化工仪表自动化【第一章】

1、化工仪表自动化化工仪表自动化（Instruments & Automatics of Chemical Engineering）第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念主讲人：孙行衍主讲人：孙行衍n 1.1.化工自动化中涉及的子系统功能类型化工自动化中涉及的子系统功能类型（1 1）自动检测）自动检测（2 2）自动信号和联锁保护）自动信号和联锁保护（3 3）自动操纵及自动开停车）自动操纵及自动开停车（4 4）自动控制）自动控制 ： ：第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n （1）自动检测系统）自动检测系统流量流量 压力压力温度温度功能：功能：“了解了解”生产的进行

2、情况。生产的进行情况。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n （2）自动信号和联锁保护系统）自动信号和联锁保护系统功能：功能：在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，避免事故的发生。避免事故的发生。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n （3）自动操纵及自动开停车系统）自动操纵及自动开停车系统鼓风机鼓风机吹风吹风上吹上吹下吹制气下吹制气吹净吹净功能：功能：按照预先规定好的步骤进行某种周期性操纵。按照预先规定好的步骤进行某种周期性操纵。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n （4）自动控制系统）

3、自动控制系统功能：功能：自动排除各种干扰因素对工艺参数的影响，自动排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使其保持在预先规定的数值上，保证生产工艺操作条件。使其保持在预先规定的数值上，保证生产工艺操作条件。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 【1】.这四种系统之间有何差异？这四种系统之间有何差异？ 【 2】.自动控制系统和自动检测、自动操纵自动控制系统和自动检测、自动操纵等系统最本质的区别？等系统最本质的区别？n 例：人工水温调节（例：人工水温调节（人工控制人工控制）第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念40 第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念

4、n 人工控制与自动控制人工控制与自动控制第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 2.自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成控制器控制器执行器执行器测量仪表测量仪表被控对象被控对象第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 3.自动控制系统的表示形式自动控制系统的表示形式（1）控制系统方框图）控制系统方框图偏差偏差控制器输出控制器输出操纵变量操纵变量测量值测量值给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念注意：注意： 方框图方框图中中信号线信号线与与工艺流程图

5、工艺流程图中中物料线物料线的差异。的差异。施加到对象上的控制作用施加到对象上的控制作用第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 反馈：反馈： 把系统（或环节）的输出信号把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节直接或经过一些环节重新重新返回到输入端的做法。返回到输入端的做法。 自动控制系统区别于自动检测、自动操作的最本质区别：自动控制系统区别于自动检测、自动操作的最本质区别： 具有具有负反馈负反馈！ 自动控制系统是具有被控变量自动控制系统是具有被控变量负反馈负反馈的闭环系统！的闭环系

6、统！第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念（2）管道及仪表流程图）管道及仪表流程图 图形符号图形符号测量点，连接线，仪表测量点，连接线，仪表 字母代号字母代号 被测变量，仪表功能被测变量，仪表功能 仪表位号仪表位号 工段号，仪表序号工段号，仪表序号第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 4.自动控制系统的分类自动控制系统的分类 控制方式：控制方式： 开环、反馈、复合等。开环、反馈、复合等。 元件类型：元件类型： 机械、电气、机电、液压、气动、生物等。机械、电气、机电、液压、气动、生物等。 系统功能：系统功能： 温度、压力、流量、物位等。温度、压力、流量、物位等

7、。 系统特性：系统特性： 线性线性/非线性、连续非线性、连续/离散、定常离散、定常/时变、确定时变、确定/不确不确定等。定等。 输入量变化规律：输入量变化规律： 定值、随动、程序等。定值、随动、程序等。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 开环控制开环控制 指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。的控制过程。给定量控制给定量控制或或扰动控制扰动控制特点特点： 系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。按给定量开环控制按给定量开环控制按扰动开环控制按扰动开环控制进

8、料出料TCTT凝液蒸汽第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 反馈控制：反馈控制： 按偏差进行控制。按偏差进行控制。 特点特点：不论什么原因使被控变量偏离期望值而出现偏差时，会产不论什么原因使被控变量偏离期望值而出现偏差时，会产生相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使得被控量与生相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使得被控量与期望值趋于一致。期望值趋于一致。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 复合控制复合控制 按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式。按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式。特点特点：对于主要扰动采用适当的补偿装置实现扰动控制，同时，对于主

9、要扰动采用适当的补偿装置实现扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。生的偏差。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 4.自动控制系统的分类自动控制系统的分类 控制方式：控制方式： 开环、反馈、复合等。开环、反馈、复合等。 元件类型：元件类型： 机械、电气、机电、液压、气动、生物等。机械、电气、机电、液压、气动、生物等。 系统功能：系统功能： 温度、压力、流量、物位等。温度、压力、流量、物位等。 系统特性：系统特性： 线性线性/非线性、连续非线性、连续/离散、定常离散、定常/时变、确定时变、

