化工儀表及其自動化控制課件第一章自動控制系統(tǒng)基本概念.ppt

1、化工儀表及自動化,化工與制藥學院 周冬菊 bunny_,你,目的和意義,在化工等連續(xù)性生產(chǎn)設備上，配備一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進行，稱為化工自動化。 實現(xiàn)化工自動化的目的是： 加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量。 降低勞動強度，改善勞動成本。 確保生產(chǎn)安全 學習本課程的意義在于：擴大知識面，適應生產(chǎn)現(xiàn)代化需要；擴大就業(yè)途徑。,先為不可勝，而后為可勝！,化工自動化的發(fā)展歷程,1950s1960 s 基地式氣動單元儀表，基地式電動單元儀表，膜片式儀表。為化工單元操作的發(fā)展提供了技術支撐。 1970 s1980 s 單元組合型儀表：QDZ，DD

2、Z 1990 s 單元組合型儀表：QDZ ，DDZ ,本課程主要內(nèi)容,基本概念 控制系統(tǒng) 控制對象 儀器儀表 測量 顯示 調(diào)節(jié) 執(zhí)行 調(diào)節(jié)系統(tǒng)（簡單系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)） 計算機控制系統(tǒng)（系統(tǒng)構(gòu)成、接口與轉(zhuǎn)換）,主要參考書目,化工儀表及自動化（第四版） 厲玉鳴 主編，化學工業(yè)出版社 化工儀表及自動化習題集 厲玉鳴 主編，化學工業(yè)出版社 化工過程控制工程（第二版） 王驥程 祝和云 主編，化學工業(yè)出版社 化工過程控制基礎 化學工業(yè)出版社,第一章 自動控制 系統(tǒng)基本概念,化工自動化的主要內(nèi)容 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成及方塊圖 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類 自動調(diào)節(jié)的過度過程和系統(tǒng)品質(zhì)指標 工藝管道及控制流程圖,第一節(jié) 化

3、工自動化的主要內(nèi)容,自動檢測系統(tǒng) 利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)進行測量、指示和記錄的。 自動信號和連鎖保護系統(tǒng) 生產(chǎn)過程中的一種安全裝置 自動操縱與自動開停車系統(tǒng) 可以根據(jù)預先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設備進行某種周期性操作 可以按照預先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動投入運行或自動特車 自動控制系統(tǒng) 使得某些關鍵性的控制參數(shù)在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自動地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。,第二節(jié) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng)的 4 個基本環(huán)節(jié)： 被控對象、檢測儀表(測量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器,幾個常用術語 ： （1）被控對象 需要實現(xiàn)控制的設備、機械或生產(chǎn)過程稱為被控對象，簡稱對象。

4、 （2）被控變量 對象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按某一規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。 （3）控制變量（操縱變量） 受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。 （4）干擾（擾動） 除控制變量（操縱變量）以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。 （5）設（給）定值 工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。 （6）偏差 偏差本應是設定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設定值與測量值之差定義為偏差。,自動控制系統(tǒng)方塊圖,反饋是控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過測量變送返回到控制系統(tǒng)的輸入端，并與設定值比較的

5、過程。 負反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出減小的反饋類型 正反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出增加的反饋類型 工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應為負反饋。,閉環(huán)與開環(huán),閉環(huán)系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設定值進行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)根據(jù)設定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差。,開環(huán)系統(tǒng)的輸出沒有被反饋回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號進行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的輸出與設定值與測量值之間的偏差無關。,要實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反饋。,第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類,（一）按設定值的特點區(qū)分 （即將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量數(shù)值是否變化和如何變化

6、來分類）：,1、定值控制系統(tǒng)：設定值是由工藝要求給出的不變常數(shù) 通常要求被控變量盡量與設定值保持一致。 2、隨動控制系統(tǒng)：設定值隨時間不斷發(fā)生變化 （自動跟蹤系統(tǒng)）通常要求被控變量盡可能地與設定值一起變化。 3、程序控制系統(tǒng)：可以理解為隨動控制設定值是一個已知時間函數(shù) （順序控制系統(tǒng)）即生產(chǎn)技術指標按一定時間程序變化,（二）按補償干擾的方法分,反饋,干擾f（t）被控變量調(diào)節(jié)器 操作變量補償干擾,前饋,干擾f（t）變送器補償器 操作變量補償干擾,前饋+反饋,（三）按控制系統(tǒng)的復雜程度區(qū)分,簡單控制系統(tǒng) 復雜控制系統(tǒng),（四）按控制變量的名稱區(qū)分,溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) ,（五）按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分,

7、P、PI、PD、PID、預估控制 ,（六）按被控變量對操作變量的影響分 閉環(huán)控制系統(tǒng)如：反饋控制 開環(huán)控制系統(tǒng)如：前饋控制,第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標,一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）與動態(tài),控制系統(tǒng)的作用：盡可能使被控變量與設定值保持一致（或隨設定值一起變化），當被控變量受干擾影響而偏離設定值時，控制作用必須驅(qū)使它（被控變量）回到設定值。,由于干擾沒有嚴格的變化規(guī)律（否則也不能稱之為干擾），因此系統(tǒng)中的有關參數(shù)也都是隨時間變化的。,靜態(tài)：被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。 如果控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，假設設定值和干擾都保持不變，經(jīng)過足夠長的時間，控制系統(tǒng)中各參數(shù)必然會到達一個“相對

