HG第一章自動控制系統(tǒng)基本概念-位圖

1、1儀表與自動化控制2教材和主要參考書目化工儀表及自動化（第三版化工儀表及自動化（第三版,第四版）第四版）厲玉鳴厲玉鳴 主編，化學工業(yè)出版社。主編，化學工業(yè)出版社?；x表及自動化習題集化工儀表及自動化習題集厲玉鳴厲玉鳴 主編，化學工業(yè)出版社。主編，化學工業(yè)出版社。過程檢測技術及儀表過程檢測技術及儀表 杜維主編，化學工業(yè)出版社。杜維主編，化學工業(yè)出版社。自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng) 張毅主編，化學工業(yè)出版社。張毅主編，化學工業(yè)出版社。34v生產過程自動化生產過程自動化：在化工化工、煉油煉油、食品食品、輕工輕工等連續(xù)性生產設備上，配備一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接手

2、工勞動，使生產過程在不同程度上自動地進行，稱為“生產過程自動化生產過程自動化”。所謂化工自動化v自動化技術自動化技術的的重要性重要性5v 生產過程生產過程自動化自動化的的目的目的：加快生產速度，降低生產成本，提高產品數(shù)量和質量；降低勞動強度，改善勞動條件；確保生產安全。改善勞動條件6本課程本課程主要內容主要內容基本概念基本概念 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制對象的數(shù)學模型控制對象的數(shù)學模型儀器儀表儀器儀表 檢檢 測測 顯顯 示示 調調 節(jié)節(jié) 執(zhí)執(zhí) 行行自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（簡單系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)）（簡單系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)）計算機等新型控制系統(tǒng)計算機等新型控制系統(tǒng)7生產過程自動化技術生產過程自動化技術的的發(fā)

3、展歷程發(fā)展歷程簡介簡介 利用自動檢測儀表自動檢測儀表監(jiān)視生產，根據(jù)儀表指示和經驗，手工操作控制生產過程。(20世紀40年代以前) 生產過程自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的的產生，實現(xiàn)溫度、壓力、流量、物位等參數(shù)的簡單控制；同時串級、比值、等復雜控制系統(tǒng)也得到了一定程度的發(fā)展。 (20世紀50至60年代) 計算機技術、網絡技術和控制理論的發(fā)展推動了常規(guī)儀表的不斷變革，各種新型測控系統(tǒng)新型測控系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。(20世紀70年代以來) 現(xiàn)代自動化技術發(fā)展為綜合自動化綜合自動化，控制與管理控制與管理一體化一體化，是信息技術、自動化技術和管理科學相結合的現(xiàn)代高新技術。(近10年來) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)8第一章第一

4、章 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)基本概念基本概念1.1 工業(yè)自動化的主要內容工業(yè)自動化的主要內容1.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成1.3 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖1.4 自動控制系統(tǒng)方塊圖自動控制系統(tǒng)方塊圖1.5 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質指標 本章小結91.1 工業(yè)自動化的主要內容工業(yè)自動化的主要內容q主要有主要有：自動檢測；自動報警與聯(lián)鎖保護；自動操縱和自動啟停；自動控制。自動檢測：利用各種檢測儀表對生產過程主要工藝參數(shù)(溫度、壓力、流量、物位等)進行測量、指示或記錄。測溫元件熱液蒸汽流量計

5、壓力表冷液冷液冷凝水溫度計換熱器重要換熱器重要參數(shù)的自動參數(shù)的自動檢測示意圖。檢測示意圖。10生產過程自動化生產過程自動化的的主要內容主要內容2-3-4自動報警與聯(lián)鎖保護自動報警與聯(lián)鎖保護：對生產過程中某些關鍵性的工藝參數(shù)設置自動報警、聯(lián)鎖保護裝置，當參數(shù)超出設定范圍時，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光信號，工況達到危險狀態(tài)時聯(lián)鎖保護系統(tǒng)立即自動采取緊急措施。自動操縱和自動啟停自動操縱和自動啟停：按照預先規(guī)定的步驟自動對生產設備進行某種周期性操作；自動投入運行或停車。自動控制自動控制：對影響產品產量、質量或安全生產的一些關鍵工藝參數(shù)進行自動控制，當其受到外界擾動的影響偏離正常狀況時，系統(tǒng)能自動調節(jié)使工藝參數(shù)值