10、确定/不确不确定等。定等。 输入量变化规律：输入量变化规律： 定值、随动、程序等。定值、随动、程序等。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 定值控制系统定值控制系统 给定值为一个常值，要求被控量也等于一个常值，也给定值为一个常值，要求被控量也等于一个常值，也称为调节器。称为调节器。设计的重点设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。扰动的措施。在工业控制中，如果被控量是在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位温度、流量、压力、液位等等生产过程参量时，这种控制系统称为生产过程参量时，这种控制系统称为过程控制系统过程控

11、制系统，其多，其多属于属于定值控制系统定值控制系统。进料出料TCTT凝液蒸汽第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）给定值不断变化，且变化是随机的。给定值不断变化，且变化是随机的。目的目的：使被控变量准确而快速的跟随给定值的变化而变化。：使被控变量准确而快速的跟随给定值的变化而变化。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统）系统的给定值为一个已知的时间函数，要求被控变量迅速系统的给定值为一个已知的时间函数，要求被控变量迅速准确的加以复现。准确的加以复

12、现。程序控制系统程序控制系统和和随动控制系统随动控制系统的给定值都是时间函数。的给定值都是时间函数。不同点不同点：程序控制程序控制中给定值为已知时间函数中给定值为已知时间函数 随动控制随动控制中给定值为未知任意时间函数中给定值为未知任意时间函数 定值控制定值控制可以视为可以视为程序控制程序控制的特例。的特例。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 5.自动控制系统的评价方法自动控制系统的评价方法 静态静态和和动态动态被控变量不随时间变化的平衡状态。被控变量不随时间变化的平衡状态。 原本处于平衡的系统，由于原本处于平衡的系统，由于干扰干扰平衡被破坏，从平衡被破坏，从干扰干扰发生

13、开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，这段时间发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，这段时间内系统中各个环节和信号都处于变动状态。内系统中各个环节和信号都处于变动状态。 过渡过程过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 干扰形式干扰形式 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、正弦信号等。阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、正弦信号等。0,0( ),0tf tRt0,0( ),0tf tRtt( )sin()f tAt矩形脉冲波信号矩形脉冲波信号阶跃信号阶跃信号斜坡信号斜坡信号正弦信号正弦

14、信号第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念？n （1）阶跃干扰阶跃干扰作用下控制系统的作用下控制系统的过渡过程过渡过程类型类型非周期衰减（稳定）非周期衰减（稳定）衰减振荡（稳定）衰减振荡（稳定）等幅振荡（不稳定）等幅振荡（不稳定）发散振荡（不稳定）发散振荡（不稳定）0t0t0t0tytABCT误差范围第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n （2 2）控制系统过渡过程品质指标）控制系统过渡过程品质指标a.a.最大偏差最大偏差 衰减振荡衰减振荡：第一个波峰峰值与给定值的差。：第一个波峰峰值与给定值的差。A A偏差越大，偏离时间越长，离开规定的工艺指标越远，偏差越大

15、，偏离时间越长，离开规定的工艺指标越远，对稳定正常生产和质量保证不利。对于有约束条件的系统，对稳定正常生产和质量保证不利。对于有约束条件的系统，最大偏差小好。干扰会不断出现，偏差可能重叠。最大偏差小好。干扰会不断出现，偏差可能重叠。ytABCT误差范围第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念b.b.衰减比衰减比( (衰减快慢程度衰减快慢程度) ) 前后相邻两个峰值的比。前后相邻两个峰值的比。n n稍大于稍大于1 1：衰减程度很小，等幅振荡，不易稳定、振荡过：衰减程度很小，等幅振荡，不易稳定、振荡过 于频繁、不够安全；于频繁、不够安全；n n很大很大：非振荡过程，过程缓慢；不希望。

16、：非振荡过程，过程缓慢；不希望。():()ACBC:1n第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 衰减比衰减比介于介于4:14:1到到10:110:1时的特点时的特点过渡过程开始阶段的变化速度比较快过渡过程开始阶段的变化速度比较快；第二个峰值远第二个峰值远远低于第一个峰值。远低于第一个峰值。尤其在反应尤其在反应比较缓慢比较缓慢的情况下的情况下，衰减振荡过程的这一衰减振荡过程的这一特点尤为重要。特点尤为重要。“理想过渡过程两个波理想过渡过程两个波”，指过渡过程振荡两次就能指过渡过程振荡两次就能稳定下来稳定下来。 此时的衰减比约相当于此时的衰减比约相当于 4 4：1 1 。ytAB

17、CT误差范围第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念c.c.余差余差余差就是过渡过程终了时的残余偏差余差就是过渡过程终了时的残余偏差。C C余差越小越好。余差越小越好。一般贮一般贮槽槽的液位的液位：余差就可以大一些余差就可以大一些。化学反应器的温度化学反应器的温度：应当尽量消除余差应当尽量消除余差。ytABCT误差范围第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念d.d.过渡时间过渡时间 ( (t ts s) )从干扰作用发生的时刻起从干扰作用发生的时刻起，直到直到系统系统重新建立新的平重新建立新的平衡时止衡时止，为，为过渡过程所经历的时间过渡过程所经历的时间 。在稳态值

