HG第一章自动控制系统基本概念-位图

1、1仪表与自动化控制2教材和主要参考书目化工仪表及自动化（第三版化工仪表及自动化（第三版,第四版）第四版）厉玉鸣厉玉鸣 主编，化学工业出版社。主编，化学工业出版社。化工仪表及自动化习题集化工仪表及自动化习题集厉玉鸣厉玉鸣 主编，化学工业出版社。主编，化学工业出版社。过程检测技术及仪表过程检测技术及仪表 杜维主编，化学工业出版社。杜维主编，化学工业出版社。自动检测技术及仪表控制系统自动检测技术及仪表控制系统 张毅主编，化学工业出版社。张毅主编，化学工业出版社。34v生产过程自动化生产过程自动化：在化工化工、炼油炼油、食品食品、轻工轻工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接手

2、工劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行，称为“生产过程自动化生产过程自动化”。所谓化工自动化v自动化技术自动化技术的的重要性重要性5v 生产过程生产过程自动化自动化的的目的目的：加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量；降低劳动强度，改善劳动条件；确保生产安全。改善劳动条件6本课程本课程主要内容主要内容基本概念基本概念 控制系统控制系统 控制对象的数学模型控制对象的数学模型仪器仪表仪器仪表 检检 测测 显显 示示 调调 节节 执执 行行自动控制系统自动控制系统（简单系统、复杂系统）（简单系统、复杂系统）计算机等新型控制系统计算机等新型控制系统7生产过程自动化技术生产过程自动化技术的的发

3、展历程发展历程简介简介 利用自动检测仪表自动检测仪表监视生产，根据仪表指示和经验，手工操作控制生产过程。(20世纪40年代以前) 生产过程自动控制系统自动控制系统的的产生，实现温度、压力、流量、物位等参数的简单控制；同时串级、比值、等复杂控制系统也得到了一定程度的发展。 (20世纪50至60年代) 计算机技术、网络技术和控制理论的发展推动了常规仪表的不断变革，各种新型测控系统新型测控系统相继出现。(20世纪70年代以来) 现代自动化技术发展为综合自动化综合自动化，控制与管理控制与管理一体化一体化，是信息技术、自动化技术和管理科学相结合的现代高新技术。(近10年来) 现场总线控制系统8第一章第一

4、章 自动控制系统自动控制系统基本概念基本概念1.1 工业自动化的主要内容工业自动化的主要内容1.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成1.3 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图1.4 自动控制系统方块图自动控制系统方块图1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.6 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 本章小结91.1 工业自动化的主要内容工业自动化的主要内容q主要有主要有：自动检测；自动报警与联锁保护；自动操纵和自动启停；自动控制。自动检测：利用各种检测仪表对生产过程主要工艺参数(温度、压力、流量、物位等)进行测量、指示或记录。测温元件热液蒸汽流量计

5、压力表冷液冷液冷凝水温度计换热器重要换热器重要参数的自动参数的自动检测示意图。检测示意图。10生产过程自动化生产过程自动化的的主要内容主要内容2-3-4自动报警与联锁保护自动报警与联锁保护：对生产过程中某些关键性的工艺参数设置自动报警、联锁保护装置，当参数超出设定范围时，系统自动发出声光信号，工况达到危险状态时联锁保护系统立即自动采取紧急措施。自动操纵和自动启停自动操纵和自动启停：按照预先规定的步骤自动对生产设备进行某种周期性操作；自动投入运行或停车。自动控制自动控制：对影响产品产量、质量或安全生产的一些关键工艺参数进行自动控制，当其受到外界扰动的影响偏离正常状况时，系统能自动调节使工艺参数值

6、回到规定的范围之内，克服干扰影响。11Q0hQ11.2 自动控制系统的自动控制系统的组成组成q自动控制是由人工手动控制发展而来，q下面以水槽液位控制为例来比较自动控制和手工控制，从而分析和了解自动控制系统的基本组成。12水槽水槽液位控制液位控制手工控制手工控制眼看眼看脑想脑想手动手动。检测检测、运算运算和和执行执行手工完成测量测量、求偏差求偏差和操纵阀门纠正偏差操纵阀门纠正偏差的全过程。可用一套自动化装置代替人眼、脑、手的作用，完成水槽中液位高低的自动控制任务。自动控制自动控制Q0hQ1设定值变送器控制器Q0hQ113设定值变送器控制器Q0hQ1自动控制系统的自动控制系统的组成部分组成部分自动

7、控制自动控制 测量元件与变送器测量元件与变送器：测量液位并将其高度转化为统一标准信号； 电信号: 420mADC; 010mADC等 气压信号: 20100KPa。 自动控制器自动控制器：计算变送器输出信号与液位设定值之间偏差，按某种运算规律进行计算并输出统一信号； 被控对象被控对象：水槽 需要控制其工艺参数的生产设备或机器，需要控制其工艺参数的生产设备或机器，简称简称对象对象。自动化装置自动化装置 执行器执行器：自动根据控制器的输出改变阀门开度。14第三节第三节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图概念：概念：工艺流程及自动控制方案确定后，在工艺设计给出的流程图上，按其流程顺序标注出相应

