第7章化工自动化基础

1、第七章 自动控制系统概述第一节 自动控制系统的组成 化工自动化是一切具有化工类型生产过程的自动化工自动化是一切具有化工类型生产过程的自动化的简称化的简称 前一篇我们着重介绍了工艺参数的自动检查前一篇我们着重介绍了工艺参数的自动检查 本篇我们将着重介绍化工生产工艺参数的自动本篇我们将着重介绍化工生产工艺参数的自动控制控制图1-2 人工操作图图1-3 液位自动控制系统图n人工操作人工操作与与自自动动控制比控制比较图较图控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要自动动控制系统统的组组成5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

2、统的方块图 在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。般都用方块图来表示控制系统的组成。 方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环环节节”。 两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入。关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入。 箭头离开方块表示为这个环节的输出。箭头离开方块表示为这个环节的输出。系系统统或或环节环节u uy y系系统统或或环节环节u uy y1.信号与变

3、号与变量 载载有变变量信息的物理变变量就是信号号。 箭头头指向方块块的信号号表示施加到系统统或环节环节上的独独立变变量，称为输称为输入变变量 箭头头离开开方块块的信号号表示系统统或环节环节送出的变变量，称称为输为输出变变量 x :设定值； z :输出信号； e :偏差信号； p :发出信号； q :出料流量信号； y :被控变量； f 扰动作用。 2.2.液位自液位自动动控制的方控制的方块图块图图图1-4 1-4 液位自液位自动动控制系控制系统统方方块图块图3、反馈馈 把系统的输出信号直接或把系统的输出信号直接或经过一些环节重新返回到经过一些环节重新返回到输入端的做法叫反馈输入端的做法叫反馈x

4、 取正值，取正值，z取负值，取负值，e= x- z，负反馈；，负反馈；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e= x+ z，正反馈。，正反馈。开环开环系系统统：自动机在操作自动机在操作时，一旦开机，就只能是时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自变量的实际工况来改变自己的操作。己的操作。比较闭环闭环系系统统：有针对有针对性地根据被控变量性地根据被控变量的变化情况而改变的变化情况而改变控制作用的大小和控制作用的大小和方

5、向，从而使系统方向，从而使系统的工作状态始终等的工作状态始终等于或接近于所希望于或接近于所希望的状态。的状态。114、自动动控制系统统的分类类几种种分类类方法 按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；比例微分、比例积分微分等控制系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分

6、为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。控制系统。12其中第三其中第三种种分分类类方法最普遍方法最普遍 “定值定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。用定值控制系统。13 给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟

7、随给定值的变化而变化。参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。3.3.程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。歇生产过程中应用比较普通。 自动动控制系统统是具有被控变变量负负反馈馈的闭环闭环系统统。 与与自动检测动检测、自动动操纵纵等开环开环系统统比较较，最本质质的区区别别，就在于自动动控制系统统有负负反馈馈，开环开环系统统中，被控（工艺艺）变变量是不反馈馈到输输入端的。10举

8、例化肥化肥厂厂的造的造气气自自动动机就是典型的机就是典型的开环开环系系统统的例子的例子自动操纵装置对象操纵作用工艺参数操纵指令小结第三节 过渡过程的品质指标 一、控制系统统的静态与动态静态与动态15自自动动控制目的：控制目的：希望希望将将被控被控变变量保持在一量保持在一个个不不变变的的给给定定值值上，上，这这只有只有当进当进入被控入被控对对象的物料象的物料量（或能量）和流出量（或能量）和流出对对象的物料量（或能量）相象的物料量（或能量）相等等时时才有可能。才有可能。 当当一个个自动动控制系统统的输输入（给给定和干扰扰）和输输出均恒定不变时变时，整个个系统统就处处于一种种相对稳对稳定的平衡状态状

9、态，系统统的各个组个组成环节环节如变变送器、控制器、控制阀阀都不改变变其原先的状态状态，它们它们的输输出信号号也都处处于相对静对静止状态状态，这种这种状态状态就是静态静态。 16静态静态被控被控变变量不量不随时间随时间而而变变化的平化的平衡衡状态状态（变变化率化率为为0 0，不是，不是静静止）。止）。17动态动态被控被控变变量量随时间变随时间变化的不平衡化的不平衡状态状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统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

10、态。和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是在自动化工作中，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，这就需要通过自动化装置不断观存在的，是不可避免的，这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。控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。系统统由一个个平衡状态过状态过渡到另一个个平衡状态状态的过过程。

