測量儀表與自動化3

1、共三十五頁第三篇 過程(guchng)控制系統(tǒng)13 自動控制系統(tǒng)的基本概念13.1自動控制系統(tǒng)組成及分類13.2 過渡過程及品質(zhì)指標14 簡單控制系統(tǒng)15 復(fù)雜(fz)控制系統(tǒng)16 典型操作單元的控制方案共三十五頁第十三章 自動(zdng)控制系統(tǒng)的基本概念13.1自動(zdng)控制系統(tǒng)組成及分類13.1.1 自動控制系統(tǒng)的組成 13.1.2 自動控制系統(tǒng)的表示方式 13.1.3 自動控制系統(tǒng)的主要特點13.1.4 自動控制系統(tǒng)的分類13.2 過渡過程及品質(zhì)指標共三十五頁13.1.1 自動(zdng)控制系統(tǒng)的組成 例13-1:液罐液位控制(kngzh) 人工控制： 眼睛：觀察當前的液位值；

2、（測量） 大腦：根據(jù)當前液位與工藝期望值的偏差，發(fā)出操作命令，包括大小和方向；（控制）手：執(zhí)行大腦的控制命令，通過手改變閥門開度；（執(zhí)行） 反復(fù)進行步驟，直到液位達到期望值。 影響液位因素：入口壓力，出口壓力流量等；共三十五頁13.1.1 自動(zdng)控制系統(tǒng)的組成 例13-2：原油加熱爐出口溫度控制人工控制 眼睛(yn jing)：觀察當前的溫度值；（測量） 大腦：根據(jù)當前溫度與工藝期望值的偏差，發(fā)出操作命令，包括大小和方向；（控制）手：執(zhí)行大腦的控制命令，通過手改變閥門開度；（執(zhí)行） 反復(fù)進行步驟，直到溫度達到期望值。 影響溫度因素：原油入口流量、成份、溫度，燃料油壓力、成份等；共三十

3、五頁13.1.1 自動(zdng)控制系統(tǒng)的組成 自動控制：用自動化儀表來實現(xiàn)上述人工控制過程。 變送器：代替(dit)眼睛，觀察當前值；（測量） 控制器：代替大腦：分析、判斷；（控制）執(zhí)行器：代替手，執(zhí)行的控制器命令，通過手改變閥門開度；（執(zhí)行）共三十五頁13.1.1 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成 自動控制系統(tǒng)一般由測量變送、控制器、執(zhí)行器和被控對象(duxing)組成。被控對象 ：也稱對象。是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。如加熱爐和液罐。 自動化儀表：變送器測量被控變量，并將其轉(zhuǎn)換為標準信號的輸出，作為測量值。控制器也稱調(diào)節(jié)器。將被控變量的設(shè)定值與測量值進行比較，并按一定規(guī)律運算

4、發(fā)出操作命令。執(zhí)行器通常指調(diào)節(jié)閥，和普通閥的功能一樣，能自動地根據(jù)控制器送來的控制信號改變閥門的開度 。共三十五頁1.方框圖(Block Diagram，方塊圖)說明：（1）每個方框都代表系統(tǒng)中一個具體儀表裝置（或?qū)ο螅?）圖中每一條線代表系統(tǒng)中的一個變量信號，線上的箭頭表示信號傳遞方向。箭頭指向方框表示方框的輸入，箭頭離開方框表示方框的輸出；（3）系統(tǒng)的輸出直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫反饋（4）同一種(y zhn)形式的方框圖可代表不同的控制系統(tǒng)。13.1.2 自動控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 共三十五頁13.1.2 自動控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 1.方框圖(Bl

5、ock Diagram)舉例(j l)：水罐干擾分析： D：進料流量的變化等。共三十五頁1.方框圖(Block Diagram)測量變送器(Measurement transmitter)把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準信號的裝置控制器(Controller) 計算測量與給定的偏差，并對偏差信號按預(yù)先設(shè)定(sh dn)好的控制規(guī)律進行運算，輸出控制型號控制執(zhí)行器動作執(zhí)行器(Actuator）根據(jù)控制器的輸出完成對被控的控制10 3. 自動(zdng)控制系統(tǒng)的方框圖共三十五頁1. 方框圖(Block Diagram)被控對象(Controlled Object)被控制的工藝生產(chǎn)設(shè)備被控變量(Contr

6、olled Variable)要求(yoqi)實施控制的參數(shù)，一般是工藝操作的物理量操作變量(Manipulated Variable)實施控制作用的參數(shù)，一般是執(zhí)行器控制的物理量1113.1.2 自動控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 共三十五頁給定(i dn)值(Set Value，SV)工藝上希望保持的數(shù)值 測量值(Process Value, PV) 被控變量的實際測量數(shù)值偏差（Deviation Value，DV）測量值與給定值之差干擾(Disturbance)引起被控變量變化的各種因素12 3. 自動(zdng)控制系統(tǒng)的方框圖1. 方框圖(Block Diagram)共三十五頁1.

