第一章自动控制系统基本概念(化工工艺)

1、热工仪表热工仪表课时：课时：18(无材无材)、32(金材金材)教材：厉玉鸣主编，教材：厉玉鸣主编，化工仪表及自动化化工仪表及自动化 （第四版），化学工业出版社（第四版），化学工业出版社主讲教师：张军颖主讲教师：张军颖绪论绪论主要内容：主要内容： 生产过程自动化的含义生产过程自动化的含义 实现生产过程自动化的目的实现生产过程自动化的目的 生产过程自动化的发展状况生产过程自动化的发展状况 现代自动化技术特点现代自动化技术特点 学习本课程的重要性学习本课程的重要性一、生产过程自动化的含义一、生产过程自动化的含义在生产设备上配备一些自动化的装置在生产设备上配备一些自动化的装置,代替操作人员的代替操作人

2、员的部分直接劳动部分直接劳动,使生产在不同程度上自动地进行的过程使生产在不同程度上自动地进行的过程称生产过程自动化。称生产过程自动化。二、实现生产过程自动化的目的二、实现生产过程自动化的目的1).加快生产速度加快生产速度,降低生产成本降低生产成本,提高产品产量和质量；提高产品产量和质量；3).能够保证生产安全能够保证生产安全,防止事故发生或扩大防止事故发生或扩大,延长设延长设备使用寿命备使用寿命,提高设备利用率；提高设备利用率；4).能根本改变劳动方式能根本改变劳动方式,提高工人文化水平提高工人文化水平,逐步消逐步消除脑力劳动和体力劳动之间的差别。除脑力劳动和体力劳动之间的差别。2).减轻劳动

3、强度减轻劳动强度,改善劳动条件；改善劳动条件；三、生产过程自动化的发展状况三、生产过程自动化的发展状况 20世纪世纪40年代以前年代以前,主要是主要是人工调节人工调节,凭经验指导生产凭经验指导生产, 生产效率低。生产效率低。 20世纪世纪5060年代年代,应用应用简单自动化技术简单自动化技术,如基地式仪表。如基地式仪表。 20世纪世纪70年代开始年代开始,控制理论和控制技术及计算机技术控制理论和控制技术及计算机技术的应用推动了生产过程自动化的应用推动了生产过程自动化,出现了各种新型控制系出现了各种新型控制系 统统,如如集散控制系统、二级优化控制等。集散控制系统、二级优化控制等。 近年来近年来,

4、现代自动化技术现代自动化技术已不只局限于对生产过程中重已不只局限于对生产过程中重 要参数的自动控制要参数的自动控制,已发展为综合自动化。已发展为综合自动化。四、现代自动化技术特点四、现代自动化技术特点 已发展为综合自动化已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来越大其应用的领域和规模越来越大, 控制与管理一体化的系统已提到日程控制与管理一体化的系统已提到日程,因此因此,其社会、其社会、 经济效益也越来越大。经济效益也越来越大。 显示了知识密集化、显示了知识密集化、 高技术集成化的特点高技术集成化的特点,它是信息技它是信息技 术、自动化技术、管理科学等相结合的现代高技术。术、自动化技术、管理科学

5、等相结合的现代高技术。 自动化过程中的智能化程度日益增加自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不各种智能仪表不 断出现断出现,控制的精度越来越高控制的精度越来越高,控制的方式日益多样化控制的方式日益多样化, 它不仅减轻和代替了人们的体力劳动它不仅减轻和代替了人们的体力劳动,而且也在很大程而且也在很大程 度上代替了人们的脑力劳动。度上代替了人们的脑力劳动。五、学习本课程的重要性五、学习本课程的重要性 本门课是一门综合性的技术学科本门课是一门综合性的技术学科,通过学习自动化、仪通过学习自动化、仪 表及计算机方面的知识表及计算机方面的知识,对于管理与开发现代化生产过对于管理与开发现代化生产过

6、 程是十分重要的。程是十分重要的。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节第一节 生产自动化的主要内容生产自动化的主要内容第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图第一节第一节 生产自动化的主要内容生产自动化的主要内容 生产自动化生产自动化,一般包括一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、自动检测、自动保护、自动操纵、自动控制系统自动控制系统。1.自动检测系统自动检

