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化工仪表及自动化 药科学院化工教研室单绍军 目的和意义 在化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劳动 使生产在不同程度上自动地进行 称为化工自动化 实现化工自动化的目的是 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 改善劳动成本 确保生产安全学习本课程的意义在于 扩大知识面 适应生产现代化需要 扩大就业途径 化工自动化的发展历程 控制理论的发展经典控制理论 20世纪40年 20世纪50年代特点 主要从输出与输入量的关系方面分析与研究问题 适用范围 线性定常的单输入 单输出控制系统 以传递函数为基础 在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计PID 比例积分微分 控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一 现代控制理论 20世纪60年代获得迅猛发展其主要内容为 基础 线性系统理论 最优控制理论 最佳估计理论 系统辨识等 特点 从输入 状态 输出的关系全面地分析与研究系统 适用范围 不限于线性定常系统 也适用于线性时变 非线性及离散系统 多输入 多输出的情况 大系统理论 20世纪70年代开始将现代控制理论与系统理论相结合核心思想 系统的分解与协调适用范围 高维线性系统 智能控制理论控制系统结构及仪表的发展基地式 20世纪50年代 适用于单回路单元组合式 按功能 DDZ QDZ20世纪60年代 之间用标准统一信号联系计算机 DDC DCS20世纪70年代先进控制和优化控制 CIPS FCS20世纪80年代以后自动化仪表的发展经历了如下过程 模拟仪表 数字仪表 智能仪表 当前自动控制系统发展的一些主要特点生产装置实施先进控制成为发展主流过程优化受到普遍关注传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统 CIPS 是发展方向 使用常规仪表的中央控制室 早期的DCS 集散控制系统 控制系统 本课程主要内容 基本概念控制系统控制对象仪器仪表测量显示调节执行调节系统 简单系统 第一章自动控制系统基本概念 第一节化工自动化的主要内容第二节自动控制系统的组成第三节自动控制系统的分类第四节自动控制的过度过程和系统品质指标 第一节化工自动化的主要内容 自动检测系统利用各种检测仪器对主要工艺差数进行测量 指示或记录的 称为自动检测系统 自动信号与报警系统 自动操纵与启停系统 自动控制系统 第二节自动控制系统的组成及方块图 化工生产过程的控制 以蒸汽加热器示意图为例说明 人工控制过程 眼睛观察 大脑思考液位如何变化 支配手改变调节阀开度 液位回到设定值 人工控制过程 自动控制过程 流体温度变化 自动检测仪表检测 代替眼睛 自动调节器 执行器 代替大脑 代替人手和阀门 自动控制过程 液位人工与自动控制 锅炉汽包示意图 手动控制的步骤 1 观察液位数值 2 把观察到的实际数值与设定值加以比较 根据偏差的大小及变化情况做出判断 并发布命令 3 根据命令操作给水阀 使液位回到设定值 术语被控过程 被控对象 自动控制系统中 工艺参数需要控制的生产过程 设备或机器 被控变量 被控过程内要求保持设定值的工艺参数 被控过程 汽包被控变量 汽包液位 操纵变量 受控制器操纵的用以克服干扰的影响 使被控变量保持设定值的物料量或能量扰动 除操纵变量外 作用于被控过程并引起被控变量变化的因素 操纵变量 水的流量扰动 水压力 蒸汽压力 设定值 工艺参数所要求保持的数值偏差 被控变量设定值与实际值之差 加热炉的温度控制系统 被控过程 被控变量 操纵变量 扰动 被控过程 加热炉被控变量 物料出口温度操纵变量 燃料油流量扰动 被加热原料温度 燃料油热值等 自动调节系统的表示方法 方块图表示方式流程图表示方式 反馈 系统运行的基本要求 自动控制系统的 最 基本要求是系统运行必须是稳定的反馈是控制系统的输出 即被控变量 通过测量变送返回到控制系统的输入端 并与设定值比较的过程 负反馈 反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型正反馈 反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型工业控制系统一般情况下都应为负反馈 一 闭环控制系统 闭环 系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统 此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制 直至消除偏差 以右图为例 操纵变量 蒸汽量 通过被控过程 锅炉气泡和换热器 去影响被控变量 温度 而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量 从信息的传递关系来看 构成了一个闭合回路 所以称为闭环控制系统 蒸汽加热器带控制点工艺流程示意图 简单地说闭环控制系统就是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制 闭环控制的优点 