測量儀表與自動化13

1、Instrumentation and Automation In Chemical Engineering 第三篇 過程控制系統 13 自動控制系統的基本概念 13.1自動控制系統組成及分類 13.2 過渡過程及品質指標 14 簡單控制系統 15 復雜控制系統 16 典型操作單元的控制方案 第十三章 自動控制系統的基本概念 13.1自動控制系統組成及分類 13.1.1 自動控制系統的組成 13.1.2 自動控制系統的表示方式 13.1.3 自動控制系統的主要特點 13.1.4 自動控制系統的分類 13.2 過渡過程及品質指標 13.1.1 自動控制系統的組成 例13-1:液罐液位控制 人工控

2、制： 眼睛：觀察當前的液位值；（測量） 大腦：根據當前液位與工藝期望值的偏差，發(fā) 出操作命令，包括大小和方向；（控制） 手：執(zhí)行大腦的控制命令，通過手改變 閥門開度；（執(zhí)行） 反復進行步驟，直到液位達到期望值。 影響液位因素：入口壓力，出口壓力流量等； mHsp2 ，關小閥 SP HH ，開大閥 SP HH ，不動 SP HH 工藝期望的液位值: SP H 13.1.1 自動控制系統的組成 例13-2：原油加熱爐出口溫度控制人工控制 眼睛：觀察當前的溫度值；（測量） 大腦：根據當前溫度與工藝期望值的偏差， 發(fā)出操作命令，包括大小和方向；（控制） 手：執(zhí)行大腦的控制命令，通過手改變 閥門開度；（

3、執(zhí)行） 反復進行步驟，直到溫度達到期望值。 影響溫度因素：原油入口流量、成份、溫度， 燃料油壓力、成份等； 125 sp T ，關小閥 SP TT ，開大閥 SP TT ，不動 SP TT 13.1.1 自動控制系統的組成 自動控制：用自動化儀表來實現上述人工控制過程。 變送器：代替眼睛，觀察當前值；（測量） 控制器：代替大腦：分析、判斷；（控制） 執(zhí)行器：代替手，執(zhí)行的控制器命令，通過手改變閥門開度；（執(zhí)行） 13.1.1 自動控制系統的組成 自動控制系統一般由測量變送、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成。 被控對象 ：也稱對象。是指被控制的生產設備或裝置。如加熱爐和液罐。 自動化儀表： 變送器測

4、量被控變量，并將其轉換為標準信號的輸出，作為測量值。 控制器也稱調節(jié)器。將被控變量的設定值與測量值進行比較，并按 一定規(guī)律運算發(fā)出操作命令。 執(zhí)行器通常指調節(jié)閥，和普通閥的功能一樣，能自動地根據控制器 送來的控制信號改變閥門的開度 。 1.方框圖(Block Diagram，方塊圖) 說明： （1）每個方框都代表系統中一個具體儀表裝置（或對象） （2）圖中每一條線代表系統中的一個變量信號，線上的箭頭表示信號傳 遞方向。箭頭指向方框表示方框的輸入，箭頭離開方框表示方框的輸出； （3）系統的輸出直接或經過一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫反饋 （4）同一種形式的方框圖可代表不同的控制系統。 測量值

5、控制器調節(jié)閥被控對象 偏差給定值 操縱值 操縱變量 干擾 D 測量變送器 - Sv Pv DvMv q 被控變量 y + 13.1.2 自動控制系統的表示方式 13.1.2 自動控制系統的表示方式 1.方框圖(Block Diagram) 舉例：水罐 干擾分析： D：進料流量的變化等。 測量值 控制器調節(jié)閥被控對象 偏差給定值 操縱值 操縱變量 干擾 D 測量變送器 - Sv Pv DvMv q 被控變量 y + 1.方框圖(Block Diagram) 測量變送器(Measurement transmitter)把工藝參數轉換成統一標準 信號的裝置 控制器(Controller) 計算測量與

