化工自動化及儀表培訓課程課件

化工自動化及儀表課程的重要性：

控制系統(tǒng)在石油、化工、制藥、冶金、造紙等工業(yè)領域的應用非常普遍。生產(chǎn)過程中，對工藝變量，有著一定的控制要求。如：1）精餾塔的塔頂或塔釜溫度，在操作壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產(chǎn)品。2）化學反應器的反應溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達到指標。因此，工藝技術人員必須充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設計出合理、高效的生產(chǎn)工藝。使用常規(guī)儀表的中央控制室DCS控制系統(tǒng)1自動控制系統(tǒng)概述本章的主要內(nèi)容：1.1自動化及儀表發(fā)展概述1.2自動控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標1.1自動化及儀表發(fā)展概述1.1.1控制理論的發(fā)展1）經(jīng)典控制理論:20世紀40～50年代Nyquist(1932)頻域分析方法Bode圖(1945)分析方法根軌跡(1948)分析方法特點：主要從輸出與輸入量的關系來分析與研究問題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。它是以傳遞函數(shù)為基礎，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進行分析與設計。PID控制規(guī)律是經(jīng)典控制理論最輝煌的成果。2）現(xiàn)代控制理論:20世紀60年代得到迅猛發(fā)展。其主要內(nèi)容為：線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理論，最佳估計理論，系統(tǒng)辨識。特點：從輸入-狀態(tài)-輸出的關系，全面地分析與研究系統(tǒng)。適用范圍：不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線性時變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出系統(tǒng)。3）大系統(tǒng)理論:20世紀70年代開始將現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結合形成大系統(tǒng)理論核心思想：

系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍：

高維線性系統(tǒng)1.1.2控制儀表的發(fā)展1）基地式：20世紀50年代，適用于單回路2）單元組合式（按功能）：DDZ（電動）,QDZ（氣動）20世紀60年代，單元之間用標準統(tǒng)一信號聯(lián)系3）計算機：DDC,DCS（20世紀70年代）自動化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程：模擬儀表--數(shù)字儀表--智能儀表。1.1.3當前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流過程優(yōu)化受到普遍關注DCS正在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向1.2自動控制系統(tǒng)

1.2.1自動控制系統(tǒng)

蒸汽汽包省煤器給水圖1-1鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實際數(shù)值與設定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設定值。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng)蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖術語被控過程（被控對象）：自動控制系統(tǒng)中，針對需要控制的工藝參數(shù)的生產(chǎn)過程（設備或機器特性）。被控變量：被控過程內(nèi)需要控制的工藝參數(shù)。被控過程：汽包被控變量：

汽包液位操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量。擾動：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素。操縱變量：水的流量擾動：水壓力、蒸汽壓力等蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖設定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值。偏差：被控變量設定值與實際值之差。負反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減（負反饋閉環(huán)的才可以獨立工作）。蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控過程：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等1.2.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制

閉環(huán)控制：

在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設定值進行比較，根據(jù)偏差控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構成了一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點：控制不夠及時；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當，系統(tǒng)會引起劇烈震蕩，甚至會使系統(tǒng)失去控制。開環(huán)控制：

開環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：不需要對被控變量進行測量，只根據(jù)輸入信號進行控制，控制及時。開環(huán)控制的缺點：由于不測量被控變量，也不與設定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量偏離設定值，并無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點。

開環(huán)的液位控制系統(tǒng)（按擾動控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制舉例

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包開環(huán)控制1.2.3自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖（第二次課）

在研究自動控制系統(tǒng)時，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)系；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測量值y(t)。比較機構的作用是比較設定值r(t)與測量值y(t)并輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機構和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應地去改變操縱變量q(t)。

系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成在分析控制系統(tǒng)的工作過程時，有幾個很重要的概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實際的物理量，但它們是作為信息來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。從整個系統(tǒng)來看，輸入信號：設定值和擾動輸出信號：被控變量、測量值（2）閉環(huán)：按信息的流向來說（3）動態(tài)：物理量是時間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設定值，控制作用又使它回到設定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.2.4自動控制系統(tǒng)的分類按設定值的不同情況，將自動控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

隨動控制系統(tǒng)

設定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統(tǒng)

設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標1.3.1靜態(tài)與動態(tài)

控制系統(tǒng)的輸入有設定作用和擾動作用。靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)、定態(tài)、平衡狀態(tài)）：當輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止狀態(tài)。此時輸入與輸出之間的關系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。動態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程

當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。

對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)的影響是最嚴重的。

定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動)

發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減單項控制指標（僅適用于衰減振蕩過程）穩(wěn)定性、準確性和快速性1.3.3自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標綜合控制指標最大動態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。

對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個波的峰值與設定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值。為A

（1）最大動態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（）CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

同時考慮到干擾會不斷出現(xiàn)，當?shù)谝粋€干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。在設定作用下的控制系統(tǒng)（隨動控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個指標來表示被控變量偏離設定值的程度，一般超調(diào)量以百分數(shù)給出。A超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差（即B=A-C）與穩(wěn)態(tài)值C之比。ytBB’C0衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，根據(jù)實際操作經(jīng)驗，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（3）余差定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準確性的一個重要穩(wěn)態(tài)指標，一般希望其為零，或不超過預定的范圍。上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對余差的要求取決于生產(chǎn)過程的要求，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學反應器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性（4）回復時間（過渡時間）回復時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性實際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的或或的范圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%A0Ts（5）振蕩頻率（或振蕩周期）在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正比；振蕩頻率與回復時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。其它一些次要指標：振蕩次數(shù)：是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)。“理想過渡過程兩個波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性總結：主要指標有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間。在實際的系統(tǒng)中如何確定這些指標，要根據(jù)實際情況來定。原則：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標應該優(yōu)先保證。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渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（設定值為200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)℃(3)衰減比：第一個波的振幅第二個波的振幅(℃)(℃)衰減比℃(4)過渡時間：過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關，假設為，就可以認為過渡過程已經(jīng)結束，那么限制范圍為(℃)那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側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，過渡過程為22min.℃綜合控制指標

綜合控制指標就是通過偏差的某些函數(shù)對時間的積分值來表述。通常采用三種表達形式：

(1)絕對值積分鑒定IAEIAE＝∫|e|dt

(2)平方積分鑒定ISEISE＝∫e2dt

(3)時間乘以絕對值的積分鑒定ITAE

ITAE＝∫|e|tdt

在綜合指標中，如直接對動態(tài)偏差e積分，則正負偏差將相互抵消，此時即使偏差很大，目標積分值仍很小。而采用絕對值積分或偏差平方積分可以避免正負偏差積分時相互抵消的現(xiàn)象。IAE