控制系統(tǒng)基本概念(化工)

《化工過程自動化技術(shù)》生工09—1、2班總課時：4×9實驗：0授課教師：司徒瑩課程介紹《化工儀表自動化》是利用自動控制學(xué)科、儀器儀表科學(xué)及計算機(jī)學(xué)科的理論與技術(shù)服務(wù)于化學(xué)工程學(xué)科的一門綜合課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，能了解和掌握化工過程控制與儀表的基本知識，領(lǐng)會自動控制系統(tǒng)的組成及原理概述：生產(chǎn)過程自動化是工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。生產(chǎn)過程自動化：用自動化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法就是生產(chǎn)過程自動化。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)的核心部分，只有自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能自動地排除各種干擾因素對工藝參數(shù)（主要四大參數(shù)p、h、q、t）的影響，使它們始終保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值上，保證生產(chǎn)維持在正?；蜃罴训墓に嚥僮鳡顟B(tài)?！?.1生產(chǎn)過程自動化的主要內(nèi)容:生產(chǎn)過程自動化，一般要包括四個方面的內(nèi)容。自動檢測系統(tǒng):信號聯(lián)鎖系統(tǒng)：自動操縱系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)：利用各種檢測儀器對主要工藝參數(shù)進(jìn)行指示或記錄，“了解”生產(chǎn)的任務(wù)。對某此關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)有自動信號聯(lián)鎖裝置。當(dāng)工藝參超過了允許范圍，系統(tǒng)自動地發(fā)出聲光報警信號，以提示及時采取措施。根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性的操作。對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使它們在受到干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自動地調(diào)回到規(guī)定的的數(shù)值范圍內(nèi)?！?.2自動控制系統(tǒng)的組成及方塊圖人工控制自動控制圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統(tǒng)圖一、自動控制系統(tǒng)的組成a、被控對象（對象）b、檢測變送器c、控制器d、執(zhí)行器(自動化裝置)輔助裝置圖1-3液位自動控制系統(tǒng)圖二、自動控制系統(tǒng)的方框圖方框：表示一個組成部分，稱環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)箭頭連線：表示信號傳遞關(guān)系。圓圈：比較環(huán)節(jié)，表示信號相加減。+-1、簡單控制系統(tǒng)方框圖：被控對象執(zhí)行器控制器檢測元件及變送器＋－被控對象執(zhí)行器控制器檢測元件及變送器＋－被控變量y給定值xz測量值操縱變量q控制信號p偏差e干擾

?控制器圖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，可以將該溫度變化測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。被控變量：需要控制的工藝參數(shù)給定值（或設(shè)定值）：對應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值測量值：由檢測元件的到的被控變量的實際值。操縱變量（或控制變量）：受控于調(diào)節(jié)閥，用以克服干擾影響，具體實現(xiàn)控制作用的變量成為操作變量，它調(diào)節(jié)閥的輸出信號。干擾（或外界擾動）：引起被控變量偏離給定值的，除操作變量以外的各種因素。偏差信號：給定值與測量值的差，在反饋系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器是根據(jù)偏差信號的大小來控制操作變量的?？刂菩盘枺嚎刂破鲗⑵畎匆欢ㄒ?guī)律計算得到的量。2、控制系統(tǒng)常用術(shù)語：§1.3自動控制系統(tǒng)的分類分類方法很多，最經(jīng)常使用的是按給定值的特點（是否變化？如何變化？）來劃分。定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按信號傳遞的路徑來劃分閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)一、控制系統(tǒng)的過渡過程自動控制系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)：靜態(tài)1（e=0)干擾作用e

0控制作用靜態(tài)2（e=0)動態(tài)（過渡過程）§1.4控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)階躍干擾：?t發(fā)散振蕩過程等幅振蕩過程衰減振蕩過程非振蕩的單調(diào)過程0不穩(wěn)定穩(wěn)定二、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)：余差e最大偏差

A(或超調(diào)量σ):衰減比

n回復(fù)時間

ts(過渡過程時間、調(diào)整時間)振蕩周期T質(zhì)量指標(biāo)主要有五項：(衰減振蕩過程)舉例圖1-11溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200℃）。解

最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個波峰值B＝230-205＝25℃，第二個波峰值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間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）過渡時間為22min。(過渡時間與規(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)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時，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，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。)三、影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實現(xiàn)自動控制所必需的自動化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。對于一個自動控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對象性質(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。不同自動化系統(tǒng)要具體分析。§1.5工藝管道及控制流程圖

工藝流程和控制方案的確定后，根據(jù)工藝設(shè)計給出的流程圖，按其流程順序標(biāo)注出相應(yīng)的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等，便成了工藝管道及控制流程圖

。圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例左圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例一、圖形符號1.檢測點（包括檢測元件、取樣點）

檢測點是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。圖1-13測試點的一般表示方法2.連接線

通用的儀表信號線均以細(xì)實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用下圖的形式。加箭頭的方式表示信號的方向。圖1-14聯(lián)系線的表示法3.儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號

儀表的圖形符號是一個細(xì)實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如下表所示。序號安裝位置圖形符號備注序號安裝位置圖形符號備注1就地安裝儀表嵌在管道中4集中儀表盤后安裝儀表2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表表1-1儀表安裝位置的圖形符號表示二、字母代號

在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號見下表。三、儀表位號儀表位號是由字母代號組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號兩部分組成。阿拉伯?dāng)?shù)字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號。

以脫乙烷塔控制流程圖為例塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)中PIC-207：其中第一位字母P表示被測變量為壓力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的組合就表示一臺具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩(wěn)定的。工段號為2，儀表序號為07本章小結(jié)與作業(yè)小結(jié)：1、自動化系統(tǒng)的四種類型；2、自動控制系統(tǒng)的組成及其基本工作原理；3、簡單控制系統(tǒng)的方框圖；4、自動控制系統(tǒng)的常用術(shù)語；5、控制系統(tǒng)的五項.性能指標(biāo)；6、工藝管道及控制流程圖。作業(yè)：一、P16.：4二、P16.：11三、P16.：21、22自動檢測系統(tǒng)熱交換器自動檢測系統(tǒng)信號聯(lián)鎖系統(tǒng)液體儲槽的自動連鎖保護(hù)系統(tǒng)自動操縱系統(tǒng)加料自動操縱系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)液位自動控制系統(tǒng)人工控制演習(xí)眼看腦想手動自動控制演習(xí)檢測器（眼看）控制器（腦想）執(zhí)行器（手動）階躍干擾：?t0發(fā)散振蕩過程等幅振蕩過程被調(diào)參數(shù)在給定值附近來回波動，且波動振幅保持不變。被調(diào)參數(shù)來回波動，且波動振幅逐漸變大，即離給定值越來越遠(yuǎn)。衰減振蕩過程非振蕩的單調(diào)過程階躍干擾：?t0被調(diào)參數(shù)上下波動，但振幅逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上被調(diào)參數(shù)在給定值的某一側(cè)作緩慢變化，沒有來回波動，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。

當(dāng)過度過程終了時，被調(diào)參數(shù)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（C），或者說余差就是過度過程終了時的殘余偏差。

有余差的調(diào)節(jié)過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。沒有余差的調(diào)節(jié)過程稱為無差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。

（余差越小越好）

最大偏差是指被調(diào)參數(shù)偏離給定值的最大數(shù)值(最大偏差表示系統(tǒng)瞬時偏離給定值的最大程度)。超調(diào)量(B)是第一個峰值A(chǔ)與新穩(wěn)定值C之差,即B=A