8、”平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)就是所謂的“靜態(tài)”，在控制領域中更多的稱之為“穩(wěn)態(tài)”。 在工業(yè)對象的設計過程中，需要從物料平衡、能量平衡、傳熱、傳質(zhì)、化學反應速度與平衡等方面進行大量的計算，這些計算結(jié)果就是設計的依據(jù)，這部分內(nèi)容就屬于系統(tǒng)“靜態(tài)”特性的范疇。 從理論上講，這些計算結(jié)果能保證系統(tǒng)運行在平衡狀態(tài)（物料平衡、能量平衡等），設想設計蒸發(fā)系統(tǒng)中蒸汽壓力突然發(fā)生變化或某個測量信號受到電磁干擾而發(fā)生變化，系統(tǒng)用何種方式來克服這些干擾，僅用“靜態(tài)”的概念就不能很好地解決這些困難。,動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。 如果系統(tǒng)原來處于相對平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化，此時控制系統(tǒng)發(fā)生作

9、用，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)執(zhí)行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設定值來，這么一個從干擾發(fā)生、系統(tǒng)控制、直到重新建立平衡的過程稱為“動態(tài)”過程。 工藝設計主要圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作，自動控制是在“靜態(tài)”特性基礎上研究其“動態(tài)”特性當系統(tǒng)失去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。 如何來評價自控系統(tǒng)的質(zhì)量？ 必須分析“系統(tǒng)失穩(wěn)以后能否重新回到平衡狀態(tài)”、“從系統(tǒng)失穩(wěn)到重新回到平衡狀態(tài)”這個過程的各種指標。,過渡過程：受到干擾作用后系統(tǒng)失穩(wěn)，在控制系統(tǒng)的作用下，被控變量回復到新的平衡狀態(tài)的過程。 在分析和設計控制系統(tǒng)時，往往選定階躍信號作為輸入。 階躍干擾：在

10、某一瞬間t0干擾突然階躍式地加入系統(tǒng)， 并保持在這個幅值。 階躍干擾比較突然、比較危險、對控制系統(tǒng)的影響也最大、 設計過程容易產(chǎn)生階躍干擾。 對于一個控制系統(tǒng)，如果能有效克服階躍干擾，肯定能很好地克服 其它變化比較緩和的各種干擾。 幾種典型的過渡過程：,二、控制系統(tǒng)的過渡過程,幾種典型的過渡過程：,？,X,X,一般是不允許的 除開關量控制回路,通常要評價和討論一個控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣，其標準有二大類： 以系統(tǒng)受到階躍輸入作用后的響應曲線的形式給出。主要包括： 最大偏差（超調(diào)量）、 衰減比 余差 過渡時間 振蕩周期（振蕩頻率） 以誤差性能指標的形式給出，一般指偏差對某個函數(shù)的積分。主要包括： 平方誤

11、差積分指標 時間乘平方誤差積分指標 絕對誤差積分指標 時間乘絕對誤差積分指標 當這些值達到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。,三、控制系統(tǒng)的控制指標,以階躍響應曲線的形式表示的品質(zhì)指標（和初值有關，這里只分析變化量）,分兩種情況：,階躍干擾作用下的過渡過程（設定值固定，加一階躍干擾）定值系統(tǒng),階躍給定作用下的過渡過程（設定值變化）隨動系統(tǒng),階躍干擾作用下的過渡過程（設定值固定，加一階躍干擾）定值系統(tǒng),最大偏差emax：,衰 減 比n：,余差 e()：,過渡時間tp：,振蕩周期：,階躍給定作用下的過渡過程（設定值變化）隨動系統(tǒng),超調(diào)量：,衰 減 比n：,余差 e()：,過渡時間tp：,振蕩周期

12、：,自動控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：,最大偏差（超調(diào)量）？,衰減比？,余差？,過渡時間？,振蕩周期？,n1等幅振蕩 n1發(fā)散振蕩 n1衰減振蕩 不振蕩,為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優(yōu)的結(jié)果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程 不振蕩：不便于操作人員掌握。,答：越小越好,答：越小越好,答：越小越好,答：斷好,固定因素：對象特性 測量儀表特性 執(zhí)行器特性 補償因素：控制器特性這是自動控制的主要研究內(nèi)容,四、影響控制指標的主要內(nèi)容,例,某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間(

13、給定值為200)。,解：1、最大偏差：A23020030 2、余差C2052005 3、第一個波峰值B23020525 第二個波峰值B2102055 衰減比n25：55：l。 4、振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T20515(min) 5、過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的2，就可以認為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200(2)4，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值(205)兩側(cè)以寬度為4畫一區(qū)域，圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進入這一區(qū)域且不再越出，過渡過程就可以認為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。,第五節(jié) 工藝管道、儀表流程圖（P

14、&ID）,(1)圖形符號檢測點,一般是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點,必要時也可以用象形或圖形符號表示,(2)圖形符號連線,通用的儀表信號線均以細實線表示,(3)圖形符號儀表符號,儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm,就地安裝儀表,就地安裝儀表嵌在管道中,集中儀表盤面安裝儀表,就地儀表盤面安裝儀表,集中儀表盤后安裝儀表,就地儀表盤后安裝儀表,同一個檢測點，有兩個或多個測量，可用兩個或多個相切的圓表示,ATTENTION 管道、儀表流程圖的圖形符號不是完全標準一致的，國內(nèi)與國外、不同設計單位之間、甚至不同設計人員之間，有些方面會有不同的標注習慣，一般來說P&ID圖會有圖例給出。 例如，國內(nèi)設計院一般較少用多個圓相切的形式來表示復合儀表，而