测量仪表与自动化3

1、共三十五页第三篇 过程(guchng)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(fz)控制系统16 典型操作单元的控制方案共三十五页第十三章 自动(zdng)控制系统的基本概念13.1自动(zdng)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共三十五页13.1.1 自动(zdng)控制系统的组成 例13-1:液罐液位控制(kngzh) 人工控制： 眼睛：观察当前的液位值；

2、（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；共三十五页13.1.1 自动(zdng)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(yn jing)：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；（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；共三十

3、五页13.1.1 自动(zdng)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(dit)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）共三十五页13.1.1 自动控制系统(kn zh x tn)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(duxing)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

4、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 。共三十五页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(y zhn)形式的方框图可代表不同的控制系统。13.1.2 自动控制系统的表示(biosh)方式 共三十五页13.1.2 自动控制系统的表示(biosh)方式 1.方框图(Bl

5、ock Diagram)举例(j l)：水罐干扰分析： D：进料流量的变化等。共三十五页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) 计算测量与给定的偏差，并对偏差信号按预先设定(sh dn)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(zdng)控制系统的方框图共三十五页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(Contr

6、olled Variable)要求(yoqi)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，一般是执行器控制的物理量1113.1.2 自动控制系统的表示(biosh)方式 共三十五页给定(i dn)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(zdng)控制系统的方框图1. 方框图(Block Diagram)共三十五页1.

7、方框图(Block Diagram)举例1：液罐 被控对象：液罐 被控变量：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(gnro)分析D：进料流量的变化等。13.1.2 自动控制系统的表示(biosh)方式 共三十五页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(yunyu)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

8、动(zdng)控制系统的表示方式 共三十五页13.1.2 自动(zdng)控制系统的表示方式 被控(bi kn)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环节共三十五页2.工艺控制(kngzh)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(kn zh x tn)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液位控制器共三十五页3.管道仪表流程图（

9、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(qy)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(zdng)控制系统的表示方式 共三十五页1

10、3.1.2 自动控制系统(kn zh x tn)的表示方式 3.管道仪表(ybio)流程图（P&ID Piping and Instrument Diagram）举例：共三十五页13.1.3 自动控制系统(kn zh x tn)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(dnd)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

11、作用是系统沿减少或消除偏差的方向运动。共三十五页13.1.3 自动控制系统(kn zh x tn)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(binling)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，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共三十五页13.1.3 自动控制系统(kn zh x tn)的分类1.按给定值的不同情况分为：(2)随动

12、控制系统（Follow-Up Control System）给定值不是固定的，是随时间(shjin)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/副回路共三十五页13.1.3 自动(zdng)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） 给定值也是变化(binhu)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(binhu)。 共三十五页13.1.3 自动控制系统(kn zh x tn)的分类其他分类：2. 按系统(xtng)的复杂程度（控制器的多少）分为

13、：(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上，增加计算环节、控制环节或其他环节，构成复杂控制系统。共三十五页第十三章 自动(zdng)控制系统的基本概念13.1 自动控制系统(kn zh x tn)组成及分类13.2 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共三十五页13.2.1 自动控制系统的

14、过渡(gud)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(hunji)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共三十五页13.2.2 过渡过程(guchng)的形式系统输入采用阶跃干扰(Step Function) 系统过渡(gud)过程分为：（1）振荡过程： 发散振荡/等幅振荡/衰减振荡（

15、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 非周期发散共三十五页一般(ybn)以阶跃干扰作用下，衰减振荡过程为研究依据(快 准 稳)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(kngzh)系统的控制(kngzh)精确度，希望越小越好。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13.2.3 控制系统的品质指标共三十五页2.最大偏差A与超调量 maximum overshoot (衡量相对稳定程度(chngd)指标)对定值系统衰减振荡过程，最大偏差为第一个波的峰

16、值随动控制系统，经常采用超调量A或是衡量稳定程度的指标，希望不要太大。(a)给定值阶跃变化下的过渡(gud)过程 (b)干扰阶跃变化下的过渡过程 图13-8 过渡过程品质指标示意图13.2.3 控制系统的品质指标共三十五页13.2.3 控制系统(kn zh x tn)的品质指标3.衰减比 damping ratio （衡量相对(xingdu)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4:1至10:1为宜。(a)给定值阶跃变化下的过渡过程 (b)干扰阶跃变化下的过渡过程 图13-8 过渡过程品质指标示意图

17、共三十五页13.2.3 控制系统的品质(pnzh)指标4.调节时间（过渡过程时间）Ts residence time 系统快速性指标(zhbio)从干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)给定值阶跃变化下的过渡过程 (b)干扰阶跃变化下的过渡过程 图13-8 过渡过程品质指标示意图共三十五页13.2.3 控制系统(kn zh x tn)的品质指标5.振荡周期T oscillation period（相对稳定性/系统(xtng)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

18、程 干扰阶跃变化下的过渡过程共三十五页13.2.3 控制系统的品质(pnzh)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，与控制系统中各个环节都有不同程度的关系 设计时，应对每一个环节进行认真的考虑。注：（1）上述几方面的性能要求通常是相互制约的。为了提高系统的动态响应的快速性和稳态精度，会使系统动态性能变差，甚至会使系统变为不稳定；反之，若强调系统动态过程平稳性的要求，系统稳态精度的降低和动态过程的缓慢；由此可见，系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是一对矛盾。（2）不同控制系统，注重的指标不同，在选择这些指标时应根据具体的控制系统分清主次，区别轻重，对于主要(zhyo)的指标应优先保证。 共三十五页33例:某化学反应器工艺操作规定温度为（80010）。为确保安全，控制中温度最高不得超过850。现运行的控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡(gud)过程如示（1）分别求出最大偏差、余差、衰减比、