6、回到規(guī)定的范圍之內，克服干擾影響。11Q0hQ11.2 自動控制系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的組成組成q自動控制是由人工手動控制發(fā)展而來，q下面以水槽液位控制為例來比較自動控制和手工控制，從而分析和了解自動控制系統(tǒng)的基本組成。12水槽水槽液位控制液位控制手工控制手工控制眼看眼看腦想腦想手動手動。檢測檢測、運算運算和和執(zhí)行執(zhí)行手工完成測量測量、求偏差求偏差和操縱閥門糾正偏差操縱閥門糾正偏差的全過程?？捎靡惶鬃詣踊b置代替人眼、腦、手的作用，完成水槽中液位高低的自動控制任務。自動控制自動控制Q0hQ1設定值變送器控制器Q0hQ113設定值變送器控制器Q0hQ1自動控制系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的組成部分組成部分自動

7、控制自動控制 測量元件與變送器測量元件與變送器：測量液位并將其高度轉化為統(tǒng)一標準信號； 電信號: 420mADC; 010mADC等 氣壓信號: 20100KPa。 自動控制器自動控制器：計算變送器輸出信號與液位設定值之間偏差，按某種運算規(guī)律進行計算并輸出統(tǒng)一信號； 被控對象被控對象：水槽 需要控制其工藝參數(shù)的生產設備或機器，需要控制其工藝參數(shù)的生產設備或機器，簡稱簡稱對象對象。自動化裝置自動化裝置 執(zhí)行器執(zhí)行器：自動根據(jù)控制器的輸出改變閥門開度。14第三節(jié)第三節(jié) 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖概念：概念：工藝流程及自動控制方案確定后，在工藝設計給出的流程圖上，按其流程順序標注出相應

8、的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)等，從而構成工藝管道及控制流程圖。工藝管道及控制流程圖主要由圖形符號、字母代號和儀表位號組成，下面以脫乙烷塔工藝管道及控制流程圖為例來作一簡要介紹。15脫乙烷塔工藝管道及控制流程圖工藝介紹、圖形符號工藝介紹、圖形符號字母代號、儀表位號字母代號、儀表位號1、工藝介紹、工藝介紹q從脫甲烷塔出來的釜液進入脫乙烷塔脫除乙烷。q從脫乙烷塔塔頂出來的碳二餾分經塔頂冷凝器冷凝后，部分作為回流，其余去乙炔加氫反應器進行加氫反應。q從脫乙烷塔底出來的釜液部分經再沸器后返回塔底，其余去脫丙烷塔脫除丙烷。脫乙烷塔加熱蒸汽脫甲烷塔來的原料FR212TRC210PI20

9、6LICA202再沸器至脫丙烷塔PIC207回流罐LIC201氣相采出HL冷凝器162、圖形符號圖形符號p測量點測量點：包括檢測元件、取樣點，是由工藝設備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點。檢測元件可用象形或圖形符號表示。p連接線連接線：以細實線表示，加箭頭表示信號方向，可交叉或相接。p儀表圖形符號儀表圖形符號：細實線圓圈，用字母表示檢測、顯示、控制等功能，并表示出所在的安裝位置。PIC207例如：17字母代號、 儀表位號控制流程圖中儀表圖形符控制流程圖中儀表圖形符號號圓圈的上半圓內，一般圓圈的上半圓內，一般寫有兩位或以上字母，寫有兩位或以上字母，第第一位字母一位字母表示表示被測變量被

10、測變量，后繼字母后繼字母表示表示儀表功能儀表功能。p首位字母：首位字母：FF流量流量；LL物位物位；PP壓力壓力；TT溫度溫度。等。等p后繼字母：后繼字母：AA報警報警；CC控制控制；II指示指示；RR記錄或打印記錄或打??；TT傳送傳送。等。等v在檢測和控制系統(tǒng)中，每臺儀表都有自己的儀表位號位號，是由，是由字母代號字母代號和和數(shù)數(shù)字編號字編號兩部分組成。兩部分組成。p數(shù)字編號數(shù)字編號寫在儀表圖形符號圓圈的下半圓內下半圓內，首位數(shù)字表示工段號工段號，后續(xù)數(shù)字表示儀表序號儀表序號。PIC207具有指示功能的壓力控制器。工段號：2；儀表序號：7；18控制流程圖儀表安裝位置符號意義序號序號安裝位置安裝

11、位置圖形符號圖形符號備注備注序號序號安裝位置安裝位置圖形符號圖形符號備注備注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19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變量修飾詞功能被測變量修飾詞功能A分析報警報警P壓力壓力C電導率控制控制Q數(shù)量積分累積D密度差R放射性記錄記錄E電壓S速度安全開關F流量流量比T溫度傳送傳送I電流指示指示V粘度閥K時間W力L物位物位YM水分Z位置執(zhí)行機構20符號意義符號意義例子例子脫乙烷塔加熱蒸汽脫甲烷塔來的原料FR212TRC210PI206LICA202再沸器至脫丙烷塔

