化工儀表及其自動(dòng)化控制第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念

1、2020年6月25日，化學(xué)儀器與自動(dòng)化課件，2020年6月25日，尤，2020年6月25日，化學(xué)儀器與自動(dòng)化控制課件，2020年6月25日，化學(xué)儀器與自動(dòng)化控制課件，2020年，在化工等連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備中，一些自動(dòng)化設(shè)備的配備取代了部分操作人員的直接勞動(dòng)，使生產(chǎn)可以在不同程度上自動(dòng)進(jìn)行，這就是所謂的化學(xué)自動(dòng)化?；瘜W(xué)自動(dòng)化的目的是加速生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)成本。學(xué)習(xí)本課程對(duì)保障安全生產(chǎn)的意義在于：擴(kuò)大知識(shí)面，適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)代化的需要；擴(kuò)大就業(yè)渠道。首先是戰(zhàn)無不勝，然后才能取勝！2020年6月25日，化學(xué)儀器與自動(dòng)化控制課件，化學(xué)自動(dòng)化發(fā)展史，基礎(chǔ)氣動(dòng)單元儀表，基

2、礎(chǔ)電氣單元儀表，隔膜儀表，20世紀(jì)50年代至60年代，為化學(xué)單元操作的發(fā)展提供技術(shù)支持。1970年s1980 s機(jī)組組合型儀表：QDZ ，DDZ 1990年代機(jī)組組合型儀表：QDZ ，DDZ ，2020年6月25日，化工儀表及自動(dòng)化控制課件，本課程的主要內(nèi)容，基本概念控制系統(tǒng)控制對(duì)象儀表測(cè)量顯示調(diào)整執(zhí)行調(diào)整系統(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)組成，接口和轉(zhuǎn)換)，2020年6月25日，化工儀表及自動(dòng)化控制課件，主要書目， 化學(xué)儀器與自動(dòng)化(第四版)編輯，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)過程控制工程(第二版)編輯，化學(xué)工業(yè)出版社，基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)出版社，2020年6月25日，化學(xué)儀器及其

3、自動(dòng)化控制課件，第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念。 化學(xué)自動(dòng)化的主要內(nèi)容自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成和框圖自動(dòng)調(diào)節(jié)的分類過度過程和系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)過程管道和控制流程圖，2020年6月25日，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，第一節(jié)化學(xué)自動(dòng)化的主要內(nèi)容，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用各種檢測(cè)儀器測(cè)量、指示和記錄主要過程參數(shù)。 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中的安全裝置。自動(dòng)操作和自動(dòng)啟動(dòng)/停止系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先指定的步驟自動(dòng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備執(zhí)行一些周期性操作。生產(chǎn)過程可以按照預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)投入運(yùn)行，或者當(dāng)一些關(guān)鍵控制參數(shù)由于外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)專用車自動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)控制這些關(guān)鍵控制參數(shù)返回到規(guī)定的數(shù)值范圍。2020

4、/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，第二節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成，2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，控制系統(tǒng)的四個(gè)基本環(huán)節(jié)：被控對(duì)象、檢測(cè)儀器(測(cè)量傳輸環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器和執(zhí)行器(2)被控變量對(duì)象中需要保持一定值(或按照一定規(guī)則變化)的物理量稱為被控變量。(3)受控變量(操縱變量)由致動(dòng)器控制，用于將受控變量保持在某一值的材料或能量稱為受控變量或操縱變量。(4)干擾(擾動(dòng))除控制變量(操縱變量)外，所有作用于對(duì)象并引起被控變量變化的因素都稱為干擾。(5)設(shè)定(給出)一個(gè)固定值的過程規(guī)定了由受控變量保持的值。(6)偏差應(yīng)該是設(shè)定值和受控變量實(shí)際值之間的差值。然而，可以獲得的信息

5、是受控變量的測(cè)量值，而不是實(shí)際值。因此，設(shè)定值和測(cè)量值之間的差值通常被定義為控制系統(tǒng)中的偏差。，2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖，2020/6/25，反饋是一個(gè)過程，其中控制系統(tǒng)的輸出(即受控變量)通過測(cè)量返回到控制系統(tǒng)的輸入，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。負(fù)反饋：減少系統(tǒng)輸出的反饋類型；正反饋：增加系統(tǒng)輸出的反饋類型；工業(yè)控制系統(tǒng)一般應(yīng)該是負(fù)反饋。2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，閉環(huán)和開環(huán)，將閉環(huán)系統(tǒng)的輸出反饋給輸入并與設(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)定值和測(cè)量值之間的偏差進(jìn)行控制，直到偏差消除。開環(huán)系統(tǒng)的輸出不反饋給輸入，致動(dòng)器僅根據(jù)輸

