化工自動(dòng)化基本概念

化工自動(dòng)化基本概念第1頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一過(guò)程控制的主要內(nèi)容

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄代替了操作人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄圖1-1熱交換器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖作用對(duì)過(guò)程信息的獲取與記錄作用。

第2頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自動(dòng)操縱及自動(dòng)開(kāi)停車系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)：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(kāi)停車系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)的投入運(yùn)行或自動(dòng)停車自動(dòng)控制系統(tǒng)：利用自動(dòng)控制裝置對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，使他們?cè)谑艿酵饨鐢_動(dòng)的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)的回到規(guī)定范圍。過(guò)程控制的主要內(nèi)容

自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)：當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍，自動(dòng)發(fā)出聲光信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)：達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)，打開(kāi)安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車第3頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3圖7-1人工操作圖圖7-2液位自動(dòng)控制圖人工操作與自動(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)的需要人工控制：眼、腦、手眼睛—目測(cè)（檢測(cè)）大腦—運(yùn)算、比較、發(fā)出指令（控制）手—手動(dòng)操作（執(zhí)行）第二節(jié)：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖第4頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自動(dòng)控制是人工控制的發(fā)展測(cè)量元件與變送器眼睛控制器大腦執(zhí)行器手+控制閥第5頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自動(dòng)控制系統(tǒng)主要組成部分

(1)檢測(cè)元件與變送器：測(cè)量工藝參數(shù)并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。(2)自動(dòng)控制器：接受變送器送來(lái)的信號(hào)，與給定值比較得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，然后用特定信號(hào)發(fā)送出去。(3)執(zhí)行器（控制閥）：自動(dòng)地根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)值來(lái)改變閥門的開(kāi)啟度。(4)被控對(duì)象：生產(chǎn)過(guò)程中被控制的工藝設(shè)備或裝置。第6頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常用術(shù)語(yǔ)1、被控變量y：指需要控制在一定范圍的工藝參數(shù)。2、干擾作用f:凡是影響被控變量的各種作用均叫做干擾或擾動(dòng)。3、操縱變量q：具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量。4、操縱介質(zhì)（劑）：用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制作用的物料。5、測(cè)量值z(mì)：被控變量經(jīng)檢測(cè)變送后的信號(hào)值即是測(cè)量值。6、給定值x：即被控變量的設(shè)定值。7、偏差e：給定值與測(cè)量值之差稱作為偏差.8、控制器輸出p：根據(jù)偏差值、經(jīng)一定算法得到的輸出信號(hào)值。Qi執(zhí)行器測(cè)量第7頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制器

執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量元件與變送器測(cè)量值給定值偏差輸出變量被控變量控制器操縱干擾作用xzepqyf自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖Qi執(zhí)行器測(cè)量在研究自動(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。第8頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一說(shuō)明方塊:

表示系統(tǒng)的組成部分（環(huán)節(jié)），代表具體的裝置帶箭頭線條：表示各環(huán)節(jié)間信號(hào)聯(lián)系，不代表物料聯(lián)系箭頭方向：代表信號(hào)流向，不代表物料流向箭頭指向方塊:

為該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)箭頭離開(kāi)方塊:

為該環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)線旁的字母：表示相互間的作用信號(hào)控制器

執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量元件與變送器測(cè)量值給定值偏差輸出變量被控變量控制器操縱干擾作用xzepqyf第9頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)控制器

執(zhí)行器

加熱器測(cè)量元件與變送器測(cè)量值給定值偏差輸出變量被控變量控制器操縱干擾作用xzepqTf圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)第10頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的說(shuō)明

閉環(huán)系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出（即被控變量）被反饋到輸入端的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。被控變量不反饋到輸入端的控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。例如，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)操縱系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。自動(dòng)操縱裝置對(duì)象操縱指令操縱作用工藝參數(shù)圖1-6自動(dòng)操縱系統(tǒng)方塊圖第11頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一正反饋與負(fù)反饋正反饋：反饋信號(hào)加強(qiáng)給定信號(hào)，e=x+z負(fù)反饋：反饋信號(hào)削弱給定信號(hào)，e=x-z

自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的說(shuō)明

第12頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、按被控變量分類：

有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、物位控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)等。2、按控制器的控制規(guī)律分類：

有比例控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制等。第13頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類型

被控變量的給定值是否變化分類定值控制系統(tǒng)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)特點(diǎn)：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

作用：克服擾動(dòng)的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上第14頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一過(guò)程控制系統(tǒng)的主要類型隨動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：設(shè)定值是一個(gè)未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）特點(diǎn)：設(shè)定值是變化的，且按一定時(shí)間程序變化的時(shí)間函數(shù)程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與隨動(dòng)控制系統(tǒng)相同。

作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化第15頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

靜態(tài)：被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)

