第一章--自动控制系统基本概念化工工艺

1、热工仪表,教材：厉玉鸣主编,化工仪表及自动化 （第五版）,化学工业出版社 主讲教师：张军颖,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目的 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目的,1).加快生产速度,降低生产成本,提高产品产量和质量；,3).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；,4).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

2、和体力劳动之间的差别。,2).减轻劳动强度,改善劳动条件；,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5060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、

3、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,第一节 生产自动化的主要内容 第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式 第三节 自动控制系统的分类 第四节 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

4、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。,1.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。,2.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。,3.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

5、将生产过程 投入运行或自动停车。,第一节 生产自动化的主要内容,4.自动控制系统,是对生产中某些关键性参数进行自动调节,使它们在受到 外界干扰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。,第一节 生产自动化的主要内容,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,一.自动控制系统的基本组成,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。,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。

6、 (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。,一.自动控制系统的基本组成,测量元件及变送器:检测参数(液位),将检测结果变成标准 信号进行输出。,1).自动化装置：,控制器:接受变送器送来的信号,与给定值 (液位)进行比较 得出偏差,并按某种运算规律算出结果,再将此结果以特定 信号(如电压、电流)发送出去。,执行器: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。,一.自动控制系统的基本组成,一.自动控制系统的基本组成,2).被控对象:对其工艺参数进行控制的机器或设备。 它可是一段管道、一台设备或设备的某一部分,如各种 反应

7、器、换热器等。,二.自动控制系统的表示形式,定义:控制系统中每个环节功能和信号流向的图解表示。 是控制系统进行理论分析、设计中常用的一种形式。,1. 方框图,组成:方框、信号线、比较点、引出点。,方框:表示系统中一个组成部分,方框内添入表示自身特性 的数学表达式或文字说明;信号线:是带有箭头的直线段, 表示环节之间的相互关系和信号流向;比较点:表示对两个 或两个以上信号进行加减运算;引出点:表示信号引出,从 同一位置引出的信号在数值和性质完全相同。,输入信号:作用于方框上的信号;输出:由方框送出的信号。,二.自动控制系统的表示形式,方框图的作用:用箭头表示自动控制系统各个组成环节之 间的相互影

8、响和信号联系。,1. 方框图,被控对象:在生产过程中需保持其工艺参数稳定的设备或 装置。可是一台的设备或设备的某一部分。,干扰作用f:在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来 因素,它是输入信号 (进料流量的改变)。,被控变量y:生产过程中需保持恒定的变量(液位) 。,控制作用:用来克服外界干扰,使被控变量恢复到给定值的 操作(阀门的开度变化)。,二.自动控制系统的表示形式,操纵变量q:具体实现控制作用的变量(出料流量)。 操纵介质:实现控制作用的物料(流过阀门流体)。,偏差:给定值与测量值之间的差值。,给定值:被控变量的期望值,可固定也可按程序变化。,二.自动控制系统的表示形式,画出该温度控

9、制系统的方块图,指出被控对象、被控变量、 操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？,自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统,反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系 统的输入端,并加入到输入信号中的作法。,负反馈:反馈信号使原来的输入信号减弱(e=x-z)。 正反馈:反馈信号使原来的输入信号增强(e=x+z)。,负反馈系统,增强了受干扰后的变化趋势,导致系统崩溃或达到极限值, 从而使系统不稳定。,正反馈系统,例如炸弹的爆炸、电子振荡器中振荡过程的产生等都是 正反馈系统。,自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统,由于没有负反馈不能随时了解被控对象的情况而改变自 己的操作状态,这是开环系

10、统的缺点。,闭环系统的优点:可随时了解被控对象的情况,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, 使系统的工作状态始终等于或接近所希望的状态。,自动检测、自动操纵等是开环系统。,自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统,题11:试画出该温度控制系统的方块图,指出该系统中的被 控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干 扰是什么？,被控对象:反应器; 被控变量:温度; 操纵变量:冷却水的流量; 干扰:进料的流量和温度变化、传热系数、冷却水温度变化、保温情况等。,思考题：请画出液位控制系统方块图并指明被控对象、被控变量、操纵变量及可能出现的干扰因素。,2. 管道及仪表流程

11、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。确定控制方案包括各测量点的选择.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.自动控制系统的表示形式,定义:是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程上 描述生产过程控制的原理图,是控制系统设计、施工中 采用的一种图示形式。,自动信号与联锁保护系统,测量点,控制点,控制系统,本书的规定按化工部设计标准HG/T20505-2000过程测 量和控制仪表的功能标志及图形

