第一章自动控制系统基本概念化工工艺

热工仪表课时：18教材：厉玉鸣主编，《化工仪表及自动化》（第三版），化学工业出版社绪论主要内容：生产过程自动化的含义实现生产过程自动化的意义生产过程自动化的发展状况现代自动化技术特点学习本课程的重要性一、生产过程自动化的含义在生产设备上配备一些自动化的装置,代替操作人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上自动地进行的过程称生产过程自动化。二、实现生产过程自动化的意义加快生产速度,降低生产成本,提高产品产量和质量；减轻劳动强度,改善劳动条件；能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,延长设备使用寿命,提高设备利用率；能根本改变劳动方式,提高工人文化水平,逐步消除脑力劳动和体力劳动之间的差别。三、生产过程自动化的发展状况20世纪40年代以前,主要是人工调节,凭经验指导生产,生产效率低。20世纪50~60年代,应用简单自动化技术,如基地式仪表。20世纪70年代开始,控制理论和控制技术及计算机技术的应用推动了生产过程自动化,出现了各种新型控制系统,如集散控制系统、二级优化控制等。近年来,现代自动化技术已不只局限于对生产过程中重要参数的自动控制,已发展为综合自动化。四、现代自动化技术特点已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来越大,控制与管理一体化的系统已提到日程,因此,其社会、经济效益也越来越大。显示了知识密集化、高技术集成化的特点,它是信息技术、自动化技术、管理科学等相结合的现代高技术。自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不断出现,控制的精度越来越高,控制的方式日益多样化,它不仅减轻和代替了人们的体力劳动,而且也在很大程度上代替了人们的脑力劳动。五、学习本课程的重要性本门课是一门综合性的技术学科,通过学习自动化、仪表及计算机方面的知识,对于管理与开发现代化生产过程是十分重要的。第一章自动控制系统基本概念主要内容：生产自动化的主要内容自动控制系统的组成工艺管道及控制流程图自动控制系统方框图自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标第一节生产自动化的主要内容

生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、自动控制系统。自动检测系统

׃利用各种检测仪表对生产过程的主要工艺参数(如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。

自动信号和联锁保护系统(自动保护)当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光等报警信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过改变阀门的开启度或切断某些通路,或进行紧急停车,以防止事故的发生或扩大。它是生产过程中的一种安全装置。自动操纵及自动开停车系统(自动操纵)自动操纵系统:按照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。可减轻工人的重复性体力劳动。自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生产过程投入运行或自动停车。自动控制系统:它是对生产中某些关键性的参数进行自动调节,使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内,是生产过程自动化的核心部分。第二节自动控制系统的组成生活环境中的自动控制系统空调;电饭煲;电冰箱;洗衣机等。工业生产中的自动控制系统液位控制:人工→自动;温度控制等。眼看脑想手动QoQi人工操作进行工作的三个方面:(1).检测:用眼睛看液位的高低。(2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考和比较得出偏差,发出命令。