第一章 控制系统的基本知识(网络)

1、教学要求与学习目标：教学要求与学习目标：内容内容: : 1.1 1.1 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 1.2 1.2 控制系统的组成控制系统的组成 1.3 1.3 带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图 1.4 1.4 自动控制系统方块图自动控制系统方块图 1.5 1.5 控制系统的分类控制系统的分类 1.6 1.6 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本章学习要点本章学习要点本章思考题及作业本章思考题及作业 开始学习开始学习返回总目录返回总目录化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容:1.自动检测系

2、统自动检测系统2.信号联锁保护系统信号联锁保护系统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4.自动控制系统自动控制系统化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统自动检测系统2.信号联锁保护系统信号联锁保护系统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4.自动控制系统自动控制系统是生产过程中的是生产过程中的安全装置安全装置。当工艺参数超过了允许范围，当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生前，信号联在事故即将发生前，信号联锁保护系统就自动地发生锁保护系统就自动地发生声声光信号光信号，告诫操作人员注意，告诫操

3、作人员注意，并及时采取措施。若工况已并及时采取措施。若工况已达危险状态时，联锁系统立达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车要时紧急停车，以防事故发，以防事故发生和扩大。生和扩大。化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统自动检测系统2.信号联锁保护系统信号联锁保护系统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4.自动控制系统自动控制系统 可以根据可以根据预先规定的步骤自动预先规定的步骤自动的对生产设的对生产设备进行某种周期性

4、的操作。例如：煤气发备进行某种周期性的操作。例如：煤气发生炉的造气过程（吹风、上吹、下吹、二生炉的造气过程（吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净）。自动开停车系统可以按次上吹、吹净）。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动的照预先规定好的步骤，将生产过程自动的投入运行或自动停车。投入运行或自动停车。化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容化工过程生产自动化，一般包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统自动检测系统2.信号联锁保护系统信号联锁保护系统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4.自动控制系统自动控制系统 当某一设备的当某一设备的工艺条件发生变工艺条件发

5、生变化化时，自动控制系统能时，自动控制系统能自动地排出自动地排出各种干扰因素各种干扰因素，使工艺参数始终保，使工艺参数始终保持在预先规定的数值范围内，以保持在预先规定的数值范围内，以保证生产维持正常或最佳的工艺操作证生产维持正常或最佳的工艺操作状态。状态。自动控制系统自动控制系统是自动化生产的是自动化生产的核心部分核心部分，也是本课程了解和学习的也是本课程了解和学习的重点重点1.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 人工控制过程：人工控制过程：（1）用眼观察温度计的指示值；（2）将观察值与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向，并传递给大脑；（3）大脑根据偏差的大小和方向，依据经验决定开关阀

6、门开度的大小和方向，并指令手去执行； （4）手根据大脑的指令去执行控制阀门的动作。 自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的，下面以换热器管程出口温度的控制为例，对人工控制和自动控制加以比较。自动控制过程：自动控制过程：（1）由测温度元件热电阻测的出口物料的温度，并转换成电信号，再由温度变送器将电信号转换成标准信号；（2）将变送器得出的信号与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向；（3）根据偏差的大小和方向，按照一定的控制规律输送出一个对应的信号去控制阀的动作；（4）控制阀接受信号，改变控制阀的开度大小，从而改变了进入换热器的蒸汽量，达到调整温度的目的自动控制系统自动控制系统被控对象被控

7、对象自动控制装置自动控制装置测量元件与变送器测量元件与变送器 控制（调节）器控制（调节）器执行器（控制阀）执行器（控制阀）各环节的作用：各环节的作用： 被控对象被控对象 在自动控制系统中，工艺变量需要控制的在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产生产设备或机器设备或机器 ，如：换热器、塔器、反应器、泵、压，如：换热器、塔器、反应器、泵、压缩机、管道、各种贮槽等。缩机、管道、各种贮槽等。 自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象自动控制装置自动控制装置测量元件与变送器测量元件与变送器 控制（调节）器控制（调节）器执行器（控制阀）执行器（控制阀）各环节的作用：各环节的作用：测量元件与变送器：测量元