12、符号。,(1).图形符号, 测量点(包括检测元件、取样点):由工艺设备轮廓线或 工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点,一般无特定的图 形符号。, 连接线:用细实线表示。连接线交叉、相接及信号传 递方向,如图1-6。,2. 管道及仪表流程图, 仪表(包括检测.显示.控制)的图形符号:一个细实线圆圈,直径约10mm。仪表安装位置不同的符号如表1-1。,(1).图形符号,(2).字母代号,被测变量和仪表功能的字母代号,仪表小圆圈的上半圆内, 一般写有两位或两位以 上字母。,第一位字母表示被测变量,后继字母表示仪表的功能,(3). 仪表位号:由字母代号和阿拉伯数字编号两部分组成。,通过控制流程图,可看到

13、每台仪表的测量点位置、被测变 量、仪表功能、工段号、仪表序号、安装位置等。,第一位数字表示工段号,后续数字表示仪表序号,测量点.被测量. 仪表功能.工段号. 序号.安装位置,自动控制系统方框图与仪表流程图的区别,自动控制系统方框图:方框与方框之间的连接线,只是代表 方框之间的信号联系,并不代表方框之间的物料联系。方 框之间的连接线箭头也只是代表信号作用的方向。,仪表流程图:工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设 备进入另一个设备。方框与方框之间的连接线,代表方块 之间的物料联系。,第三节 自动控制系统的分类,按被控量分:如温度、压力、液位等控制系统。 按控制器的控制规律分:比例控制、积分控制、

14、微分控制、 比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。 按系统功能与结构分:单回路;串级.比值.选择性. 前馈等 复杂控制系统；解耦等先进控制系统和程序控制系统。,定值控制系统:要求被控变量的给定值不变。(如温度)。 随动控制系统:给定值是随机变化的。可使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。 程序控制系统:给定值是变化的,它是一个已知的时间函数, 即生产技术指标须按一定的时间程序变化。,按被控变量的给定值的变化情况分：,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:被控量不随时间变化.自动化装置保持原来的 平衡状态。,系统处于相对平衡状态,即

15、系统中各信号变化率为零。,系统在静态时,生产还在进行,物料和能量仍有进有出,只是平稳进行没有改变。,动态:被控变量随时间变化的不平衡状态。,因干扰作用破坏了系统原静态, 变量发生变化, 自动化装置 就产生控制作用克服干扰的影响, 使系统恢复平衡。从干 扰发生开始,直到系统重新平衡,所处的状态,就是动态。,过渡过程:系统从一平衡状态过渡到另一平衡状态的过程。,阶跃干扰作用:它比较突然,比较危险,对被控量影响最大。,二、控制系统的过渡过程,过渡过程中被控量是随时间变化的,其变化规律与干扰信 号的形式有关。,系统的稳定性:系统受到干扰 作用后,输出变量最终能返回 到原平衡状态或其附近,称系 统为稳定

16、。,在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：,二、控制系统的过渡过程,(a)非周期衰减过程,1.非周期衰减过程,被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化,没有来回波动, 最后稳定在某一数值上。,在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：,二、控制系统的过渡过程,(b)衰减振荡过程,2.衰减振荡过程,被控变量上下波动,但幅值逐渐减少,最后稳定在某一 数值上。,在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：,二、控制系统的过渡过程,(c)等幅振荡过程,3.等幅振荡过程,被控变量在给定值附近来回波动,且波动幅度保持不变。,在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：,二、控制系统的过渡过程,(d)发散

17、振荡过程,4.发散振荡过程,被控变量来回波动,且波动幅度逐渐变大,即偏离给定值 越来越远。,y被控变量离给定值的变化量,三、控制系统的品质指标,最大偏差(A):在过渡过程中,被控量偏离给定值的最大量。 最大偏差越小越好。,超调量(B):在过渡过程中,第一个峰值A与新稳态值C之差, 即B=A-C。,衰减比(n):前后相邻两个峰值的比。反映衰减程度的指标, n=B:B,实践表明:n处于410之间合适。,余差(C):新的稳态值与给定值之差。余差越小越好。 过渡时间(ts):从干扰开始,到被控量进入新稳态值的5% (2%)的范围内且不再越出时为止所经历的时间。 过渡时间越短,系统控制质量高。,三、阶跃

18、干扰作用下衰减振荡过程的品质指标,振荡周期(频率):同向两波峰(或波谷)之间的时间间隔, 为振荡周期。周期越短越好。,这些指标在不同的系统中各有其重要性,且互相间即有矛 盾,又有联系。要分清主次,首先保证对生产过程有决定性 意义的主要品质指标。,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素,三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标,工艺过程部分(被控对象)和自动化装置部分(测量与变 送器、控制器、执行器)。主要是对象的性质,但自动 化装置应按对象的性质加以选择和调整。,例:某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如右图。试求最大偏差.余差.衰减比.振荡周期和过渡时间(给定值为200)。,解：最大偏差: A=230-200=30 ,余差:C=205-200=5 ,衰减比:B:B= (230-205):(210-205)=5:1,振荡周期: T=20