(3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变出口流量Qo,保持液位的高低在规定位置。自动控制系统的组成1.被控对象:对其工艺参数进行控制的机器或设备。它可以是一段管道、一台设备或设备的某一部分,如各种反应器、换热器等。自动控制系统的组成2.自动化装置：测量元件及变送器:检测参数(液位)并将检测结果变成标准统一信号进行输出,如液位的测量及变送。自动控制器:接受变送器送来的信号,与工艺需要保持的参数值(液位)进行比较得出偏差,并按某种运算规律算出结果,然后将此结果以特定信号(如电压、电流)发送出去。执行器:通常指控制阀,它自动地根据控制器发出的信号值改变阀门的开启度,从而改变操纵变量,给对象施加调节作用。第三节工艺管道及控制流程图在工艺流程确定后,工艺人员和自控设计人员应共同研究确定控制方案。控制方案的确定包括流程中各测量点的选择、控制系统的确定及有关自动信号、联锁保护系统的设计等。在控制方案确定后,根据工艺设计给出的流程图。一、工艺管道及控制流程图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等,便成了工艺管道及控制流程图。二、烛控制犹流程夹图中两图例兵符号环的规怀定本书停的规摸定按雅化工代部设盲计标角准HG孙J7啦-8标7《化工货过程检臣测控净制系母统设矮计符而号统哄一规裕定》1.图形妖符号(1腰).测量宪点(包括硬检测岂元件猜、取员样点):由工锁艺设正备轮廓线哭或工小艺管鄙线引凉到仪残表圆华圈的屈连接律线的工起点,一般无面特定虎的图诞形符费号。(2滩).连接蔽线:通用益的仪笨表信轻号线钩均以昌细实燥线表叮示。连接旗线表乳示交肆叉、题相接陶及信白号传刺递方把向,如下茎图。(3内).仪表(包括目检测、显示、控制)的图羽形符篇号仪表辟的图辫形符逼号是蛮一个面细实胞线圆队圈,直径盗约10咸mm。仪表垃安装奔位置洲不同盖的符敲号如热下图奖。2.字母狗代号表示夏仪表芳的小慢圆圈爹的上半团圆内,一般锦写有两位贯或两墙位以移上字景母,第一脆位字绘母表积示被测变量,后继眨字母表示赚仪表的尝功能。常垮用被块测变量士和仪说表功迁能的构字母代苏号见荡右表党。字母第一字母后续字母被测变量功能A分析报警C电导率控制F流量I电流指示L物位P压力或真空R放射性记录或打印T温度传送3.仪表组位号仪表笋位号唱是由牛字母帐代号孙组合欢和阿稍拉伯造数字随编号欲两部分庸组成侵。阿塔拉伯量数字稻编号鸡写在键圆圈若的下域半部,其第一印位数揪字表妹示工段肚号,后续池数字(二位妹或三捐位数字)表示仪表份序号。总之,通过控制铲流程诱图,可看造到每姐台仪话表的测量点位旅置、被测栗变量、仪表陷功能、工段堡号、仪表颂序号、安装倍位置等。第四盒节彩自仍动控桥制系隐统方逝框图方框扎图的炮作用:用箭察头表驳示自漂动控河制系凶统各其个组散成环节制之间灿的相上互影喝响和偿信号稿联系碌。图1-泻3液位芒自动控制迷系统巴方框灯图如岗下。图1-8自动控制系统方框图xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f自动控制系统方框图xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f方框巧图中父所涉掩及的垃概念被控份对象:在生博产过节程中求需保浑持其踏工艺狡参数总稳定城的设备脏或装孔置。惑如冶爪金炉,加热助炉等,也可乱是一窜台具亏体的设戴备或歼设备俱的某族一部跳分,如一耍段管使道(贮槽)。被控早变量y:生产传过程笛中需匹保持牵恒定耗的变貌量(液位)。干扰丸作用f:在生轰产过摄程中外引起桨被控屠变量落偏离唇给定坡值的外箭来因添素,它是服输入勇信号(进料爷流量腿的改晴变)。控制江作用:用来些克服北外界会干扰,使被默控变善量恢婆复到手给定值铸的操狂作。操纵狗变量q:具体然实现枕控制笋作用帝的变疲量(出料灰流量)。操纵给介质:用来让实现毙控制摧作用凯的物宪料(流过温阀门纹流体)。方框授图中墓所涉生及的提概念给定塔值:工艺骂过程活中被抄控变李量的圾期望躲值,可以算固定也可其按程把序变印化。偏差:给定忠值与怜测量套值之黎间的缸差值暮。输入:自动炎控制卸系统肠方框惨图中,指向称该环掌节的悬信息称该慌环节乓的输仰入。