動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)輸入（給定和干擾）穩(wěn)定不變時(shí)（即系統(tǒng)中各個(gè)信號(hào)的變化率為零），被控變量處于平衡狀態(tài)--系統(tǒng)靜態(tài)（是相對(duì)的、短暫的）

當(dāng)系統(tǒng)輸入有所變化時(shí)，被控變量就會(huì)變化--系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

控制過(guò)程：動(dòng)態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)新的靜態(tài)控制干擾控制第16頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

定義：系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)（靜態(tài)）過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)（新的靜態(tài)）的過(guò)程。

特點(diǎn)：比較突然比較危險(xiǎn)容易實(shí)現(xiàn)便于分析分析：系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程。階躍干擾：在某一瞬間t0,干擾（即輸入量）突然地階躍式的加到系統(tǒng)上，并繼續(xù)保持在這個(gè)幅度。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：當(dāng)A=1時(shí)稱為單位階躍信號(hào)。常見(jiàn)典型信號(hào)

階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、脈沖信號(hào)、加速度信號(hào)和正弦信號(hào)

第17頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程的幾種基本形式1.非周期衰減過(guò)程（圖a）2.衰減振蕩過(guò)程（圖b）3.等幅振蕩過(guò)程（圖c）4.發(fā)散振蕩過(guò)程（圖d）希望自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下，能夠得到衰減振蕩形式的過(guò)渡過(guò)程（如圖b）第18頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)在時(shí)間t=0之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被控變量等于給定值，即y=0;在t=0瞬間，外加階躍干擾作用，系統(tǒng)的被控變量呈衰減振蕩，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，y(∞)=C。第19頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)最大偏差A(yù)：是指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。1.最大偏差或超調(diào)量超調(diào)量B：第一個(gè)波的峰值A(chǔ)與新穩(wěn)定值C之差,即B=A-C2.衰減比它是相鄰的同向波峰值之比，即習(xí)慣上表示為n:1經(jīng)驗(yàn)表明，衰減比n:1在4:1至10:1之間比較適宜。第20頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.余差（靜態(tài)偏差）C控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí),被控參數(shù)新穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差。描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的唯一指標(biāo)一般要求余差不超過(guò)預(yù)定值或?yàn)榱恪?/p>

第21頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.過(guò)渡時(shí)間指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。一般要求過(guò)渡時(shí)間愈短愈好?？刂葡到y(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)5.振蕩周期或頻率過(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)為振蕩頻率。第22頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一總結(jié)有些是相互矛盾的（如超調(diào)量與過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標(biāo)各有其重要性。應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的品質(zhì)指標(biāo)要求。

主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。原則：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。第23頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間（設(shè)定值為200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)圖1-11溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線第24頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)衰減比：第一個(gè)波的振幅第二個(gè)波的振幅(℃)(℃)衰減比第25頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(4)過(guò)渡時(shí)間：過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為，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(℃)那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過(guò)渡過(guò)程為22min.圖1-11溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線第26頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一性能良好的過(guò)程控制系統(tǒng)，在受到外來(lái)擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)準(zhǔn)確迅速地回復(fù)（或趨近）到給定值上

四、影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素決定控制系統(tǒng)品質(zhì)的環(huán)節(jié)：被控對(duì)象特性控制系統(tǒng)方案、結(jié)構(gòu)過(guò)程檢測(cè)、控制、執(zhí)行儀表第27頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)：工藝管道及控制流程圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG20505—92《過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)》，參照GB2625—81國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)字母代號(hào)儀表位號(hào)的表示第28頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一工藝管道及控制流程圖(PID)繪制：

1、圖形符號(hào)測(cè)量點(diǎn)：起點(diǎn)圖1-5

連接線：圖1-6

儀表：圓圈表1-1、圖1-72、字母代號(hào)上半圓、兩位以上字母表1-23、儀表位號(hào)206——工段號(hào)2、序號(hào)06第29頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第30頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制流程圖符號(hào)意義序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注1就地安裝儀表4集中儀表盤后安裝儀表嵌在管道中2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤后安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表第31頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制流程圖字母意義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)變量修飾詞功能被測(cè)變量修飾詞功能A分析報(bào)警P壓力C電導(dǎo)率控制Q數(shù)量積分累積D密度差R放射性記錄E電壓S速度安全開(kāi)關(guān)F流量比T溫度傳送I電流指示V粘度閥K時(shí)間W力L物位YM水分Z位置執(zhí)行機(jī)構(gòu)第32頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例題：圖所示為一水箱的液位控制系統(tǒng)。試畫出其方塊圖,指出系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變量、操縱變量各是什么?簡(jiǎn)要敘述其工作過(guò)程,說(shuō)明帶有浮球及塞子的杠桿裝置在系統(tǒng)中的功能。第33頁(yè)，共3