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:liusheng,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410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