输出:自动论控制骄系统离方框令图中,背离拴该环认节的枪信息称该稀环节荡的输勾出。xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f同一舞方框理图可秩代表百不同蚀的控手制系涂统,如上巨图的判蒸汽加热印温度掠控制屯系统伐也可尿用图1-次8的方杠框图镇表示匹。自动叹控制至系统证方框邻图与休控制辽流程遍图的泽区别自动浇控制欧系统妹方框轧图:方块颠与方杨块之块间的共连接或线,只是臂代表芝方块巨之间疯的信径号联兵系,并不杜代表破方块忙之间的不物料用联系骡。方橡块之膀间的篇连接晃线的都箭头挎也只堆是代表算信号逗作用犹的方敞向。控制摆流程顷图:工艺上流程造图上结的物怨料线印是代趟表物熟料从一祥个设爸备进恶入另受一个界设备碌。方锋块与支方块暗之间路的连接醋线,代表恰方块婆之间源的物清料联接系。自动布控制票系统备是一裳个具虑有负浊反馈斧的闭芝环系蚕统。反馈:把系猾统的陆输出扰信号妖直接寺或经郊过一围些环禽节后念送回到配系统扔的输缠入端,并加检入到备输入赔信号斤中的磨作法越。负反医馈:反馈戏的信倡号使刮原来悼的输妈入信效号减弱。正反唉馈:反馈苗的信嚷号使乳原来拦的输航入信贿号增强。负反区馈系雁统以液跪位控变制为深例分戒析其倦控制朝过程:当液掩位y由于哲某种干讽扰而辉上升均时,其测般量值z升高,偏差(e逐=x-毯z)降低,这时,控制小器应号发出士控制耽信号涨使控糠制阀协的开惭度发适生变化,变化隐的方酒向为零负,使被掀控变莫量y下降,回到忧给定值,抑制嚼了干叼扰的竭影响,达到坟了控浪制目肌的。自动控制系统方框图xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f正反死馈系耀统当偏差e=x+忍z时,控制绩系统临称正仆反馈吴系统啦。当都液位y由于井某种因干扰撞而上侮升时,其测它量值z升高,偏差e=x+教z增大,这时,控制魔器应脆发出兴控制资信号对使e变大,从而y进一开步上欣升,评z进一蜓步增陡大,增强保了受免干扰洁后的享变化趋势,导致枕系统骡崩溃渠或达蜓到极末限值,从而服使系童统不毒稳定。例如袖炸弹惹的爆进炸、利电子蝴振荡粘器中姐振荡燃过程存的产生等娇都是指正反圈馈系北统。可见,自动炼控制园系统极是具马有被鱼控变小量负反饭馈的险闭环蜘系统。由肃于具瓣有负守反馈禁的闭煤环系途统,它可拒随时呜了解家被控脾对象堆的情困况,有针丝式对性船地根很据被坊控变论量的袭变化趴情况沈而改清变控逝制作栽用的御大小森和方熔向,从而户使系设统的丢工作欢状态辉始终愿等于姿或接脏近所随希望启的状情态这指是闭林环系智统的油优点此。自动镰检测雁、自共动操始纵等开环赖系统由于群没有稠负反率馈不钩能随炭时了萌解被填控对离象的醒情况碧而改丹变自恳己的雕操作咏状态,这是熊开环速系统拳的缺巷点。自动操纵装置对象工艺参数操纵指令操纵作用图1-10自动操纵系统方框图第五愧节北自构动控拢制系琴统的叹分类各种种分类椅方法按被控追量分:如温究度、泉压力讯、液积位等岔控制稠系统授。按控制首器的茅控制相规律分:比例币控制纷、积相分控非制、微分择控制冤、比盘例积跪分控缴制、充比例箭微分湾控制探、比例积某分微芽分控离制等应。按系统乞功能耐与结陶构分:单回唯路简赢单控姑制系触统;串级、抖比值狗、选准择性服、分留程、帮前馈避和均译匀等昨常规复杂摘控制圣系统胞；解系耦、殊预测首、推嚷断等染先进劲控制系统独和程非序控厕制系额统。按被控朵变量著的给筛定值狱的变睡化情淘况分：定值利控制阴系统:要求饮被控货变量锹的给暗定值位不变权。(如温灾度、荐液位)。随动断控制些系统:给定烤值是折随机脏变化辜的。纽奉随机轧系统使的目的悔就是这使所使控制导的工悠艺参振数准投确而钳快速赞地跟发随给定似值的处变化贺而变掘化。(如导摘航雷存达系崖统、扬火炮扯系统、滨生物浑反应晓、金茄属热述处理被炉)程序与控制揉系统:给定豪值是外变化治的,但它罚是一问个已剪知的时间备函数,即生邻产技镜术指亭标须如按一纪定的骑时间吩程序去变化。决一些述定型商或非广定型警的程公控装姻置越膨来越塌多地突被应用悉到生牌产中扇。第六趋节墙自偏动控盖制系隔统的宅过渡悲过程巴和邀品质某指标一.控制赖系统豪的静婚态与掘动态静态:被控跃变量化不随踢时间醉变化他、自童动化像装置孔保持孙原状德的平衡状态瞒。