第一讲 自动控制系统的基本概念

1 过程控制 主讲 刘志成自动化系 2 绪论 化工自动化的概念 化工自动化是化工 炼油 食品 轻工等化工类型生产过程自动化的简称 在化工设备上 配上一些自动化装置 仪表 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 并达到预定的目标 这种用自动化装置来管理生产过程的办法 称为化工自动化 3 绪论 4 绪论 5 绪论 实现化工自动化的目的和意义 加快生产速度 降低生产成本 提高产品产量和质量 减轻劳动强度 改善劳动条件 保证安全生产 防止事故发生或扩大 达到延长设备使用寿命 提高设备利用能力的目的 生产过程自动化的实现 能根本改变劳动方式 提高工人文化技术水平 为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件 6 第一节化工自动化的主要内容 自动检测系统 自动信号和连锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统 系统 由相互联系的具有特定功能的若干部分 环节 组成的完成一定任务的整体 强调整体性和协调性 7 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表对主要工艺参数进行测量 指示或记录的系统 8 第一节化工自动化的主要内容 自动检测系统 9 第一节化工自动化的主要内容 自动信号和连锁保护系统 在工业生产过程中 有时由于一些偶然的因素 可能会导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常的情况 需要对一些关键参数设置信号连锁保护装置 在这些工艺参数超出了允许范围 在事故即将发生之前 发出声光信号 如工矿已经很危险 连锁系统立即自动采取措施 打开安全阀或切断某些通路 必要时紧急停车 以防止事故的发生和扩大 10 第一节化工自动化的主要内容 自动信号和连锁保护系统 11 第一节化工自动化的主要内容 自动操纵及自动开停车系统 可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作 12 第一节化工自动化的主要内容 自制控制系统 在工业生产过程中 由于多种因素影响 工艺条件可能发生变化 特别是化工生产 各设备相互关联 当其中某一设备的工艺条件发生变化时 可能引起其他设备中某些参数或多或少地波动 偏离正常的工艺条件 为此需要一些自动控制装置 对生产中一些关键性参数进行自动控制 使它们在受到外界干扰 扰动 的影响而偏离正常状态时 能自动控制而回到规定的数值范围内 为此目的设置的系统就是自动控制系统 13 第一节化工自动化的主要内容 换热器出口温度自制控制系统 14 第一节化工自动化的主要内容 采用旁路阀的流量自动控制系统 15 绪论 16 绪论 17 第二节自动控制系统的基本组成及方块图 1 自动控制系统的基本组成 1 被控对象 生产中要求控制的生产设备 或过程 2 测量元件或变送器 对被控参数进行测量的仪表 3 控制器 把被控参数的测量值与给定值相减得出偏差 并按某种运算规律算出结果 同时将此结果送给调节阀 4 调节阀 根据调节器送来的信号的大小 自动改变阀的开启度 调节介质的流量 实现控制的目的 18 第二节自动控制系统的基本组成及方块图 2 自动控制系统的方块图用一个方块代表系统的一个组成环节 各方块之间用有向线段连接起来 注意 有向线段的方向代表信号的作用方向 而不是物料的流向 19 第二节自动控制系统的基本组成及方块图 2 自动控制系统的方块图 Q 干扰作用f 20 第二节自动控制系统的基本组成及方块图 3 自动控制系统的有关名词术语 1 被控对象 受控对象 2 被控变量 受控变量 控制对象内要求以一定的精度保持恒定或随某一参数 给定值 的变化而变化的变量 3 给定值 要求被控参数所保持或遵循的数值 4 偏差 给定值与测量值的差值 5 干扰 影响被控变量 使其偏离给定值的因素 6 操纵变量 影响被控变量 克服干扰使被控变量回到给定值的 调节阀的输出 7 控制作用 控制器的输出 21 第二节自动控制系统的基本组成及方块图 4 自动控制系统的工作过程以换热器系统为例 22 第三节自动控制系统的分类 1 定值控制系统 给定值保持不变的系统 系统的任务是使被控变量以一定的精度保持在给定值上不变 2 随动控制系统 给定值是随机变化的 这种变化是事先不知道的 3 程序控制系统 给定值是按事先规定的程序变化的 23 第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标 1 控制系统的静态与动态静态 被控变量不随时间的变化而变化的平衡状态 特点 暂时的 相对的动态 被控变量随时间的变化而变化的不平衡状态 24 第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标 2 控制系统的过渡过程 是由输入变化引起的被控变量的变化过程 输入包括干扰输入和给定输入 是控制作用不断克服干扰作用的过程 是系统从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程 在阶跃干扰作用下 控制系统过渡过程的几种基本形式 25 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 26 定值控制系统过渡过程的几种形式 阶跃扰动 发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减 27 在分析和设计控制系统时 往往选定阶跃信号作为输入 阶跃输入 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 阶跃输入比较突然 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 28 自动控制系统的过渡过程和品质指标 3 控制系统的品质指标 稳 准 快 衡量一个系统控制性能好坏的依据最大偏差或超调量衰减比余差过渡时间振荡周期或频率 29 阶跃干扰作用下的过渡过程 设定值固定 加一阶跃干扰 定值系统 最大偏差emax 衰减比n 余差e 过渡时间tp 振荡周期 30 阶跃给定作用下的过渡过程 设定值变化 随动系统 超调量 衰减比n 余差e 过渡时间tp 振荡周期 31 32 自动控制系统希望的结果 最大偏差 超调量 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期 答 越小越好 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不振荡 不便于操作人员掌握 答 越小越好 答 越小越好 答 短好 33 例子 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 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 这时 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 34 影响过渡过程的主要因素 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 35 第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标 4 影响控制系统控制质量的主要因素被控对象是核心测量仪表是基础控制器是灵魂调节阀 执行器 是关键 36 第五节工艺管道及控制流程图 在工艺流程确定以后 工艺人员和自控设计人员共同研究确定控制方案 控制方案的确定包括测量点的选择 控制系统的确定 自动信号和连锁保护系统的设计及仪表的选型 在控制方案确定以后 根据工艺设计给出的流程图 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连锁保护系统等 图1 12 37 第五节工艺管道及控制流程图 38 第五节工艺管道及控制流程图 1 图形符号测量点 图1 13 连接线 图1 14 仪表的图形符号表1 1仪表安装位置的图形符合位置 就地 集中安装盘面 盘后 39 第五节工艺管道及控制流程图 2 字母代号 表1 2 是表示仪表处理的变量和功能的编号 3 仪表位