按偏差进行控制 使偏差减小或消除 达到被控变量与设定值一致的目的 闭环控制的缺点 控制不够及时 如果系统内部各环节配合不当 系统会引起剧烈震荡 甚至会使系统失去控制 要实现自动控制 系统必须闭环 闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈 二 开环控制系统 开环 系统的输出没有被反馈回输入端 执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统 此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关 按设定值控制的开环系统 按扰动控制的开环系统 开环控制 开环控制的优点 不需要对被控变量进行测量 只根据输入信号进行控制 控制很及时 开环控制的缺点 由于不测量被控变量 也不与设定值相比较 所以系统受到扰动作用后 被控变量偏离设定值 并无法消除偏差 这是开环控制的缺点 自动控制系统的组成及方框图在研究自动控制系统时 为了更清楚的表示控制系统各环节的组成 特性和相互间的信号联系 一般都采用方框图 每个方框表示组成系统的一个环节 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系 进入方框的信号为环节输入 离开方框的为环节输出 闭环控制系统组成 检测元件和变送器的作用是把被控变量c t 转化为测量值y t 比较机构的作用是比较设定值r t 与测量值y t 并输出其差值 控制装置的作用是根据偏差的正负 大小及变化情况 按某种预定的控制规律给出控制作用u t 比较机构和控制装置通常组合在一起 称为控制器 执行器的作用是接受控制器送来的u t 相应地去改变操纵变量q t 系统中控制器以外的各部分组合在一起 即过程 执行器 检测元件与变送器的组合称为广义对象 在分析控制系统的工作过程时 有几个很重要的概念 1 信息 图中的r t y t f t 等尽管是实际的物理量 但它们是作为信息来转换和作用的 图中的每一部分称为一个环节 作用于它的信息称为该环节的输入信号 它送出的信息称为输出信号 前一环节的输出就是后一环节的输入信号 每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性 从整个系统来看 输入信号 设定值和扰动输出信号 被控变量 测量值 2 闭环 按信息的流向来说 3 动态 物理量是时间的函数 是不断变化的 扰动作用使被控变量偏离设定值 控制作用又使它回到设定值 第三节自动调节系统的分类 按被调变量分类 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 按被调参数的变化规律分类 1 定值控制系统 设定值是由工艺要求给出的不变常数通常要求被控变量尽量与设定值保持一致 2 随动控制系统 设定值随时间不断发生变化 自动跟踪系统 通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化 3 程序控制系统 可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数 顺序控制系统 即生产技术指标按一定时间程序变化 控制系统的静态与动态 自动控制系统的过渡过程及品质指标静态与动态控制系统的输入有设定作用和扰动作用 静态 定态 当输入恒定不变时 整个系统若能建立平衡 系统中各个环节将暂不动作 它们的输出都处于相对静止状态 此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性 环节的静态特性动态 由于输入的变化 输出随时间变化 其间的关系称为系统的动态特性 也就是说 从输入开始 经过控制直到再建立静态 在这段时间中 整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中 这种状态称为动态 环节的动态特性 第四节自动调节的过度过程和系统品质指标 自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后 被控变量 即输出 随时间不断变化 它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程 也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程 对于一个稳定的系统 所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 要分析其稳定性 准确性和快速性 常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例 因为阶跃作用很典型 实际上也经常遇到 且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况 一个自动控制系统经常受到各种扰动的影响 这些扰动不仅形式各异 幅度和周期也各不相同 对被控变量的影响也不相同 其中阶跃扰动对被控变量影响最大 且阶跃扰动最为多见 在阶跃扰动和控制作用下 被控变量随时间变化有几种基本形式 飞升曲线的四种形式 控制系统的品质指标 最大偏差A 衰减比 A C B C 4 1 10 1余差C 过渡时间t 振荡周期T 1 最大偏差 emax 