当一渣个自呜控系计统的考输入(给定申和干所扰)和输余出均献衡不变时,整个采系统删就处从于一争种相抖对稳啦定的葵平衡管状态,即指系糖统中伟各信牺号的变化叹率为兽零,信号巡寿保持鹅在某现一常数不目变化,而不竭是指物料丹不流递动或能量录不交米换。因为自测动控凝制系筐统在五静态子时,生产腾还在都进行,物料叼和能量仍卷有进梁有出,只是虏平稳垃进行资没有诊改变膏。一.控制涛系统耳的静葬态与序动态动态:被控睬变量逐随时造间变芦化、家自动睁化装架置改霞变原肉状的不平田衡状态嗓。若一耳个系可统原坦先处虚于相竖对平蚕衡状蛋态即社静态,由于范干扰的所作用抬而破冠坏了坊这种水平衡谦时,被控滩变量束就会浓发生变化,从而趴使控彩制器代、控亩制阀厨等自鄙动化贪装置坝改变汇原来平销衡时感所处狮的状价态,产生惩一定国的控意制作丢用来北克服悄干扰筐的影落响,并力滑图使馋系统船恢复嗓平衡探。从键干扰脉发生开始,经过填控制,直到嗽系统勇重新粒建立暮平衡,在这渔一段李时间中,整个逝系统枣的各舌个环省节和涌信号碌都处恼于变袋动状李态之中,所以绑这种匙状态趟叫做挽动态扭。二、期控制疾系统畏的过勾渡过发程过渡驻过程:系统点受输微入(干扰)信号香的作墨用从咸一个徒平衡状态兴过渡波到另匀一个堪平衡垄状态砖的过梅程称垒为过渡傍过程误。是被电控量病在干蓄扰信针号或吃控制保信号琴的作扑用下恼随时睁间不断变惜化的垃过程,其变窝化规团律与丝式干扰主信号水的形国式有亿关。阶跃腊干扰骨作用:在某寸一瞬间t0,干扰惯突然馅地阶歌跃式地贼加到购系统弄上并鼻保持该幅波度。宿它比我较突伙然,比较尤危险,对被曲控量葱影响最苹大。系统番的稳锄定性:如果收系统扶在受扇到干架扰信近号作增用后,输出变概量最番终能返回供到原埋平衡床状态或其蒸附近,称系描统为稳译定的;否则,称系锋统不柴稳定稍。在阶浙跃干阔扰作勺用下翼自动延控制支系统表的过含渡过非程形期式：(a暮)非周牌期衰磁减过采程;呆(b虹)衰减脊振荡戒过程;温(c绕)等幅捕振荡灯过程;扔(d索)发散除振荡伏过程;(患e)非振公荡发才散过韵程。三、裕阶跃都干扰禁作用滋下衰奸减振鹅荡过滥程的尤品质债指标横坐迅标t为时顺间,纵坐郊标y为被祖控变杰量离璃给定厌值的架变化量杜。t=粥0时,系统敞稳定,y迹(0娘)=谨0;傍t→∞时,系统捎也达述到新的幸稳态,y丝式(∞)评=C。最大世偏差(A拍):在过狼渡过快程中,被控跨量偏识离给秧定值拾的最大接量。甚最大齿偏差南越小优越好觉。超调产量(B象):在过征渡过惜程中,第一洋个峰扁值A与新探稳态值C之差,即B=横A-勉C。三、护阶跃疑干扰赴作用台下衰宜减振斤荡过曾程的惹品质续指标衰减禾比(n尽):前后啄相邻晋两个控峰值舱的比既。是嫁反映鞠衰减堪程度的孔指标,n恳=B面:B疲’,实践趣表明:n处于4~我10之间拌较合雄适。余差(C们):新的看稳态大值与耐之差盗。余肤差越督小越膜好。过渡辩时间(ts):从干缩慧扰开叫始起,直到银被控票变量爷进入限到距新稳箩态值恼的±5%峡(或±2%宅)的范鸽围内袍且不荷再越并出时为客止所葬经历纳的时厨间。泥过渡服时间柱越短,系统暗控制屑质量高态。三、铺阶跃场干扰狭作用抗下衰燥减振爷荡过企程的外品质尤指标振荡责周期遍和频冷率:两个络同向驼波峰(或波冻谷)之间夕的时间间材隔,为振饥荡周熔期;周期机越短思越好辞。频蹈率为最周期如的倒数乘。这些聋指标旅在不检同的点系统汤中各摄有其材重要侧性,且互认相间即赤有矛暮盾,又有共联系刮。要前分清惭主次,首先骨保证柜对生产过席程有真决定殊性意毒义的猎主要备品质看指标加。四、倦影响杏控制辱系统欢过渡绞过程计品质利的主释要因聋素工艺五过程地部分(被控枣对象)和自宇动化阁装置桐部分(测量与变塞送器终、控绘制器薪、执秋行器)。主厦要是受对象献的性设质,但自锅动化重装置听应按谜对象穴的性弦质加关以选盘择和亦调整纺。例:某换填热器类的温赚度调恨节系滴统在泊单位闪阶跃稿干扰恶作用霜下的咸过渡鹊过程离曲线璃如右步图。第试求仁最大拖偏差假、余棍差、悉衰减座比、傅振荡且周期冲和过刷渡时维间(给定椅值为20毯0℃另)。解：最大星偏差:A性=2订30英-2唯00盒=3僵0倒℃余差:C熊=2缩慧05乖-2权00沈=5籍℃衰减拨比:B匹:B΄=(顿23怎0-鼓20伶5)蜡:(组21抚0-民20桂5)改=5绝:1振荡典周期:T贵=2链0-