7、测系统 ?利用各种检测仪表对生产过程的主要利用各种检测仪表对生产过程的主要工艺参数工艺参数(如温度、流量等如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。进行测量、指示或记录的。 流量流量温度温度压力压力2.自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统(自动保护自动保护)当生产过程出现危险时当生产过程出现危险时,自动信号系统自动信号系统发出声、光等报警发出声、光等报警信号信号,自动联锁保护系统自动联锁保护系统立即作出反应立即作出反应,通过改变阀门的开通过改变阀门的开启度或切断某些通路启度或切断某些通路,或进行紧急停车或进行紧急停车,以防止事故的发生以防止事故的发生或扩大。它是生产过程中的一种或扩大。它

8、是生产过程中的一种安全装置安全装置。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(自动操纵自动操纵)自动操纵系统自动操纵系统:按照预先规定的步骤自动地对生产设备进按照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。可减轻工人的重复性体力劳动。行某种周期性的操作。可减轻工人的重复性体力劳动。自动开停车系统自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生产过程按照预先规定的步骤自动地将生产过程投入运行或自动停车。投入运行或自动停车。4.自动控制系统自动控制系统是对生产中某些关键性参数进行自动调节是对生产中某些关键性参数进行自动调节,使它们在受到使它们在受到外界干扰影响而偏离正常状态时外界干

9、扰影响而偏离正常状态时,能自动地调回到规定的能自动地调回到规定的数值范围内。是生产过程自动化的核心部分。数值范围内。是生产过程自动化的核心部分。第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图1.自动控制系统的自动控制系统的基本基本组成组成 生活环境中的自动控制系统生活环境中的自动控制系统 空调空调;电饭煲电饭煲;电冰箱电冰箱;洗衣机等。洗衣机等。 工业生产中的自动控制系统工业生产中的自动控制系统 液位控制液位控制:人工人工自动自动; 温度控制等。温度控制等。眼眼看看脑脑想想手手动动QoQi人工操作进行工作的三个方面人工操作进行工作的三个方面:(1).检测检测:用眼睛

10、看液位的高低。用眼睛看液位的高低。(2).运算、命令运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考加以思考和比较得出偏差和比较得出偏差,发出命令。发出命令。(3).执行执行:根据大脑发出命令根据大脑发出命令,改变阀门开度改变阀门开度,以改变出口流以改变出口流量量Qo,保持液位的高低在规定位置。保持液位的高低在规定位置。眼眼看看脑脑想想手手动动QoQi1.自动控制系统的自动控制系统的基本基本组成组成测量元件及变送器测量元件及变送器:检测参数检测参数(液位液位),将检测结果变成标准将检测结果变成标准信号进行输出信号进行输出,如液位的测量及变送。如液位的测量及变送。1).

11、自动化装置：自动化装置：控制器控制器:接受变送器送来的信号接受变送器送来的信号,与给定值与给定值 (液位液位)进行比较进行比较得出偏差得出偏差,并按某种运算规律算出结果并按某种运算规律算出结果,再将此结果以特再将此结果以特定信号定信号(如电压、电流如电压、电流)发送出去。发送出去。执行器执行器:常指控制阀常指控制阀,它自动地根据控制它自动地根据控制器发出的信号值改器发出的信号值改变阀门的开启度。变阀门的开启度。1.自动控制系统的自动控制系统的基本基本组成组成1.自动控制系统的自动控制系统的基本基本组成组成2).被控对象被控对象:对其对其工艺参数工艺参数进行控制的进行控制的机器或设备机器或设备。

12、它可。它可是一段管道、一台设备或设备的某一部分是一段管道、一台设备或设备的某一部分,如各种反应器、如各种反应器、换热器等。换热器等。2. 自动控制系统方块图自动控制系统方块图方方块块图的作用图的作用:用箭头表示自动控制系统各个组成环节之用箭头表示自动控制系统各个组成环节之间的相互影响和信号联系。间的相互影响和信号联系。xez-控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 被控变量被控变量y测量值测量值给定值给定值pq偏差偏差操纵变量操纵变量f被控对象被控对象:在生产过程中需保持其工艺参数稳定的设备或在生产过程中需保持其工艺参数稳定的设备或装置。可是一台的设备或

