化工仪表第一章

制作广西大学化工仪表与自动化广西大学化学化工学院学习这门课的重要性：

自动制系统在化工领域的应用很普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程、涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。工艺人员也应该充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。第一章自动控制系统概述本章的主要内容：1.2自动化及仪表发展概述1.1自动控制系统1.3控制系统过渡过程及品质指标第一章自动控制系统概述蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包示意图手动控制的步骤：(1)观察液位数值；(2)把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。(3)根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。第一章自动控制系统概述1.1自动控制系统1.1.1自动控制的必要性蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包闭环自动控制系统示意图1.1自动控制系统锅炉汽包闭环自动控制系统的组成及方框图1.1自动控制系统闭环控制：

在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。

闭环控制的缺点：控制不够及时；而且如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。1.1自动控制系统1.1.2闭环控制与开环控制开环控制：根据扰动信号来控制操纵变量

开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用使被控变量偏离设定值后，无法保证消除偏差，这是开环控制的缺点。

1.1自动控制系统

开环的液位控制系统（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制举例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器给水蒸汽汽包省煤器给水闭环控制系统示意图1.1自动控制系统开环控制示意图在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。闭环控制系统组成1.1自动控制系统1.1.3自动控制系统的组成方框图检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值。控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执行器、检测元件与变送器的组合称为广义对象。1.1自动控制系统闭环控制系统组成（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就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。1.1自动控制系统重要概念：从整个系统来看，输入信号：设定值、扰动

输出信号：被控变量、测量值（2）闭环：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，控制作用又使它回到设定值。

闭环控制系统组成1.1自动控制系统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

设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。

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，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化1.1自动控制系统1.1.4自动控制系统的分类1.2自动化及仪表发展概述控制理论的发展经典控制理论:20世纪40年～20世纪50年代以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计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究问题。适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一第一章自动控制系统概述现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展其主要内容为：线性系统理论（基础），最优控制理论（核心），最佳估计理论，系统辨识等。特点：从输入-状态-输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出的情况。1.2自动化及仪表发展概述基地式：20世纪50年代，适用于单回路单元组合式（按功能）：20世纪60年代，之间用标准统一信号联系DDZ,QDZ计算机：20世纪70年代DDC,DCS（集散控制系统;集中管理、分散控制）先进控制和优化控制：20世纪80年代以后CIPS（综合自动化系统）,FCS（现场总线控制系统）

自动化仪表的发展经历了如下过程：

模拟仪表数字仪表智能仪表。1.2自动化及仪表发展概述控制系统结构及仪表的发展早期的DCS控制系统1.2自动化及仪表发展概述1.2自动化及仪表发展概述1.2自动化及仪表发展概述

模拟式显示仪表用标尺、指针、曲线等方法显示或记录被测变量1.2自动化及仪表发展概述数字式直接用数字量显示或记录被测变量智能仪表不仅具有显示功能，还具有运算、数据存储和回显、通信等多种功能

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，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。第一章自动控制系统概述1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.1静态与动态1.3过渡过程及品质指标动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，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，这种状态称为动态。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，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。

1.3过渡过程及品质指标1.3.2自动控制系统的过渡过程定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动情况下)

发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减1.3过渡过程及品质指标单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性1.3.3自动控制系统的品质指标综合控制指标1.3过渡过程及品质指标最大动态偏差或超调量是描述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指标。

对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值，为A=B+C。

（1）最大动态偏差（emax）或超调量（σ）CtyBB’A0稳态特性1.3过渡过程及品质指标扰动作用设定值稳态值最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。

同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。1.3过渡过程及品质指标ytBB’C0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指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。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,如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。1.3过渡过程及品质指标设定作用新设定值稳态值衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。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nCtyBB’A0稳态特性1.3过渡过程及品质指标衰减比n

n>1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，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。

n=1:等幅振荡。

n<1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，1.3过渡过程及品质指标根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般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0.90CtyBB’A0稳态特性1.3过渡过程及品质指标（3）余差定义：控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指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。1.3过渡过程及品质指标上图中，

在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0稳态特性1.3过渡过程及品质指标（4）回复时间（过渡时间）TS回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。1.3过渡过程及品质指标实际上，被控变量接近于新稳态值的5％，或3％或2％的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。ytBB’5%A0Ts1.3过渡过程及品质指标（5）振荡频率（或振荡周期）ω在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；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工作周期。其倒数称为振荡频率。1.3过渡过程及品质指标其它一些次要指标：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：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。1.3过渡过程及品质指标总结：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。1.3过渡过程及品质指标例：二阶装置典型的单位阶跃响应曲线如图所示1.3过渡过程及品质指标例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试