化工自动化及仪表第一章ppt课件

1、化工自动化及仪表华东理工大学信息学院自动化系.学习这门课的必要性：1、自动控制系统运用非常普遍 用在国民生活的各个方面，化工领域的运用更加普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱消费过程、涤纶短纤维消费过程、制浆、造纸过程、制药等等。2、工艺人员应该掌握一定的控制系统的知识 才干设计合理的工艺，充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性，便于运用与维护。.早期运用模拟仪表的中央控制室.早期的DCS控制系统.如今的DCS控制系统.该课程的内容1、自动控制系统概述2、过程特性3、检测变送4、显示仪表5、执行器6、控制器7、自动控制系统的设计8、复杂控制系统9、计算机控制系统.1 自动控制系统概述本章的主要

2、内容：1.1 自动化及仪表开展概述1.2 自动控制系统1.3 控制系统过渡过程及质量目的.1.1 自动化及仪表开展概述控制实际的开展经典控制实际:20世纪40年代20世纪50年代Nyquist(1932)频域分析技术Bode(1945)图根轨迹分析方法(1948)特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研讨问题。.适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。以传送函数为根底，在频率域对单输入单输出控制系统进展分析与设计PID控制规律是古典控制实际最辉煌的成果之一.现代控制实际:20世纪60年代获得迅猛开展其主要内容为： 根底线性系统实际，最优控制理 论，最正确估计实际，系统辨识等。特点： 从输

3、入-形状-输出的关系全面地分析 与研讨系统。适用范围： 不限于线性定常系统，也适用于线 形时变，非线性及离散系统，多输 入、多输出的情况。.大系统实际:20世纪70年代开场将现代控制实际与系统实际相结合智能控制实际:不需求建立被控对象的数学模型中心思想： 系统的分解与协调适用范围： 高维线性系统.控制系统构造及仪表的开展控制系统构造的开展基地式：20世纪50年代，适用于单回路就地式液位控制器及自力式温度控制器单元组合式按功能划分，然后组合： 有DDZ, QDZ，20世纪60年代，仪表之间用规范一致信号联络计算机：DDC,20世纪70年代 DCS集散控制系统先进控制和优化控制：CIPS、FCS，

4、20世纪80年代以后. 自动化仪表的开展模拟仪表数字仪表智能仪表.当前自动控制系统开展的一些主要特点过程优化遭到普遍关注传统的DCS在走向国际一致规范的开放式系统综合自动化系统CIPS是开展方向.1.2 自动控制系统 1.2.1自动控制系统 自动控制的必要性蒸汽汽包省煤器给水图1-1 锅炉汽包表示图锅炉设备的控制义务主要是：根据消费负荷的需求，供应一定规格压力、温度的蒸汽，同时使锅炉在平安、经济的条件下运转。锅炉设备的主要控制系统有：1锅炉汽包水位的控制3过热蒸汽系统的控制2锅炉熄灭的控制.汽包水位是锅炉运转的主要目的，维持水位在一定范围内是锅炉平安运转的首要条件。蒸汽汽包省煤器给水图1-1

5、锅炉汽包表示图水位过高：影响汽包内的汽水分别，饱和水蒸汽带水过多，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，作为汽轮机动力的话会损坏叶片，影响运转的平安及经济性。.蒸汽汽包省煤器给水图1-1 锅炉汽包表示图水位过低：汽包内水较少，负荷很大时，水的汽化速度加快，汽包内水量急速减少，如不能及时得到控制，那么会烧干，烧坏水冷壁，甚至爆炸。.手动控制的步骤：蒸汽汽包省煤器给水图1-1 锅炉汽包表示图(2)把察看到的实践数值与设定值加以比较，根据偏向的大小及变化情况做出判别，并发布命令。(3)根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。(1)察看液位数值；.蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包液位自动控制

6、系统表示图锅炉汽包液位自动控制系统LT：Level TransmitterLC：Level Controller.加热炉温度自动控制系统TT：Temperature TransmitterTC：Temperature Controller管式加热炉较为常见，温度的高低直接影响产质量量，温度过高物料在加热炉中会分解，甚至会结焦，会烧坏炉管.蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图术语过程被控对象：自动控制系统中，工艺参数要满足要求需求控制的消费过程、设备或机器。过程：锅炉汽包被控变量：被控过程内要求坚持设定值的工艺参数被控变量：汽包液位.支配变量：受控制器支配的用以抑制干扰的影响，使被控变

7、量坚持设定值的物料量或能量扰动：除支配变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的要素支配变量：进水流量蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图扰动：进水压力、蒸汽流量.设定值：工艺参数所要求坚持的数值偏向：被控变量实践值与设定值之差负反响：将被控变量送回输入端并与输入变量相减蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图.加热炉温度控制系统过程：被控变量：支配变量：扰动：加热炉物料出口温度燃料油流量被加热原料油温度、燃料油热值等.闭环控制： 在反响控制系统中，被控变量的值被送回输入端，与设定值进展比较，根据偏向去控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。1.2.2闭环控制与开环控制 蒸

8、汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图.闭环控制的特点优点：按偏向进展控制，使偏向减小或消除，到达被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺陷：控制不够及时；假设系统内部各环节配合不当，系统会引起猛烈震荡，甚至会使系统失去控制。蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图.开环控制的特点优点：不需求对被控变量进展丈量，只根据输入信号进展控制，控制很及时。开环控制：根据扰动信号的变化来进展控制。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器给水开环的液位控制系统又称前馈控制。. 由于不丈量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统遭到其他扰动作用后，被控变量偏离设定值，无法消除偏向，这是开环控

