化工自動(dòng)化及儀表第一章ppt課件

1、化工自動(dòng)化及儀表華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系.學(xué)習(xí)這門課的必要性：1、自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)用非常普遍 用在國(guó)民生活的各個(gè)方面，化工領(lǐng)域的運(yùn)用更加普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿消費(fèi)過(guò)程、滌綸短纖維消費(fèi)過(guò)程、制漿、造紙過(guò)程、制藥等等。2、工藝人員應(yīng)該掌握一定的控制系統(tǒng)的知識(shí) 才干設(shè)計(jì)合理的工藝，充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性，便于運(yùn)用與維護(hù)。.早期運(yùn)用模擬儀表的中央控制室.早期的DCS控制系統(tǒng).如今的DCS控制系統(tǒng).該課程的內(nèi)容1、自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2、過(guò)程特性3、檢測(cè)變送4、顯示儀表5、執(zhí)行器6、控制器7、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8、復(fù)雜控制系統(tǒng)9、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述本章的主要

2、內(nèi)容：1.1 自動(dòng)化及儀表開(kāi)展概述1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)1.3 控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及質(zhì)量目的.1.1 自動(dòng)化及儀表開(kāi)展概述控制實(shí)際的開(kāi)展經(jīng)典控制實(shí)際:20世紀(jì)40年代20世紀(jì)50年代Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點(diǎn)：主要從輸出與輸入量的關(guān)系方面分析與研討問(wèn)題。.適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。以傳送函數(shù)為根底，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進(jìn)展分析與設(shè)計(jì)PID控制規(guī)律是古典控制實(shí)際最輝煌的成果之一.現(xiàn)代控制實(shí)際:20世紀(jì)60年代獲得迅猛開(kāi)展其主要內(nèi)容為： 根底線性系統(tǒng)實(shí)際，最優(yōu)控制理 論，最正確估計(jì)實(shí)際，系統(tǒng)辨識(shí)等。特點(diǎn)： 從輸

3、入-形狀-輸出的關(guān)系全面地分析 與研討系統(tǒng)。適用范圍： 不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線 形時(shí)變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸 入、多輸出的情況。.大系統(tǒng)實(shí)際:20世紀(jì)70年代開(kāi)場(chǎng)將現(xiàn)代控制實(shí)際與系統(tǒng)實(shí)際相結(jié)合智能控制實(shí)際:不需求建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型中心思想： 系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍： 高維線性系統(tǒng).控制系統(tǒng)構(gòu)造及儀表的開(kāi)展控制系統(tǒng)構(gòu)造的開(kāi)展基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路就地式液位控制器及自力式溫度控制器單元組合式按功能劃分，然后組合： 有DDZ, QDZ，20世紀(jì)60年代，儀表之間用規(guī)范一致信號(hào)聯(lián)絡(luò)計(jì)算機(jī)：DDC,20世紀(jì)70年代 DCS集散控制系統(tǒng)先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：CIPS、FCS，

4、20世紀(jì)80年代以后. 自動(dòng)化儀表的開(kāi)展模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表.當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)展的一些主要特點(diǎn)過(guò)程優(yōu)化遭到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國(guó)際一致規(guī)范的開(kāi)放式系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)CIPS是開(kāi)展方向.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包表示圖鍋爐設(shè)備的控制義務(wù)主要是：根據(jù)消費(fèi)負(fù)荷的需求，供應(yīng)一定規(guī)格壓力、溫度的蒸汽，同時(shí)使鍋爐在平安、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。鍋爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng)有：1鍋爐汽包水位的控制3過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制2鍋爐熄滅的控制.汽包水位是鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)的主要目的，維持水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐平安運(yùn)轉(zhuǎn)的首要條件。蒸汽汽包省煤器給水圖1-1

5、鍋爐汽包表示圖水位過(guò)高：影響汽包內(nèi)的汽水分別，飽和水蒸汽帶水過(guò)多，會(huì)使過(guò)熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降，作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話會(huì)損壞葉片，影響運(yùn)轉(zhuǎn)的平安及經(jīng)濟(jì)性。.蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包表示圖水位過(guò)低：汽包內(nèi)水較少，負(fù)荷很大時(shí)，水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量急速減少，如不能及時(shí)得到控制，那么會(huì)燒干，燒壞水冷壁，甚至爆炸。.手動(dòng)控制的步驟：蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包表示圖(2)把察看到的實(shí)踐數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏向的大小及變化情況做出判別，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。(1)察看液位數(shù)值；.蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包液位自動(dòng)控制