11、 18当干扰作用于对象，系统输出当干扰作用于对象，系统输出y y发生发生变化，在系统负反馈作用下，经过一变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。段时间，系统重新恢复平衡。举例图图1-7 1-7 控制系控制系统统方方块图块图二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程 系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被系统在过渡过程中，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。干扰形式。 在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半在生产中，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

12、制系统时，为了安属于随机性质。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。的是阶跃干扰。 19采用采用阶跃阶跃干干扰扰的的优优点：点： 这种形式的干扰比较突然、这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计实现，便于分析、实验和计算

13、。算。图图1-8 1-8 阶跃阶跃干干扰扰作用作用20自动动控制系统统在阶跃阶跃干扰扰作用下过过渡过过程的四种种形式21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X对于控制质量要对于控制质量要求不高的场合，求不高的场合，如果被控变量允如果被控变量允许在工艺许可的许在工艺许可的范围内振荡（主范围内振荡（主要指在位式控制要指在位式控制时），才可采用时），才可采用。 三、自动动控制系统统的过过渡过过程和品质质指标标 控制系统统的品质质指标标（针对针对定值值系统统）最大偏差最大偏差超调量超调量衰减比衰减比振荡周期振荡周期余差余差23五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一1. 1. 最大偏差

14、或超最大偏差或超调调量量 最大偏差最大偏差是指在是指在过过渡渡过过程中，被控程中，被控变变量偏离量偏离给给定定值值的的最大最大数值数值。在衰。在衰减减振振荡过荡过程中，最大偏差就是第一程中，最大偏差就是第一个个波的波的峰峰值值。特。特别别是是对对于一些有于一些有约约束束条条件的系件的系统统，如化，如化学学反反应应器器的化合物爆炸的化合物爆炸极极限、限、触触媒媒烧结温烧结温度度极极限等，都限等，都会对会对最大偏最大偏差的允差的允许值许值有所限制。有所限制。 超超调调量也可以用量也可以用来来表征被控表征被控变变量偏离量偏离给给定定值值的程度。的程度。2. 衰减减比 衰减比衰减比是衰减程度的指标，它

15、是前后相邻是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为两个峰值的比。习惯表示为 n n:1:1，一般，一般 n n 取为取为4 41010之间为宜。之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二243. 余差 当过当过渡过过程终终了时时，被控变变量所达达到的新的稳态值稳态值与给与给定值值之间间的偏差叫做余差，或者说说余差就是过过渡过过程终终了时时的残残余偏差。有余差的控制过过程称为称为有差调节调节，相应应的系统称为统称为有差系统统。反之就为为无差调节调节和无差系统统。 25五种重要品质指标之三五种重要品质指标之三4. 过过渡时间时间 从从干扰扰作用发发生的时时刻起，直到系统统重新

16、建立新的平衡时时止，过过渡过过程所经历经历的时间时间叫过过渡时间时间。一般在稳态值稳态值的上下规规定一个个小范围围，当当被控变变量进进入该该范围并围并不再越出时时，就认为认为被控变变量已经达经达到新的稳稳态值态值，或者说过说过渡过过程已经结经结束这个这个范围围一般定为稳为稳态值态值的（也有的规规定为为）。 26五种重要品质指标之四五种重要品质指标之四 5. 5.震荡荡周期或频频率 过过渡过过程同向两两波峰（或波谷）之间间的间间隔时间时间叫振荡荡周期或工作周期，其倒数称为数称为振荡频荡频率。在衰减减比相同的情况况下，周期与过与过渡时间时间成正比，一般希望振荡荡周期短一些为为好。27五种重要品质指

17、标之五五种重要品质指标之五28某某换热换热器的器的温温度控制系度控制系统统在在单单位位阶跃阶跃干干扰扰作作用下的用下的过过渡渡过过程曲程曲线线如下如下图图所示。所示。试试分分别别求求出最大偏差、余差、衰出最大偏差、余差、衰减减比、振比、振荡荡周期和周期和过过渡渡时间时间（给给定定值为值为200200）。）。举例图1-11 温度控制系统过渡过程曲线解解 最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值BB210210205

18、20555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）29 分析 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的关，假定被控变量进入额定值的2 2，就可以，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200200（2 2）44，这时，可在新稳态值（，这时，可在新稳态值（205205）两侧以宽度为）两侧以宽度为画一区域，上图中以画一区域，上图中以画有阴影

