测量仪表与自动化13

1、Instrumentation and Automation In Chemical Engineering 第三篇 过程控制系统 13 自动控制系统的基本概念 13.1自动控制系统组成及分类 13.2 过渡过程及品质指标 14 简单控制系统 15 复杂控制系统 16 典型操作单元的控制方案 第十三章 自动控制系统的基本概念 13.1自动控制系统组成及分类 13.1.1 自动控制系统的组成 13.1.2 自动控制系统的表示方式 13.1.3 自动控制系统的主要特点 13.1.4 自动控制系统的分类 13.2 过渡过程及品质指标 13.1.1 自动控制系统的组成 例13-1:液罐液位控制 人工控

2、制： 眼睛：观察当前的液位值；（测量） 大脑：根据当前液位与工艺期望值的偏差，发 出操作命令，包括大小和方向；（控制） 手：执行大脑的控制命令，通过手改变 阀门开度；（执行） 反复进行步骤，直到液位达到期望值。 影响液位因素：入口压力，出口压力流量等； mHsp2 ，关小阀 SP HH ，开大阀 SP HH ，不动 SP HH 工艺期望的液位值: SP H 13.1.1 自动控制系统的组成 例13-2：原油加热炉出口温度控制人工控制 眼睛：观察当前的温度值；（测量） 大脑：根据当前温度与工艺期望值的偏差， 发出操作命令，包括大小和方向；（控制） 手：执行大脑的控制命令，通过手改变 阀门开度；（

3、执行） 反复进行步骤，直到温度达到期望值。 影响温度因素：原油入口流量、成份、温度， 燃料油压力、成份等； 125 sp T ，关小阀 SP TT ，开大阀 SP TT ，不动 SP TT 13.1.1 自动控制系统的组成 自动控制：用自动化仪表来实现上述人工控制过程。 变送器：代替眼睛，观察当前值；（测量） 控制器：代替大脑：分析、判断；（控制） 执行器：代替手，执行的控制器命令，通过手改变阀门开度；（执行） 13.1.1 自动控制系统的组成 自动控制系统一般由测量变送、控制器、执行器和被控对象组成。 被控对象 ：也称对象。是指被控制的生产设备或装置。如加热炉和液罐。 自动化仪表： 变送器测

4、量被控变量，并将其转换为标准信号的输出，作为测量值。 控制器也称调节器。将被控变量的设定值与测量值进行比较，并按 一定规律运算发出操作命令。 执行器通常指调节阀，和普通阀的功能一样，能自动地根据控制器 送来的控制信号改变阀门的开度 。 1.方框图(Block Diagram，方块图) 说明： （1）每个方框都代表系统中一个具体仪表装置（或对象） （2）图中每一条线代表系统中的一个变量信号，线上的箭头表示信号传 递方向。箭头指向方框表示方框的输入，箭头离开方框表示方框的输出； （3）系统的输出直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫反馈 （4）同一种形式的方框图可代表不同的控制系统。 测量值

5、控制器调节阀被控对象 偏差给定值 操纵值 操纵变量 干扰 D 测量变送器 - Sv Pv DvMv q 被控变量 y + 13.1.2 自动控制系统的表示方式 13.1.2 自动控制系统的表示方式 1.方框图(Block Diagram) 举例：水罐 干扰分析： D：进料流量的变化等。 测量值 控制器调节阀被控对象 偏差给定值 操纵值 操纵变量 干扰 D 测量变送器 - Sv Pv DvMv q 被控变量 y + 1.方框图(Block Diagram) 测量变送器(Measurement transmitter)把工艺参数转换成统一标准 信号的装置 控制器(Controller) 计算测量与

6、给定的偏差，并对偏差信号按预先 设定好的控制规律进行运算，输出控制型号控制执行器动作 执行器(Actuator）根据控制器的输出完成对被控的控制 10 3. 自动控制系统的方框图 测量值 控制器调节阀被控对象 偏差给定值 操纵值 操纵变量 干扰 D 测量变送器 - Sv Pv DvMv q 被控变量 y + 1. 方框图(Block Diagram) 被控对象(Controlled Object)被控制的工艺生产设备 被控变量(Controlled Variable)要求实施控制的参数，一般是工艺 操作的物理量 操作变量(Manipulated Variable)实施控制作用的参数，一般是执

7、行器控制的物理量 11 13.1.2 自动控制系统的表示方式 测量值 控制器调节阀被控对象 偏差给定值 操纵值 操纵变量 干扰 D 测量变送器 - Sv Pv DvMv q 被控变量 y + 给定值(Set Value，SV)工艺上希望保持的数值 测量值(Process Value, PV) 被控变量的实际测量数值 偏差（Deviation Value，DV）测量值与给定值之差 干扰(Disturbance)引起被控变量变化的各种因素 12 3. 自动控制系统的方框图 1. 方框图(Block Diagram) 1.方框图(Block Diagram) 举例1：液罐 被控对象：液罐 被控变量：

