2012 熱工儀表第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念

1、熱工儀表化工儀表及自動(dòng)化,化工與制藥學(xué)院 周冬菊 bunny_2001,你,目的和意義,在化工等連續(xù)性生產(chǎn)設(shè)備上，配備一些自動(dòng)化裝置，代替操作人員的部分直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行，稱為化工自動(dòng)化。 實(shí)現(xiàn)化工自動(dòng)化的目的是： 加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量。 降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)成本。 確保生產(chǎn)安全 學(xué)習(xí)本課程的意義在于：擴(kuò)大知識(shí)面，適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)代化需要；擴(kuò)大就業(yè)途徑。,先為不可勝，而后為可勝！,化工自動(dòng)化的發(fā)展歷程,1950s1960 s 基地式氣動(dòng)單元儀表，基地式電動(dòng)單元儀表，膜片式儀表。為化工單元操作的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。 1970 s1980 s 單元組合型儀

2、表：QDZ，DDZ 1990 s 單元組合型儀表：QDZ ，DDZ ,本課程主要內(nèi)容,基本概念 控制系統(tǒng) 控制對(duì)象 儀器儀表 測(cè)量 顯示 調(diào)節(jié) 執(zhí)行 調(diào)節(jié)系統(tǒng)（簡(jiǎn)單系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（系統(tǒng)構(gòu)成、接口與轉(zhuǎn)換）,主要參考書目,化工儀表及自動(dòng)化（第四版） 厲玉鳴 主編，化學(xué)工業(yè)出版社 化工儀表及自動(dòng)化習(xí)題集 厲玉鳴 主編，化學(xué)工業(yè)出版社 化工過(guò)程控制工程（第二版） 王驥程 祝和云 主編，化學(xué)工業(yè)出版社 化工過(guò)程控制基礎(chǔ) 化學(xué)工業(yè)出版社,第一章 自動(dòng)控制 系統(tǒng)基本概念,化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成及方塊圖 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類 自動(dòng)調(diào)節(jié)的過(guò)度過(guò)程和系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo) 工藝管道及控制流

3、程圖,第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示和記錄的。 自動(dòng)信號(hào)和連鎖保護(hù)系統(tǒng) 生產(chǎn)過(guò)程中的一種安全裝置 自動(dòng)操縱與自動(dòng)開停車系統(tǒng) 可以根據(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 可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)投入運(yùn)行或自動(dòng)特車 自動(dòng)控制系統(tǒng) 使得某些關(guān)鍵性的控制參數(shù)在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。,第二節(jié) 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成,控制系統(tǒng)的 4 個(gè)基本環(huán)節(jié)： 被控對(duì)象、檢測(cè)儀表(測(cè)量變送環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器,幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ) ： （1）被控對(duì)象 需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程稱為被控

4、對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象。 （2）被控變量 對(duì)象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按某一規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。 （3）控制變量（操縱變量） 受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。 （4）干擾（擾動(dòng)） 除控制變量（操縱變量）以外，作用于對(duì)象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。 （5）設(shè)（給）定值 工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。 （6）偏差 偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實(shí)際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測(cè)量值而非實(shí)際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測(cè)量值之差定義為偏差。,自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖,反饋是控制系統(tǒng)的輸出（即被控變量）通過(guò)測(cè)量變送返回到控制系統(tǒng)的輸入端，

5、并與設(shè)定值比較的過(guò)程。 負(fù)反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出減小的反饋類型 正反饋:反饋的結(jié)果使系統(tǒng)的輸出增加的反饋類型 工業(yè)控制系統(tǒng)一般情況下都應(yīng)為負(fù)反饋。,閉環(huán)與開環(huán),閉環(huán)系統(tǒng)的輸出被反饋到輸入端并與設(shè)定值進(jìn)行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行控制，直至消除偏差。,開環(huán)系統(tǒng)的輸出沒(méi)有被反饋回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差無(wú)關(guān)。,要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是負(fù)反饋。,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,（一）按設(shè)定值的特點(diǎn)區(qū)分 （即將控制系統(tǒng)按照工藝過(guò)程需要控制的被控變量數(shù)值是