19、线的区域表示，只要被控变量进入这画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22m22minin。30四、影响响控制系统过统过渡过过程品质质的主要因素31 一个自动控制系统可以概括成两大部分，一个自动控制系统可以概括成两大部分，即即工艺过程部分（被控对象）工艺过程部分（被控对象）和和自动化装置部分自动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包实现自动

20、控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 对对于一个个自动动控制系统统，过过渡过过程品质质的好坏，在很大程度上决决定于对对象的性质质。例如在前所述的温温度控制系统统中，属属于对对象性质质的主要因素有：换热换热器的负负荷大小，换热换热器的结构结构、尺寸、材质质等，换热换热器内内的换热换热情况况、散热热情况况及结结垢程度等。不同自动动化系统统要具体分析。32第一节节 识图识图基础础 控制流程图控制流程图 所谓带谓带控制点的工艺艺流程图图指在工艺艺物料流程图图的基础础上，用过过程检测检测和控制系统统的设计设计符号号，描述生产

21、过产过程控制内内容的图纸图纸，简称简称控制流程图图。 一、图图形符号号 1连连接线线 通用的仪仪表信号线号线均以细实线细实线表示。在需要区区分时时，电电信号号可用虚线虚线表示；气气信号号用在实线实线上打双双斜线线表示。 电信号电信号气信号气信号 2仪仪表的图图形符号号仪仪表的图图形符号号是一个细实线圆个细实线圆圈，根据仪仪表的安装位置不同，其图图形符号号有所区别区别。 PI-101二、字母代号号1被测变测变量和仪仪表功能的字母代号号 （1）同一字母在不同的位置有不同的含义义或作用，处处于首位时时表示被测变测变量或初始变变量；处处于次位时时作为为首位的修饰饰，一般用小写写字母表示；处处于后继继位

22、时时代表仪仪表的功能。因此不能脱脱离字母所处处的位置来说来说某个个字母的含义义。温差记录控制系统温差记录控制系统 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

23、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（2）当当“A”作为为第一位字母表示“分析”变变量时时，一般在图图形符号号外标标有分析的具体内内容。 （3）后继继字母的确切含义义，根据实际实际需要，可以有不同的解释释。例如：“R”可以解释为释为“记录记录仪仪”、“记录记录”或“记录记录用”；“T”可以解释为释为“变变送器”、“传传送”或“传传送的”等。 （4）后继继字母“G”表示功能“玻璃”时时，指过过程检测检测中直接观观察而无标标度的仪仪表（如：玻璃板液面计计）；后继继字母“L”:表示单独设单独设置的指示灯，用于显显示正常的工

24、作状态状态，例如，显显示液位高度的指示灯用“LL”表示；后继继字母“K”:表示设设置在控制回路内内的自动动-手动动操作器，例如，“FK”表示流量控制回路的自动动-手动动操作器，它区别它区别于第一位字母代号号“H”手动动和“HC”手动动控制。（5）字母“H”、“M”、“L”可表示被测变测变量的“高”、“中”、“低”值值，一般标标注在仪仪表圆圆圈外；“H”、“L”还还可以表示阀门阀门或其它它通、断设备断设备的开关开关位置，“H”表示阀阀在全开开或接近全开开位置；“L”表示阀阀在全关关或接近全关关位置。（6）字母U表示“多变变量”时时，可代替两个两个以上的变变量。当当表示“多功能”时时，则则代替两个

25、两个以上功能字母的组组合。（7）字母X代表未分类变类变量或未分类类功能，使用中一般另有注明。（8）“供选选用”的字母，是指在个别设计个别设计中反复复使用，而表中未列出其含义义的字母。使用时时字母含义义需在具体工程的设计图设计图例中作出规规定。三、仪仪表位号号及编号编号1在检测检测、控制系统统中，构构成一个个回路的每台仪仪表（或元件）都应应有自己的位号号。仪仪表位号号由字母代号组号组合和阿拉伯数数字编号组编号组成。其中字母代号组号组合写写在圆圆圈的上半部；数数字编号写编号写在圆圆圈的下半部，一般是由三位或四位数数字组组成，其中第一位表示工段号号，后续数续数字表示仪仪表的序号号。 三、仪仪表位号号及编号编号2表示仪仪表功能的后继继字母按IRCTQSA（指示、记录记录、控制、传传送、积积算、开关开关或联锁联锁、报报警）的顺顺序