控制系統(tǒng)基本概念化工

《化工過程自動(dòng)化技術(shù)》生工09—1、2班總課時(shí)：4×9實(shí)驗(yàn)：0授課教師：司徒瑩課程介紹《化工儀表自動(dòng)化》是利用自動(dòng)控制學(xué)科、儀器儀表科學(xué)及計(jì)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(shí)，領(lǐng)會(huì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及原理概述：生產(chǎn)過程自動(dòng)化是工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。生產(chǎn)過程自動(dòng)化：用自動(dòng)化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法就是生產(chǎn)過程自動(dòng)化。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是自動(dòng)化生產(chǎn)的核心部分，只有自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能自動(dòng)地排除各種干擾因素對(duì)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(dòng)化的主要內(nèi)容:生產(chǎn)過程自動(dòng)化，一般要包括四個(gè)方面的內(nèi)容。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng):信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)：自動(dòng)操縱系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：利用各種檢測(cè)儀器對(duì)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(duì)某此關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)有自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖裝置。當(dāng)工藝參超過了允許范圍，系統(tǒng)自動(dòng)地發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以提示及時(shí)采取措施。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)行某種周期性的操作。對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使它們?cè)谑艿礁蓴_的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)地調(diào)回到規(guī)定的的數(shù)值范圍內(nèi)?！?.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方塊圖人工控制自動(dòng)控制圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成a、被控對(duì)象（對(duì)象）b、檢測(cè)變送器c、控制器d、執(zhí)行器(自動(dòng)化裝置)輔助裝置圖1-3液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖方框：表示一個(gè)組成部分，稱環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)箭頭連線：表示信號(hào)傳遞關(guān)系。圓圈：比較環(huán)節(jié)，表示信號(hào)相加減。+-1、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方框圖：被控對(duì)象執(zhí)行器控制器檢測(cè)元件及變送器＋－被控對(duì)象執(zhí)行器控制器檢測(cè)元件及變送器＋－被控變量y給定值xz測(cè)量值操縱變量q控制信號(hào)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(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。被控變量：需要控制的工藝參數(shù)給定值（或設(shè)定值）：對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值測(cè)量值：由檢測(cè)元件的到的被控變量的實(shí)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(shí)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(hào)。干擾（或外界擾動(dòng)）：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(hào)：給定值與測(cè)量值的差，在反饋系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器是根據(jù)偏差信號(hào)的大小來控制操作變量的。