7、方框圖(Block Diagram)舉例1：液罐 被控對象：液罐 被控變量：液罐的液位 操縱變量：進料流量 測量變送器：液位變送器LT 控制器：液位控制器LC 執(zhí)行器：進料流量調(diào)節(jié)閥LV 干擾(gnro)分析D：進料流量的變化等。13.1.2 自動控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 共三十五頁2.方框圖(Block Diagram)舉例2：加熱爐 被控對象：加熱爐 被控變量：爐出口溫度 操縱變量：燃料油流量 測量變送器：溫度變送器TT 控制器：溫度控制器TC 執(zhí)行器：燃料油調(diào)節(jié)閥 干擾分析：D1:原油(yunyu)入口流量、成份、溫度； D2:燃料油壓力、成份； D3:環(huán)境溫度等13.1.2 自

8、動(zdng)控制系統(tǒng)的表示方式 共三十五頁13.1.2 自動(zdng)控制系統(tǒng)的表示方式 被控(bi kn)對象輸入輸出示意圖廣義對象：除控制器外其它環(huán)節(jié)合并成的環(huán)節(jié)共三十五頁2.工藝控制(kngzh)流程圖（PCD Process Control Diagram）在工藝流程圖（PFD Process Flow Diagram）上用圖形符號直觀表示出控制方案，稱為工藝控制流程圖。13.1.2 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的表示方式 TT溫度變送器 TC溫度控制器FT流量變送器 FC流量控制器 PT壓力變送器 PC壓力控制器LT液位變送器 LC液位控制器共三十五頁3.管道儀表流程圖（

9、P&ID Piping and Instrument Diagram）定義：管道儀表流程圖（P&ID）是借助統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字代號，用圖示的方法把建設(shè)化工工藝裝置所需的全部設(shè)備、儀表、管道、閥門及主要管件，按其各自的功能，為滿足工藝要求和安全要求而組合起來的技術(shù)文件，以起到描述工藝裝置的結(jié)構(gòu)和功能的作用。 不僅是設(shè)計、施工的依據(jù)，也是企業(yè)(qy)管理、試運轉(zhuǎn)、操作、維修等各方面所需完整技術(shù)資料的一部分。 圖例符號的統(tǒng)一規(guī)定圖中小圓圈表示某些自動化儀表，圓內(nèi)寫有兩位(或三位)字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能。13.1.2 自動(zdng)控制系統(tǒng)的表示方式 共三十五頁1

10、3.1.2 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的表示方式 3.管道儀表(ybio)流程圖（P&ID Piping and Instrument Diagram）舉例：共三十五頁13.1.3 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的主要特點1.構(gòu)成負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋正反饋：反饋信號與輸入極性相同 Dv=Sv+Pv負反饋：反饋信號與輸入極性相反 Dv=Sv-Pv 自動控制系統(tǒng)必須采取負反饋，才能起到糾正偏差的作用。 若采取正反饋，不僅不能克服干擾的影響，反而使系統(tǒng)的偏差越來越大，直至超出安全極限而破壞生產(chǎn)。 自動控制系統(tǒng)不能單獨(dnd)采用正反饋。2.控制作用的產(chǎn)生由偏差引起 偏差產(chǎn)生的控制

11、作用是系統(tǒng)沿減少或消除偏差的方向運動。共三十五頁13.1.3 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類1.按給定值的不同情況分為：(1)定值控制系統(tǒng)（Fixed Set-Point Control System）給定值恒定的控制系統(tǒng)。若要求控制系統(tǒng)的被控變量(binling)保持在一個生產(chǎn)指標上不變，或要求工藝參數(shù)的給定值不變，則采用定值控制系統(tǒng)。引起被控變量波動的原因:各種干擾控制目的：克服干擾設(shè)計重點:存在干擾的情況下如何將被控變量控制在所希望的給定值上石油石化行業(yè)中以定值控制系統(tǒng)為主共三十五頁13.1.3 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類1.按給定值的不同情況分為：(2)隨動

12、控制系統(tǒng)（Follow-Up Control System）給定值不是固定的，是隨時間(shjin)不斷變化的，且不是預(yù)先規(guī)定好的 。 控制目的：使被控變量準確、快速地跟隨給定值的變化。例：比值控制/副回路共三十五頁13.1.3 自動(zdng)控制系統(tǒng)的分類1.按給定值的不同情況分為：(3)程序控制系統(tǒng)（Programmed Control System） 給定值也是變化(binhu)的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產(chǎn)指標需按一定的時間程序變化(binhu)。 共三十五頁13.1.3 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類其他分類：2. 按系統(tǒng)(xtng)的復(fù)雜程度（控制器的多少）分為

13、：(1)簡單控制系統(tǒng)（Simple Control System）生產(chǎn)過程自控中最簡單、最基本、應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)，解決了大多數(shù)的參數(shù)定值控制問題。(2)復(fù)雜控制系統(tǒng)（Follow-Up Control System）解決簡單控制系統(tǒng)無法解決的問題 在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加計算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜控制系統(tǒng)。共三十五頁第十三章 自動(zdng)控制系統(tǒng)的基本概念13.1 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)組成及分類13.2 過渡過程及品質(zhì)指標13.2.1 自動控制系統(tǒng)的過渡過程13.2.2 過渡過程的形式13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標共三十五頁13.2.1 自動控制系統(tǒng)的