8、的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，从而构成工艺管道及控制流程图。工艺管道及控制流程图主要由图形符号、字母代号和仪表位号组成，下面以脱乙烷塔工艺管道及控制流程图为例来作一简要介绍。15脱乙烷塔工艺管道及控制流程图工艺介绍、图形符号工艺介绍、图形符号字母代号、仪表位号字母代号、仪表位号1、工艺介绍、工艺介绍q从脱甲烷塔出来的釜液进入脱乙烷塔脱除乙烷。q从脱乙烷塔塔顶出来的碳二馏分经塔顶冷凝器冷凝后，部分作为回流，其余去乙炔加氢反应器进行加氢反应。q从脱乙烷塔底出来的釜液部分经再沸器后返回塔底，其余去脱丙烷塔脱除丙烷。脱乙烷塔加热蒸汽脱甲烷塔来的原料FR212TRC210PI20

9、6LICA202再沸器至脱丙烷塔PIC207回流罐LIC201气相采出HL冷凝器162、图形符号图形符号p测量点测量点：包括检测元件、取样点，是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点。检测元件可用象形或图形符号表示。p连接线连接线：以细实线表示，加箭头表示信号方向，可交叉或相接。p仪表图形符号仪表图形符号：细实线圆圈，用字母表示检测、显示、控制等功能，并表示出所在的安装位置。PIC207例如：17字母代号、 仪表位号控制流程图中仪表图形符控制流程图中仪表图形符号号圆圈的上半圆内，一般圆圈的上半圆内，一般写有两位或以上字母，写有两位或以上字母，第第一位字母一位字母表示表示被测变量被

10、测变量，后继字母后继字母表示表示仪表功能仪表功能。p首位字母：首位字母：FF流量流量；LL物位物位；PP压力压力；TT温度温度。等。等p后继字母：后继字母：AA报警报警；CC控制控制；II指示指示；RR记录或打印记录或打印；TT传送传送。等。等v在检测和控制系统中，每台仪表都有自己的仪表位号位号，是由，是由字母代号字母代号和和数数字编号字编号两部分组成。两部分组成。p数字编号数字编号写在仪表图形符号圆圈的下半圆内下半圆内，首位数字表示工段号工段号，后续数字表示仪表序号仪表序号。PIC207具有指示功能的压力控制器。工段号：2；仪表序号：7；18控制流程图仪表安装位置符号意义序号序号安装位置安装

11、位置图形符号图形符号备注备注序号序号安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注1就地安装仪表4集中仪表盘后安装仪表嵌在管道中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19控制流程图字母意义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修饰词功能被测变量修饰词功能A分析报警报警P压力压力C电导率控制控制Q数量积分累积D密度差R放射性记录记录E电压S速度安全开关F流量流量比T温度传送传送I电流指示指示V粘度阀K时间W力L物位物位YM水分Z位置执行机构20符号意义符号意义例子例子脱乙烷塔加热蒸汽脱甲烷塔来的原料FR212TRC210PI206LICA202再沸器至脱丙烷塔

12、PIC207回流罐LIC201气相采出HL冷凝器PIC207LICA202HLTRC210PI206具有指示功能的压力控制器。具有指示、高低限报警功能的液位控制器。具有记录功能的温度控制器。就地安装的压力指示仪。工段号：2；仪表序号：6；集中仪表盘面安装。21第四节第四节 自动控制系统方块图自动控制系统方块图p为清楚表示出自动控制系统各组成环节之间的相互影响和信号联系，可用方块图来表示控制系统的组成。每个方块表示组成系统的一个部分，称为环节。两个方块之间用带箭头的线条表示信号的输入、输出关系 ( (并不表示物料联系) )。 线旁的字母表示相互间的作用信号。以以蒸汽加热器自动控制蒸汽加热器自动控

13、制系统系统为例为例来说明系统各环节功能。进料T TTC出料蒸汽设定值冷凝水22蒸汽加热器自动控制系统方块图进料T TTC出料蒸汽设定值冷凝水被控对象(对象)：蒸汽加热器；执行器测量元件变送器- -偏差ez测量值给定值x控制器控制器输出p操纵变量q被控变量yf干扰作用被控变量：出料温度；操纵变量：蒸汽流量；干扰作用：如进料流量、温度变化或蒸汽压力变化等。操纵介质：蒸汽；对象23反馈与负反馈p自动控制系统是具有自动控制系统是具有被控变量被控变量负反馈负反馈的的闭环闭环系统。系统。p反馈：系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端。在反馈信号z旁有一个负号“-”，而在设定值x旁有一个