13、设备的某一部分。装置。可是一台的设备或设备的某一部分。自动控制系统方块图自动控制系统方块图xez-控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 f被控变量被控变量y测量值测量值给定值给定值p偏差偏差操纵变量操纵变量q干扰作用干扰作用f:在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素因素,它是输入信号它是输入信号 (进料流量的改变进料流量的改变)。被控变量被控变量y:生产过程中需保持恒定的变量生产过程中需保持恒定的变量(液位液位) 。2. 自动控制系统方块图自动控制系统方块图控制作用控制作用:用来克服外界干扰用来克服外界干扰

14、,使被控变量恢复到给定值的使被控变量恢复到给定值的操作操作(阀门的开度变化阀门的开度变化)。操纵变量操纵变量q:具体实现控制作用的变量具体实现控制作用的变量(出料流量出料流量)。操纵介质操纵介质:实现控制作用的物料实现控制作用的物料(流过阀门流体流过阀门流体)。自动控制系统方块图自动控制系统方块图xez-控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 f被控变量被控变量y测量值测量值给定值给定值p偏差偏差操纵变量操纵变量q偏差偏差:给定值与测量值之间的差值。给定值与测量值之间的差值。给定值给定值:被控变量的期望值被控变量的期望值,可固定也可按程序变化。可固定也可

15、按程序变化。2. 自动控制系统方块图自动控制系统方块图输入输入:方块图中方块图中,指向该环节的信息称该环节的输入。指向该环节的信息称该环节的输入。输出输出:方块图中方块图中,背离该环节的信息称该环节的输出。背离该环节的信息称该环节的输出。自动控制系统方块图自动控制系统方块图xez-控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 f被控变量被控变量 y测量值测量值给定值给定值p偏差偏差操纵变量操纵变量q3.自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统反馈反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系把系统的输出信号直接或经过一些

16、环节后送回到系统的输入端统的输入端,并加入到输入信号中的作法。并加入到输入信号中的作法。负反馈负反馈:反馈信号使原来的输入信号反馈信号使原来的输入信号减弱减弱(e=x-z)。正反馈正反馈:反馈信号使原来的输入信号反馈信号使原来的输入信号增强增强(e=x+z)。xez-控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 f被控变量被控变量 y测量值测量值给定值给定值p偏差偏差操纵变量操纵变量q负反馈系统负反馈系统增强了受干扰后的变化趋势增强了受干扰后的变化趋势,导致系统崩溃或达到极限值导致系统崩溃或达到极限值,从而使系统不稳定。从而使系统不稳定。xez+控制器控制器控

17、制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 f被控变量被控变量 y测量值测量值给定值给定值p偏差偏差操纵变量操纵变量q正正反馈系统反馈系统例如炸弹的爆炸、电子振荡器中振荡过程的产生等都是例如炸弹的爆炸、电子振荡器中振荡过程的产生等都是正反馈系统。正反馈系统。由于没有负反馈不能随时了解被控对象的情况而改变自由于没有负反馈不能随时了解被控对象的情况而改变自己的操作状态己的操作状态,这是开环系统的缺点。这是开环系统的缺点。自动操纵装置自动操纵装置对象对象工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令操纵作用操纵作用图图1-6 自动操纵系统方块图自动操纵系统方块图闭环系统的优点闭环系统的优点:

18、可随时了解被控对象的情况可随时了解被控对象的情况,有针对性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向, 使系统的工作状态始终等于或接近所希望的状态。使系统的工作状态始终等于或接近所希望的状态。自动检测、自动操纵等是开环系统。自动检测、自动操纵等是开环系统。3.自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统题题11:试画出该温度控制系统的方块图试画出该温度控制系统的方块图,指出该系统中的被指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰

19、是什么？扰是什么？被控对象被控对象:反应器反应器;被控变量被控变量:温度温度;操纵变量操纵变量:冷却水的流量冷却水的流量;干扰干扰:进料的流量和温度变进料的流量和温度变化、传热系数、冷却水温化、传热系数、冷却水温度变化、保温情况等。度变化、保温情况等。xez-控制器控制器控制阀控制阀对象对象测量元件测量元件 变送器变送器干扰作用干扰作用 f被控变量被控变量 y测量值测量值给定值给定值p偏差偏差操纵变量操纵变量q 思考题：思考题：请画出液位控制系统方块图并指明被请画出液位控制系统方块图并指明被控对象、被控变量、操纵变量及可能出现的干控对象、被控变量、操纵变量及可能出现的干扰因素。扰因素。第三节第

20、三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按按被控量被控量分分:如温度、压力、液位等控制系统。如温度、压力、液位等控制系统。按按控制器的控制规律控制器的控制规律分分:比例控制、积分控制、微分控制、比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。按按系统功能与结构系统功能与结构分分:单回路简单控制系统单回路简单控制系统;串级串级.比值比值.选选择性择性.分程分程.前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦.预测预测.推断等先进控制系统和程序控制系统。推断等先进控制系统和程序控制系统。定值控制系

21、统定值控制系统:要求被控变量的给定值不变。要求被控变量的给定值不变。(如温度如温度)。随动控制系统随动控制系统:给定值是随机变化的。可使所控制的工艺给定值是随机变化的。可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。参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。程序控制系统程序控制系统:给定值是变化的给定值是变化的,它是一个已知的时间函数它是一个已知的时间函数,即生产技术指标须按一定的时间程序变化。一些定型或非即生产技术指标须按一定的时间程序变化。一些定型或非定型的程控装置越来越多地被应用到生产中。定型的程控装置越来越多地被应用到生产中。按按被控变量的给定值的变化情况被控变量的给定值的变化情

22、况分：分：第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标一一. 控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态静态静态:被控变量不随时间变化、自动化装置保持原来的被控变量不随时间变化、自动化装置保持原来的平平衡衡状态。状态。系统处于相对稳定的平衡状态系统处于相对稳定的平衡状态,即系统中各信号的即系统中各信号的变化率变化率为零为零。系统在静态时系统在静态时,生产还在进行生产还在进行,物料和能量仍有进有出物料和能量仍有进有出,只是只是平稳进行没有改变。平稳进行没有改变。动态动态:被控变量随时间变化的被控变量随时间变化的不平衡不平衡状态。状态。因干扰作用破坏了系统原静态因干

23、扰作用破坏了系统原静态, 变量发生变化变量发生变化, 自动化装置自动化装置就产生控制作用克服干扰的影响就产生控制作用克服干扰的影响, 使系统恢复平衡。从干使系统恢复平衡。从干扰发生开始扰发生开始,直到系统重新平衡直到系统重新平衡,所处的状态所处的状态,就是就是动态。动态。过渡过程过渡过程:系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。过程。阶跃干扰作用阶跃干扰作用:它比较突然它比较突然,比较危险比较危险,对被控量影响最大。对被控量影响最大。二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程过渡过程过渡过程:系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的系统从一个平衡

24、状态过渡到另一个平衡状态的过程。过程。过渡过程中被控量是随时间变化的过渡过程中被控量是随时间变化的,其变化规律与干扰信其变化规律与干扰信号的形式有关。号的形式有关。系统的稳定性系统的稳定性:系统受到干扰系统受到干扰作用后作用后,输出变量最终能输出变量最终能返回返回到原平衡状态到原平衡状态或其附近或其附近,称系称系统为稳定。统为稳定。在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程(a)非周期衰减过程非周期衰减过程(b)衰减振荡过程衰减振荡过程(c)等幅振荡过程等幅振荡过程(d)发散振荡过程发散振荡过程y被控变量

25、离给定值的变化量被控变量离给定值的变化量三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标最大偏差最大偏差(A):在过渡过程中在过渡过程中,被控量偏离给定值的最大量。被控量偏离给定值的最大量。最大偏差越小越好。最大偏差越小越好。超调量超调量(B):在过渡过程中在过渡过程中,第一个峰值第一个峰值A与新稳态值与新稳态值C之差之差,即即B=A-C。衰减比衰减比(n):前后相邻两个峰值的比。反映衰减程度的指标前后相邻两个峰值的比。反映衰减程度的指标,n=B:B,实践表明实践表明:n处于处于410之间合适。之间合适。余差余差(C):新的稳态值与给定值之差。余差越小越好。新的