或超调量 稳态特性 最大偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量 是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标 对于定值控制系统 过渡过程的最大偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差 在上图中 最大偏差就是第一个波的峰值 为A 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度 若偏差越大 偏离的时间越长 对稳定正常生产越不利 要求小 特别是对于一些有约束条件的系统 如化学反应器的化合物爆炸极限 触媒烧结温度极限等 都会对最大偏差的允许值有所限制 同时考虑到干扰会不断出现 当第一个干扰还未清除时 第二个干扰可能又出现了 偏差有可能是叠加的 所以要限制最大偏差的允许值 因此 在决定最大偏差的允许值时 要根据工艺情况慎重选择 在设定作用下的控制系统 随动控制系统 中 通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度 一般超调量以百分数给出 超调量定义 第一个波的峰值与最终稳态值之差 即B A C 如果系统的新稳态值等于设定值 那么最大偏差就等于超调量 2 衰减比n 稳态特性衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标 定义 第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比衰减比n B B n 1 衰减振荡 n越大 则控制系统的稳定度也越高 当n趋于无穷大时 控制系统的过渡过程接近于非振荡过程 n 1 等幅振荡 n 1 发散振荡 n越小 意味着控制系统的振荡过程越剧烈 稳定度也越低 根据实际操作经验 为保持足够的稳定度 一般希望过渡过程有两个波左右 与此对应的衰减比在4 1到10 1的范围内 3 余差 定义 控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差 余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标 一般希望其为零 或不超过预定的范围 稳态特性 上图中 在控制系统中 对余差的要求取决于生产过程的要求 并不是越小越好 例如储槽液位 余差可大一些 化学反应器的温度控制要求高 余差就要小一些 4 回复时间 过渡时间 回复时间表示控制系统过渡过程的长短 定义 控制系统在受到阶跃外作用后 被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间 理论上讲 控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间 实际上 被控变量接近于新稳态值的 2 或 5 的范围内且不再越出时为止所经历的时间 可计为过渡时间 一般希望过渡时间短一些 5 振荡频率 或振荡周期 定义 过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期 其倒数称为振荡频率 在衰减比相同条件下 周期与过渡时间成正比 振荡频率与回复时间成反比 其它一些次要指标 振荡次数 是指在过渡过程内被控变量振荡的次数 理想过渡过程两个波 是指过渡过程振荡两次就能稳定下来 上升时间 是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间 总结 主要指标有 最大偏差 衰减比 余差 过渡时间 在实际的系统中如何确定这些指标 要根据实际情况来定 原则 对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证 自动控制系统希望的结果 最大偏差 超调量 答 越小越好 衰减比 n 1等幅振荡n 1发散振荡n 1衰减振荡不振荡 为了保持有足够的稳定程度 衰减比一般取为4 1至10 1 这种过渡过程不是最优的结果 但操作人员容易掌握 一般也是操作人员所希望的过程 余差 过渡时间 振荡周期 答 越小越好 答 越小越好 答 短好 例题 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示 试分别求出最大偏差 衰减比 余差 过渡时间 设定值为200 解 1 最大偏差 A 230 200 30 2 余差C 205 200 5 3 第一个波峰值B 230 205 25 第二个波峰值B 210 205 5 衰减比n 25 5 5 l 4 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔 故周期T 20 5 15 min 5 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关 假定被控变量进入额定值的 2 就可以认为过渡过程已经结束 那么限制范围为205 2 4 1 这时 可在新稳态值 205 两侧以宽度为 4 1 画一区域 图中以画有阴影线的区域表示 只要被控变量进入这一区域且不再越出 过渡过程就可以认为已经结束 因此 从图上可以看出 过渡时间为22min 影响控制指标的主要因素 固定