第7章化工自動(dòng)化基礎(chǔ)

第七章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

化工自動(dòng)化是一切具有化工類型生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化的簡(jiǎn)稱前一篇我們著重介紹了工藝參數(shù)的自動(dòng)檢查本篇我們將著重介紹化工生產(chǎn)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成5組成自動(dòng)化裝置被控對(duì)象測(cè)量元件與變送器自動(dòng)控制器執(zhí)行器第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來(lái)表示控制系統(tǒng)的組成。方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入。箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。系統(tǒng)或環(huán)節(jié)uy系統(tǒng)或環(huán)節(jié)uy1.信號(hào)與變量載有變量信息的物理變量就是信號(hào)。箭頭指向方塊的信號(hào)表示施加到系統(tǒng)或環(huán)節(jié)上的獨(dú)立變量，稱為輸入變量箭頭離開方塊的信號(hào)表示系統(tǒng)或環(huán)節(jié)送出的變量，稱為輸出變量x

:設(shè)定值；z

:輸出信號(hào)；

e

:偏差信號(hào)；p:發(fā)出信號(hào)；

q

:出料流量信號(hào)；y

:被控變量；

f

擾動(dòng)作用。

2.液位自動(dòng)控制的方塊圖圖1-4液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖3、反饋把系統(tǒng)的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過(guò)一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫反饋x

取正值，z取負(fù)值，e=x-z，負(fù)反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。開環(huán)系統(tǒng)：自動(dòng)機(jī)在操作時(shí)，一旦開機(jī)，就只能是按照預(yù)先規(guī)定好的程序周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)被控變量如果發(fā)生了變化，自動(dòng)機(jī)不會(huì)自動(dòng)地根據(jù)被控變量的實(shí)際工況來(lái)改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對(duì)性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。114、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來(lái)分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來(lái)分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工藝過(guò)程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來(lái)分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍

“定值”是恒定給定值的簡(jiǎn)稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。131.定值控制方法2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）

給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）

給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用比較普通。自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10舉例化肥廠的造氣自動(dòng)機(jī)就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子自動(dòng)操縱裝置對(duì)象操縱作用工藝參數(shù)操縱指令小結(jié)第三節(jié)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)15自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。

當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。16靜態(tài)——被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。17動(dòng)態(tài)——被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)。

從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過(guò)控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。結(jié)論：在自動(dòng)化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，這就需要通過(guò)自動(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。18當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖1-7控制系統(tǒng)方塊圖二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒(méi)有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。

19采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。圖1-8階躍干擾作用20自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過(guò)渡過(guò)程的四種形式21非周期衰減過(guò)程衰減震蕩過(guò)程等幅震蕩過(guò)程

發(fā)散震蕩過(guò)程X√√對(duì)于控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時(shí)），才可采用。

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)（針對(duì)定值系統(tǒng)）最大偏差超調(diào)量衰減比振蕩周期余差23五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過(guò)程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量也可以用來(lái)表征被控變量偏離給定值的程度。2.衰減比

衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二243.余差

當(dāng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說(shuō)余差就是過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的控制過(guò)程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無(wú)差調(diào)節(jié)和無(wú)差系統(tǒng)。25五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三4.過(guò)渡時(shí)間

從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過(guò)渡過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過(guò)渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說(shuō)過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。26五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四5.震蕩周期或頻率

過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五28某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間（給定值為200℃）。舉例圖1-11溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線解

最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B＝230-205＝25℃，第二個(gè)波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）29

分析

過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的±2％，就可以認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±４℃畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過(guò)濾過(guò)程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過(guò)渡時(shí)間為22min。30四、影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素31

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過(guò)程部分（被控對(duì)象）和自動(dòng)化裝置部分。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)化儀表設(shè)備，通常包括測(cè)量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。

對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對(duì)象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對(duì)象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。32第一節(jié)識(shí)圖基礎(chǔ)控制流程圖 所謂帶控制點(diǎn)的工藝流程圖指在工藝物料流程圖的基礎(chǔ)上，用過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符號(hào)，描述生產(chǎn)過(guò)程控制內(nèi)容的圖紙，簡(jiǎn)稱控制流程圖。

一、圖形符號(hào)1．連接線 通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示。在需要區(qū)分時(shí)，電信號(hào)可用虛線表示；氣信號(hào)用在實(shí)線上打雙斜線表示。電信號(hào)氣信號(hào)2．儀表的圖形符號(hào)

儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，根據(jù)儀表的安裝位置不同，其圖形符號(hào)有所區(qū)別。