6、否變化和如何變化來(lái)分類）：,1、定值控制系統(tǒng)：設(shè)定值是由工藝要求給出的不變常數(shù) 通常要求被控變量盡量與設(shè)定值保持一致。 2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值隨時(shí)間不斷發(fā)生變化 （自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）通常要求被控變量盡可能地與設(shè)定值一起變化。 3、程序控制系統(tǒng)：可以理解為隨動(dòng)控制設(shè)定值是一個(gè)已知時(shí)間函數(shù) （順序控制系統(tǒng)）即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)按一定時(shí)間程序變化,（二）按補(bǔ)償干擾的方法分,反饋,干擾f（t）被控變量調(diào)節(jié)器 操作變量補(bǔ)償干擾,前饋,干擾f（t）變送器補(bǔ)償器 操作變量補(bǔ)償干擾,前饋+反饋,（三）按控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度區(qū)分,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng) 復(fù)雜控制系統(tǒng),（四）按控制變量的名稱區(qū)分,溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) ,（五）

7、按調(diào)節(jié)規(guī)律區(qū)分,P、PI、PD、PID、預(yù)估控制 ,（六）按被控變量對(duì)操作變量的影響分 閉環(huán)控制系統(tǒng)如：反饋控制 開環(huán)控制系統(tǒng)如：前饋控制,第四節(jié) 過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo),一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）與動(dòng)態(tài),控制系統(tǒng)的作用：盡可能使被控變量與設(shè)定值保持一致（或隨設(shè)定值一起變化），當(dāng)被控變量受干擾影響而偏離設(shè)定值時(shí)，控制作用必須驅(qū)使它（被控變量）回到設(shè)定值。,由于干擾沒(méi)有嚴(yán)格的變化規(guī)律（否則也不能稱之為干擾），因此系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)也都是隨時(shí)間變化的。,靜態(tài)：被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。 如果控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，假設(shè)設(shè)定值和干擾都保持不變，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，控制系統(tǒng)中各參數(shù)必然

8、會(huì)到達(dá)一個(gè)“相對(duì)”平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)就是所謂的“靜態(tài)”，在控制領(lǐng)域中更多的稱之為“穩(wěn)態(tài)”。 在工業(yè)對(duì)象的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從物料平衡、能量平衡、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速度與平衡等方面進(jìn)行大量的計(jì)算，這些計(jì)算結(jié)果就是設(shè)計(jì)的依據(jù)，這部分內(nèi)容就屬于系統(tǒng)“靜態(tài)”特性的范疇。 從理論上講，這些計(jì)算結(jié)果能保證系統(tǒng)運(yùn)行在平衡狀態(tài)（物料平衡、能量平衡等），設(shè)想設(shè)計(jì)蒸發(fā)系統(tǒng)中蒸汽壓力突然發(fā)生變化或某個(gè)測(cè)量信號(hào)受到電磁干擾而發(fā)生變化，系統(tǒng)用何種方式來(lái)克服這些干擾，僅用“靜態(tài)”的概念就不能很好地解決這些困難。,動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)。 如果系統(tǒng)原來(lái)處于相對(duì)平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當(dāng)出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化，此

9、時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)生作用，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)執(zhí)行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設(shè)定值來(lái)，這么一個(gè)從干擾發(fā)生、系統(tǒng)控制、直到重新建立平衡的過(guò)程稱為“動(dòng)態(tài)”過(guò)程。 工藝設(shè)計(jì)主要圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作，自動(dòng)控制是在“靜態(tài)”特性基礎(chǔ)上研究其“動(dòng)態(tài)”特性當(dāng)系統(tǒng)失去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。 如何來(lái)評(píng)價(jià)自控系統(tǒng)的質(zhì)量？ 必須分析“系統(tǒng)失穩(wěn)以后能否重新回到平衡狀態(tài)”、“從系統(tǒng)失穩(wěn)到重新回到平衡狀態(tài)”這個(gè)過(guò)程的各種指標(biāo)。,過(guò)渡過(guò)程：受到干擾作用后系統(tǒng)失穩(wěn)，在控制系統(tǒng)的作用下，被控變量回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程。 在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，往往選定階躍信號(hào)作為輸入