控制信號(hào)：控制器將偏差按一定規(guī)律計(jì)算得到的量。2、控制系統(tǒng)常用術(shù)語：§1.3自動(dòng)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(diǎn)（是否變化？如何變化？）來劃分。定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按信號(hào)傳遞遞的路徑來來劃分閉環(huán)控制系系統(tǒng)開環(huán)控制系系統(tǒng)一、控制系系統(tǒng)的過渡渡過程自動(dòng)控制系系統(tǒng)靜態(tài)與與動(dòng)態(tài)：靜態(tài)1（e=0)干擾作作用e0控制作作用靜態(tài)2（e=0)動(dòng)態(tài)（（過渡過過程）§1.4控制系系統(tǒng)的的過渡渡過程程及其其性能能指標(biāo)標(biāo)階躍干干擾：：?t發(fā)散振振蕩過過程等幅振振蕩過過程衰減振振蕩過過程非振蕩蕩的單單調(diào)過過程0不穩(wěn)定定穩(wěn)定二、控控制制系統(tǒng)統(tǒng)的性性能指指標(biāo)：：余差e最大偏偏差A(yù)(或超調(diào)調(diào)量σ):衰減比比n回復(fù)時(shí)時(shí)間ts(過渡過過程時(shí)時(shí)間、、調(diào)整整時(shí)間間)振蕩周周期T質(zhì)量指指標(biāo)主主要有有五項(xiàng)項(xiàng)：(衰減振振蕩過過程)舉例圖1-11溫度控控制系系統(tǒng)過過渡過過程曲曲線某換熱熱器的的溫度度控制制系統(tǒng)統(tǒng)在單單位階階躍干干擾作作用下下的過過渡過過程曲曲線如如下圖圖所示示。試試分別別求出出最大大偏差差、余余差、、衰減減比、、振蕩蕩周期期和過過渡時(shí)時(shí)間（（給定定值為為200℃）。解最大偏偏差A(yù)＝230-200＝30℃℃余差C＝205-200＝５℃℃由圖上上可以以看出出，第第一個(gè)個(gè)波峰峰值B＝230-205＝25℃℃，第二個(gè)個(gè)波峰峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減減比應(yīng)應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周周期為為同向向兩波波峰之之間的的時(shí)間間間隔隔，故周期期T＝20-5＝15（min）過渡時(shí)時(shí)間為為22min。(過渡時(shí)時(shí)間與與規(guī)定定的被被控變變量限限制范范圍大大小有有關(guān)，，假定定被控控變量量進(jìn)入入額定定值的的±2％，就就可以以認(rèn)為為過渡渡過程程已經(jīng)經(jīng)結(jié)束束，那那么限限制范范圍為為200×（±2％）＝＝±4℃℃，這時(shí)時(shí)，可可在新新穩(wěn)態(tài)態(tài)值（（205℃）兩側(cè)側(cè)以寬寬度為為±４℃畫畫一區(qū)區(qū)域，，上圖圖中以以畫有有陰影影線的的區(qū)域域表示示，只只要被被控變變量進(jìn)進(jìn)入這這一區(qū)區(qū)域且且不再再越出出，過過濾過過程就就可以以認(rèn)為為已經(jīng)經(jīng)結(jié)束束。)三、影影響控控制系系統(tǒng)過過渡過過程品品質(zhì)的的主要要因素素一個(gè)自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)可可以概概括成成兩大大部分分，即即工藝過過程部部分（（被控控對(duì)象象）和自動(dòng)化化裝置置部分分。前者者指與與該自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)有有關(guān)的的部分分。后后者指指為實(shí)實(shí)現(xiàn)自自動(dòng)控控制所所必需需的自自動(dòng)化化儀表表設(shè)備備，通通常包包括測(cè)測(cè)量與與變送送裝置置、控控制器器和執(zhí)執(zhí)行器器等三三部分分。對(duì)于一一個(gè)自自動(dòng)控控制系系統(tǒng)，，過渡渡過程程品質(zhì)質(zhì)的好壞，在很很大程程度上上決定于于對(duì)象象的性性質(zhì)。例如如在前前所述述的溫溫度控控制系系統(tǒng)中中，屬屬于對(duì)對(duì)象性性質(zhì)的的主要要因素素有：：換熱熱器的的負(fù)荷荷大小小，換換熱器器的結(jié)結(jié)構(gòu)、、尺寸寸、材材質(zhì)等等，換換熱器器內(nèi)的的換熱熱情況況、散散熱情情況及及結(jié)垢垢程度度等。。不同同自動(dòng)動(dòng)化系系統(tǒng)要要具體體分析析。§1.5工藝管道道及控制制流程圖圖工藝流程程和控制制方案的的確定后后，根據(jù)工藝藝設(shè)計(jì)給給出的流流程圖，，按其流程程順序標(biāo)標(biāo)注出相相應(yīng)的測(cè)測(cè)量點(diǎn)、、控制點(diǎn)點(diǎn)、控制制系統(tǒng)及及自動(dòng)信信號(hào)與聯(lián)聯(lián)鎖保護(hù)護(hù)系統(tǒng)等等，便成了工藝管道道及控制制流程圖圖。圖1-12脫乙烷塔塔的工藝藝管道及及控制流流程圖舉舉例左圖是乙乙烯生產(chǎn)產(chǎn)過程中中脫乙烷烷塔的工工藝管道道及控制制流程圖圖舉例一、圖形形符號(hào)1.