PI-101二、字母代號(hào)1．被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)（1）同一字母在不同的位置有不同的含義或作用，處于首位時(shí)表示被測(cè)變量或初始變量；處于次位時(shí)作為首位的修飾，一般用小寫字母表示；處于后繼位時(shí)代表儀表的功能。因此不能脫離字母所處的位置來(lái)說(shuō)某個(gè)字母的含義。溫差記錄控制系統(tǒng)

字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測(cè)變量或初始變量修飾詞功能被測(cè)變量或初始變量修飾詞功能A分析

報(bào)警N供選用

供選用B噴嘴火焰

供選用O供選用

節(jié)流孔C電導(dǎo)率

控制P壓力或真空

試驗(yàn)點(diǎn)（接頭）D密度差

Q數(shù)量或件數(shù)積分、積算積分、積算E電壓（電動(dòng)勢(shì)）

檢測(cè)元件R放射性

記錄、打印F流量比（分?jǐn)?shù)）

S速度、頻率安全開關(guān)或聯(lián)鎖G尺度（尺寸）

玻璃T溫度

傳送H手動(dòng)（人工觸發(fā)）

U多變量

多功能I電流

指示V粘度

閥、擋板、百葉窗J功率掃描

W重量或力

套管K時(shí)間或時(shí)間程序

自動(dòng)-手動(dòng)操作器X未分類

未分類L物位

指示燈Y供選用

繼動(dòng)器或計(jì)算器M水分或濕度

Z位置

驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或執(zhí)行器表1-2字母代號(hào)的含義（2）當(dāng)“A”作為第一位字母表示“分析”變量時(shí)，一般在圖形符號(hào)外標(biāo)有分析的具體內(nèi)容。（3）后繼字母的確切含義，根據(jù)實(shí)際需要，可以有不同的解釋。例如：“R”可以解釋為“記錄儀”、“記錄”或“記錄用”；“T”可以解釋為“變送器”、“傳送”或“傳送的”等。

（4）后繼字母“G”表示功能“玻璃”時(shí)，指過(guò)程檢測(cè)中直接觀察而無(wú)標(biāo)度的儀表（如：玻璃板液面計(jì)）；后繼字母“L”:表示單獨(dú)設(shè)置的指示燈，用于顯示正常的工作狀態(tài)，例如，顯示液位高度的指示燈用“LL”表示；后繼字母“K”:表示設(shè)置在控制回路內(nèi)的自動(dòng)-手動(dòng)操作器，例如，“FK”表示流量控制回路的自動(dòng)-手動(dòng)操作器，它區(qū)別于第一位字母代號(hào)“H”—手動(dòng)和“HC”—手動(dòng)控制。（5）字母“H”、“M”、“L”可表示被測(cè)變量的“高”、“中”、“低”值，一般標(biāo)注在儀表圓圈外；“H”、“L”還可以表示閥門或其它通、斷設(shè)備的開關(guān)位置，“H”表示閥在全開或接近全開位置；“L”表示閥在全關(guān)或接近全關(guān)位置。（6）字母U表示“多變量”時(shí)，可代替兩個(gè)以上的變量。當(dāng)表示“多功能”時(shí)，則代替兩個(gè)以上功能字母的組合。（7）字母X代表未分類變量或未分類功能，使用中一般另有注明。（8）“供選用”的字母，是指在個(gè)別設(shè)計(jì)中反復(fù)使用，而表中未列出其含義的字母。使用時(shí)字母含義需在具體工程的設(shè)計(jì)圖例中作出規(guī)定。三、儀表位號(hào)及編號(hào)1．在檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，構(gòu)成一個(gè)回路的每臺(tái)儀表（或元件）都應(yīng)有自己的位號(hào)。儀表位號(hào)由字母代號(hào)組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)組成。其中字母代號(hào)組合寫在圓圈的上半部；數(shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部，一般是由三位或四位數(shù)字組成，其中第一位表示工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字表示儀表的序號(hào)。

1工段05號(hào)壓力記錄控制系統(tǒng)三、儀表位號(hào)及編號(hào)2．表示儀表功能的后繼字母按IRCTQSA（指示、記錄、控制、傳送、積算、開關(guān)或聯(lián)鎖、報(bào)警）的順序標(biāo)注。同時(shí)具有指示和記錄功能時(shí)，只標(biāo)注字母代號(hào)“R”，而不標(biāo)注“I”；同時(shí)具有開關(guān)和報(bào)警功能時(shí)，只標(biāo)注字母代號(hào)“A”，而不標(biāo)注“S”；當(dāng)“SA”同時(shí)