6、入信號(hào)控制，這稱為開環(huán)系統(tǒng)。此時(shí)，系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值和測(cè)量值之間的偏差無關(guān)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)必須是閉環(huán)的。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件是負(fù)反饋。2020年6月25日，化學(xué)儀器與自動(dòng)化控制課件，第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類，(1)根據(jù)設(shè)定值的特性進(jìn)行區(qū)分(即根據(jù)過程中被控變量的數(shù)值是否發(fā)生變化對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分類):(1)定值控制系統(tǒng)：設(shè)定值是過程要求給定的常數(shù)，通常要求被控變量盡可能與設(shè)定值一致。2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)定值隨時(shí)間不斷變化(自動(dòng)跟蹤系統(tǒng))，通常要求被控變量盡可能隨設(shè)定值變化。3.程序控制系統(tǒng)：可以理解，伺服控制設(shè)定點(diǎn)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)(順序控制系統(tǒng))，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)根據(jù)一定的時(shí)間

7、程序而變化，2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，(2)根據(jù)干擾補(bǔ)償方法，反饋，干擾F (t)控制變量調(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，2020年6月25日， 化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，(3)根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)，(4)根據(jù)控制變量的名稱，溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)，(5)根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律，P、PI、PD、(6)根據(jù)被控變量對(duì)操作變量的影響，分為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如：反饋控制開環(huán)控制系統(tǒng)，如：前饋控制，2020年6月25日，化工儀表及其自動(dòng)化控制課件，第四節(jié)過渡過程和質(zhì)量指標(biāo)，一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))和動(dòng)態(tài)。 控制

8、系統(tǒng)的作用：盡可能使被控變量與設(shè)定值保持一致(或遵循因?yàn)闆]有嚴(yán)格的干擾變化規(guī)律(否則不能稱之為干擾)，系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)也隨時(shí)間變化。 靜態(tài)：受控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)(變化率為0，非靜態(tài))。如果控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，假設(shè)設(shè)定值和擾動(dòng)保持不變，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，控制系統(tǒng)中的參數(shù)將不可避免地達(dá)到“相對(duì)”平衡狀態(tài)，這在控制領(lǐng)域中稱為“靜態(tài)”，更稱為“穩(wěn)態(tài)”。在工業(yè)對(duì)象的設(shè)計(jì)過程中，需要從物質(zhì)平衡、能量平衡、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速度和平衡等方面進(jìn)行大量的計(jì)算。這些計(jì)算結(jié)果是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這部分屬于系統(tǒng)“靜態(tài)”特性的范疇。理論上，這些計(jì)算結(jié)果可以保證系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下運(yùn)行(物質(zhì)平衡、能量平衡等)。)。假設(shè)

9、在設(shè)計(jì)的蒸發(fā)系統(tǒng)中，由于電磁干擾，蒸汽壓力突然變化或某個(gè)測(cè)量信號(hào)發(fā)生變化，系統(tǒng)如何克服這些干擾，僅僅使用“靜態(tài)”的概念并不能很好地解決這些困難。2020/6/25，化學(xué)儀器與自動(dòng)化控制課件，D如果系統(tǒng)處于相對(duì)平衡狀態(tài)(靜態(tài))，當(dāng)擾動(dòng)改變被控變量時(shí)，控制系統(tǒng)生效。調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其變化改變調(diào)節(jié)器的輸出，然后通過致動(dòng)器改變操縱變量，使受控變量返回到設(shè)定值。這種從擾動(dòng)發(fā)生、系統(tǒng)控制到重新建立平衡的過程稱為“動(dòng)態(tài)”。過程設(shè)計(jì)主要關(guān)注系統(tǒng)的“靜態(tài)”特性，自動(dòng)控制基于“靜態(tài)”特性研究其“動(dòng)態(tài)”特性如何使系統(tǒng)在失去平衡后回到平衡狀態(tài)。如何評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的質(zhì)量？有必要分析“系統(tǒng)失穩(wěn)后能否恢復(fù)平衡”和“從失穩(wěn)