14、過渡(gud)過程自動控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)：靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))：干擾及給定值均保持不變，被控變量不隨時間變化，整個系統(tǒng)處于相對平衡狀態(tài)，各個組成環(huán)節(jié)(hunji)都暫不動作，輸出信都處于相對靜止狀態(tài)（各變量(或信號)的變化率為零）。動態(tài)：當系統(tǒng)受到外來擾動，系統(tǒng)中各部分的輸入輸出都發(fā)生變化被控變量也將偏離原靜態(tài)值而隨時間變化若系統(tǒng)是穩(wěn)定的，經(jīng)一段時間，系統(tǒng)可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)過渡過程 從平衡狀態(tài)到達另一個新平衡狀態(tài)的過程共三十五頁13.2.2 過渡過程(guchng)的形式系統(tǒng)輸入采用階躍干擾(Step Function) 系統(tǒng)過渡(gud)過程分為：（1）振蕩過程： 發(fā)散振蕩/等幅振蕩/衰減振蕩（

15、2）非周期： 非周期發(fā)散/非周期衰減其中穩(wěn)定的過渡過程有： 衰減振蕩/非周期不穩(wěn)定的過渡過程有： 發(fā)散振蕩 等幅振蕩 非周期發(fā)散共三十五頁一般(ybn)以階躍干擾作用下，衰減振蕩過程為研究依據(jù)(快 準 穩(wěn))1.余差C residual error（準確性指標）新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。靜態(tài)指標，反映控制(kngzh)系統(tǒng)的控制(kngzh)精確度，希望越小越好。給定值階躍變化下的過渡過程 干擾階躍變化下的過渡過程13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標共三十五頁2.最大偏差A(yù)與超調(diào)量 maximum overshoot (衡量相對穩(wěn)定程度(chngd)指標)對定值系統(tǒng)衰減振蕩過程，最大偏差為第一個波的峰

16、值隨動控制系統(tǒng)，經(jīng)常采用超調(diào)量A或是衡量穩(wěn)定程度的指標，希望不要太大。(a)給定值階躍變化下的過渡(gud)過程 (b)干擾階躍變化下的過渡過程 圖13-8 過渡過程品質(zhì)指標示意圖13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標共三十五頁13.2.3 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的品質(zhì)指標3.衰減比 damping ratio （衡量相對(xingdu)穩(wěn)定性指標）過渡過程同方向前后相鄰兩峰值的比（表示衰減程度，習(xí)慣表示為 n:1 ）n1，發(fā)散振蕩；n1，等幅振蕩；n1，衰減振蕩。一般4:1至10:1為宜。(a)給定值階躍變化下的過渡過程 (b)干擾階躍變化下的過渡過程 圖13-8 過渡過程品質(zhì)指標示意圖

17、共三十五頁13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)(pnzh)指標4.調(diào)節(jié)時間（過渡過程時間）Ts residence time 系統(tǒng)快速性指標(zhbio)從干擾發(fā)生起至被控變量建立新的平衡狀態(tài)止的時間新平衡狀態(tài)：被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值的5(或2)(a)給定值階躍變化下的過渡過程 (b)干擾階躍變化下的過渡過程 圖13-8 過渡過程品質(zhì)指標示意圖共三十五頁13.2.3 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的品質(zhì)指標5.振蕩周期T oscillation period（相對穩(wěn)定性/系統(tǒng)(xtng)快速性指標)過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間。 n 相同時，T 與 Ts 成正比。給定值階躍變化下的過渡過

18、程 干擾階躍變化下的過渡過程共三十五頁13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)(pnzh)指標小結(jié)：對于控制系統(tǒng)，一般希望： C小、A(或 )小、Ts短、衰減比4:110:1之間過渡過程品質(zhì)的好壞，與控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)都有不同程度的關(guān)系 設(shè)計時，應(yīng)對每一個環(huán)節(jié)進行認真的考慮。注：（1）上述幾方面的性能要求通常是相互制約的。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，會使系統(tǒng)動態(tài)性能變差，甚至?xí)瓜到y(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定；反之，若強調(diào)系統(tǒng)動態(tài)過程平穩(wěn)性的要求，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的降低和動態(tài)過程的緩慢；由此可見，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性、高精度與動態(tài)穩(wěn)定性之間是一對矛盾。（2）不同控制系統(tǒng)，注重的指標不同，在選擇這些指標時應(yīng)根據(jù)具體的控制系統(tǒng)分清主次，區(qū)別輕重，對于主要(zhyo)的指標應(yīng)優(yōu)先保證。 共三十五頁33例:某化學(xué)反應(yīng)器工藝操作規(guī)定溫度為（80010）。為確保安全，控制中溫度最高不得超過850?，F(xiàn)運行的控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動下的過渡(gud)過程如示（1）分別求出最大偏差、余差、衰減比、