2.自动控制系统基本概念.ppt

返回封面页,化工自动化的主要内容,自动控制系统的组成,自动控制系统的方块图,自动控制系统的分类,控制系统的过渡过程及品质指标,工艺管道及控制流程图,内容提要,返回目录页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,掌握自动控制系统的组成；熟悉自动控制系统的方块图；了解控制系统的主要品质指标，明确其作用；掌握检测点、控制点在工艺管道及仪表流程图上的表达方法及含义，且能够阅读和绘制PID图。,本章学习要点,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,1.自动检测系统,利用各种化工测量仪表对生产过程中各工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。,图1热交换器自动检测系统示意图,生产过程自动化系统一般包括四种自动化系统，即自动检测系统、自动保护系统、自动操纵和开停车系统、自动控制系统。上述各种自动化系统的主要作用分别简单介绍如下：,第一节化工自动化的主要内容,返回章目录,返回,2020/5/16,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,检测元件对被测参数作出响应，把它转换为适合测量的物理量。如图1所示系统中，用孔板将流量转换为差压信号，用热电阻将温度转换为电(电阻)信号。传感器对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换，并对信号进行远传(远距离传送)。当传感器输出的信号为统一的标准信号(例010mA、420mA、0.020.1MPa等)时，这时的传感器就称为变送器。显示仪表是将检测结果以指针位移、数字、图象等形式，准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操作情况和状态。如图1所示系统中的平衡电桥就属于显示记录仪表。,自动检测系统的主要自动化装置为检测元件、传感器与显示仪表。下面分别介绍一下自动检测系统的三个组成部分：,返回节首页,2020/5/16,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,2.自动信号和联锁保护系统,当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，如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。它是生产过程中的一种安全装置。,返回节首页,下一张,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,事故的等级,事故等级的划分标准：一般事故：指造成3人以下死亡，或10人以下重伤（包括急性工业中毒，下同），或1000万元以下直接经济损失的事故。较大事故：指造成3人以上10人以下死亡，或10人以上50人以下重伤，或1000万元以上5000万元以下直接经济损失的事故。重大事故：指造成10人以上30人以下死亡，或50人以上100人以下重伤，或5000万元以上1亿元以下直接经济损失的事故。特大事故：指造成30人以上死亡，或100人以上重伤，或1亿元以上直接经济损失的事故。该事故由国务院组织调查注：“以上”包括本数，“以下”不包括本数。,从生产安全的角度，火灾和爆炸的危险程度可划分两种，即：一次危险：指设备或系统内潜在着发生火灾或爆炸的危险。在正常操作状况下，该危险不会危害到人身安全或设备完好。次生危险：指由于一次危险而引起的危险，会直接危害到人身安全、设备毁坏和建筑物的倒塌等。装置布置设计中的三重安全措施：预防一次危险引起的次生危险；一旦发生次生危险则尽可能限制其危害程度和范围；次生危险发生以后，能为及时抢救和安全疏散提供方便条件。,返回节首页,返回,2020/5/16,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,3.自动操纵及自动开停车系统,自动操纵系统：根据预先规定的步骤，自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统：按照预先设定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,返回节首页,2020/5/16,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,4.自动控制系统,在被控变量受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而使被控变量回到规定的数值范围内。,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,通过对各种自动化系统作用的介绍，我们更加清楚地知道：自动检测系统是获取生产过程中的“信息”，自动控制系统是对生产过程进行有效的“控制”，而自动控制系统离不开自动检测系统。因此，自动检测系统与自动控制系统是本门课程要学习和掌握的重点。,第一节化工自动化的主要内容,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,第二节自动控制系统的组成,人工操作与自动控制的比较,操作人员所做的工作如下：用眼睛观察玻璃管液位计的指示值；将指示值与工艺中需要保持的液位值在大脑中比较并算出两者的差值；当指示值偏高（低）时，用手去开大（关小）阀门。,测量仪表相当于人的眼睛，控制器相当于人的大脑，执行器相当于人的手脚。,自动控制系统就是对人工操作过程的模拟。,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,第二节自动控制系统的组成,自动化装置部分,自动控制系统的组成,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,对于任何一个简单的自动控制系统，都可以用下面这样一个方块图来表示。,具体作法如下：1、每个方框表示组成自动控制系统的一个部分，称为“环节”；2、两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方框表示为这个环节的输入，箭头离开方框表示为这个环节的输出；3、线旁的字母表示相互间的作用信号。,第三节自动控制系统的方块图,返回章目录,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,注意,方块图中的每一个方框都代表一个具体的装置。方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表方框之间的物料联系。方框之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统是一个闭环系统。