9、制的缺陷。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器给水开环控制的缺陷：.开环控制与闭环控制实例比较1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器给水蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图闭环控制开环控制.1.2.3自动控制系统的组成及方框图 在研讨自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节之间的关系，也可采用方框图方块图。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络；进入方框的信号为环节输入，分开方框的为环节输出。闭环控制系统组成.检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为丈量值y(t)。比较机构的作用是比较设定值r(t)与丈量值y(t)并输出其差值

10、。闭环控制系统组成.控制安装的作用是根据偏向的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制造用u(t)。比较机构和控制安装通常组合在一同，称为控制器。执行器的作用是接纳控制器送来的u(t)，相应地去改动支配变量q(t)。. 通常将过程、执行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。 .闭环控制系统组成几个重要概念：1信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等既是实践的物理量，又作为信息来转换和作用。前一环节的输出是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。.从整个系统来看，输入信号： 设定值和扰动 输出信号： 被控变量或丈量值闭环控制系统组成.2闭环

11、：按信息的流向来说3动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制造用又使它回到设定值。 闭环控制系统组成.1.2.4 自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统 设定值坚持不变为一恒定值的反响控制系统称为定值控制系统。 .1.2.4 自动控制系统的分类随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出被控变量随之而变化。 程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个知的时间函数，即根据需求按一定时间程序变化。 .例题： 以下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要求画出以热物料的出口

12、温度为被控变量，蒸汽流量为支配变量的控制系统带检测控制点的工艺流程图，指明该控制系统中的被控变量、支配变量、过程以及主要扰动，画出控制方案的方块图。蒸汽加热器.解：蒸汽加热器控制系统带检测控制点的工艺流程图如下：.蒸汽加热器控制系统的方块图如下：.1.3自动控制系统的过渡过程及质量目的蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图1.3.1静态与动态控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态定态：当输入恒定不变时，整个系统假设能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止形状。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。环节的静态特性.动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的

13、关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入变化开场，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种形状称为动态。蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图环节的动态特性.1.3.2自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量即输出随时间不断变化，它随时间变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡形状(静态)过渡到另一个平衡形状静态的过程。蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统表示图.1.3.2自动控制系统的过渡过程 一切正常任务的反响系统都是稳定系统,对于一个稳定的系统,要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入

14、时的被控变量的过渡过程为例，由于阶跃作用很典型，实践上也经常遇到，其他类型的干扰都是阶跃信号的变种。.定值控制系统过渡过程的方式(阶跃扰动) 发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减稳定的过渡过程最常用.单项控制目的仅适用于衰减振荡过程稳定性、准确性和快速性1.3.3 自动控制系统的质量目的综合控制目的.最大动态偏向或超调量是描画被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态目的。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏向是指被控变量第一个振荡波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏向就是第一个波的峰值。为A 1最大动态偏向emax或超调量 稳态特性CtyBBA0y()R(0

15、). 最大偏向表示系统的被控变量瞬间偏离给定值的最大程度。假设偏向越大，偏离的时间越长，对稳定正常消费越不利。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反响器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏向的允许值有所限制。.同时思索到干扰的延续出现，即当第一个干扰还未去除时，第二个干扰能够又出现了，偏向有能够是叠加的，所以在决议最大偏向的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。.在设定作用下的控制系统随动控制系统中，通常采用超调量这个目的来表示被控变量偏离设定值的程度。A超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即B=A-C,假设系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏向就等于超调量。普通超

16、调量以百分数给出。ytBBC0.衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态目的。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 2衰减比n衰减比n稳态特性CtyBBA0y().衰减比n n1:衰减振荡。n越大，那么控制系统的稳定度越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。CtyBBA0n=1:等幅振荡。n1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越猛烈，稳定度也越低，.根据实践操作阅历，为坚持足够的稳定裕度，普通希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。衰减率：衰减比4:1衰减率0.75衰减比10:1衰减率0.90CtyBBA0稳态特性.3余差定义：控

17、制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。 余差是反映控制准确性的一个重要稳态目的，实际上希望其为零，实践上不超越预定的范围即可。.上图中， 在控制系统中，对余差的要求取决于消费过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反响器的温度控制要求高，余差就要小一些。稳态特性CtyBBA0y().4回复时间过渡时间回复时间表示控制系统过渡过程的长短。稳态特性CtyBBA0y()定义：控制系统在遭到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值到达新的稳态值所需求的时间。实际上讲，控制系统要完全到达新的平衡形状需求无限长的时间。.实践上，被控变量接近于新稳态值的某一范围 内且不再越出时为止所

18、阅历的时间，可计为过渡时间。普通希望过渡时间长or短？ytBB2%A0Ts短一些！.5振荡频率或振荡周期在衰减比一样条件下，振荡周期与回复时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或任务周期。其倒数称为振荡频率。.其它一些次要目的：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。“理想过渡过程两个波：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。上升时间：是指干扰开场作用起到第一个波峰所需求的时间。稳态特性CtyBBA0y().小结：主要目的有：最大偏向、衰减比、余差、过渡时间。在实践的系统中如何确定这些目的，要根据实践情况来定。原那么：对消费过程有决议性意义的主要质量目的应该优先保证。.例题：某换热器的温度调理系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如以下图所示。试分别求出最大偏向、衰减比、余差、过