化工自动化基本概念

化工自动化基本概念第1页，共34页，2023年，2月20日，星期一过程控制的主要内容

自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录图1-1热交换器自动检测系统示意图作用对过程信息的获取与记录作用。

第2页，共34页，2023年，2月20日，星期一自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车自动控制系统：利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。过程控制的主要内容

自动信号和联锁保护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车第3页，共34页，2023年，2月20日，星期一3图7-1人工操作图图7-2液位自动控制图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要人工控制：眼、脑、手眼睛—目测（检测）大脑—运算、比较、发出指令（控制）手—手动操作（执行）第二节：自动控制系统的基本组成及方块图第4页，共34页，2023年，2月20日，星期一自动控制是人工控制的发展测量元件与变送器眼睛控制器大脑执行器手+控制阀第5页，共34页，2023年，2月20日，星期一自动控制系统主要组成部分

(1)检测元件与变送器：测量工艺参数并转换为统一的标准信号。(2)自动控制器：接受变送器送来的信号，与给定值比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后用特定信号发送出去。(3)执行器（控制阀）：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。(4)被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。第6页，共34页，2023年，2月20日，星期一常用术语1、被控变量y：指需要控制在一定范围的工艺参数。2、干扰作用f:凡是影响被控变量的各种作用均叫做干扰或扰动。3、操纵变量q：具体实现控制作用的变量。4、操纵介质（剂）：用来实现控制作用的物料。5、测量值z：被控变量经检测变送后的信号值即是测量值。6、给定值x：即被控变量的设定值。7、偏差e：给定值与测量值之差称作为偏差.8、控制器输出p：根据偏差值、经一定算法得到的输出信号值。Qi执行器测量第7页，共34页，2023年，2月20日，星期一控制器

执行器被控对象测量元件与变送器测量值给定值偏差输出变量被控变量控制器操纵干扰作用xzepqyf自动控制系统的方块图Qi执行器测量在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。第8页，共34页，2023年，2月20日，星期一说明方块:

表示系统的组成部分（环节），代表具体的装置带箭头线条：表示各环节间信号联系，不代表物料联系箭头方向：代表信号流向，不代表物料流向箭头指向方块:

为该环节的输入信号箭头离开方块:

为该环节的输出信号线旁的字母：表示相互间的作用信号控制器

执行器被控对象测量元件与变送器测量值给定值偏差输出变量被控变量控制器操纵干扰作用xzepqyf第9页，共34页，2023年，2月20日，星期一蒸汽加热器温度控制系统控制器

执行器

加热器测量元件与变送器测量值给定值偏差输出变量被控变量控制器操纵干扰作用xzepqTf图1-5蒸汽加热器温度控制系统第10页，共34页，2023年，2月20日，星期一对自动控制系统的说明

闭环系统与开环系统系统的输出（即被控变量）被反馈到输入端的控制系统，称为闭环系统。被控变量不反馈到输入端的控制系统称为开环系统。例如，自动检测系统、自动操纵系统为开环系统。自动操纵装置对象操纵指令操纵作用工艺参数图1-6自动操纵系统方块图第11页，共34页，2023年，2月20日，星期一正反馈与负反馈正反馈：反馈信号加强给定信号，e=x+z负反馈：反馈信号削弱给定信号，e=x-z

自动控制系统是具有负反馈的闭环系统对自动控制系统的说明

第12页，共34页，2023年，2月20日，星期一第三节自动控制系统的分类1、按被控变量分类：

有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、物位控制系统、成分控制系统等。2、按控制器的控制规律分类：

有比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。第13页，共34页，2023年，2月20日，星期一过程控制系统的主要类型

被控变量的给定值是否变化分类定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。定值控制系统特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。

作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上第14页，共34页，2023年，2月20日，星期一过程控制系统的主要类型随动控制系统特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化程序控制系统（顺序控制系统）特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。

作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化第15页，共34页，2023年，2月20日，星期一第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标一、控制系统的静态与动态

