控制系统基本概念化工

《化工过程自动化技术》生工09—1、2班总课时：4×9实验：0授课教师：司徒莹课程介绍《化工仪表自动化》是利用自动控制学科、仪器仪表科学及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科的一门综合课程。通过本课程的学习，能了解和掌握化工过程控制与仪表的基本知识，领会自动控制系统的组成及原理概述：生产过程自动化是工业企业现代化水平的一个重要标志。生产过程自动化：用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化。自动调节系统是自动化生产的核心部分，只有自动调节系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数（主要四大参数p、h、q、t）的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。§1.1生产过程自动化的主要内容:生产过程自动化，一般要包括四个方面的内容。自动检测系统:信号联锁系统：自动操纵系统：自动控制系统：利用各种检测仪器对主要工艺参数进行指示或记录，“了解”生产的任务。对某此关键性参数设有自动信号联锁装置。当工艺参超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作。对生产中某些关键性参数进行自动调节，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。§1.2自动控制系统的组成及方块图人工控制自动控制图1-2人工操作图图1-3液位自动控制系统图一、自动控制系统的组成a、被控对象（对象）b、检测变送器c、控制器d、执行器(自动化装置)辅助装置图1-3液位自动控制系统图二、自动控制系统的方框图方框：表示一个组成部分，称环节。环节箭头连线：表示信号传递关系。圆圈：比较环节，表示信号相加减。+-1、简单控制系统方框图：被控对象执行器控制器检测元件及变送器＋－被控对象执行器控制器检测元件及变送器＋－被控变量y给定值xz测量值操纵变量q控制信号p偏差e干扰

