化工仪表及自动化课件：第1章 自动控制系统的基本概念

1、化工仪表及自动化课程简介课程简介一. 课程内容化工自动化分为两大部分过程检测与控制仪表测量仪表、控制仪表、执行器的工作原理和作用 过程控制控制系统的组成、控制规律以及设计方法共48学时 课程简介二. 教材与参考书 教材化工仪表及自动化第3/4版，厉玉鸣主编，化学工业出版社成绩平时成绩（考勤+作业）30% + 期末成绩70%绪论化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工生产过程自动化的简称在化工设备上，配备自动化仪表装置，显示、记录和控制生产过程中的重要工艺参数，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动进行这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化绪论(a)手动控制(b)自

2、动控制第一章自动控制系统基本概念本章目录1 化工自动化的主要内容2 自动控制系统的基本组成及方块图3 自动控制系统的分类4 自动控制系统的过渡过程和品质指标5 工艺管道及控制流程图第一节 化工自动化主要内容1. 自动检测系统利用检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录第一节 化工自动化主要内容2. 自动信号和联锁保护系统报警：当工艺参数超过允许范围，在事故即将发生以前，信号系统自动发出声光信号联锁：当工况达到危险状态，采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车第一节 化工自动化主要内容3. 自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：按照预先规定的步骤自动对生产设备进行周期性的操作自动

3、开停车系统：按照预先规定的步骤，将生产过程自动投入运行或自动停车第一节 化工自动化主要内容4. 自动控制系统当生产过程中的工艺条件受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，采用自动化装置对生产中的某些关键性参数采取自动控制，使其回到正常的工作状态第一节 化工自动化主要内容自动检测系统完成了解生产过程进行情况的任务自动信号和联锁保护系统在工艺条件进入某种极限状态，采取安全措施，避免事故发生自动操纵系统按照预先规定好的步骤进行某种周期性操纵自动控制系统自动排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使其始终保持在预先规定的数值，保证生产维持在正常工艺状态第二节 自动控制系统的基本组成及方块图1. 人工控制系统液体

4、贮槽的液位控制控制要求防止溢出或抽空控制手段出口阀门开度被控变量 液位高度第二节 自动控制系统的基本组成及方块图人工操作员的工作检测 眼睛运算(思考)、命令 大脑执行 手第二节 自动控制系统的基本组成及方块图2. 自动控制系统测量元件与变送器眼控制器（调节器）脑执行器（控制阀）手第二节 自动控制系统的基本组成及方块图被控对象 简称对象或过程需要控制其工艺参数的生产设备或机器各种塔器、反应器、换热器、泵和压缩机、各种容器贮槽 被控参数按照生产过程要求，某些变量应该维持在稳定的变化范围内，如果对其施加控制作用，就称其为被控参数温度、压力、流量、液位、成分第二节 自动控制系统的基本组成及方块图3.

5、自动控制系统的方块图研究自动控制系统时，为了清楚地表示出系统各个组成环节之间的相互影响和信号联系，便于对系统分析研究，一般用方块图来表示控制系统的组成第二节 自动控制系统的基本组成及方块图对 象被控变量y测量元件变送器f扰动作用控制阀操纵变量q控制器控制器输出p测量值zx给定值偏差第二节 自动控制系统的基本组成及方块图每个方块表示组成系统的一个部分，称为“环节”方块之间用带有箭头的线条表示信号的相互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线旁的字母表示相互间的作用信号 对 象被控变量y测量元件变送器f扰动作用控制阀操纵变量q控制器控制器输出p测量值zx给定值偏差第二