8、件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号：转换成一种特定的信号：如气压信号（如气压信号（0.020.1MPa或电压、电流信号（或电压、电流信号（010mA或或420mA）自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象自动控制装置自动控制装置测量元件与变送器测量元件与变送器 控制（调节）器控制（调节）器执行器（控制阀）执行器（控制阀）各环节的作用：各环节的作用： 控制（调节）器：控制（调节）器：将检测元件及变送器送来的信号将检测元件及变送器送来的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较，得出偏差的与工艺上需要保持的设定值信号进行比较，得出偏差的大小，根据

9、偏差的大小及变化趋势，按照预先设定好的大小，根据偏差的大小及变化趋势，按照预先设定好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器（控制阀）。执行器（控制阀）。自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象自动控制装置自动控制装置测量元件与变送器测量元件与变送器 控制（调节）器控制（调节）器执行器（控制阀）执行器（控制阀）各环节的作用：各环节的作用： 执行器（控制阀）：执行器（控制阀）：接受控制器送来的信号，自动接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而相应地改变流入（或流出）被地改变阀门的开度，从而相应地改变流入（或流出）被控对象的物

10、料流量或能量，克服扰动的影响，最终实现控对象的物料流量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。常见的有：控制要求。常见的有：气动薄膜调节器，电动调节器气动薄膜调节器，电动调节器带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图：在控制方案确定后，用自动控制系统设在控制方案确定后，用自动控制系统设计规定的文字符号和图形符号在工艺流程图上标出相应的测量点、计规定的文字符号和图形符号在工艺流程图上标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。流程图中设备间控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。流程图中设备间连线表示物料流动的方向。连线表示物料流动的方向。例如例如 HGJ7-87 化工过

11、程检测化工过程检测.控制系统控制系统 设计符号统一规定设计符号统一规定一一 图形符号图形符号仪仪 表表: 用直径约10mm的细实线圆圈表示。仪表的安装位置见表1-1 测量点测量点: 是由工艺设备轮廓或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点,无特定的符号。 连接线：连接线：仪表到测量点之间的信号连接线用细实线表示 图图 1-5 仪表及测量点的表示仪表及测量点的表示交叉交叉 相接相接 方向方向图图 1-6 连接线的表示法连接线的表示法下面 介绍控制流程中统一的符号规定 仪表圆圈的上半圆内，用英文字母表示被测变量和仪表的功能。 第一位字母表示被测变量；第二位起后续字母表示仪表功能。 仪表圆圈的下半圆内，

12、用阿拉伯数字表示仪表的位置编号。第一位数字表示工段号；第二位起后续数字表示仪表的序号。常见被测变量和仪表动能的字母代号见表1-2表示测量点在塔顶的压力指示控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为07。表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装仪表，工段号为2，仪表序号为06。LICA202表示测量点在塔的下部温度记录控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为10。FR212TRC210PIC207PI206LIC201HL表示测量点在回流罐封头处的液位指示控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为01。表示测量点在塔的下部的

13、液位指示、报警控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为02。H、L表示仪表具有高、低报警功能。表示测量点在进口管线上的孔板流量记录仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为12。流程图中流程图中设备间连线表示设备间连线表示物料流动的方向物料流动的方向方块图中的方块图中的箭头线表示信号的流向和相互关箭头线表示信号的流向和相互关系系一一 自动控制系统方块图：自动控制系统方块图：是用一个是用一个方块代表方块代表自动控制系统自动控制系统中的一个组成环节，用中的一个组成环节，用箭头箭头表示两个环节的表示两个环节的信号联系和传信号联系和传递方向递方向，用，用规定的字母规定的字

14、母表示方块间相互作用的信号参数。表示方块间相互作用的信号参数。特别提特别提醒醒图1-2 控制系统方块图被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ys ym umym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量被控变量被控变量y：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。测测 量量 值值ym：由检测元件检测到的被控变量的实际值。由检测元件检测到的被控变量的实际值。设设 定定 值值ys： 被控变量的预定值。被控变量的预定值。操纵变量操纵变量m：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，