,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,小结自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。与自动检测、自动操纵等开环系统相比，最本质的区别就在于自动控制系统具有负反馈。在开环系统中，被控(工艺)变量是不反馈到输入端的。,开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。,比较,闭环系统：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。,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,分类方法有多种，如按被控变量、控制规律等。,1、按被控变量分类：温度控制系统，压力控制系统，液位控制系统，流量控制系统，等。2、按控制规律分类：位式控制系统，比例控制系统，比例积分控制系统，比例微分控制系统，比例积分微分控制系统。,3、按给定值分类：定值控制系统：给定值固定不变。随动控制系统：给定值随机变化。程序控制系统：给定值变化，但它是一个已知的时间函数。,第四节自动控制系统的分类,其中第三种分类方法最普遍,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,“定值”是恒定给定值的简称。在工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,1.定值控制系统,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,3.程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用较多。,第四节自动控制系统的分类,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量(或能量)和流出对象的物料量(或能量)相等时才有可能。,静态被控变量不随时间而变化的平衡状态(变化率为0，不是静止)。,当一个自动控制系统的输入(给定和干扰)和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。,第五节控制系统的过渡过程及品质指标,一、控制系统的静态与动态,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,动态被控变量随时间变化的不平衡状态。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,一、控制系统的静态与动态,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,过渡过程：就是系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,举例,控制系统方框图,返回节首页,二、控制系统的过渡过程,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服阶跃干扰，那么也一定能很好地克服比较缓和的干扰。阶跃干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,阶跃干扰作用,返回节首页,二、控制系统的过渡过程,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,自动控制系统在阶跃干扰作用下，其过渡过程可能会出现以下4种基本形式：,被控变量在给定值某一侧缓慢变化，并最终回到给定值附近，被认为是一种较为稳定的过渡过程。被控变量长时间偏离给定值，在工业生产过程中一般不采用，只有在被控变量不允许上下波动的情况下采用。,非周期衰减,返回节首页,二、控制系统的过渡过程,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,衰减振荡,被控变量上下波动，但幅值逐渐减小，并最终回到给定值，且过渡时间短，是一种稳定的过渡过程。在衰减振荡过渡过程中，被控变量很快就会稳定下来，因此衰减振荡是工业生产过程中所希望得到的过渡过程。,返回节首页,二、控制系统的过渡过程,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,等幅振荡,等幅振荡介于稳定与不稳定之间，也认为是不稳定的过渡过程。在等幅振荡过渡过程中，被控变量始终在给定值上下来回波动，工业生产中一般也不采用。,对于控制质量要求不高的场合，即被控变量允许在工艺许可的范围内波动时，才可采用。,返回节首页,二、控制系统的过渡过程,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,发散振荡,在发散振荡过渡过程中，被控变量逐渐偏离给定值，显然它是一种不稳定的过渡过程。由于被控变量自始至终不能稳定下来，而且越来越偏离给定值，因此这种形式的过渡过程在工业生产中是绝不允许出现。,二、控制系统的过渡过程,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,在工业生产过程中，一般希望得到衰减振荡过渡过程，因而以衰减振荡过渡过程的形式来讨论控制系统的主要品质指标，如最大偏差、余差、衰减比,过渡过程品质指标示意图,三、控制系统的主要品质指标,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,1、最大偏差或超调量最大偏差（A）：过渡过程中被控变量偏离给定值的最大幅值。,衰减振荡过渡过程,最大偏差不能超出工艺规定的被控变量短暂偏离的最大值，否则会影响产品质量或引起事故。可见该品质指标是为了说明控制系统的可靠性而设立的。超调量（B）：B=AC（C为新稳态值），若C=0，则B=A。,返回节首页,三、控制系统的主要品质指标,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,2、余差（C）：过渡过程结束后被控变量的新稳态值与给定值之差。显然，它是为了说明控制系统的准确性而设立的。3、衰减比（B：B/）：振荡过程前后相邻两个波的峰值之比。用它可以判断振荡过程的衰减程度，可见，这是为了说明控制系统的稳定性而设立的。习惯上以n：1来表示。一般希望衰减比为4：1或10：1，在4：1的振荡过程中，被控变量在经过2个波后，就可以认为是稳定下来了。,返回节首页,三、控制系统的主要品质指标,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,4、振荡周期（T）/频率（f）同向2个波峰或波谷之间的时间间隔，其倒数即为振荡频率。,5、过渡时间系统受到干扰作用后达到新的平衡状态所经历的时间。上述品质指标，在不同的系统中各有其重要性，相互之间既有矛盾又有联系，因而在实际应用中应分清主次、区别轻重，对生产过程起决定意义的品质指标应优先予以保证。