6、节 自动控制系统的基本组成及方块图对 象被控变量y测量元件变送器f扰动作用控制阀操纵变量q控制器控制器输出p测量值zx给定值偏差第二节 自动控制系统的基本组成及方块图信号流向与物料流向方块图的连接线只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系对 象被控变量y测量元件变送器f扰动作用控制阀操纵变量q控制器控制器输出p测量值zx给定值偏差第二节 自动控制系统的基本组成及方块图反馈：自动控制系统是一个闭环系统各个组成部分在信号传递关系上形成一个闭合环路，任何一个信号，只要沿着箭头方向前进，通过若干个环节后，最终又会回到原来的起点对 象被控变量y测量元件变送器f扰动作用控制阀操纵变量q控制器

7、控制器输出p测量值zx给定值偏差第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统具有被控变量负反馈的闭环系统开环系统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对 象工艺参数自动操纵装置操纵作用操纵指令第三节 自动控制系统的分类按照被控变量的给定值的变化方式来分类 定值控制系统在运行时，系统被控变量的给定值是不变的随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随时间任意变化，且这种变化不是预先规定的程序控制系统（顺序控制系统）给定值按预定时间程序变化，是一个已知的时间函数第三节 自动控制系统的分类1.定值控制系统（恒值控制系统）在运行时，要求被控变量

8、的给定值是不变的化工生产中要求的大都是这种类型的控制系统 第三节 自动控制系统的分类2. 随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随时间任意变化，且这种变化不是预先规定的1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机雷达4-导弹发射架第三节 自动控制系统的分类3. 程序控制系统（顺序控制系统）给定值按预定时间程序变化，是一个已知的时间函数在间歇生产过程中应用比较普遍 第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标一. 控制系统的静态和动态静态：把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态动态：把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态 第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标1. 静态当一个自动控制系统的

9、输入(给定和干扰)和 输出均恒定不变时，整个系统处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是上述的静态静态与静止第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标静态（平衡状态）流入被控对象的物料量（或能量）= 流出被控对象的物料量（或能量）第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标2. 动态假若系统原先处于平衡状态，由于干扰作用破坏了这种平衡时，输出就会发生变化，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和信号都处于变动状态中，所以这种状态叫做动态第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标二. 控制系统的过渡过程定义：系统经过动态过程由一个平

10、衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标阶跃干扰在某一瞬间t0，干扰(输入量)突然地阶跃式加到系统上，并继续保持在这个幅度输入量时间t0t0第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标1. 非周期衰减过程被控变量在给定值某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上ty第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标2. 衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上ty第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标3

11、. 等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，波动幅度保持不变ty第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标4. 发散振荡过程被控变量来回波动，波动幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远ty第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标三. 控制系统的品质指标以衰减振荡的过渡过程来讨论控制系统的品质指标第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标控制系统的品质指标最大偏差或超调量衰减比余差过渡时间振荡周期或频率第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标1. 最大偏差或超调量最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离给定值的最大数值超调量是第一个峰值A与新稳定值C之差第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标2. 衰减比衰减程度的指

12、标，前后相邻两个峰值的比 B/B一般取衰减比在4: 1到10: 1之间第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标3. 余差过渡过程终了时，被控变量的新稳态值与给定值之间的偏差第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标4. 过渡时间过渡时间是从干扰开始作用起，直至被控变量进入新稳态值的土5%(土2%)的范围内，不再越出为止所经历的时间第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标5. 振荡周期或频率过渡过程同向两波峰(波谷)之间的间隔时间叫振荡周期，其倒数称为振荡频率第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标例：某换热器温度控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线，求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值

13、200 ）第五节 工艺管道及控制流程图工艺流程确定后，确定控制方案的内容流程中各测量点的选择控制系统的设计自动信号与联锁保护系统的设计控制方案确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统，构成工艺管道及控制流程图第五节 工艺管道及控制流程图第三节 工艺管道及控制流程图一. 图形符号1. 测量点由工艺设备轮廓线或工艺管线到仪表圆圈的连接线的起点第三节 工艺管道及控制流程图一. 图形符号2. 连接线通用的仪表信号线均以细实线表示3. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号第三节 工艺管道及控制流程图一. 图形符号序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表4集中仪表盘后安装仪表嵌在管道