许被控变量在一定范围内变化时才采用。三、控制系统的品质指标定值系统阶跃响应曲线Cy(t)y(∞)ty(0)0tsB2B1Ay(tp)tp1、余差（静态偏差）C反映控制准确性的一个指标2、衰减比n（或衰减率φ）B1:B2=n(或)121BBB衡量过渡过程稳定性的动态指标3、最大偏差A，超调量()()100%()ytpyy描述被控变量偏离给定值的最大程度的物理量4、过渡过程时间ts和振荡频率ω反映控制快速性的指标5、上升时间tp，周期T第二章被控对象的数学模型第一节化工对象的特点及其描述方法第二节描述对象特性的参数第三节对象数学模型的建立第四节对象特性的实验测取二、描述对象特性的方法第一节化工对象的特点及其描述方法一、概念：1、描述对象输入输出关系的数学表达式2、描述对象在一定形式输入作用下的输出数据或曲线当以阶跃信号作为输入量时，其响应曲线主要类型有⑴有自衡的非振荡过程；⑵无自衡的非振荡过程；被控对象的数学模型是指对象在各输入量（控制量和扰动量）的作用下，其相应输出量（被控变量）变化的函数关系数学表达式。h(t)t阀门节流h(t)t定量泵第二节描述对象特性的参数一、放大系数K1.定义2.对系统的影响A控制通道K应适当大一些,以使控制作用显著。B扰动通道对扰动通道Kf×Δf应小些，以使被控变量偏离设定值小些，以利于控制。2.对系统的影响二、时间常数TU0t0UiT63.2%UiU0(t)A控制通道T太大、太小在控制上都存在一定困难，所以需根据实际情况适中考虑。1.定义0()(0)yyKx4.对系统的影响yt0Bxt0τ0yt三、时滞τ2.纯滞后3.容量滞后A控制通道B扰动通道B扰动通道时间常数T大些有一定的好处，这相当于将扰动信号进行滤波。滞后的存在不利于控制扰动通道存在纯滞后，对控制系统的品质无影响；扰动通道存在容量滞后，对系统是有利的。1.定义第三节对象数学模型的建立一、有自衡对象的数学模型㈠一阶对象（单容对象）h=h0q2=q012q1=q0+△q1+△h+△q2根据平衡关系有：对象物料储存量的变化率=单位时间流入对象的物料变化量—单位时间流出对象的物料变化量dMdhAdtdt=Δq1-Δq22hqR①②1dhRAhRqdt1dhThkqdt其中T=RA，K=R0()1sKGsTSexKydtydT（t-τ)㈡二阶对象（双容对象）h1q1qih2ⅠⅡq2R2R1111idhAqqdt2212dhAqqdt②111hRq③222hRq④①222121222()idhdhTTTThKqdtdt01()adhTqdtt01()aseGSTS022212()aaidhdhTTTqdtdtt01()(1)asKGSTSTeS二阶对象一阶对象2212120222())(idhdhTTTThKqdtdtt012()(1)(1)sKGSTSTSe二、无自衡对象的数学模型hq2q1第四节对象特性的实验测取所谓对象特性的实验测取，就是在我们所要研究的被控对象上，人为的施加一个干扰作用(输入量)，然后用仪表测量和记录对象的输出量随时间而变化的规律，可得到表征对象特性的一些数据和曲线，而后对这些数据或曲线进行分析整理，可得描述对象特性的数学表达式。当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录对象输出量随时间变化的数值，即可得到输出量随时间而变化的曲线（即所谓反应曲线或飞升曲线），这种方法称为阶跃响应曲线法。被控对象操纵变量干扰作用被控变量fqy一、阶跃扰动法（阶跃响应曲线法）用阶跃响应曲线法来测取对象动态特性的原因：⑴阶跃响应曲线能直观、完全的描述被控对象的动态特性。⑵实验测试方法易于实现，只要使阀门开度作一突然改变即可（如流量），不需要特殊的信号发生器。⑶输出参数的变化过程可利用原来的仪表记录下来，测试工作量不大，数据处理也比较方便，所以广泛应用。实验时必须注意：⑴合理选择阶跃扰动量。通常取阶跃信号值为正常输入信号的5～15%。⑵试验应在相同的测试条件下重复作几次，需获得两次以上比较接近的响应曲线，减少干扰的影响。⑶实验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测得其响应曲线，以检验被控对象的非线性程度。⑷在实验前即在输入阶跃信号前，被控对象须处于稳定的工作状态。