重科大热工仪表课件第1章 自动控制系统基本概念（化工工艺）

热工仪表课时：18教材：厉玉鸣主编，《化工仪表及自动化》

（第三版），化学工业出版社绪论主要内容：生产过程自动化的含义实现生产过程自动化的意义生产过程自动化的发展状况现代自动化技术特点学习本课程的重要性一、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,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的过程称生产过程自动化。二、实现生产过程自动化的意义加快生产速度,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；能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,延长设备使用寿命,提高设备利用率；能根本改变劳动方式,提高工人文化水平,逐步消除脑力劳动和体力劳动之间的差别。三、生产过程自动化的发展状况20世纪40年代以前,主要是人工调节,凭经验指导生产,生产效率低。20世纪50~60年代,应用简单自动化技术,如基地式仪表。20世纪70年代开始,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,出现了各种新型控制系统,如集散控制系统、二级优化控制等。近年来,现代自动化技术已不只局限于对生产过程中重要参数的自动控制,已发展为综合自动化。四、现代自动化技术特点已发展为综合自动化,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,因此,其社会、经济效益也越来越大。显示了知识密集化、高技术集成化的特点,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。自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不断出现,控制的精度越来越高,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,而且也在很大程度上代替了人们的脑力劳动。五、学习本课程的重要性本门课是一门综合性的技术学科,通过学习自动化、仪表及计算机方面的知识,对于管理与开发现代化生产过程是十分重要的。第一章自动控制系统基本概念主要内容：生产自动化的主要内容自动控制系统的组成工艺管道及控制流程图自动控制系统方框图自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标第一节生产自动化的主要内容

生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、自动控制系统。自动检测系统

׃利用各种检测仪表对生产过程的主要工艺参数(如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。

自动信号和联锁保护系统(自动保护)当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光等报警信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过改变阀门的开启度或切断某些通路,或进行紧急停车,以防止事故的发生或扩大。它是生产过程中的一种安全装置。自动操纵及自动开停车系统(自动操纵)自动操纵系统: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。自动开停车系统: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。自动控制系统:它是对生产中某些关键性的参数进行自动调节,使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时,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。第二节自动控制系统的组成生活环境中的自动控制系统空调;电饭煲;电冰箱;洗衣机等。工业生产中的自动控制系统液位控制:人工→自动;温度控制等。眼看脑想手动QoQi人工操作进行工作的三个方面:(1).检测:用眼睛看液位的高低。(2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考和比较得出偏差,发出命令。(3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变出口流量Qo,保持液位的高低在规定位置。自动控制系统的组成1.被控对象:对其工艺参数进行控制的机器或设备。它可以是一段管道、一台设备或设备的某一部分,如各种反应器、换热器等。自动控制系统的组成2.自动化装置：测量元件及变送器:检测参数(液位)并将检测结果变成标准统一信号进行输出,如液位的测量及变送。自动控制器:接受变送器送来的信号,与工艺需要保持的参数值(液位)进行比较得出偏差,并按某种运算规律算出结果,然后将此结果以特定信号(如电压、电流)发送出去。执行器:通常指控制阀,它自动地根据控制器发出的信号值改变阀门的开启度,从而改变操纵变量,给对象施加调节作用。第三节工艺管道及控制流程图在工艺流程确定后,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中各测量点的选择、控制系统的确定及有关自动信号、联锁保护系统的设计等。在控制方案确定后,根据工艺设计给出的流程图。一、工艺管道及控制流程图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联锁保护系统等,便成了工艺管道及控制流程图。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HGJ7-87《化工过程检测控制系统设计符号统一规定》1.图形符号(1).测量点(包括检测元件、取样点):由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点,一般无特定的图形符号。(2).连接线:通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉、相接及信号传递方向,如下图。

(3).仪表(包括检测、显示、控制)的图形符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈,直径约10mm。仪表安装位置不同的符号如下图。

2.字母代号表示仪表的小圆圈的上半圆内,一般写有两位或两位以上字母,第一位字母表示被测变量,后继字母表示仪表的功能。常用被测变量和仪表功能的字母代号见右表。

字母第一字母后续字母被测变量功能A分析报警C电导率控制F流量I电流指示L物位P压力或真空R放射性记录或打印T温度传送3.

仪表位号仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部,其第一位数字表示工段号,后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。总之,通过控制流程图,可看到每台仪表的测量点位置、被测变量、仪表功能、工段号、仪表序号、安装位置等。第四节自动控制系统方框图方框图的作用: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。图1-3液位自动控制系统方框图如下。图1-8自动控制系统方框图xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f自动控制系统方框图xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f方框图中所涉及的概念被控对象:在生产过程中需保持其工艺参数稳定的设备或装置。如冶金炉,加热炉等,也可是一台具体的设备或设备的某一部分,如一段管道(贮槽)。被控变量y:生产过程中需保持恒定的变量(液位)。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因素,它是输入信号

(进料流量的改变)。控制作用:用来克服外界干扰,使被控变量恢复到给定值的操作。操纵变量q:具体实现控制作用的变量(出料流量)。操纵介质:用来实现控制作用的物料(流过阀门流体)。方框图中所涉及的概念给定值:工艺过程中被控变量的期望值,可以固定也可按程序变化。偏差:给定值与测量值之间的差值。输入:自动控制系统方框图中,指向该环节的信息称该环节的输入。输出:自动控制系统方框图中,背离该环节的信息称该环节的输出。xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f同一方框图可代表不同的控制系统,如上图的蒸汽加热温度控制系统也可用图1-8的方框图表示。