14、正号“+” (可省略)，所得偏差 e=x-z。反馈信号 z 取负值，所以叫负反馈，负反馈能使原来信号减弱负反馈能使原来信号减弱。反馈信号取正值使原来信号加强，就叫做正反馈正反馈。p为什么在自动控制系统中一般采用负反馈为什么在自动控制系统中一般采用负反馈？p闭环系统的优点：有负反馈。闭环系统可以随时了解被控对象的情况，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，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。24第五节 自动控制系统的分类l按被调参数分类：流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等；l按调节规律分类：比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调节；l按信号

15、种类分类：气动调节系统，电动调节系统。分类分类方法有多种方法有多种！25自动控制系统按被控变量的设定值分类自动控制系统按被控变量的设定值形式不同分为三大类：定值定值控制系统：设定值恒定。大多数自动控制系统采用。随动随动控制系统：设定值不断随机变化，被控变量准确而快速跟随设定值的变化而变化。导航雷达系统、天线接收系统、比值控制系统等。程序程序控制系统：设定值是一个已知的时间函数，按生产工艺要求规律变化，控制系统按设定程序自动进行。26随动控制系统举例以一定的精度跟随设定值的变化而变化。自动平衡电位差计的方框图 放大器被测电压可逆电机指示记录仪滑线电阻Euput27第六节第六节 系统过渡过程系统过

16、渡过程、品质指标品质指标p控制系统的静态与动态；研究自动控制系统的重点。l系统的静态是指被控量不随时间而变化的平衡状态；系统的动态是指被控量随时间变化的不平衡状态。l当系统输入(设定和干扰)和输出均恒定不变时，系统处于相对稳定的平衡状态，系统各环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原来状态，系统中各信号变化率为零。l系统处于静态，受干扰作用破坏了这种平衡时，被控变量发生变化，使控制器、控制阀改变原来平衡状态并产生一定控制作用来克服干扰的影响，使系统恢复平衡状态。从干扰发生开始，直到系统重新建立平衡，系统各环节和信号都处于变动状态之中，称为动态。28控制系统的控制系统的静态静态与与动态动态自动控

17、制系统处于静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变。研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。在生产过程中，干扰是客观存在不可避免的，当一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都有干扰作用于控制系统，需要通过自动化装置不断的施加控制作用来消除干扰作用的影响，使被控变量保持在正常的生产状态。所以，一一个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。2930阶跃干扰阶跃干扰系统原先处于平衡状态，受干扰作用，系统进入动态过程。由于自动控制系统负反馈作用，

18、一段时间后系统重新恢复平衡状态。被控量随时间的变化规律首先取决于系统的干扰形式，在分析和设计控制系统时常选用阶跃干扰，在某一瞬间干扰突然的阶跃式的加到系统上，并继续保持幅度。由于阶跃干扰阶跃干扰比较突然、比较危险，对被控量的影响也最大比较突然、比较危险，对被控量的影响也最大，如果一个控制系统能有效的克服阶跃干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定能很好的克服。同时，阶跃干扰形式简单，便于分析、阶跃干扰形式简单，便于分析、实验和计算实验和计算。输入量时间tt0031二、二、控制系统的控制系统的品质指标品质指标在大多数情况下，系统的过渡过程都希望得到衰减振荡过程，取衰减振荡过渡过程形式来讨论控制系统品

19、质指标。0 tyABBC过渡过程品质指标示意图习惯采用下列品质指标来评价控制系统质量：最大偏差或超调量最大偏差或超调量, 衰减比衰减比, 余差余差 ,过渡时间过渡时间, 振荡周期或频率振荡周期或频率321.最大偏差或超调量p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，最大偏差为第一个波的峰值，图中以A表示。超调量是第一峰值A与新稳态值C之差，图中以B表示，即B=A-C。p最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。一般最大偏差小一些为好，若偏离越大，偏离的时间越长，表明被控变量离开正常的工艺指标就越远，不利于生产的正常进行。若干扰比较频繁，第一个干扰还未清除时，第二

20、个干扰可能又出现了，引起偏差产生叠加，因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许值。0 tyABBC332.衰减比p衰减比：前后相邻两个峰值之比，图中以B:B表示，习惯上表示为 n:1的形式。p衰减比表明过渡过程的衰减程度。若衰减比较小(n1)，则过渡过程接近于等幅振荡过程，不稳定；若 n 很大，则又太接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢。pn 一般取4 10之间，是操作人员多年的操作经验总结。衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度较快，被控变量较快达到第一个峰值，然后马上下降，又较快达到一个低峰值，且第二个峰值远远低于第一个峰值。这种现象表明被控变量再振荡数次后很快会稳定下来，防止操作人员误操作使系统处于难以控制的状态。0 tyABBC343.余差p余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与设定值之间的偏差，又叫残余偏差，图中以C表示，偏差的数值可正可负。p一般控制系统被控变量越接近设定值越好，所以余差越小越好。但在实际生产中，也不是要求任何系统的余差都很小，一般余差越小控制系统就越复杂。对余差大小的要求须结合具体系统分析，如贮液槽液位控制系统往往允许液位有较大的变化范围，余差可以大一些；而化学反应器的温度控制要求较高，应尽量消除