化工仪表及自动化第1章自动控制系统概述.ppt

1、课程概况,授课学时： 32学时 配套课程： 化工仪表及自动化实验（16学时） 所用教材：化工仪表及自动化 厉玉鸣 化学工业出版社 第五版 参考教材：过程自动化及仪表俞金寿 化学工业出版社 第二版 等 考核方式： 闭卷考试成绩（70%）+平时成绩（30%） 基础知识： 电路、电工、计算机,化工仪表及自动化,仪表？,课程概况,课程概况,课程概况,化工厂中央控制室,课程概况,自动化系统概述,过程特性 检测变送 控制器 执行器,简单控制系统,复杂控制系统,先进控制系统,典型控制系统,概念 控制系统组成 系统设计及参数设定 趋势,化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及表示形式 自动控制系统的分类

2、 自动控制系统的过渡过程和品质指标,第一章 自动控制系统基本概念,过程自动化 【定义】：是指在机器、设备上配置一些装置，代替人工的部分直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理生产过程的方法称为过程自动化。,自动化？,40,化工自动化 指在化工机器、设备上配置一些装置，代替人工的部分直接劳动，使化工生产过程在不同程度上自动地进行。 这种用自动化装置来管理化工生产过程的方法称为化工自动化。,第一节 化工自动化的主要内容,第一节 化工自动化的主要内容 P3,1. 自动检测系统 “了解”生产任务,4. 自动控制系统核心,2. 自动信号和联锁保护系统安全装置 3. 自动操纵及自

3、动开停车系统,图1-2 人工操作图,图1-3 液位自动控制系统图,人工操作与自动控制比较图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,自动控制系统的组成,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,扰 动：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素 设定值：工艺参数所要求保持的数值 偏 差：被控变量的设定值

4、与实际值之差 负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减,加热炉的温度控制系统,被控对象：,被控变量：,操纵变量：,扰动：,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,加热炉,物料出口温度,燃料油流量,原料温度、燃料油热值等,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，整个系统构成了一个闭环。 -优点：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，达到被控变量与设定值始终保持一致。 -缺点：控制不及时；如果系统内部各个环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至失去控制。 开环控制 -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

5、。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,举例,方框图,液位自动控制系统方框图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,执行器,广义对象,控制器,每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。,注意！,方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统,第二节 自动控制系

6、统的基本组成及表示形式,用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统,蒸汽加热器温度控制系统,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,管道及仪表流程图（PID图）,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,图1-6脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图 塔顶出乙烷和更轻组分(如乙烯、甲烷)，塔底出丙烷和更重组分。,举例,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,图1-6脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,举例,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,一、图形符号 1. 测试点（包括检出元件、取样点）,2. 连接线,3. 仪表（包括检测、显示、控制

7、）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,表1-1 仪表安装位置的图形符号表示 P9,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的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），如下图所示。,图1-9 复式仪表的表示法,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,二、字母代号,在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继

8、字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,R=R+I,灯 Lamp,高,三、仪表位号,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的下半部，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。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,如果同一个仪表回路中有两个以上具有相同功能的仪表，可用仪表位号后附加尾缀（大写英文字母）加以区别，如： PT-202A，PT-202B； PV-201A，PV-201B,液位指示、联锁、报警,液位高度指示灯,第二节 自动控制系统的基本组成及

9、表示形式,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,图示为超细碳酸钙生产工艺中炭化部分的工艺管道及控制流程图，,CO2,泵,第三节 自动控制系统的分类,几种分类方法 按被控变量来分类 液位、温度、压力自动控制系统。 按控制器具有的控制规律来分类 比例、积分、微分 将被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类,其中第三种分类方法最普遍,第三节 自动控制系统的分类,给定值x可以是外部给定，也可以是内给定。,第三节 自动控制系统的分类,1.定值控制系统,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,3.程序控制系统（顺序控制系统）,根据给定值的不同情况，将自动控制系统分为三类,第三节 自动控制系统的分类,1. 定

10、值控制系统,- 给定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。 -克服干扰的影响,电阻丝加热恒温箱温度控制系统,第三节 自动控制系统的分类,2. 随动控制系统（自动跟踪控制）,- 给定值不断地变化，而且这种变化不是已知的、预先规定好的，而是随机的。并要求系统的输出（被控变量）随之变化。,- 给定值按一定的时间程序变化。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 ,f(t) 如马弗炉程序升温系统,3. 程序控制系统（顺序控制系统）,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,自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对

11、象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。,动态被控变量随时间变化的不平衡状态 。,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，整个系统的各个环节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，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,二、控制

12、系统的过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,当干扰作用于对象，系统被控变量发生变化，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,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,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。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,信号常见形式,斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,阶跃信号,数学表达式为：

13、,当A=1时称为单位阶跃信号。,特 点,易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。 在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，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，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,第四节 自动控制系统的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的四种形式,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,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在

14、位式控制时），才可采用。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,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,综合控制指标,三、控制系统的品质指标,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,三、控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量系统品质的依据。,图1-10 过渡过程品质指标示意图,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,1、最大偏差或超调量 2、衰减比 3、余差 4、过渡时间 5、振荡周期或频率,五种重要品质指标之一,1. 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。 超调量定义：第一个

15、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。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,2. 衰减比 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。,五种重要品质指标之二,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,衡量系统稳定性的指标,五种重要品质指标之三 3. 余差 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无

16、差调节和无差系统。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,控制系统是按照偏差控制，控制结果的好坏是根据余差衡量。,五种重要品质指标之四 4. 过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之五 5.震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,三、控制系统的品质指标,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,1、最大偏差或超调量 2、衰减比 3、余差 4、过渡时间 5、振荡周期或频率,

17、-精确性,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,自动控制系统,自动化装置,自动控制对象 （工艺部分）,换热器 温度对象 工业炉 温度对象 精馏塔 温度、液位对象 吸收塔 液位、流量对象 反应器 压力、温度对象 储 槽 液位、流量对象 输送设备 流量对象 ,变送器 测量与变送装置 控制器 执行器 调节阀等,主要任务是：按对象的特性设计、配置、整定自动控制系统，适应对象的特性，优化过渡过程品质指标。,某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。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1-1

18、1 温度控制系统过渡过程曲线,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,解 最大偏差A230-20030余差C205-200 由图上可以看出，第一个波峰值B230-20525， 第二个波峰值B2102055， 故衰减比应为B:B25:55:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔， 故周期T20-515（min） 过渡时间22min,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,第一章小结,1、自动控制系统的组成、方框图表现形式、PID图。 2、常用术语：被控对象、被控变量、扰动、操纵变量、扰动、闭环控制、开环控制、偏差、负反馈 3、自动控制系统过渡过程、快准稳的品质指标 前提条件是干扰是阶跃信号 最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期,某物料加热后与添加料混合，工艺要求混合时物料温度o稳定，工艺采用改变换热器蒸汽流量Qs来稳定罐内温度o 。影响o的因素有：阀前蒸汽压力Ps，冷物料流量Qi和温度i ，环境温度c等。 画出温度控制系统的方块图； 指出该控制系统的被控变量、操纵变量、被控对象及扰动； 若蒸汽阀前压力Ps突然变大时，简述该系统的控制过程。,图a为流量控制系统，主要克服阀前压力P1波动来稳定流量Q1 。图b是储槽液位控制系统，主要