自动控制系统方框图与控制流程图的区别自动控制系统方框图:方块与方块之间的连接线,只是代表方块之间的信号联系,并不代表方块之间的物料联系。方块之间的连接线的箭头也只是代表信号作用的方向。控制流程图: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。方块与方块之间的连接线,代表方块之间的物料联系。自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系统的输入端,并加入到输入信号中的作法。负反馈:反馈的信号使原来的输入信号减弱。正反馈:反馈的信号使原来的输入信号增强。负反馈系统以液位控制为例分析其控制过程:当液位y由于某种干扰而上升时,其测量值z升高,偏差(e=x-z)降低,这时,控制器应发出控制信号使控制阀的开度发生变化,变化的方向为负,使被控变量y下降,回到给定值,抑制了干扰的影响,达到了控制目的。自动控制系统方框图xez-控制器控制阀对象测量元件变送器干扰作用

被控变量y测量值给定值pq偏差操纵变量f正反馈系统当偏差e=x+z时,控制系统称正反馈系统。当液位y由于某种干扰而上升时,其测量值z升高,偏差e=x+z增大,这时,控制器应发出控制信号使e变大,从而y进一步上升,z进一步增大,增强了受干扰后的变化趋势,导致系统崩溃或达到极限值,从而使系统不稳定。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。可见,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。由于具有负反馈的闭环系统,它可随时了解被控对象的情况,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所希望的状态这是闭环系统的优点。自动检测、自动操纵等开环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己的操作状态,这是开环系统的缺点。自动操纵装置对象工艺参数操纵指令操纵作用图1-10自动操纵系统方框图第五节自动控制系统的分类各种分类方法按被控量分:如温度、压力、液位等控制系统。按控制器的控制规律分: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。按系统功能与结构分:单回路简单控制系统;串级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦、预测、推断等先进控制系统和程序控制系统。按被控变量的给定值的变化情况分：定值控制系统:要求被控变量的给定值不变。(如温度、液位)。随动控制系统:给定值是随机变化的。随机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。(如导航雷达系统、火炮系统、生物反应、金属热处理炉)程序控制系统:给定值是变化的,但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。一些定型或非定型的程控装置越来越多地被应用到生产中。第六节自动控制系统的过渡过程

和品质指标一.控制系统的静态与动态静态:被控变量不随时间变化、自动化装置保持原状的平衡状态。当一个自控系统的输入(给定和干扰)和输出均衡不变时,整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态,即指系统中各信号的变化率为零,信号保持在某一常数不变化,而不是指物料不流动或能量不交换。因为自动控制系统在静态时,生产还在进行,物料和能量仍有进有出,只是平稳进行没有改变。一.控制系统的静态与动态动态:被控变量随时间变化、自动化装置改变原状的不平衡状态。若一个系统原先处于相对平衡状态即静态,由于干扰的作用而破坏了这种平衡时,被控变量就会发生变化,从而使控制器、控制阀等自动化装置改变原来平衡时所处的状态,产生一定的控制作用来克服干扰的影响,并力图使系统恢复平衡。从干扰发生开始,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,所以这种状态叫做动态。二、控制系统的过渡过程过渡过程:系统受输入(干扰)信号的作用从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过渡过程。是被控量在干扰信号或控制信号的作用下随时间不断变化的过程,其变化规律与干扰信号的形式有关。阶跃干扰作用:在某一瞬间t0,干扰突然地阶跃式地加到系统上并保持该幅度。它比较突然,比较危险,对被控量影响最大。系统的稳定性:如果系统在受到干扰信号作用后,输出变量最终能返回到原平衡状态或其附近,称系统为稳定的;否则,称系统不稳定。在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式：(a)非周期衰减过程;(b)衰减振荡过程;(c)等幅振荡过程;(d)发散振荡过程;(e)非振荡发散过程。三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标

横坐标t为时间,纵坐标y为被控变量离给定值的变化量。t=0时,系统稳定,y(0)=0;t→∞时,系统也达到新的稳态,y(∞)=C。最大偏差(A):在过渡过程中,被控量偏离给定值的最大量。最大偏差越小越好。超调量(B):在过渡过程中,第一个峰值A与新稳态值C之差,即B=A-C。三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标

衰减比(n):前后相邻两个峰值的比。是反映衰减程度的指标,n=B:B’,实践表明:n处于4~10之间较合适。余差(C):新的稳态值与之差。余差越小越好。过渡时间(ts):从干扰开始起,直到被控变量进入到距新稳态值的±5%(或±2%)的范围内且不再越出时为止所经历的时间。过渡时间越短,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振荡周期和频率:两个同向波峰(或波谷)之间的时间间隔,为振荡周期;周期越短越好。频率为周期的倒数。这些指标在不同的系统中各有其重要性,且互相间即有矛盾,又有联系。要分清主次,首先保证对生产过程有决定性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工艺过程部分(被控对象)和自动化装置部分(测量与变送器、控制器、执行器)。主要是对象的性质,但自动化装置应按对象的性质加以选择和调整。例: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、余差、衰减比、