6、系統(tǒng)表示圖鍋爐汽包液位自動(dòng)控制系統(tǒng)LT：Level TransmitterLC：Level Controller.加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)TT：Temperature TransmitterTC：Temperature Controller管式加熱爐較為常見(jiàn)，溫度的高低直接影響產(chǎn)質(zhì)量量，溫度過(guò)高物料在加熱爐中會(huì)分解，甚至?xí)Y(jié)焦，會(huì)燒壞爐管.蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖術(shù)語(yǔ)過(guò)程被控對(duì)象：自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)要滿足要求需求控制的消費(fèi)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器。過(guò)程：鍋爐汽包被控變量：被控過(guò)程內(nèi)要求堅(jiān)持設(shè)定值的工藝參數(shù)被控變量：汽包液位.支配變量：受控制器支配的用以抑制干擾的影響，使被控變

7、量堅(jiān)持設(shè)定值的物料量或能量擾動(dòng)：除支配變量外，作用于被控過(guò)程并引起被控變量變化的要素支配變量：進(jìn)水流量蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖擾動(dòng)：進(jìn)水壓力、蒸汽流量.設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求堅(jiān)持的數(shù)值偏向：被控變量實(shí)踐值與設(shè)定值之差負(fù)反響：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖.加熱爐溫度控制系統(tǒng)過(guò)程：被控變量：支配變量：擾動(dòng)：加熱爐物料出口溫度燃料油流量被加熱原料油溫度、燃料油熱值等.閉環(huán)控制： 在反響控制系統(tǒng)中，被控變量的值被送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)展比較，根據(jù)偏向去控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。1.2.2閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制 蒸

8、汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖.閉環(huán)控制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：按偏向進(jìn)展控制，使偏向減小或消除，到達(dá)被控變量與設(shè)定值一致的目的。 閉環(huán)控制的缺陷：控制不夠及時(shí)；假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起猛烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖.開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需求對(duì)被控變量進(jìn)展丈量，只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)展控制，控制很及時(shí)。開(kāi)環(huán)控制：根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)的變化來(lái)進(jìn)展控制。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水開(kāi)環(huán)的液位控制系統(tǒng)又稱前饋控制。. 由于不丈量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)遭到其他擾動(dòng)作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無(wú)法消除偏向，這是開(kāi)環(huán)控

9、制的缺陷。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水開(kāi)環(huán)控制的缺陷：.開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)例比較1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制.1.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖 在研討自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚地表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，也可采用方框圖方塊圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)絡(luò)；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，分開(kāi)方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.檢測(cè)元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為丈量值y(t)。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與丈量值y(t)并輸出其差值

10、。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.控制安裝的作用是根據(jù)偏向的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制造用u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制安裝通常組合在一同，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接納控制器送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去改動(dòng)支配變量q(t)。. 通常將過(guò)程、執(zhí)行器、檢測(cè)元件與變送器的組合稱為廣義對(duì)象。 .閉環(huán)控制系統(tǒng)組成幾個(gè)重要概念：1信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等既是實(shí)踐的物理量，又作為信息來(lái)轉(zhuǎn)換和作用。前一環(huán)節(jié)的輸出是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。每一環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。.從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，輸入信號(hào)： 設(shè)定值和擾動(dòng) 輸出信號(hào)： 被控變量或丈量值閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.2閉環(huán)

11、：按信息的流向來(lái)說(shuō)3動(dòng)態(tài)：物理量是時(shí)間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制造用又使它回到設(shè)定值。 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類: 定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值堅(jiān)持不變?yōu)橐缓愣ㄖ档姆错懣刂葡到y(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 .1.2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類隨動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出被控變量隨之而變化。 程序控制系統(tǒng) 設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)知的時(shí)間函數(shù)，即根據(jù)需求按一定時(shí)間程序變化。 .例題： 以下圖為直接蒸汽加熱器的工藝流程圖，要求畫出以熱物料的出口

12、溫度為被控變量，蒸汽流量為支配變量的控制系統(tǒng)帶檢測(cè)控制點(diǎn)的工藝流程圖，指明該控制系統(tǒng)中的被控變量、支配變量、過(guò)程以及主要擾動(dòng)，畫出控制方案的方塊圖。蒸汽加熱器.解：蒸汽加熱器控制系統(tǒng)帶檢測(cè)控制點(diǎn)的工藝流程圖如下：.蒸汽加熱器控制系統(tǒng)的方塊圖如下：.1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及質(zhì)量目的蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖1.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)定態(tài)：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)假設(shè)能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止形狀。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性.動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的

