化工仪表及自动化课件.ppt

上节课内容 化工自动化化工自动化的主要内容 自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统自动控制系统的组成 被控对象 测量元件与变送器 控制器 执行器 用自动化装置代替人的工作 二 自动控制系统的方块图 在研究自动控制系统时 为了能清楚的表示系统各组成环节之间的相互影响和信号联系 用方块图表示控制系统 方块图的画法 方块 表示环节 方块中用文字或字母表示环节名称 信号线 带箭头的线条表示其信号的相互关系 箭头表示信号传递方向箭头指向方块表示输入 离开表示输出线旁用文字或字母表示信号名称 其方块图为 被控变量 y 生产过程中所要保持恒定的变量干扰作用 f 引起被控变量波动的外来因素给定值 x 工艺上希望保持的被控变量的数值测量值 z 其方块图为 偏差 e x z比较机构控制器输出 p 控制作用 p 执行器 控制阀 开度发生变化 出料流量变化克服干扰对y的影响 称为控制作用操纵变量 具体实现控制作用的变量 q操纵介质 操纵剂 用来实现控制作用的物料 具体方块图为 注意 1 不同的控制系统可用同一形式方块图表示 被控变量 出口物料温度被控对象 换热器操纵变量 蒸汽流量操纵介质 加热蒸汽可能的干扰作用 进料流量的变化 加热蒸汽压力的变化 进料温度的变化 传热系数的变化 环境温度变化 2 方块图与工艺流程图的区别 方块图中每个方块都代表一个具体的装置 方块之间连接线代表方块之间的信号联系 不代表方块之间的物料联系 箭头代表信号作用方向 工艺流程图上的物料线代表物料从一个设备进入另一个设备 3 自动控制系统是闭环系统 反馈 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 反馈信号取负值 使原来的信号减弱或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 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工业控制系统一般情况下都应为负反馈 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 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 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自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统 执行器 被控对象及测量变送环节统称为广义对象 固定因素 补偿因素 正作用与反作用 如何保证系统是负反馈的 输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节例如 对于调节器来说 测量值增大 输出增大 称为正作用调节器能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关 反 正 正 正 反 反 由于被控对象和执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的 所以应当通过控制器的正 反作用特性来满足系统负反馈的要求 第三节 自动控制系统的分类 一 按设定值的特点区分 即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值是否变化和如何变化来分类 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 二 按补偿干扰的方法分 反馈 干扰f t 被控变量 调节器 操作变量 补偿干扰 前馈 干扰f t 变送器 补偿器 操作变量 补偿干扰 前馈 反馈 三 按控制系统的复杂程度区分 简单控制系统复杂控制系统 四 按控制变量的名称区分 温度控制系统压力控制系统 五 按调节规律区分 P PI PD PID 预估控制 六 按被控变量对操作变量的影响分闭环控制系统 如 反馈控制开环控制系统 如 前馈控制 第四节过渡过程和品质指标 一 控制系统的静态 稳态 与动态 控制系统的作用 尽可能使被控变量与设定值保持一致 或随设定值一起变化 当被控变量受干扰影响而偏离设定值时 控制作用必须驱使它 被控变量 回到设定值 由于干扰没有严格的变化规律 否则也不能称之为干扰 因此系统中的有关参数也都是随时间变化的 控制系统有两种状态 静态 被控变量不随时间变化的平衡状态如果控制系统是稳定的 假设设定值和干扰都保持不变 经过足够长的时间 控制系统中各参数必然会到达一个 相对 平衡状态 这种状态就是所谓的 静态 在控制领域中更多的称之为 稳态 相对静止 变化率为0 不是静止不动静态是我们所希望的状态当有干扰出现时 破坏了平衡 不平衡状态 动态 动态 被控变量随时间变化的不平衡状态如果系统原来处于相对平衡状态 静态 当出现干扰使被控变量发生变化 此时控制系统发生作用 调节器根据偏差及其偏差的变化情况 改变调节器输出 再经执行器改变操纵变量 使被控变量重新回到设定值来 这么一个从干扰发生 系统控制 直到重新建立平衡的过程称为 