10、。 階躍干擾：在某一瞬間t0干擾突然階躍式地加入系統(tǒng)， 并保持在這個(gè)幅值。 階躍干擾比較突然、比較危險(xiǎn)、對(duì)控制系統(tǒng)的影響也最大、 設(shè)計(jì)過(guò)程容易產(chǎn)生階躍干擾。 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，如果能有效克服階躍干擾，肯定能很好地克服 其它變化比較緩和的各種干擾。 幾種典型的過(guò)渡過(guò)程：,二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程,幾種典型的過(guò)渡過(guò)程：,？,X,X,一般是不允許的 除開關(guān)量控制回路,通常要評(píng)價(jià)和討論一個(gè)控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣，其標(biāo)準(zhǔn)有二大類： 以系統(tǒng)受到階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線的形式給出。主要包括： 最大偏差（超調(diào)量）、 衰減比 余差 過(guò)渡時(shí)間 振蕩周期（振蕩頻率） 以誤差性能指標(biāo)的形式給出，一般指偏差對(duì)某個(gè)函數(shù)的積分。主

11、要包括： 平方誤差積分指標(biāo) 時(shí)間乘平方誤差積分指標(biāo) 絕對(duì)誤差積分指標(biāo) 時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分指標(biāo) 當(dāng)這些值達(dá)到最小值的系統(tǒng)是某種意義下的最優(yōu)系統(tǒng)。,三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo),以階躍響應(yīng)曲線的形式表示的品質(zhì)指標(biāo)（和初值有關(guān)，這里只分析變化量）,分兩種情況：,階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程（設(shè)定值固定，加一階躍干擾）定值系統(tǒng),階躍給定作用下的過(guò)渡過(guò)程（設(shè)定值變化）隨動(dòng)系統(tǒng),階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程（設(shè)定值固定，加一階躍干擾）定值系統(tǒng),最大偏差emax：,衰 減 比n：,余差 e()：,過(guò)渡時(shí)間tp：,振蕩周期：,階躍給定作用下的過(guò)渡過(guò)程（設(shè)定值變化）隨動(dòng)系統(tǒng),超調(diào)量：,衰 減 比n：,余差 e()：,過(guò)渡時(shí)間

12、tp：,振蕩周期：,自動(dòng)控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：,最大偏差（超調(diào)量）？,衰減比？,余差？,過(guò)渡時(shí)間？,振蕩周期？,n1等幅振蕩 n1發(fā)散振蕩 n1衰減振蕩 不振蕩,為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過(guò)渡過(guò)程不是最優(yōu)的結(jié)果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過(guò)程 不振蕩：不便于操作人員掌握。,答：越小越好,答：越小越好,答：越小越好,答：斷好,固定因素：對(duì)象特性 測(cè)量?jī)x表特性 執(zhí)行器特性 補(bǔ)償因素：控制器特性這是自動(dòng)控制的主要研究?jī)?nèi)容,四、影響控制指標(biāo)的主要內(nèi)容,例,某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩

13、周期和過(guò)渡時(shí)間(給定值為200)。,解：1、最大偏差：A23020030 2、余差C2052005 3、第一個(gè)波峰值B23020525 第二個(gè)波峰值B2102055 衰減比n25：55：l。 4、振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T20515(min) 5、過(guò)渡時(shí)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(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200(2)4，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值(205)兩側(cè)以寬度為4畫一區(qū)域，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(guò)渡過(guò)程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過(guò)渡時(shí)間為22min。,第五節(jié) 工藝管道

14、、儀表流程圖（P&ID）,(1)圖形符號(hào)檢測(cè)點(diǎn),一般是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn),必要時(shí)也可以用象形或圖形符號(hào)表示,(2)圖形符號(hào)連線,通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示,(3)圖形符號(hào)儀表符號(hào),儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm,就地安裝儀表,就地安裝儀表嵌在管道中,集中儀表盤面安裝儀表,就地儀表盤面安裝儀表,集中儀表盤后安裝儀表,就地儀表盤后安裝儀表,同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，有兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量，可用兩個(gè)或多個(gè)相切的圓表示,ATTENTION 管道、儀表流程圖的圖形符號(hào)不是完全標(biāo)準(zhǔn)一致的，國(guó)內(nèi)與國(guó)外、不同設(shè)計(jì)單位之間、甚至不同設(shè)計(jì)人員之間，有些方面會(huì)有不同的標(biāo)注習(xí)慣，一般來(lái)說(shuō)P&ID圖會(huì)有圖例給出。 例如，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院一般較少用多個(gè)圓相切的形式來(lái)表示復(fù)合儀表，而