,三、控制系统的主要品质指标,返回章目录,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,学习要点：工艺管道及仪表流程图中各种仪表的表示方法。工艺管道及仪表流程图中仪表的标注方法及含义。,第六节工艺管道及仪表流程图,（1）本节内容可参见HG/T205052000过程测量与控制仪表的功能标志及图形符号。（2）该图的绘制可参见HG/T20519-2009化工工艺设计施工图内容和深度统一规定中的相关内容。（3）本节内容系教材P7-10第一章第二节部分内容。,说明,返回章目录,下一张,(PipingandInstrumentionDiagram,P&ID),2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,在化工专业图样中，要涉及到许多国家标准和行业标准，如：,1.GB国家标准（强制性质）2.GB/T国家标准（推荐性质）3.GBJ国家工程建设标准4.GBn国家内部标准5.HG化工行业标准6.SH石油化工标准7.JB机械行业标准8.YB冶金行业标准（黑色金属）,HG(标准级别)20546(标准的顺序号)2009(标准发布的年份),完整的书写格式：HG/T20546-2009化工装置设备布置设计规定,按标准化对象，我国的标准分为技术标准、管理标准和工作标准。按标准适用范围，我国的标准分为国家标准(GB)、行业标准(如HG)、地方标准(DB)和企业标准(Q)四个级别。,标准名称,标准级别,标准编号(HG/T20546-2009),返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,一、仪表及仪表信号线的表示方法,1、仪表的表示方法仪表的图形符号是一直径约10mm的细实线圆圈，对于不同的仪表安装位置的图形符号见表1所示。,2、检测点与仪表连接线的表示方法检测点就是从生产设备的轮廓线或管道线引到仪表圆圈的连线的起点，见下图所示。仪表的各种连接线的图形符号见表2所示。,过程检测及控制系统的设计符号,返回节首页,下一张,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,3、信号方向的表示方法信号线的方向用箭头直接在信号线上标注，但在工艺流程图中为了避免与物料线的方向相混淆，一般不标注。,返回节首页,过程检测及控制系统的设计符号,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,二、检测元件及变送器（或传感器）的表示方法,1、检测元件一般不表示，但部分检测元件在必要时可用下列符号表示：,热电偶,热电阻,孔板,2、变送器（或传感器）按新设计规范规定：该环节省略不画。(旧标准中的表示方法),返回节首页,下一张,过程检测及控制系统的设计符号,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,二次蒸汽,加热蒸汽,原料液体,返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,三、执行器的表示方法,返回节首页,过程检测及控制系统的设计符号,执行器主要由执行机构和控制机构组成。,常见执行机构的图形符号见表3所示。,1、执行机构的表示方法,2、控制机构的表示方法,（单、双座）,（5）蝶形阀,（1）直通阀（2）三通阀(3)球阀（4）角形阀,阀门的绘制尺寸：长6mm宽3mm，或长4mm宽2mm,注：圆直径4mm(标准规定)23mm(建议使用),注：圆黑点直径2mm,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,3、执行器（执行机构+控制机构）在流程图中的表达方式示例,气动薄膜执行器（控制阀为普通单座或双座阀）,电磁执行器（控制阀为普通单座或双座阀）,返回节首页,过程检测及控制系统的设计符号,如果工艺上在执行机构能源中断时需要对控制阀的阀位有所要求，那么在工艺管道及仪表流程图中也要对控制阀的阀位进行必要的标注。以气动执行机构控制阀为例，其标注方法见表4所示。,4、执行器阀位的表示方法,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,四、仪表的功能符号与位号用来表示控制流程图中仪表的功能及位置。1、构成由字母代号和数字编号两部分构成。（1）字母代号（仪表的种类及功能）由表示被测参数的第一位字母和表示功能的后继字母组成。表示参数的字母：用大写形式，置于首位，见表5。注意：修饰字母用小写，如Pd表示差压。表示功能的字母：用大写形式表示，为后继字母，见表5。如TI的含义为温度指示；TRC的含义为温度指示记录控制。注意：当一台仪表同时具有指示、记录功能时，只需标注字母代号“R”，不必标注“I”。,返回节首页,下一张,过程检测及控制系统的设计符号,返回节首页,返回,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,（2）数字编号(仪表的位置)由区域编号和回路编号组成。其中区域编号为数字编号的第一位数（用一位数字），表示车间、工段或装置等；回路编号为数字编号的后面的几位数字（一般为两位数），表示该区域同类参数的回路数。如,T101,分别表示1工段第01个温度检测回路、1工段第02个温度检测回路和1工段第03个温度检测回路。,T102,T103,T102a/b,T103a/b,部分数字编号后面还加尾辍，以区别在同一回路中被测参数和功能完全一样的仪表。如,表示该回路中有两个完全相同的温度检测及变送器。,返回节首页,过程检测及控制系统的设计符号,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,一、标注的原则字母代号标注在仪表圆圈的上半部，数字编号标注在仪表圆圈的下半部。二、标注示例,PI102,表示第1工段第02个压力检测回路，压力显示在生产现场。,TRC212,表示第2工段第12个温度检测控制回路，温度显示仪、温度记录仪及温度控制器集中安装在控制室仪表盘正面。,LIC205,表示第2工段第05个液位检测控制回路，液位显示仪及液位控制器集中安装在控制室仪表盘正面。,LICA205,H,L,表示第2工段第05个液位检测控制回路，液位显示仪、液位上下限报警器及液位控制器集中安装在控制室仪表盘正面。,仪表的标注方法,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,2020/5/16,47,例1：P8“图1-8脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图”,返回节首页,2020/5/16,第一章自动控制系统基本概念,PI206：第2工段第06个压力检测回路，压力显示在生产现场。PIC207：第2工段第07个压力检测控制回路，压力显示仪及压力控制器集中安装在控制室仪表盘正面。TRC201：第2工段第01个温度检测控制回路，温度显示仪、温度记录仪及温度控制器集中安装在控制室仪表盘正面。FR212：第2工段第12个流量检测回路，流量显示仪和流量记录仪集中安装在控制室仪表盘正面