HG第一章自动控制系统基本概念位.ppt

1,仪表与自动化控制,E-mail: ,2,教材和主要参考书目,化工仪表及自动化（第三版,第四版） 厉玉鸣 主编，化学工业出版社。 化工仪表及自动化习题集 厉玉鸣 主编，化学工业出版社。 过程检测技术及仪表 杜维主编，化学工业出版社。 自动检测技术及仪表控制系统 张毅主编，化学工业出版社。,3,成绩评定与学习要求,一、成绩评定 （1）平时成绩 30% 实验成绩、作业、课堂表现等。 （2）考试成绩 70% 二、学习要求 （1）坚持听课； （2）掌握原理； （3）勤于思考，灵活应用； （4）及时复习。,4,绪 论,生产过程自动化：在化工、炼油、食品、轻工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接手工劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行，称为“生产过程自动化”。所谓化工自动化,自动化技术的重要性,5,绪 论,生产过程自动化的目的： 加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量； 降低劳动强度，改善劳动条件； 确保生产安全。 改善劳动条件,6,本课程主要内容,基本概念 控制系统 控制对象的数学模型 仪器仪表 检 测 显 示 调 节 执 行 自动控制系统（简单系统、复杂系统） 计算机等新型控制系统,7,生产过程自动化技术的发展历程简介,利用自动检测仪表监视生产，根据仪表指示和经验，手工操作控制生产过程。(20世纪40年代以前) 生产过程自动控制系统的产生，实现温度、压力、流量、物位等参数的简单控制；同时串级、比值、等复杂控制系统也得到了一定程度的发展。 (20世纪50至60年代) 计算机技术、网络技术和控制理论的发展推动了常规仪表的不断变革，各种新型测控系统相继出现。(20世纪70年代以来) 现代自动化技术发展为综合自动化，控制与管理一体化，是信息技术、自动化技术和管理科学相结合的现代高新技术。(近10年来) 现场总线控制系统,8,第一章 自动控制系统基本概念,1.1 工业自动化的主要内容 1.2 自动控制系统的组成 1.3 工艺管道及控制流程图 1.4 自动控制系统方块图 1.5 自动控制系统的分类 1.6 自动控制系统的过渡过程和品质指标 本章小结,9,1.1 工业自动化的主要内容,主要有：自动检测；自动报警与联锁保护；自动操纵和自动启停；自动控制。,自动检测：利用各种检测仪表对生产过程主要工艺参数(温度、压力、流量、物位等)进行测量、指示或记录。,换热器重要参数的自动检测示意图。,10,生产过程自动化的主要内容2-3-4,自动报警与联锁保护：对生产过程中某些关键性的工艺参数设置自动报警、联锁保护装置，当参数超出设定范围时，系统自动发出声光信号，工况达到危险状态时联锁保护系统立即自动采取紧急措施。 自动操纵和自动启停：按照预先规定的步骤自动对生产设备进行某种周期性操作；自动投入运行或停车。 自动控制：对影响产品产量、质量或安全生产的一些关键工艺参数进行自动控制，当其受到外界扰动的影响偏离正常状况时，系统能自动调节使工艺参数值回到规定的范围之内，克服干扰影响。,11,1.2 自动控制系统的组成,自动控制是由人工手动控制发展而来，,下面以水槽液位控制为例来比较自动控制和手工控制，从而分析和了解自动控制系统的基本组成。,12,水槽液位控制,手工控制,眼看脑想手动。,检测、运算和执行,手工完成测量、求偏差和操纵阀门纠正偏差的全过程。,可用一套自动化装置代替人眼、脑、手的作用，完成水槽中液位高低的自动控制任务。,自动控制,13,自动控制系统的组成部分,自动控制,测量元件与变送器：测量液位并将其高度转化为统一标准信号； 电信号: 420mADC; 010mADC等 气压信号: 20100KPa。,自动控制器：计算变送器输出信号与液位设定值之间偏差，按某种运算规律进行计算并输出统一信号；,被控对象：水槽 需要控制其工艺参数的生产设备或机器，简称对象。,自动化装置,执行器：自动根据控制器的输出改变阀门开度。,14,第三节 工艺管道及控制流程图,概念：工艺流程及自动控制方案确定后，在工艺设计给出的流程图上，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，从而构成工艺管道及控制流程图。,工艺管道及控制流程图主要由图形符号、字母代号和仪表位号组成，下面以脱乙烷塔工艺管道及控制流程图为例来作一简要介绍。,15,脱乙烷塔工艺管道及控制流程图,工艺介绍、图形符号 字母代号、仪表位号,1、工艺介绍 从脱甲烷塔出来的釜液进入脱乙烷塔脱除乙烷。 从脱乙烷塔塔顶出来的碳二馏分经塔顶冷凝器冷凝后，部分作为回流，其余去乙炔加氢反应器进行加氢反应。 