檢測(cè)點(diǎn)（（包括檢檢測(cè)元件件、取樣樣點(diǎn)）檢測(cè)點(diǎn)是是由工藝藝設(shè)備輪輪廓線或或工藝管管線引到到儀表圓圓圈的連連接線的的起點(diǎn)，，一般無無特定的的圖形符符號(hào)，如如下圖所所示。必必要時(shí)，，檢測(cè)元元件也可可以用象象形或圖圖形符號(hào)號(hào)表示。。圖1-13測(cè)試點(diǎn)的的一般表表示方法法2.連接線通用的儀儀表信號(hào)號(hào)線均以以細(xì)實(shí)線線表示。。連接線線表示交交叉及相相接時(shí)，，采用下下圖的形形式。加加箭頭的的方式表表示信號(hào)號(hào)的方向向。圖1-14聯(lián)系線的的表示法法3.儀表（包包括檢測(cè)測(cè)、顯示示、控制制）的圖圖形符號(hào)號(hào)儀表的圖圖形符號(hào)號(hào)是一個(gè)個(gè)細(xì)實(shí)線線圓圈，，直徑約約10mm，對(duì)于不不同的儀儀表安裝裝位置的的圖形符符號(hào)如下下表所示示。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儀表安裝裝位置的的圖形符符號(hào)表示示二、字母母代號(hào)在控制流流程圖中中，用來來表示儀儀表的小小圓圈的的上半圓圓內(nèi)，一一般寫有有兩位（（或兩位位以上））字母，，第一位位字母表表示被測(cè)測(cè)變量，，后繼字字母表示示儀表的的功能，，常用字字母代號(hào)號(hào)見下表表。三、儀表表位號(hào)儀表位號(hào)號(hào)是由字母母代號(hào)組組合和阿阿拉伯?dāng)?shù)數(shù)字編號(hào)號(hào)兩部分分組成。。阿拉伯伯?dāng)?shù)字編編號(hào)寫在在圓圈的的下半部部，其第第一位數(shù)數(shù)字表示示工段號(hào)號(hào)，后續(xù)續(xù)數(shù)字（（二位或或三位數(shù)數(shù)字）表表示儀表表序號(hào)。。以脫乙烷烷塔控制制流程圖圖為例塔頂?shù)膲簤毫刂浦葡到y(tǒng)中PIC-207：其中第一一位字母母P表示被測(cè)測(cè)變量為為壓力，，第二位位字母I表示具有有指示功功能，第第三位字字母C表示具有有控制功功能，因因此，PIC的組合就就表示一一臺(tái)具有有指示功功能的壓壓力控制制器。該該控制系系統(tǒng)是通通過改變變氣相采采出量來來維持塔塔壓穩(wěn)定定的。工段號(hào)為為2，儀表序序號(hào)為07本章小結(jié)結(jié)與作業(yè)業(yè)小結(jié)：1、自動(dòng)動(dòng)化系統(tǒng)統(tǒng)的四種種類型；；2、自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)的組組成及其其基本工工作原理理；3、簡(jiǎn)單單控制系系統(tǒng)的方方框圖；；4、自動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)的常常用術(shù)語語；5、控制制系統(tǒng)的的五項(xiàng).性能指指標(biāo)；6、工藝管管道及控控制流程程圖。作業(yè)：一、P16.：4二、P16.：11三、P16.：21、22自動(dòng)檢測(cè)測(cè)系統(tǒng)熱交換器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)聯(lián)鎖鎖系統(tǒng)液體儲(chǔ)槽的自動(dòng)連鎖保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)操縱縱系統(tǒng)加料自動(dòng)操縱系統(tǒng)自動(dòng)控制制系統(tǒng)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)人工控制制演習(xí)眼看腦想手動(dòng)自動(dòng)控制制演習(xí)檢測(cè)器（（眼看））控制器（（腦想））執(zhí)行器（（手動(dòng)））階躍干擾：?t0發(fā)散振蕩蕩過程等幅振蕩蕩過程被調(diào)參數(shù)數(shù)在給定定值附近近來回波波動(dòng)，且且波動(dòng)振振幅保持持不變。。被調(diào)參數(shù)數(shù)來回波波動(dòng)，且且波動(dòng)振振幅逐漸漸變大，，即離給給定值越越來越遠(yuǎn)遠(yuǎn)。衰減振蕩蕩過程非振蕩的的單調(diào)過過程階躍干擾：?t0被調(diào)參數(shù)數(shù)上下波波動(dòng)，但但振幅逐逐漸減少少，最后后穩(wěn)定在在某一數(shù)數(shù)值上被調(diào)參數(shù)數(shù)在給定定值的某某一側(cè)作作緩慢變變化，沒沒有來回回波動(dòng)，，最后穩(wěn)穩(wěn)定在某某一數(shù)值值上。當(dāng)過度過過程終了了時(shí)，被被調(diào)參數(shù)數(shù)所達(dá)到到的新的的穩(wěn)態(tài)值值與給定定值之間間的偏差差叫做余余差（C），或者者說余差差就是過過度過程程終了時(shí)時(shí)的殘余余偏差。。有余差的的調(diào)節(jié)過過程稱為為有差調(diào)調(diào)節(jié)，相相應(yīng)的系系統(tǒng)稱為為有差系系統(tǒng)。沒沒有余