10、到恢復(fù)平衡”過程中的各項(xiàng)指標(biāo)。2020年6月25日，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，過渡過程：系統(tǒng)在受到干擾后失去穩(wěn)定性，被控變量在控制系統(tǒng)的作用下回到新的平衡狀態(tài)的過程。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，通常選擇階躍信號(hào)作為輸入。階躍干擾：在某一時(shí)刻，t0干擾以逐步的方式突然進(jìn)入系統(tǒng)，并保持在這個(gè)幅度。階躍干擾具有突發(fā)性、危險(xiǎn)性，對(duì)控制系統(tǒng)影響最大，在設(shè)計(jì)過程中容易產(chǎn)生階躍干擾。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，如果它能有效地克服階躍干擾，它就一定能克服各種輕微變化的干擾。幾個(gè)典型的過渡過程：2。控制系統(tǒng)的過渡過程，2020年6月25日，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，幾個(gè)典型的過渡過程：,X，X，一般不允許劃分開關(guān)值控

11、制回路，2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，通常用來評(píng)價(jià)和討論一個(gè)控制系統(tǒng)的性能，其標(biāo)準(zhǔn)分為兩類：以響應(yīng)曲線的形式給出系統(tǒng)經(jīng)過階躍輸入后的情況。它主要包括：最大偏差(過沖)、振蕩周期(振蕩頻率)的衰減比剩余躍遷時(shí)間.以誤差性能指數(shù)的形式給出，它一般指對(duì)某一函數(shù)的偏差積分。它主要包括：平方誤差積分指數(shù)時(shí)間乘以平方誤差積分指數(shù)絕對(duì)誤差積分指數(shù)時(shí)間乘以絕對(duì)誤差積分指數(shù)。當(dāng)這些值達(dá)到最小值時(shí)，系統(tǒng)在某種意義上是最優(yōu)系統(tǒng)。3.控制系統(tǒng)控制指標(biāo)，2020年6月25日，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，質(zhì)量指標(biāo)以階躍響應(yīng)曲線的形式表示(與初始值有關(guān)，這里只分析變化量)，分為兩種情況：階躍干擾下的過渡過

12、程(固定設(shè)定值，加階躍干擾)定值系統(tǒng)，階躍給定作用下的過渡過程(設(shè)定值)2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件。 階躍干擾下的過渡過程定值系統(tǒng)(定值加階躍干擾)，最大偏差emax:衰減比n:剩余誤差e():過渡時(shí)間tp:振蕩周期：2020/6/25，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化，衰減率？剩下的區(qū)別呢？轉(zhuǎn)變時(shí)間？振蕩周期？n=1，恒幅振蕩，n 1，衰減振蕩和無振蕩，為了保持足夠的穩(wěn)定性，衰減比一般取為41至101；這種過渡過程不是最佳結(jié)果，但是操作者很容易掌握，并且通常期望該過程不會(huì)振蕩：這對(duì)于操作者來說不方便掌握。越小越好，越小越好，越小越好，越好，越好，越好，化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件，202

13、0/6/25，固定因素：物體特性測(cè)量?jī)x器特性執(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。第四，影響控制指標(biāo)的主要內(nèi)容，2020/6盡量找出最大偏差、殘差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間(給定值為200)。1.最大偏差：a=230-200=30 2，剩余c=205-200=5 3，第一個(gè)峰值b=230-205=25，第二個(gè)峰值b=210-205=5衰減比n=。4.振蕩周期是同一方向上兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔，因此周期t=20-5=15(分鐘)。5.轉(zhuǎn)換時(shí)間與受控變量的規(guī)定極限范圍相關(guān)。假設(shè)被控變量進(jìn)入額定值的2%，可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，因此極限范圍為200 (2%)=4。這時(shí)，新的

14、穩(wěn)態(tài)值(205)。因此，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)變時(shí)間為22分鐘。2020/6/25，“化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件”，第5節(jié)“工藝管道和儀器流程圖”(PID)，2020/6/25，“化學(xué)儀器及其自動(dòng)化控制課件”，(1)圖形符號(hào)通常是從工藝設(shè)備輪廓線或工藝管道到儀器圓的連接線的起點(diǎn)，必要時(shí)也可以用象形圖或圖形符號(hào)表示，(2)一般儀器信號(hào)線用細(xì)實(shí)線表示。(3)圖形符號(hào)儀表符號(hào)是一個(gè)直徑約10毫米的細(xì)實(shí)線圓圈，安裝在本地，嵌入管道中，集中在儀表板上，安裝在集中儀表板后面，安裝在本地儀表板后面。在同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量值，可以用兩個(gè)或多個(gè)切圓表示。注意管線和儀表流程圖的圖形符號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)不完全一致。國(guó)內(nèi)外、不同設(shè)計(jì)單位甚至不同設(shè)計(jì)師在某些方面有不同的標(biāo)記習(xí)慣。一般來說，PID圖將帶有圖例。例如，在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院，組合儀表很少以多圈相切的形式表示，而在國(guó)外則較為常見。2020/6/