自动控制系统基本概念

第一章自动控制系统基本概念

化工仪表及自动化自动控制系统基本概念第1页内容提要化工自动化主要内容自动控制系统基本组成及表示形式自动控制系统基本组成自动控制系统表示形式自动控制系统分类自动控制系统过渡过程和品质指标控制系统静态与动态控制系统过渡过程控制系统品质指标影响控制系统过渡过程品质主要原因1自动控制系统基本概念第2页第一节化工自动化主要内容1.自动检测系统2.自动信号和联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统3利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或统计，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数不停观察与统计，起到人眼睛作用。图1-1热交换器自动检测系统示意图当工艺参数超出了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取办法。如工况已抵达危险状态时，联锁系统马上自动采取紧急办法，打开安全阀或切断一些通路，必要时紧急停车，以预防事故发生和扩大。它是生产过程中一个安全装置。

自动操纵系统能够依据预先要求步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统能够按照预先要求好步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。

在受到外界干扰（扰动）影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到要求数值范围内。

自动控制系统基本概念第3页第二节自动控制系统基本组成及表示形式

4图1-2液位人工控制图1-3液位自动控制系统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当代化生产需要一、自动控制系统基本组成自动控制系统基本概念第4页第二节自动控制系统基本组成及表示形式

5组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器自动控制系统基本概念第5页第二节自动控制系统基本组成及表示形式1.方框图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，普通都用方框图来表示控制系统组成。6二、自动控制表示形式带有输入输出信号方框比较点分支点图1.4方框组成单元示意图自动控制系统基本概念第6页第二节自动控制系统基本组成及表示形式下页图为液位自动控制系统地方框图每个步骤表示组成系统一个部分，称为“步骤”。两个方框之间用一条带有箭头线条表示其信号相互关系，箭头指向方框表示为这个步骤输入，箭头离开方框表示为这个步骤输出。线旁字母表示相互间作用信号。6二、自动控制表示形式自动控制系统基本概念第7页方框图中，

x

指设定值；z

指输出信号；e

指偏差信号；p指发出信号；q

指出料流量信号；y

指被控变量；f

指扰动作用。当x

取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。第二节自动控制系统基本组成及表示形式液位自动控制方框图图1-5液位自动控制系统方框图7自动控制系统基本概念第8页第二节自动控制系统基本组成及表示形式其它控制系统

用同一个形式地方框图能够代表不一样控制系统图1-6蒸汽加热器温度控制系统

当进料流量或温度改变等原因引发出口物料温度改变时，能够将该温度改变测量后送至温度控制器TC。温度控制器输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料温度不变。这个控制系统一样能够用上页中方框图表示8自动控制系统基本概念第9页第二节自动控制系统基本组成及表示形式注意！方框图中每一个方框都代表一个详细装置。9方框与方框之间连接线，只是代表方框之间信号联络，并不代表方框之间物料联络。方框之间连接线箭头也只是代表信号作用方向，与工艺流程图上物料线是不一样。工艺流程图上物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方框图上线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统是一个闭环系统自动控制系统基本概念第10页第二节自动控制系统基本组成及表示形式小结自动控制系统是含有被控变量负反馈闭环系统。与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质区分，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端。10举例化肥厂造气自动机就是经典开环系统例子自动操纵装置对象操纵作用工艺参数操纵指令图1-7自动操纵系统方框图自动控制系统基本概念第11页第二节自动控制系统基本组成及表示形式小结开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先要求好程序周而复始地运转。这时被控变量假如发生了改变，自动机不会自动地依据被控变量实际工况来改变自己操作。比较闭环系统：有针对性地依据被控变量改变情况而改变控制作用大小和方向，从而使系统工作状态一直等于或靠近于所希望状态。11自动控制系统基本概念第12页2.管道及仪表流程图管道及仪表流程图（P＆IDPipingandInstrumentiondiagram）是自控设计文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制原理图，是控制系统设计、施工中采取一个图示形式。管道及仪表流程图在工艺流程图基础上，按其流程次序，标出对应测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。在控制方案确定以后，由工艺人员和自控人员共同研究绘制。33第二节自动控制系统基本组成及表示形式自动控制系统基本概念第13页34图1-8脱乙烷塔工艺管道及控制流程图举例左图是乙烯生产过程中脱乙烷塔工艺管道及控制流程图举例自动控制系统基本概念第14页第二节自动控制系统基本组成及表示形式（1）图形符号①测量点（包含检出元件、取样点）35

检试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈连接线起点，普通无特定图形符号，以下列图所表示。必要时，检测元件也能够用象形或图形符号表示。图1-9测试点普通表示方法自动控制系统基本概念第15页第二节自动控制系统基本组成及表示形式②连接线36

通用仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采取下列图形式。必要时也可用加箭头方式表示信号方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采取不一样表示方式以示区分。图1-10联络线表示法自动控制系统基本概念第16页工艺管道及控制流程图③仪表（包含检测、显示、控制）图形符号

仪表图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不一样仪表安装位置图形符号以下表所表示。

37自动控制系统基本概念第17页工艺管道及控制流程图38表1-1仪表安装位置图形符号表示自动控制系统基本概念第18页工艺管道及控制流程图39

对于处理两个或两个以上被测变量，含有相同或不一样功效复式仪表时，可用两个相切圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），以下列图所表示。图1-11复式仪表表示法自动控制系统基本概念第19页工艺管道及控制流程图（2）字母代号

在控制流程图中，用来表示仪表小圆圈上半圆内，普通写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表功效，惯用字母代号见下表。40自动控制系统基本概念第20页表1-2被测变量和仪表功效字母代号41自动控制系统基本概念第21页第二节自动控制系统基本组成及表示形式