13、關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說(shuō)，從輸入變化開(kāi)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種形狀稱為動(dòng)態(tài)。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性.1.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量即輸出隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間變化的過(guò)程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡形狀(靜態(tài))過(guò)渡到另一個(gè)平衡形狀靜態(tài)的過(guò)程。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動(dòng)控制系統(tǒng)表示圖.1.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 一切正常任務(wù)的反響系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng),對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng),要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入

14、時(shí)的被控變量的過(guò)渡過(guò)程為例，由于階躍作用很典型，實(shí)踐上也經(jīng)常遇到，其他類型的干擾都是階躍信號(hào)的變種。.定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的方式(階躍擾動(dòng)) 發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程最常用.單項(xiàng)控制目的僅適用于衰減振蕩過(guò)程穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性1.3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量目的綜合控制目的.最大動(dòng)態(tài)偏向或超調(diào)量是描畫被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)目的。 對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏向是指被控變量第一個(gè)振蕩波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏向就是第一個(gè)波的峰值。為A 1最大動(dòng)態(tài)偏向emax或超調(diào)量 穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()R(0

15、). 最大偏向表示系統(tǒng)的被控變量瞬間偏離給定值的最大程度。假設(shè)偏向越大，偏離的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常消費(fèi)越不利。要求小。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反響器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏向的允許值有所限制。.同時(shí)思索到干擾的延續(xù)出現(xiàn)，即當(dāng)?shù)谝粋€(gè)干擾還未去除時(shí)，第二個(gè)干擾能夠又出現(xiàn)了，偏向有能夠是疊加的，所以在決議最大偏向的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。.在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常采用超調(diào)量這個(gè)目的來(lái)表示被控變量偏離設(shè)定值的程度。A超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,假設(shè)系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏向就等于超調(diào)量。普通超

16、調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。ytBBC0.衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)目的。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。 2衰減比n衰減比n穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y().衰減比n n1:衰減振蕩。n越大，那么控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程接近于非振蕩過(guò)程。CtyBBA0n=1:等幅振蕩。n1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過(guò)程越猛烈，穩(wěn)定度也越低，.根據(jù)實(shí)踐操作閱歷，為堅(jiān)持足夠的穩(wěn)定裕度，普通希望過(guò)渡過(guò)程有兩個(gè)波左右，與此對(duì)應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1衰減率0.75衰減比10:1衰減率0.90CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性.3余差定義：控

17、制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。 余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)目的，實(shí)際上希望其為零，實(shí)踐上不超越預(yù)定的范圍即可。.上圖中， 在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于消費(fèi)過(guò)程的要求，并不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反響器的溫度控制要求高，余差就要小一些。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y().4回復(fù)時(shí)間過(guò)渡時(shí)間回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()定義：控制系統(tǒng)在遭到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值所需求的時(shí)間。實(shí)際上講，控制系統(tǒng)要完全到達(dá)新的平衡形狀需求無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。.實(shí)踐上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的某一范圍 內(nèi)且不再越出時(shí)為止所

18、閱歷的時(shí)間，可計(jì)為過(guò)渡時(shí)間。普通希望過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)or短？ytBB2%A0Ts短一些！.5振蕩頻率或振蕩周期在衰減比一樣條件下，振蕩周期與回復(fù)時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。定義：過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或任務(wù)周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。.其它一些次要目的：振蕩次數(shù)：是指在過(guò)渡過(guò)程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)。“理想過(guò)渡過(guò)程兩個(gè)波：是指過(guò)渡過(guò)程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來(lái)。上升時(shí)間：是指干擾開(kāi)場(chǎng)作用起到第一個(gè)波峰所需求的時(shí)間。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y().小結(jié)：主要目的有：最大偏向、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間。在實(shí)踐的系統(tǒng)中如何確定這些目的，要根據(jù)實(shí)踐情況來(lái)定。原那么：對(duì)消費(fèi)過(guò)程有決議性意義的主要質(zhì)量目的應(yīng)該優(yōu)先保證。.例題：某換熱器的溫度調(diào)理系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如以下圖所示。試分別求出最大偏向、衰減比、余差、過(guò)