动态 过程实际生产中 干扰是客观的 不可避免的 控制系统在正常工作时 总是一波未平 一波又起 波动不止 即处于动态之中 总一个静态到另一个动态过程中过渡过程 系统总一个平衡状态到另一个平衡状态的过程 受到干扰作用后系统失稳 在控制系统的作用下 被控变量回复到新的平衡状态的过程 工艺设计主要围绕系统 静态 特性开展工作 自动控制是在 静态 特性基础上研究其 动态 特性 当系统失去平衡以后 如何使系统重新回到平衡状态要研究静态 更要研究动态如何来评价自控系统的质量 必须分析 系统失稳以后能否重新回到平衡状态 从系统失稳到重新回到平衡状态 这个过程的各种指标 二 控制系统的过渡过程 过渡过程取决于 1 系统本身及其特性2 干扰 输入 的形式在分析和设计控制系统时 选定信号作为输入 最危险的 突然的最常见的易于实现的 阶跃干扰 在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统 并保持在这个幅值阶跃干扰比较突然 比较危险 对控制系统的影响也最大设计过程容易产生阶跃干扰对于一个控制系统 如果能有效克服阶跃干扰 肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰几种典型的过渡过程 几种典型的过渡过程 X X 一般是不允许的 除开关量控制回路 三 控制系统的控制指标 通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出主要包括 最大偏差 超调量 衰减比余差过渡时间振荡周期 振荡频率 以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标 和初值有关 这里只分析变化量 阶跃干扰作用下的过渡过程 最大偏差 A在过渡过程中 被控变量偏离给定值的最大数值 表示系统瞬间偏离给定值的最大程度 A越大 被控变量偏离给定值 偏离时间越长 对生产不利 A越小越好 设计系统时对A的允许值应有限制特别对有约束条件的系统 爆炸极限干扰会不断出现 偏差重叠 超调量 B第一个峰值和新稳态值之差 B A C 当C 0 A B 衰减比 表示衰减快慢程度 前后两个峰值之比B B n 1 大好 小好 不大不小正好 一般 4 1 10 1 余差 C过渡过程终了时 被控变量所达到的新稳态值与给定值之间的偏差 过渡过程终了时的残余偏差 C可正可负 越小越好 有差控制 有差系统无差控制 无差系统 过渡时间 从干扰作用发生的时刻起 到系统建立新的平衡时止 过度过程所经历的时间 规定一个范围 5 2 稳态值 当被控变量进入这个范围且不再越出时认为过渡过程结束 短好 过程迅速 对干扰频繁也能克服 控制质量高 振荡周期 同向两波峰 或波谷 之间的时间间隔工作周期 频率 衰减比相同时 周期与过渡时间成正比 短好 振荡次数 过渡过程中被控变量的振荡次数 理想过渡过程两个波 4 1 上升时间 干扰开始作用起止第一个波峰时所需的时间 各品质指标在不同的系统中重要性不同 相互之间有矛盾又有联系 根据具体系统确定保证那些指标 设计 分析系统是要合理确定品质指标要求和控制质量 一切从实际出发 四 影响控制指标的主要因素 固定因素 对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素 控制器特性 这是自动控制的主要研究内容 例 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线 试分别求出最大偏差 余差 衰减比 振荡周期和过渡时间 给定值为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 解 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200 2 4 解 可在新稳态值 205 两侧以宽度为 4 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 第五节工艺管道及控制流程图 P ID 在工艺流程图上标出控制方案 控制方案 测量点选择 控制系统确定 自动信号连锁保护系统设计标志内容 测量点 控制点 控制系统 自动信号连锁保护系统如何标注 HGJ7 87 化工过程检测 控制系统设计统一规定 化工部标准 1 图形符号 检测点 一般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 必要时也可以用象形或图形符号表示 2 图形符号 连线 通用的仪表信号线均以细实线表示 3 图形符号 仪表符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈 直径约10mm 就地安装仪表 就地安装仪表嵌在管道中 集中仪表盘面安装仪表 就地仪表盘面安装仪表 集中仪表盘后安装仪表 就地仪表盘后安装仪表 同一个检测点 有两个或多个测量 可用两个或多个相切的圆表示 ATTENTION管道 仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的 国内与国外 不同设计单位之间 甚至不同设计人员之间 有些方面会有不同的