12、PIC207回流罐LIC201氣相采出HL冷凝器PIC207LICA202HLTRC210PI206具有指示功能的壓力控制器。具有指示、高低限報警功能的液位控制器。具有記錄功能的溫度控制器。就地安裝的壓力指示儀。工段號：2；儀表序號：6；集中儀表盤面安裝。21第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)方塊圖自動控制系統(tǒng)方塊圖p為清楚表示出自動控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)之間的相互影響和信號聯(lián)系，可用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。每個方塊表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為環(huán)節(jié)。兩個方塊之間用帶箭頭的線條表示信號的輸入、輸出關系 ( (并不表示物料聯(lián)系) )。 線旁的字母表示相互間的作用信號。以以蒸汽加熱器自動控制蒸汽加熱器自動控

13、制系統(tǒng)系統(tǒng)為例為例來說明系統(tǒng)各環(huán)節(jié)功能。進料T TTC出料蒸汽設定值冷凝水22蒸汽加熱器自動控制系統(tǒng)方塊圖進料T TTC出料蒸汽設定值冷凝水被控對象(對象)：蒸汽加熱器；執(zhí)行器測量元件變送器- -偏差ez測量值給定值x控制器控制器輸出p操縱變量q被控變量yf干擾作用被控變量：出料溫度；操縱變量：蒸汽流量；干擾作用：如進料流量、溫度變化或蒸汽壓力變化等。操縱介質：蒸汽；對象23反饋與負反饋p自動控制系統(tǒng)是具有自動控制系統(tǒng)是具有被控變量被控變量負反饋負反饋的的閉環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)。p反饋：系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號直接或經過一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端。在反饋信號z旁有一個負號“-”，而在設定值x旁有一個

14、正號“+” (可省略)，所得偏差 e=x-z。反饋信號 z 取負值，所以叫負反饋，負反饋能使原來信號減弱負反饋能使原來信號減弱。反饋信號取正值使原來信號加強，就叫做正反饋正反饋。p為什么在自動控制系統(tǒng)中一般采用負反饋為什么在自動控制系統(tǒng)中一般采用負反饋？p閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點：有負反饋。閉環(huán)系統(tǒng)可以隨時了解被控對象的情況，有針對性地根據(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)。24第五節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類l按被調參數(shù)分類：流量調節(jié)、溫度調節(jié)、壓力調節(jié)、物位調節(jié)等；l按調節(jié)規(guī)律分類：比例調節(jié)、比例微分調節(jié)、比例積分調節(jié)、比例微分積分調節(jié)；l按信號

15、種類分類：氣動調節(jié)系統(tǒng)，電動調節(jié)系統(tǒng)。分類分類方法有多種方法有多種！25自動控制系統(tǒng)按被控變量的設定值分類自動控制系統(tǒng)按被控變量的設定值形式不同分為三大類：定值定值控制系統(tǒng)：設定值恒定。大多數(shù)自動控制系統(tǒng)采用。隨動隨動控制系統(tǒng)：設定值不斷隨機變化，被控變量準確而快速跟隨設定值的變化而變化。導航雷達系統(tǒng)、天線接收系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)等。程序程序控制系統(tǒng)：設定值是一個已知的時間函數(shù)，按生產工藝要求規(guī)律變化，控制系統(tǒng)按設定程序自動進行。26隨動控制系統(tǒng)舉例以一定的精度跟隨設定值的變化而變化。自動平衡電位差計的方框圖 放大器被測電壓可逆電機指示記錄儀滑線電阻Euput27第六節(jié)第六節(jié) 系統(tǒng)過渡過程系統(tǒng)過

16、渡過程、品質指標品質指標p控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)；研究自動控制系統(tǒng)的重點。l系統(tǒng)的靜態(tài)是指被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)；系統(tǒng)的動態(tài)是指被控量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。l當系統(tǒng)輸入(設定和干擾)和輸出均恒定不變時，系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原來狀態(tài)，系統(tǒng)中各信號變化率為零。l系統(tǒng)處于靜態(tài)，受干擾作用破壞了這種平衡時，被控變量發(fā)生變化，使控制器、控制閥改變原來平衡狀態(tài)并產生一定控制作用來克服干擾的影響，使系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)。從干擾發(fā)生開始，直到系統(tǒng)重新建立平衡，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，稱為動態(tài)。28控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的靜態(tài)靜態(tài)與與動態(tài)動態(tài)自動控