18、的上下规。在稳态值的上下规定一个小的范围定一个小的范围，大小为，大小为稳态值的稳态值的5%(5%(2%)2%)。从干扰开始作从干扰开始作用用时起时起，直至被控变量进入稳态值的直至被控变量进入稳态值的5%(5%(2%)2%)的范围内不再越出时为止所经历的范围内不再越出时为止所经历时间时间。过渡时间短过渡时间短：表示过渡过程进行得比较迅速表示过渡过程进行得比较迅速。ytABCT误差范围第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念e.e.振荡振荡周期、上升时间周期、上升时间振荡周期振荡周期：过渡过程同向两个波峰之间的时间间隔。：过渡过程同向两个波峰之间的时间间隔。一般希望振荡周期小些为好。

19、一般希望振荡周期小些为好。上升时间上升时间：指：指干扰开始作用起至第一个波峰时所需要干扰开始作用起至第一个波峰时所需要的时间的时间。第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 控制系统过渡过程品质指标控制系统过渡过程品质指标最大偏差最大偏差超调量超调量衰减比衰减比余差余差=0=0过渡时间过渡时间振荡周期振荡周期上升时间上升时间第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n 例：某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过例：某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图渡过程曲线如图1-16，试分别求出最大偏差，余差，衰减，试分别求出最大偏差，余差，衰减

20、比，振荡周期和过渡时间（给定值为比，振荡周期和过渡时间（给定值为200）。）。最大偏差最大偏差=230-200=30=230-200=30余差余差=205-200=5=205-200=5衰减比衰减比= =（230-205230-205）：（：（210-205210-205）=5:1=5:1振荡时间振荡时间=20-5=15=20-5=15（minmin）过渡时间过渡时间=22(min)=22(min)4 C 设定值设定值第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念给定值给定值被控变量被控变量第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念给定值给定值被控变量被控变量测量值测量值第

21、一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念给定值给定值被控变量被控变量测量值测量值第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念n （3）影响控制系统过渡过程品质的主要因素）影响控制系统过渡过程品质的主要因素 被控对象被控对象 和和 自动化装置自动化装置。被控对象被控对象自动化装置自动化装置控制器控制器执行器执行器测量与变测量与变送装置送装置第一章第一章 习题习题n 1.被控对象、被控变量、操作变量、干扰量、设定值、偏被控对象、被控变量、操作变量、干扰量、设定值、偏差的含义？差的含义？n 答答被控对象被控对象：在自动控制系统中，需要控制相应工艺参数：在自动控制系统中，需要控制

22、相应工艺参数的生产过程、设备或机器等。的生产过程、设备或机器等。被控变量被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量操纵变量：受控制器操纵的，用来克服干扰影响，使被：受控制器操纵的，用来克服干扰影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。控变量保持设定值的物料量或能量。干扰量干扰量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。量变化的因素。设定值设定值：被控变量的给定值。：被控变量的给定值。偏差偏差：被控变量的设定值和实际测量值间的差。：被控变量的设定值和实际测量值间的差。第一章第一章 习题习

23、题n 2.什么是控制系统的方框图，它与控制流程图有什么区别什么是控制系统的方框图，它与控制流程图有什么区别？n 答答自动控制系统方框图是有方框，信号线，比较点、引出自动控制系统方框图是有方框，信号线，比较点、引出点组成表示控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的点组成表示控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解。图解。而工艺管道及控制流程图是在控制方案确定后，根据工而工艺管道及控制流程图是在控制方案确定后，根据工艺设计给出的流程图。按其流程顺序标注有相应的测量点、艺设计给出的流程图。按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统。控制点、控制系统及自动信号与连

24、锁保护系统。P&ID图中设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的图中设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方框图中有向线段的含义不同。方向，与方框图中有向线段的含义不同。第一章第一章 习题习题n 3.什么是负反馈？负反馈在自动控制系统中有什么重要意义？什么是负反馈？负反馈在自动控制系统中有什么重要意义？n 答答把系统的输出信号直接或者经过一些环节重新引回到输入把系统的输出信号直接或者经过一些环节重新引回到输入端的做法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反时，端的做法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反时，即偏差信号为两者之差，称为负反馈，反之，则为正反馈。即偏差信号为两者之差，

25、称为负反馈，反之，则为正反馈。在控制系统中采用负反馈，是因为当被控变量受到扰动作在控制系统中采用负反馈，是因为当被控变量受到扰动作用后，若使其升高，则反馈信号升高，经过比较，偏差信号将用后，若使其升高，则反馈信号升高，经过比较，偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用。其作用方向与干扰方向相反，使得被控变量下降，从而达到。其作用方向与干扰方向相反，使得被控变量下降，从而达到控制目的。控制目的。第一章第一章 习题习题n 4.什么是控制系统的静态和动态？为什么说研究控制系统的动什么是控制系统的静态和动态？为什么说研究控制系统的动态比研究静态更重要？态比研究静态更重要？n 答答自动控制