从脱乙烷塔底出来的釜液部分经再沸器后返回塔底，其余去脱丙烷塔脱除丙烷。,16,2、图形符号,测量点：包括检测元件、取样点，是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点。检测元件可用象形或图形符号表示。 连接线：以细实线表示，加箭头表示信号方向，可交叉或相接。 仪表图形符号：细实线圆圈，用字母表示检测、显示、控制等功能，并表示出所在的安装位置。,17,字母代号、 仪表位号,控制流程图中仪表图形符号圆圈的上半圆内，一般写有两位或以上字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表功能。 首位字母：F流量； L物位；P压力； T温度。等 后继字母：A报警； C控制；I指示； R记录或打印； T传送。等,在检测和控制系统中，每台仪表都有自己的仪表位号，是由字母代号和数字编号两部分组成。 数字编号写在仪表图形符号圆圈的下半圆内，首位数字表示工段号，后续数字表示仪表序号。,具有指示功能的压力控制器。,工段号：2； 仪表序号：7；,18,控制流程图仪表安装位置符号意义,19,控制流程图字母意义,20,符号意义例子,具有指示功能的压力控制器。,具有指示、高低限报警功能的液位控制器。,具有记录功能的温度控制器。,就地安装的压力指示仪。,工段号：2； 仪表序号：6；,集中仪表盘面安装。,21,第四节 自动控制系统方块图,为清楚表示出自动控制系统各组成环节之间的相互影响和信号联系，可用方块图来表示控制系统的组成。每个方块表示组成系统的一个部分，称为环节。两个方块之间用带箭头的线条表示信号的输入、输出关系 (并不表示物料联系)。 线旁的字母表示相互间的作用信号。以蒸汽加热器自动控制系统为例来说明系统各环节功能。,22,蒸汽加热器自动控制系统方块图,被控对象(对象)：蒸汽加热器；,-,被控变量：出料温度；,操纵变量：蒸汽流量；,干扰作用：如进料流量、温度变化或蒸汽压力变化等。,操纵介质：蒸汽；,23,反馈与负反馈,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 反馈：系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端。在反馈信号z旁有一个负号“-”，而在设定值x旁有一个正号“+” (可省略)，所得偏差 e=x-z。反馈信号 z 取负值，所以叫负反馈，负反馈能使原来信号减弱。反馈信号取正值使原来信号加强，就叫做正反馈。 为什么在自动控制系统中一般采用负反馈？ 闭环系统的优点：有负反馈。闭环系统可以随时了解被控对象的情况，有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。,24,第五节 自动控制系统的分类,按被调参数分类： 流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等； 按调节规律分类： 比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调节； 按信号种类分类： 气动调节系统，电动调节系统。,分类方法有多种！,25,自动控制系统按被控变量的设定值分类,自动控制系统按被控变量的设定值形式不同分为三大类：,定值控制系统：设定值恒定。大多数自动控制系统采用。 随动控制系统：设定值不断随机变化，被控变量准确而快速跟随设定值的变化而变化。导航雷达系统、天线接收系统、比值控制系统等。 程序控制系统：设定值是一个已知的时间函数，按生产工艺要求规律变化，控制系统按设定程序自动进行。,26,随动控制系统举例,以一定的精度跟随设定值的变化而变化。,自动平衡电位差计的方框图,27,第六节 系统过渡过程、品质指标,控制系统的静态与动态；研究自动控制系统的重点。 系统的静态是指被控量不随时间而变化的平衡状态；系统的动态是指被控量随时间变化的不平衡状态。 当系统输入(设定和干扰)和输出均恒定不变时，系统处于相对稳定的平衡状态，系统各环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原来状态，系统中各信号变化率为零。 系统处于静态，受干扰作用破坏了这种平衡时，被控变量发生变化，使控制器、控制阀改变原来平衡状态并产生一定控制作用来克服干扰的影响，使系统恢复平衡状态。从干扰发生开始，直到系统重新建立平衡，系统各环节和信号都处于变动状态之中，称为动态。,28,控制系统的静态与动态,自动控制系统处于静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变。,研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。