⑸测试和记录工作应该持续进行到输出量达到新稳态值为止。其缺点是：对象在阶跃信号作用下，从不稳定到稳定一般所需时间较长，在这段时间内对象不可避免的要受到许多其它干扰的影响，使测试精度受到限制；为提高精度就须加大输入作用幅值，这就意味着对正常生产的影响增加，工艺上往往是不允许的。所以对于有些不允许长时间偏离正常操作条件的被控对象，及阶跃信号幅值受生产条件限制而影响对象的模型精度时，可用矩形脉冲信号作为对象的输入信号，其响应曲线为矩形脉冲响应曲线二、矩形脉冲法（矩形脉冲响应曲线法）0t0时间t输入量t1y(t)ax(t)tx00x1(t)x2(t)a2a3a4ay(t)t0y*(t)设被控对象为线性，则y*(t)=y(t)-y(t-a)或y(t)=y*(t)+y(t-a)t=0～a时，y(a)=y*(a)；t=a～2a时，y(2a)=y*(2a)+y(a)；2.优点：用矩形脉冲干扰来测取对象的特性时，由于加在对象上的干扰经过一段时间后便被除去，使对象的输出量不致长时间偏离给定值，对生产影响较小；因此干扰的幅值可取的比较大，以提高实验精度。BAy(t)t0y(∞)y(0)在对象输入阶跃信号x0的瞬时，其响应曲线的斜率最大，以后逐渐减小，直到新的稳态值。此时对象的数学模型可用一阶惯性环节来近似，即：()1KGSTS其参数求法为：（1）对象的静态放大系数K1.确定一阶惯性环节的参数1dhThkqdt或63.2%三、由阶跃响应曲线辨识被控对象的数学模型0()(0)yyKx根据放大系数的定义有：（2）对象的时间常数T方法一：根据T的定义，当响应曲线达到63.2%﹝y(∞)-y(0)﹞时所需时间。0dudtUiT|t=0=，在对象输入阶跃信号的瞬时，其响应曲线的斜率为0，之后逐渐增大，最后又逐渐减小，达到稳态值时曲线呈S形，此时对象的数学模型可用有时滞的一阶环节来近似，即：可过O点作阶跃响应曲线的方法二：根据切线，交最终稳态值的渐进线y(∞)于A点，其投影OB即为对象的时间常数T。2.确定有时滞的一阶环节的参数（1）K可用式①求得（2）T、τ的求法方法一：过响应曲线的拐点P作曲线的切线，交时间轴于点B，交y(∞)于点A，A在时间轴的投影为C，则OB为对象的τ,BC为对象的T。方法二：当拐点不易确定时，可取阶跃响应曲线最终稳态值的28%和63%所对应的时间为t1和t2，按下式计算τ与T：｛123TttTBCAPy(t)y(∞)0tt1t2ty(t)y(∞)63%y(∞)28%y(∞)01()dhThkqdtt()1sKGSeTS或0axTtg当阶跃响应曲线开始时变化速度较慢，后来才等速上升，此时其数学模型可用有时滞的积分环节来近似，即:当阶跃响应曲线为一条等速变化的直线时，对象的数学模型可用积分环节来描述，即：此时积分时间常数求参数时，在阶跃响应曲线上作其变化速度最大处的切线，交时间轴于A点，则OA为滞后时间τ，0axTtgy(t)t0α0y(t)tAα3.确定积分环节的参数4.确定有时滞的积分环节的参数1adhTqdt1()aGSTS或01()adhTqdtta1G(S)=TSse或5.确定有纯滞后，一阶和积分环节的参数参数确定方法：作响应曲线的渐近线，交时间轴于B点，OA为纯滞后时间τ0;AB为时间常数T;积分时间Ta=x0/tgα。0y(t)tAαB)(02222tqdthdTdthdTTiaa0-s1G(s)=e(1)aTSTS或第三章检测仪表与传感器第一节自动检测仪表的原理性组成第二节仪表的性能指标第三节压力检测及仪表第四节流量检测及仪表第五节物位检测及仪表第六节温度检测及仪表第一节自动检测仪表的原理性组成从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成，中间部件显示器被测参数参数显示传感器一、传感器它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号要求具有高准确性、高稳定性、高灵敏性它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。按其作用的不同，分为三种：（一）单纯的传递作用（二）按比例传递（三）信号形式的转换二、中间部件三、显示器它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量