8、液罐的液位 操纵变量：进料流量 测量变送器：液位变送器LT 控制器：液位控制器LC 执行器：进料流量调节阀LV 干扰分析D：进料流量的变化等。 13.1.2 自动控制系统的表示方式 2.方框图(Block Diagram) 举例2：加热炉 被控对象：加热炉 被控变量：炉出口温度 操纵变量：燃料油流量 测量变送器：温度变送器TT 控制器：温度控制器TC 执行器：燃料油调节阀 干扰分析：D1:原油入口流量、成份、温度； D2:燃料油压力、成份； D3:环境温度等 13.1.2 自动控制系统的表示方式 13.1.2 自动控制系统的表示方式 被控对象输入输出示意图 广义对象：除控制器外其它环节合并成的

9、环节 2.工艺控制流程图（PCD Process Control Diagram） 在工艺流程图（PFD Process Flow Diagram）上用图形符号直观表示出 控制方案，称为工艺控制流程图。 13.1.2 自动控制系统的表示方式 TT温度变送器 TC温度控制器 FT流量变送器 FC流量控制器 PT压力变送器 PC压力控制器 LT液位变送器 LC液位控制器 3.管道仪表流程图（P&ID Piping and Instrument Diagram） 定义：管道仪表流程图（P&ID）是借助统一规定的图形符号和文字代号， 用图示的方法把建设化工工艺装置所需的全部设备、仪表、管道、阀门及 主

10、要管件，按其各自的功能，为满足工艺要求和安全要求而组合起来的技 术文件，以起到描述工艺装置的结构和功能的作用。 不仅是设计、施工的依据，也是企业管理、试运转、操作、维修等各 方面所需完整技术资料的一部分。 图例符号的统一规定 图中小圆圈表示某些自动化仪表，圆内写有两位(或三位)字母，第一位字 母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。 13.1.2 自动控制系统的表示方式 13.1.2 自动控制系统的表示方式 3.管道仪表流程图（P&ID Piping and Instrument Diagram） 举例： 13.1.3 自动控制系统的主要特点 1.构成负反馈闭环控制系统反馈 正反馈：反馈信号与

11、输入极性相同 Dv=Sv+Pv 负反馈：反馈信号与输入极性相反 Dv=Sv-Pv 自动控制系统必须采取负反馈，才能起到纠正偏差的作用。 若采取正反馈，不仅不能克服干扰的影响，反而使系统的偏差越 来越大，直至超出安全极限而破坏生产。 自动控制系统不能单独采用正反馈。 2.控制作用的产生由偏差引起 偏差产生的控制作用是系统沿减少或消除偏差的方向运动。 13.1.3 自动控制系统的分类 1.按给定值的不同情况分为： (1)定值控制系统（Fixed Set-Point Control System） 给定值恒定的控制系统。 若要求控制系统的被控变量保持在一个生产指标上不变，或要求工 艺参数的给定值不变

12、，则采用定值控制系统。 引起被控变量波动的原因:各种干扰 控制目的：克服干扰 设计重点:存在干扰的情况下如何 将被控变量控制在所希望的给定值上 石油石化行业中以定值控制系统为主 13.1.3 自动控制系统的分类 1.按给定值的不同情况分为： (2)随动控制系统（Follow-Up Control System） 给定值不是固定的，是随时间不断变化的，且不是预先规定好的 。 控制目的：使被控变量准确、快速地跟随给定值的变化。 例：比值控制/副回路 13.1.3 自动控制系统的分类 1.按给定值的不同情况分为： (3)程序控制系统（Programmed Control System） 给定值也是变

13、化的，但它是一个已知的时间函数，即生产指标需按 一定的时间程序变化。 )(tfSV 测量值 控制器调节阀被控对象 偏差给定值 操纵值 操纵变量 干扰 D 测量变送器 - Sv Pv DvMv q 被控变量 y + 13.1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 其他分类：2. 按系统的复杂程度（控制器的多少）分为： (1)简单控制系统（Simple Control System） 生产过程自控中最简单、最基本、应用最广泛的控制系统，解决了 大多数的参数定值控制问题。 (2)复杂控制系统（Follow-Up Control System） 解决简单控制系统无法解决的问题 在简单控制系统的基础

14、上，增加计算环节、控制环节或其他环节，构 成复杂控制系统。 第十三章 自动控制系统的基本概念 13.1 13.1 自动控制系统组成及分类自动控制系统组成及分类 13.2 13.2 过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标 13.2.1 自动控制系统的过渡过程 13.2.2 过渡过程的形式 13.2.3 控制系统的品质指标 13.2.1 自动控制系统的过渡过程 自动控制系统在运行中有两种状态： 静态(稳态)：干扰及给定值均保持不变，被控变量不随时间变化， 整个系统处于相对平衡状态，各个组成环节都暂不动作，输出信 都处于相对静止状态（各变量(或信号)的变化率为零）。 动态：当系统受到外来扰动，系统中各