在生产过 程中，干扰是客观存在不可避免的，当一个自动控制系 统投入运行时，时时刻刻都有干扰作用于控制系统，需 要通过自动化装置不断的施加控制作用来消除干扰作用 的影响，使被控变量保持在正常的生产状态。所以，一 个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一 波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。,29,30,阶跃干扰,系统原先处于平衡状态，受干扰作用，系统进入动态过程。由于自动控制系统负反馈作用，一段时间后系统重新恢复平衡状态。,被控量随时间的变化规律首先取决于系统的干扰形式，在分析和设计控制系统时常选用阶跃干扰，在某一瞬间干扰突然的阶跃式的加到系统上，并继续保持幅度。由于阶跃干扰比较突然、比较危险，对被控量的影响也最大，如果一个控制系统能有效的克服阶跃干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定能很好的克服。同时，阶跃干扰形式简单，便于分析、实验和计算。,31,二、控制系统的品质指标,在大多数情况下，系统的过渡过程都希望得到衰减振荡过程，取衰减振荡过渡过程形式来讨论控制系统品质指标。,过渡过程品质指标示意图,习惯采用下列品质指标来评价控制系统质量： 最大偏差或超调量, 衰减比, 余差 ,过渡时间, 振荡周期或频率,32,1.最大偏差或超调量,最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差为第一个波的峰值，图中以A表示。超调量是第一峰值A与新稳态值C之差，图中以B表示，即B=A-C。 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。一般最大偏差小一些为好，若偏离越大，偏离的时间越长，表明被控变量离开正常的工艺指标就越远，不利于生产的正常进行。若干扰比较频繁，第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，引起偏差产生叠加，因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许值。,33,2.衰减比,衰减比：前后相邻两个峰值之比，图中以B:B表示，习惯上表示为 n:1的形式。 衰减比表明过渡过程的衰减程度。若衰减比较小(n1)，则过渡过程接近于等幅振荡过程，不稳定；若 n 很大，则又太接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢。 n 一般取4 10之间，是操作人员多年的操作经验总结。衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度较快，被控变量较快达到第一个峰值，然后马上下降，又较快达到一个低峰值，且第二个峰值远远低于第一个峰值。这种现象表明被控变量再振荡数次后很快会稳定下来，防止操作人员误操作使系统处于难以控制的状态。,34,3.余差,余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与设定值之间的偏差，又叫残余偏差，图中以C表示，偏差的数值可正可负。 一般控制系统被控变量越接近设定值越好，所以余差越小越好。但在实际生产中，也不是要求任何系统的余差都很小，一般余差越小控制系统就越复杂。对余差大小的要求须结合具体系统分析，如贮液槽液位控制系统往往允许液位有较大的变化范围，余差可以大一些；而化学反应器的温度控制要求较高，应尽量消除余差。 根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统。,35,4.过渡时间; 5.振荡周期 或频率,过渡时间：从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。一般认为被控变量进入新稳态值的5 %或(2 %)时，过渡过程已经结束。过渡时间短，表示过渡过程比较迅速，即使干扰频繁出现，系统也能适应，控制质量高；反之，过渡时间太长，第一个干扰引起的过渡过程尚未结束，第二个干扰就已经出现，几个干扰的影响叠加，可能使系统不能满足生产要求。 振荡周期：过渡过程同相两波峰(或波谷)间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，振荡周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,36,例: 换热器温度控制系统品质指标,某换热器温度控 制系统在单位阶跃干 扰作用下过渡过程曲 线如右图所示。试分 别求