静态：被控变量不随时间变化的平衡状态

动态：被控变量随时间变化的不平衡状态当系统输入（给定和干扰）稳定不变时（即系统中各个信号的变化率为零），被控变量处于平衡状态--系统静态（是相对的、短暂的）

当系统输入有所变化时，被控变量就会变化--系统动态

控制过程：动态静态动态新的静态控制干扰控制第16页，共34页，2023年，2月20日，星期一

二、控制系统的过渡过程

定义：系统由一个平衡状态（静态）过渡到另一个平衡状态（新的静态）的过程。

特点：比较突然比较危险容易实现便于分析分析：系统在阶跃干扰作用下的过渡过程。阶跃干扰：在某一瞬间t0,干扰（即输入量）突然地阶跃式的加到系统上，并继续保持在这个幅度。数学表达式为：当A=1时称为单位阶跃信号。常见典型信号

阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号

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自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程的几种基本形式1.非周期衰减过程（图a）2.衰减振荡过程（图b）3.等幅振荡过程（图c）4.发散振荡过程（图d）希望自动控制系统在阶跃干扰作用下，能够得到衰减振荡形式的过渡过程（如图b）第18页，共34页，2023年，2月20日，星期一三、控制系统的品质指标在时间t=0之前，系统稳定，且被控变量等于给定值，即y=0;在t=0瞬间，外加阶跃干扰作用，系统的被控变量呈衰减振荡，经过相当长时间后，y(∞)=C。第19页，共34页，2023年，2月20日，星期一控制系统的品质指标最大偏差A：是指被控变量偏离给定值的最大数值，在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。1.最大偏差或超调量超调量B：第一个波的峰值A与新稳定值C之差,即B=A-C2.衰减比它是相邻的同向波峰值之比，即习惯上表示为n:1经验表明，衰减比n:1在4:1至10:1之间比较适宜。第20页，共34页，2023年，2月20日，星期一3.余差（静态偏差）C控制系统的品质指标指系统过渡过程终了时,被控参数新稳态值与给定值之间的偏差。描述系统稳态特性的唯一指标一般要求余差不超过预定值或为零。

第21页，共34页，2023年，2月20日，星期一4.过渡时间指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值±5%（或±2%）的范围内所经历的时间。一般要求过渡时间愈短愈好。控制系统的品质指标5.振荡周期或频率过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数为振荡频率。第22页，共34页，2023年，2月20日，星期一总结有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。

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。第23页，共34页，2023年，2月20日，星期一例题：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。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)图1-11温度控制系统过渡过程曲线第24页，共34页，2023年，2月20日，星期一(3)衰减比：第一个波的振幅第二个波的振幅(℃)(℃)衰减比第25页，共34页，2023年，2月20日，星期一(4)过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为(℃)那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.图1-11温度控制系统过渡过程曲线第26页，共34页，2023年，2月20日，星期一性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳准确迅速地回复（或趋近）到给定值上

四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素决定控制系统品质的环节：被控对象特性控制系统方案、结构过程检测、控制、执行仪表第27页，共34页，2023年，2月20日，星期一第五节：工艺管道及控制流程图

根据标准国家行业标准HG20505—92《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》，参照GB2625—81国家标准图形符号字母代号仪表位号的表示第28页，共34页，2023年，2月20日，星期一工艺管道及控制流程图(PID)绘制：

1、图形符号测量点：起点图1-5

连接线：图1-6

仪表：圆圈表1-1、图1-72、字母代号上半圆、两位以上字母表1-23、仪表位号206——工段号2、序号06第29页，共34页，2023年，2月20日，星期一第30页，共34页，2023年，2月20日，星期一控制流程图符号意义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中2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘后安装仪表3就地仪表盘面安装仪表第31页，共34页，2023年，2月20日，星期一控制流程图字母意义字母第一位字母后继字母字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能被测变量修饰词功能A分析报警P压力C电导率控制Q数量积分累积D密度差R放射性记录E电压S速度安全开关F流量比T温度传送I电流指示V粘度阀K时间W力L物位YM水分Z位置执行机构第32页，共34页，2023年，2月20日，星期一例题：图所示为一水箱的液位控制系统。试画出其方块图,指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么?简要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中的功能。第33页，共3