26、稳态值与给定值之差。余差越小越好。过渡时间过渡时间(ts):从干扰开始起从干扰开始起,直到被控量进入到距新稳态值直到被控量进入到距新稳态值的的5%(2%)的范围内且不再越出时为止所经历的时间。的范围内且不再越出时为止所经历的时间。过渡时间越短过渡时间越短,系统控制质量高。系统控制质量高。三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标振荡周期振荡周期(频率频率):同向两波峰同向两波峰(或波谷或波谷)之间的时间间隔之间的时间间隔,为振荡周期。周期越短越好。为振荡周期。周期越短越好。 这些指标在不同的系统中各有其重要性这些指标在不同的系统中各有其重要性,且互相间即有

27、矛且互相间即有矛盾盾,又有联系。要分清主次又有联系。要分清主次,首先保证对生产过程有决定性首先保证对生产过程有决定性意义的主要品质指标。意义的主要品质指标。四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标工艺过程部分工艺过程部分(被控对象被控对象)和自动化装置部分和自动化装置部分(测量与变测量与变送器、控制器、执行器送器、控制器、执行器)。主要是对象的性质。主要是对象的性质,但自动但自动化装置应按对象的性质加以选择和调整。化装置应按对象的性质加以选择和调整。例例:某换热器的温度调节系统在

28、单位阶跃干扰作用下的过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如右图。试求最大偏差渡过程曲线如右图。试求最大偏差.余差余差.衰减比衰减比.振荡周期振荡周期和过渡时间和过渡时间(给定值为给定值为200)。解：解：最大偏差最大偏差:A=230-200=30 余差余差:C=205-200=5 衰减比衰减比:B:B=(230-205):(210-205)=5:1振荡周期振荡周期:T=20-5=15(min)过渡时间过渡时间:不超过新稳态值不超过新稳态值205 的宽度为的宽度为205(2)= 4.1 ,所对应的时间所对应的时间:22min。题题21:某反应器工艺规定操纵温度为某反应器工艺

29、规定操纵温度为(90010)。考虑安。考虑安全因素全因素,控制过程中温度偏离给定值最大不得超过控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80 。现设计的温度定值控制系统现设计的温度定值控制系统,在最大阶跃干扰作用下的过在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图。求最大偏差、超调量、衰减比、振荡渡过程曲线如图。求最大偏差、超调量、衰减比、振荡周期周期,并回答该系统能否满足题中所给的工艺要求？并回答该系统能否满足题中所给的工艺要求？解解:最大偏差最大偏差:A=950-900=50 超调量超调量:B=A-C=950-908=42 衰减比衰减比: B:B=42:10=4.2 振荡周期振荡周期:T=45-9=36

30、minA80,C-90010 ,则能则能满足题中所给的工艺要求。满足题中所给的工艺要求。第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图在工艺流程确定后在工艺流程确定后,工艺人员和自控设计人员应共工艺人员和自控设计人员应共同研究确定控制方案。控制方案的确定包括流程同研究确定控制方案。控制方案的确定包括流程中各中各测量点测量点的选择、的选择、控制系统控制系统的确定及有关自动的确定及有关自动信号、联锁信号、联锁保护系统保护系统的设计等。的设计等。一、工艺管道及控制流程图一、工艺管道及控制流程图:在控制方案确定后在控制方案确定后,根据工艺设计给出的流程图按根据工艺设计给出的流程图按其流程顺序标注出相应的其流程顺序标注出相应的测量点测量点、控制点控制点、控制控制系统系统及及自动信号与联锁保护系统自动信号与联锁保护系统等等,便成了便成了工艺管工艺管道及控制流程图道及控制流程图。二、控制流程图中图例符号的规定二、控制流程图中图例符号的规定本书的规定按化工部设计标准本书的规定按化工部设计标准HGJ7-87化工过程检测化工过程检测控制系统设计符号统一规定控制系统设计符号统一规定。1.图形符号图形符号(1).测量点测量点(包括检测元件、取样点包括检测元件、取样点):由工艺设备轮廓线或由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表