ƒ控制器图1-5蒸汽加热器温度控制系统

当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。被控变量：需要控制的工艺参数给定值（或设定值）：对应于生产过程中被控变量的期望值测量值：由检测元件的到的被控变量的实际值。操纵变量（或控制变量）：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量成为操作变量，它调节阀的输出信号。干扰（或外界扰动）：引起被控变量偏离给定值的，除操作变量以外的各种因素。偏差信号：给定值与测量值的差，在反馈系统中，调节器是根据偏差信号的大小来控制操作变量的。控制信号：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。2、控制系统常用术语：§1.3自动控制系统的分类分类方法很多，最经常使用的是按给定值的特点（是否变化？如何变化？）来划分。定值控制系统随动控制系统程序控制系统按信号传递递的路径来来划分闭环控制系系统开环控制系系统一、控制系系统的过渡渡过程自动控制系系统静态与与动态：静态1（e=0)干扰作作用e0控制作作用静态2（e=0)动态（（过渡过过程）§1.4控制系系统的的过渡渡过程程及其其性能能指标标阶跃干干扰：：ƒt发散振振荡过过程等幅振振荡过过程衰减振振荡过过程非振荡荡的单单调过过程0不稳定定稳定二、控控制制系统统的性性能指指标：：余差e最大偏偏差A(或超调调量σ):衰减比比n回复时时间ts(过渡过过程时时间、、调整整时间间)振荡周周期T质量指指标主主要有有五项项：(衰减振振荡过过程)举例图1-11温度控控制系系统过过渡过过程曲曲线某换热热器的的温度度控制制系统统在单单位阶阶跃干干扰作作用下下的过过渡过过程曲曲线如如下图图所示示。试试分别别求出出最大大偏差差、余余差、、衰减减比、、振荡荡周期期和过过渡时时间（（给定定值为为200℃）。解最大偏偏差A＝230-200＝30℃℃余差C＝205-200＝５℃℃由图上上可以以看出出，第第一个个波峰峰值B＝230-205＝25℃℃，第二个个波峰峰值B′＝210－205＝5℃，故衰减减比应应为B:B′＝25:5＝5:1。振荡周周期为为同向向两波波峰之之间的的时间间间隔隔，故周期期T＝20-5＝15（min）过渡时时间为为22min。(过渡时时间与与规定定的被被控变变量限限制范范围大大小有有关，，假定定被控控变量量进入入额定定值的的±2％，就就可以以认为为过渡渡过程程已经经结束束，那那么限限制范范围为为200×（±2％）＝＝±4℃℃，这时时，可可在新新稳态态值（（205℃）两侧侧以宽宽度为为±４℃画画一区区域，，上图图中以以画有有阴影影线的的区域域表示示，只只要被被控变变量进进入这这一区区域且且不再再越出出，过过滤过过程就就可以以认为为已经经结束束。)三、影影响控控制系系统过过渡过过程品品质的的主要要因素素一个自自动控控制系系统可可以概概括成成两大大部分分，即即工艺过过程部部分（（被控控对象象）和自动化化装置置部分分。前者者指与与该自自动控控制系系统有有关的的部分分。后后者指指为实实现自自动控控制所所必需需的自自动化化仪表表设备备，通通常包包括测测量与与变送送装置置、控控制器器和执执行器器等三三部分分。对于一一个自自动控控制系系统，，过渡渡过程程品质质的好坏，在很很大程程度上上决定于于对象象的性性质。例如如在前前所述述的温温度控控制系系统中中，属属于对对象性性质的的主要要因素素有：：换热热器的的负荷荷大小小，换换热器器的结结构、、尺寸寸、材材质等等，换换热器器内的的换热热情况况、散散热情情况及及结垢垢程度度等。。不同同自动动化系系统要要具体体分析析。§1.5工艺管道道及控制制流程图图工艺流程程和控制制方案的的确定后后，根据工艺艺设计给给出的流流程图，，按其流程程顺序标标注出相相应的测测量点、、控制点点、控制制系统及及自动信信号与联联锁保护护系统等等，便成了工艺管道道及控制制流程图图。图1-12脱乙烷塔塔的工艺艺管道及及控制流流程图举举例左图是乙乙烯生产产过程中中脱乙烷烷塔的工工艺管道道及控制制流程图图举例一、图形形符号1.检测点（（包括检检测元件件、取样样点）检测点是是由工艺艺设备轮轮廓线或或工艺管管线引到到仪表圆圆圈的连连接线的的起点，，一般无无特定的的图形符符号，如如下图所所示。必必要时，，检测元元件也可可以用象象形或图图形符号号表示。。图1-13测试点的的一般表表示方法法2.连接线通用的仪仪表信号号线均以以细实线线表示。。连接线线表示交交叉及相相接时，，采用下下图的形形式。加加箭头的的方式表表示信号号的方向向。图1-14联系线的的表示法法3.仪表（包包括检测测、显示示、控制制）的图图形符号号仪表的图图形符号号是一个个细实线线圆圈，，直径约约10mm，对于不不同的仪仪表安装装位置的的图形符符号如下下表所示示。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就地安装仪表嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘面安装仪表3就地仪表盘面安装仪表表1-1仪表安装装位置的的图形符符号表示示二、字母母代号在控制流流程图中中，用来来表示仪仪表的小小圆圈的的上半圆圆内，一一般写有有两位（（或两位位以上））字母，，第一位位字母表表示被测测变量，，后继字字母表示示仪表的的功能，，常用字字母代号号见下表表。三、仪表表位号仪表位号号是由字母母代号组组合和阿阿拉伯数数字编号号两部分分组成。。阿拉伯伯数字编编号写在在圆圈的的下半部部，其第第一位数数字表示示工段号号，后续续数字（（二位或或三位数数字）表表示仪表表序号。。以脱乙烷烷塔控制制流程图图为例塔顶的压压力控制制系统中PIC-207：其中第一一位字母母P表示被测测变量为为压力，，第二位位字母I表示具有有指示功功能，第第三位字字母C表示具有有控制功功能，因因此，PIC的组合就就表示一一台具有有指示功功能的压压力控制制器。该该控制系系统是通通过改变变气相采采出量来来维持塔塔压稳定定的。工段号为为2，仪表序序号为07本章小结结与作业业小结：1、自动动化系统统的四种种类型；；2、自动动控制系系统的组组成及其其基本工工作原理理；3、简单单控制系系统的方方框图；；4、自动动控制系系统的常常用术语语；5、控制制系统的的五项.性能指指标；6、工艺管管道及控控制流程程图。作业：一、P16.：4二、P16.：11三、P16.：21、22自动检测测系统热交换器自动检测系统信号联锁锁系统液体储槽的自动连锁保护系统自动操纵纵系统加料自动操纵系统自动控制制系统液位自动控制系统人工控制制演习眼看脑想手动自动控制制演习检测器（（眼看））控制器（（脑想））执行器（（手动））阶跃干扰：ƒt0发散振荡荡过程等幅振荡荡过程被调参数数在给定定值附近近来回波波动，且且波动振振幅保持持不变。。被调参数数来回波波动，且且波动振振幅逐渐渐变大，，即离给给定值越越来越远远。衰减振荡荡过程非振荡的的单调过过程阶跃干扰：ƒt0被调参数数上下波波动，但但振幅逐逐渐减少少，最后后稳定在在某一数数值上被调参数数在给定定值的某某一侧作作缓慢变变化，没没有来回回波动，，最后稳稳定在某某一数值值上。当过度过过程终了了时，被被调参数数所达到到的新的的稳态值值与给定定值之间间的偏差差叫做余余差（C），或者者说余差差就是过过度过程程终了时时的残余余偏差。。有余差的的调节过过程称为为有差调调节，相相应的系系统称为为有差系系统。没没有余