15、部分的输入输出都发生变 化被控变量也将偏离原静态值而随时间变化若系统是稳定的，经 一段时间，系统可恢复稳定状态 过渡过程 从平衡状态到达另一个新平衡状态的过程 13.2.2 过渡过程的形式 系统输入采用阶跃干扰(Step Function) 系统过渡过程分为： （1）振荡过程： 发散振荡/等幅振荡/衰减振荡 （2）非周期： 非周期发散/非周期衰减 其中稳定的过渡过程有： 衰减振荡/非周期 不稳定的过渡过程有： 发散振荡 等幅振荡 非周期发散 t 0 t0 干扰 图13-6 阶跃干扰 一般以阶跃干扰作用下，衰减振荡过程为研究依据(快 准 稳) 图 13-8 过 渡 过 程 品 质 指 标 示 意

16、 图 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干 扰 阶 跃 变 化 下 的 过 渡 过 程 T (a) 给 定 值 阶 跃 变 化 下 的 过 渡 过 程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 1.余差C residual error（准确性指标） 新的稳态值与给定值之差。 静态指标，反映控制系统的控制精确度，希望越小越好。 给定值阶跃变化下的过渡过程给定值阶跃变化下的过渡过程 干扰阶跃变化下的过渡过程干扰阶跃变化下的过渡过程 13.2.3 控制系统的品质指标 图13-8 过渡过程品质指标示意图 y(t) tp B 0 B A t s T )(

17、y (b) 干扰阶跃变化下的过渡过程 T (a) 给定值阶跃变化下的过渡过程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 2.最大偏差A与超调量 maximum overshoot (衡量相对稳定程度指标) 对定值系统衰减振荡过程，最大偏差为第一个波的峰值 随动控制系统，经常采用超调量 A或或是衡量稳定程度的指标，希望不要太大。是衡量稳定程度的指标，希望不要太大。 (a)(a)给定值阶跃变化下的过渡过程给定值阶跃变化下的过渡过程 (b) (b)干扰阶跃变化下的过渡过干扰阶跃变化下的过渡过 程程 图图13-8 13-8 过渡过程品质指标示意图过渡过程品质指标示意图 %100

18、 )( y )( y)t ( y p 13.2.3 控制系统的品质指标 图13-8 过渡过程品质指标示意图 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干扰阶跃变化下的过渡过程 T (a) 给定值阶跃变化下的过渡过程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 13.2.3 控制系统的品质指标 3.衰减比 damping ratio （衡量相对稳定性指标） 过渡过程同方向前后相邻两峰值的比（表示衰减程度，习惯表示为 n:1 ） n1，发散振荡；n1，等幅振荡；n1，衰减振荡。 一般一般4:14:1至至10:110:1为宜为宜。 B B n (a)(a)给定

19、值阶跃变化下的过渡过程给定值阶跃变化下的过渡过程 (b) (b)干扰阶跃变化下的过渡过干扰阶跃变化下的过渡过 程程 图图13-8 13-8 过渡过程品质指标示意图过渡过程品质指标示意图 图 13-8 过 渡 过 程 品 质 指 标 示 意 图 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干 扰 阶 跃 变 化 下 的 过 渡 过 程 T (a) 给 定 值 阶 跃 变 化 下 的 过 渡 过 程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 13.2.3 控制系统的品质指标 4.调节时间（过渡过程时间）Ts residence time 系统快速性指标 从干

20、扰发生起至被控变量建立新的平衡状态止的时间 新平衡状态：被控变量进入新稳态值的5(或2) (a)(a)给定值阶跃变化下的过渡过程给定值阶跃变化下的过渡过程 (b) (b)干扰阶跃变化下的过渡过干扰阶跃变化下的过渡过 程程 图图13-8 13-8 过渡过程品质指标示意图过渡过程品质指标示意图 图 13-8 过 渡 过 程 品 质 指 标 示 意 图 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干 扰 阶 跃 变 化 下 的 过 渡 过 程 T (a) 给 定 值 阶 跃 变 化 下 的 过 渡 过 程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 13.2.3 控制系统的品质指标 5.振荡周期T oscillation period（相对稳定性/系统快速性指标) 过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间。 n 相同时，T 与 Ts 成正比。 给定值阶跃变化下的过渡过程给定值阶跃变化下的过渡过程 干扰阶跃变化下的过渡过程干扰阶跃变化下的过渡过程 13.2.3 控制系统的品质指标 小结： 对于控制系统，一般希望： C小、A(或 )小、Ts短、衰减比4:110:1之间 过渡过程品质的好坏，与