15、使被控变量受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量 保持设定值的物料量或能量。保持设定值的物料量或能量。扰扰 动动 量量f： 除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化 的因素。的因素。偏差信号偏差信号e：被控变量的设定值与实际测量值之差。被控变量的设定值与实际测量值之差。控制信号控制信号u：控制器按输入的偏差信号按一定规律计算得到的量。控制器按输入的偏差信号按一定规律计算得到的量。反反 馈：馈：把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新 引回到输入端的做法。引回到输入端的做法。负负

16、反反 馈：馈： 反馈信号的作用与设定信号相反，即偏差信号为两者之反馈信号的作用与设定信号相反，即偏差信号为两者之 差，这种反馈叫做负反馈。差，这种反馈叫做负反馈。正正 反反 馈：馈： 使原来的信号加强的反馈使原来的信号加强的反馈温度控制系统温度控制系统 压力控制系统压力控制系统 流量控制系统流量控制系统 液位控制系统液位控制系统 成分控制系统等：成分控制系统等： 按控制器的控制按控制器的控制规律分：规律分：比例比例比例积分比例积分比例微分比例微分比例积分微比例积分微分分按给定值的特点分：按给定值的特点分：定值控制系统定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统按被控按被控变

17、量分：变量分：温度控制系统温度控制系统 压力控制系统压力控制系统 流量控制系统流量控制系统 液位控制系统液位控制系统 成分控制系统等：成分控制系统等： 按控制器的控制按控制器的控制规律分：规律分：比例比例比例积分比例积分比例微分比例微分比例积分微比例积分微分分按给定值的特点分：按给定值的特点分：定值控制系统定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统按被控按被控变量分：变量分：随动控制系统的设定值是不断变化随动控制系统的设定值是不断变化的。随动控制系统的作用是使被控的。随动控制系统的作用是使被控变量能尽快地、准确无误的跟踪设变量能尽快地、准确无误的跟踪设定值的变化而变化。定

18、值的变化而变化。温度控制系统温度控制系统 压力控制系统压力控制系统 流量控制系统流量控制系统 液位控制系统液位控制系统 成分控制系统等：成分控制系统等： 按控制器的控制按控制器的控制规律分：规律分：比例比例比例积分比例积分比例微分比例微分比例积分微比例积分微分分按给定值的特点分：按给定值的特点分：定值控制系统定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统按被控按被控变量分：变量分：程序控制系统的设定值也是变化，程序控制系统的设定值也是变化，但它是一个已知的时间函数，即设但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。定值按一定的时间程序变化。按系统输出信号对操纵变量影

19、响分：按系统输出信号对操纵变量影响分：闭环控制闭环控制开环控制开环控制图1-2 控制系统方块图被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器控制阀控制阀被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ys ym umym偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量按系统的复杂程度划分：按系统的复杂程度划分：简单控制系统简单控制系统复杂控制系统复杂控制系统 1.5 1.5 控制系统的分类控制系统的分类图1-2 控制系统方块图被控变量被控变量干扰作用干扰作用 y给定值给定值控制器控制器控制阀控制阀被控对象被控对象f测量元件与变送器测量元件与变送器yse= ys ym umym

20、偏差偏差控制信号控制信号操纵变量操纵变量按系统的复杂程度划分：按系统的复杂程度划分：简单控制系统简单控制系统复杂控制系统复杂控制系统 1.5 1.5 控制系统的分类控制系统的分类按系统克服干扰的方法划分：按系统克服干扰的方法划分： 反馈控制系统反馈控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统 1.5 1.5 控制系统的分类控制系统的分类LTLC冷水蒸汽汽包加热室锅炉汽包水位控制示意图解：(1)锅炉汽包水位控制系统方块图： （2）被控对象 ：锅炉汽包； 被控变量：锅炉汽包水位； 操纵变量：锅炉给水量； 扰 动 量：冷水温度、压力、蒸汽压力、流量、燃烧状况等（3）当蒸汽负