17、制系統(tǒng)處于靜態(tài)時，生產還在進行，物料和能量仍然有進有出，只是平穩(wěn)進行沒有改變。研究自動控制系統(tǒng)的重點是研究系統(tǒng)的動態(tài)。在生產過程中，干擾是客觀存在不可避免的，當一個自動控制系統(tǒng)投入運行時，時時刻刻都有干擾作用于控制系統(tǒng)，需要通過自動化裝置不斷的施加控制作用來消除干擾作用的影響，使被控變量保持在正常的生產狀態(tài)。所以，一一個自動控制系統(tǒng)在正常工作時，總是處于一波未平，一個自動控制系統(tǒng)在正常工作時，總是處于一波未平，一波又起，波動不止，往復不息的動態(tài)過程中。波又起，波動不止，往復不息的動態(tài)過程中。2930階躍干擾階躍干擾系統(tǒng)原先處于平衡狀態(tài)，受干擾作用，系統(tǒng)進入動態(tài)過程。由于自動控制系統(tǒng)負反饋作用，

18、一段時間后系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)。被控量隨時間的變化規(guī)律首先取決于系統(tǒng)的干擾形式，在分析和設計控制系統(tǒng)時常選用階躍干擾，在某一瞬間干擾突然的階躍式的加到系統(tǒng)上，并繼續(xù)保持幅度。由于階躍干擾階躍干擾比較突然、比較危險，對被控量的影響也最大比較突然、比較危險，對被控量的影響也最大，如果一個控制系統(tǒng)能有效的克服階躍干擾，那么對其它比較緩和的干擾也一定能很好的克服。同時，階躍干擾形式簡單，便于分析、階躍干擾形式簡單，便于分析、實驗和計算實驗和計算。輸入量時間tt0031二、二、控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的品質指標品質指標在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)的過渡過程都希望得到衰減振蕩過程，取衰減振蕩過渡過程形式來討論控制系統(tǒng)品

19、質指標。0 tyABBC過渡過程品質指標示意圖習慣采用下列品質指標來評價控制系統(tǒng)質量：最大偏差或超調量最大偏差或超調量, 衰減比衰減比, 余差余差 ,過渡時間過渡時間, 振蕩周期或頻率振蕩周期或頻率321.最大偏差或超調量p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，最大偏差為第一個波的峰值，圖中以A表示。超調量是第一峰值A與新穩(wěn)態(tài)值C之差，圖中以B表示，即B=A-C。p最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。一般最大偏差小一些為好，若偏離越大，偏離的時間越長，表明被控變量離開正常的工藝指標就越遠，不利于生產的正常進行。若干擾比較頻繁，第一個干擾還未清除時，第二

20、個干擾可能又出現(xiàn)了，引起偏差產生疊加，因此需要根據(jù)工藝來限制最大偏差的允許值。0 tyABBC332.衰減比p衰減比：前后相鄰兩個峰值之比，圖中以B:B表示，習慣上表示為 n:1的形式。p衰減比表明過渡過程的衰減程度。若衰減比較小(n1)，則過渡過程接近于等幅振蕩過程，不穩(wěn)定；若 n 很大，則又太接近于非振蕩過程，過渡過程過于緩慢。pn 一般取4 10之間，是操作人員多年的操作經驗總結。衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程開始階段的變化速度較快，被控變量較快達到第一個峰值，然后馬上下降，又較快達到一個低峰值，且第二個峰值遠遠低于第一個峰值。這種現(xiàn)象表明被控變量再振蕩數(shù)次后很快會穩(wěn)定下來，防止操作人員誤操作使系統(tǒng)處于難以控制的狀態(tài)。0 tyABBC343.余差p余差：過渡過程終了時，被控變量所達到的新穩(wěn)態(tài)值與設定值之間的偏差，又叫殘余偏差，圖中以C表示，偏差的數(shù)值可正可負。p一般控制系統(tǒng)被控變量越接近設定值越好，所以余差越小越好。但在實際生產中，也不是要求任何系統(tǒng)的余差都很小，一般余差越小控制系統(tǒng)就越復雜。對余差大小的要求須結合具體系統(tǒng)分析，如貯液槽液位控制系統(tǒng)往往允許液位有較大的變化范圍，余差可以大一些；而化學反應器的溫度控制要求較高，應盡量消除