化工儀表及自動(dòng)化第1章課件

化工儀表及自動(dòng)化第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念

內(nèi)容提要

化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素1第一節(jié)化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2.自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)3利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的，稱為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。它代替了操作人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1熱交換器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖當(dāng)工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。

自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。

在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。

第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖

4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)的需要第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖

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)行器控制系統(tǒng)的4個(gè)基本環(huán)節(jié)：被控對(duì)象、檢測(cè)儀表(測(cè)量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)：（1）被控對(duì)象

需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過程稱為被控對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象。（2）被控變量

對(duì)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(dòng)）除控制變量（操縱變量）以外，作用于對(duì)象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。（5）設(shè)（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(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實(shí)際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測(cè)量值而非實(shí)際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測(cè)量值之差定義為偏差。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動(dòng)控制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，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。下頁(yè)圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方塊圖每個(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。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。6方塊圖中，

x

指設(shè)定值；z

指輸出信號(hào)；e

指偏差信號(hào)；p指發(fā)出信號(hào)；q

指出料流量信號(hào)；y

指被控變量；f

指擾動(dòng)作用。當(dāng)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。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動(dòng)控制的方塊圖圖1-4液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖7第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖其他控制系統(tǒng)

用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)

當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個(gè)控制系統(tǒng)同樣可以用上頁(yè)中的方塊圖表示8第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖注意！方塊圖中的每一個(gè)方塊都代表一個(gè)具體的裝置。9方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求

自動(dòng)控制系統(tǒng)的（最）基本要求是系統(tǒng)運(yùn)行必須是穩(wěn)定的反饋是控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過測(cè)量變送返回到控制系統(tǒng)的輸入端，并與設(shè)定值比較的過程。若反饋的結(jié)果是使系統(tǒng)的輸出減小，則稱為負(fù)反饋若反饋的結(jié)果是使系統(tǒng)的輸出增加，則稱為正反饋工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負(fù)反饋。

第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖閉環(huán)與開環(huán)

閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進(jìn)行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行控制，直至消除偏差。調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器開環(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(hào)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差無關(guān)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是負(fù)反饋。

第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結(jié)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)操縱指令第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結(jié)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)。11第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來分類，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)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，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第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

“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。第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類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)過程中應(yīng)用比較普通。14第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(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。

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）。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

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)穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。16第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動(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。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。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)饔孟拢?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖1-7控制系統(tǒng)方塊圖第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)在過渡過程中，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第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發(fā)散震蕩過程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。

第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。22圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖

假定自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程

多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)23五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，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)量是用來表征被控變量偏離穩(wěn)態(tài)值的程度。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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)之二24第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三3.余差當(dāng)過渡過程終了時(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，或者說余差就是過渡過程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。

25第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四4.過渡時(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，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(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，或者說過渡過程已經(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第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五5.震蕩周期或頻率

過渡過程同向兩波峰（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，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27階躍干擾作用下的過渡過程（設(shè)定值固定，加一階躍干擾）——定值系統(tǒng)

0最大偏差emax：衰減比n：余差e(∞)：過渡時(shí)間tp：振蕩周期：超調(diào)量σ：第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)自動(dòng)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(shí)間？振蕩周期？答：越小越好n＝1等幅振蕩n＜1發(fā)散振蕩n＞1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：短好第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)例子某換熱器的溫度調(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(shí)間(給定值為200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一個(gè)波峰值B＝230—205＝25℃

第二個(gè)波峰值B’＝210—205＝5℃

衰減比n＝25：5＝5：l。

4、振蕩周