21、荷突然增加，汽包液位下降，偏差e=h0Z增加，u增加，m也增加，即进水阀门开度增加，液位升高。控制器执行器锅炉汽包测量变送h0H扰动Zeum例题例题2 2如图如图1-31-3所示的夹套反应器温度控制系统图所示的夹套反应器温度控制系统图1 1）画出该控制系统的方块图；）画出该控制系统的方块图；2 2）指出该系统中主被控对象、副被控对象、主被控变量、副被）指出该系统中主被控对象、副被控对象、主被控变量、副被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？3 3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制。）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制。解（解（

22、1 1）夹套反应器温度控制系统方块图夹套反应器温度控制系统方块图2 2）主主被控对象被控对象 ：反应器；副被控对象：反应器；副被控对象 ：夹套：夹套 主被控变量：反应器内的温度主被控变量：反应器内的温度T1；主被控变量：夹套内的温度；主被控变量：夹套内的温度T2； 操纵变量：夹套的蒸汽量；操纵变量：夹套的蒸汽量； 主主 扰扰 动动 量量f1：反应器物料进口的温度、压力、流量，蒸汽的压力、流量、：反应器物料进口的温度、压力、流量，蒸汽的压力、流量、温度等温度等 副副 扰扰 动动 量量f2：蒸汽的压力、流量、等：蒸汽的压力、流量、等3）当蒸汽负荷突然增加，反应器内的温度当蒸汽负荷突然增加，反应器内

23、的温度T1将升高，此时温度检测变送器将升高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器将信号送给主控制器TC1，主控制器再控制副控制器，使副控制器的输出信号减，主控制器再控制副控制器，使副控制器的输出信号减小，即蒸汽阀门开度减小，使夹套内的蒸汽温度下降，从而反应器内的温度也会小，即蒸汽阀门开度减小，使夹套内的蒸汽温度下降，从而反应器内的温度也会随之下降。随之下降。图1-4夹套反应器温度控制系统方块图夹套反应器温度控制系统方块图T1给定值给定值TC1控制阀控制阀反应器反应器f1TT1u1me1TC2夹套夹套TT2e2u2f2T2静态静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。被控变量不随时间而变化的

24、平衡状态。动态：动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。被控变量随时间变化的不平衡状态。 一一 控制系统的静态和动态控制系统的静态和动态二二 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 系统在过渡过程中，被控变量随时间变化的，其规律首先决定系统在过渡过程中，被控变量随时间变化的，其规律首先决定于系统的干扰形式。于系统的干扰形式。最常用的是阶跃干扰最常用的是阶跃干扰1 典型干扰输入信号的形式典型干扰输入信号的形式 阶跃干扰阶跃干扰A0t0t1 2t20tAt 斜坡干扰斜坡干扰抛物线干扰抛物线干扰0t（t）单位脉冲干扰单位脉冲干扰： 图1-13 过渡过程的几种基本形式ytyyy非周期衰减过程：非周期衰减过

25、程：它表明当系统受到扰动作用后，它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化，没有来回波，没有来回波动，最终稳定在某一数值上。动，最终稳定在某一数值上。由于过渡速度慢、时间由于过渡速度慢、时间长，一般不采用长，一般不采用：衰减振荡过程：衰减振荡过程：它表明当系统受到扰动作用后，被它表明当系统受到扰动作用后，被控对象上下波动，且幅度逐渐减小，经过一段时间最控对象上下波动，且幅度逐渐减小，经过一段时间最后稳定在某一数值上。后稳定在某一数值上。我们希望得到的我们希望得到的 图1-13 过渡过程的几种基本形式ytyyy：等幅振荡过程：等幅振荡过程：它

26、表明当系统受到扰动作用后，被控它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值附近来回波动且波动幅值保持不变。即被变量在给定值附近来回波动且波动幅值保持不变。即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。来。一般不采用，一般不采用，如工艺上允许被控变量在一定范围内如工艺上允许被控变量在一定范围内波动，波动，则可采用。则可采用。 图1-13 过渡过程的几种基本形式ytyyy：发散振荡过程发散振荡过程：它表明当系统受到扰动作用后，被控它表明当系统受到扰动作用后，被控变量来回波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离变量来回波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。应尽量避免。应尽量避免。 图1-13 过渡过程的几种基本形式ytyyy 控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据，一般都希望控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据，一般都希望得到得到衰减振荡过程，衰减振荡过程，习惯上采用以下品