42举例以脱乙烷塔控制流程图，来说明怎样以字母代号组合来表示被测变量和仪表功效。

塔顶压力控制系统中PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示含有指示功效，第三位字母C表示含有控制功效，所以，PIC组合就表示一台含有指示功效压力控制器。该控制系统是经过改变气相采出量来维持塔压稳定。自动控制系统基本概念第22页第二节自动控制系统基本组成及表示形式

回流罐液位控制系统中LIC-201是一台含有指示功效液位控制器，它是经过改变进入冷凝器冷剂量来维持回流罐中液位稳定。

塔下部温度控制系统中TRC-210表示一台含有统计功效温度控制器，它是经过改变进入再沸器加热蒸汽量来维持塔底温度恒定。

塔底液位控制系统中LICA-202代表一台含有指示、报警功效液位控制器，它是经过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定。43自动控制系统基本概念第23页第二节自动控制系统基本组成及表示形式（3）仪表位号44

仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。

举例脱乙烷塔工艺管道及控制流程图中PIC-206表示测量点在加热蒸汽管线上蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为06。自动控制系统基本概念第24页第三节自动控制系统分类几个分类方法按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按控制器含有控制规律来分类，如百分比、百分比积分、百分比微分、百分比积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制被控变量给定值是否改变和怎样改变来分类，这么可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。12其中第三种分类方法最普遍自动控制系统基本概念第25页第三节自动控制系统分类

“定值”是恒定给定值简称。工艺生产中，若要求控制系统作用是使被控制工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量给定值不变，就需要采取定值控制系统。131.定值控制方法2.随动控制系统（自动跟踪系统）

给定值随机改变，该系统目标就是使所控制工艺参数准确而快速地跟随给定值改变而改变。自动控制系统基本概念第26页第三节自动控制系统分类3.程序控制系统（次序控制系统）

给定值改变，但它是一个已知时间函数，即生产技术指标需按一定时间程序改变。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。14自动控制系统基本概念第27页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标一、控制系统静态与动态15自动控制目标：希望将被控变量保持在一个不变给定值上，这只有当进入被控对象物料量（或能量）和流出对象物料量（或能量）相等时才有可能。

静态——被控变量不随时间而改变平衡状态（改变率为0，不是静止）。自动控制系统基本概念第28页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标当一个自动控制系统输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一个相对稳定平衡状态，系统各个组成步骤如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先状态，它们输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。16自动控制系统基本概念第29页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标17动态——被控变量随时间改变不平衡状态。

从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统各个步骤和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：在自动化工作中，了解系统静态是必要，不过了解系统动态更为主要。因为在生产过程中，干扰是客观存在，是不可防止，就需要经过自动化装置不停地施加控制作用去反抗或抵消干扰作用影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制技术指标上。自动控制系统基本概念第30页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标二、控制系统过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态过程。18当干扰作用于对象，系统输出y发生改变，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例图1-12控制系统方框图自动控制系统基本概念第31页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标系统在过渡过程中，被控变量是随时间改变。被控变量随时间改变规律首先取决于作用于系统干扰形式。在生产中，出现干扰是没有固定形式，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型干扰形式，其中惯用是阶跃干扰。

19自动控制系统基本概念第32页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标采取阶跃干扰优点：这种形式干扰比较突然、危险，且对被控变量影响也最大。假如一个控制系统能够有效地克服这种类型干扰，那么一定能很好地克服比较缓解干扰。这种干扰形式简单，轻易实现，便于分析、试验和计算。图1-13阶跃干扰作用20自动控制系统基本概念第33页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程四种形式21非周期衰减过程衰减震荡过程等幅震荡过程

发散震荡过程X√√？对于控制质量要求不高场所，假如被控变量允许在工艺许可范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采取。

自动控制系统基本概念第34页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标三、控制系统品质指标控制系统过渡过程是衡量品质依据。22图1-15过渡过程品质指标示意图

假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量改变曲线如上图所表示，这是属于衰减振荡过渡过程

多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统品质指标。自动控制系统基本概念第35页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标23五种主要品质指标之一1.最大偏差或超调量

最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波峰值。尤其是对于一些有约束条件系统，如化学反应器化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差允许值有所限制。超调量也能够用来表征被控变量偏离给定值程度。自动控制系统基本概念第36页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标2.衰减比衰减比是衰减程度指标，它是前后相邻两个峰值比。习惯表示为n:1，普通n取为4～10之间为宜。五种主要品质指标之二24自动控制系统基本概念第37页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标五种主要品质指标之三3.余差当过渡过程终了时，被控变量所到达新稳态值与给定值之间偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时残余偏差。有余差控制过程称为有差调整，对应系统称为有差系统。反之就为无差调整和无差系统。

25自动控制系统基本概念第38页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标五种主要品质指标之四4.过渡时间

从干扰作用发生时刻起，直到系统重新建立新平衡时止，过渡过程所经历时间叫过渡时间。普通在稳态值上下要求一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经到达新稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围普通定为稳态值±５％（也有要求为±２％）。26自动控制系统基本概念第39页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标五种主要品质指标之五5.震荡周期或频率

过渡过程同向两波峰（或波谷）之间间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同情况下，周期与过渡时间成正比，普通希望振荡周期短一些为好。27自动控制系统基本概念第40页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标28某换热器温度控制系统在单位阶跃干扰作用下过渡过程曲线以下列图所表示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。举例图1-16温度控制系统过渡过程曲线自动控制系统基本概念第41页第四节自动控制系统过渡过程和品质指标解

最大偏差A＝230-200＝30℃余差C