6、給定的偏差，并對偏差信號按預先 設定好的控制規(guī)律進行運算，輸出控制型號控制執(zhí)行器動作 執(zhí)行器(Actuator）根據控制器的輸出完成對被控的控制 10 3. 自動控制系統的方框圖 測量值 控制器調節(jié)閥被控對象 偏差給定值 操縱值 操縱變量 干擾 D 測量變送器 - Sv Pv DvMv q 被控變量 y + 1. 方框圖(Block Diagram) 被控對象(Controlled Object)被控制的工藝生產設備 被控變量(Controlled Variable)要求實施控制的參數，一般是工藝 操作的物理量 操作變量(Manipulated Variable)實施控制作用的參數，一般是執(zhí)

7、行器控制的物理量 11 13.1.2 自動控制系統的表示方式 測量值 控制器調節(jié)閥被控對象 偏差給定值 操縱值 操縱變量 干擾 D 測量變送器 - Sv Pv DvMv q 被控變量 y + 給定值(Set Value，SV)工藝上希望保持的數值 測量值(Process Value, PV) 被控變量的實際測量數值 偏差（Deviation Value，DV）測量值與給定值之差 干擾(Disturbance)引起被控變量變化的各種因素 12 3. 自動控制系統的方框圖 1. 方框圖(Block Diagram) 1.方框圖(Block Diagram) 舉例1：液罐 被控對象：液罐 被控變量：

8、液罐的液位 操縱變量：進料流量 測量變送器：液位變送器LT 控制器：液位控制器LC 執(zhí)行器：進料流量調節(jié)閥LV 干擾分析D：進料流量的變化等。 13.1.2 自動控制系統的表示方式 2.方框圖(Block Diagram) 舉例2：加熱爐 被控對象：加熱爐 被控變量：爐出口溫度 操縱變量：燃料油流量 測量變送器：溫度變送器TT 控制器：溫度控制器TC 執(zhí)行器：燃料油調節(jié)閥 干擾分析：D1:原油入口流量、成份、溫度； D2:燃料油壓力、成份； D3:環(huán)境溫度等 13.1.2 自動控制系統的表示方式 13.1.2 自動控制系統的表示方式 被控對象輸入輸出示意圖 廣義對象：除控制器外其它環(huán)節(jié)合并成的

9、環(huán)節(jié) 2.工藝控制流程圖（PCD Process Control Diagram） 在工藝流程圖（PFD Process Flow Diagram）上用圖形符號直觀表示出 控制方案，稱為工藝控制流程圖。 13.1.2 自動控制系統的表示方式 TT溫度變送器 TC溫度控制器 FT流量變送器 FC流量控制器 PT壓力變送器 PC壓力控制器 LT液位變送器 LC液位控制器 3.管道儀表流程圖（P&ID Piping and Instrument Diagram） 定義：管道儀表流程圖（P&ID）是借助統一規(guī)定的圖形符號和文字代號， 用圖示的方法把建設化工工藝裝置所需的全部設備、儀表、管道、閥門及 主

10、要管件，按其各自的功能，為滿足工藝要求和安全要求而組合起來的技 術文件，以起到描述工藝裝置的結構和功能的作用。 不僅是設計、施工的依據，也是企業(yè)管理、試運轉、操作、維修等各 方面所需完整技術資料的一部分。 圖例符號的統一規(guī)定 圖中小圓圈表示某些自動化儀表，圓內寫有兩位(或三位)字母，第一位字 母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能。 13.1.2 自動控制系統的表示方式 13.1.2 自動控制系統的表示方式 3.管道儀表流程圖（P&ID Piping and Instrument Diagram） 舉例： 13.1.3 自動控制系統的主要特點 1.構成負反饋閉環(huán)控制系統反饋 正反饋：反饋信號與

11、輸入極性相同 Dv=Sv+Pv 負反饋：反饋信號與輸入極性相反 Dv=Sv-Pv 自動控制系統必須采取負反饋，才能起到糾正偏差的作用。 若采取正反饋，不僅不能克服干擾的影響，反而使系統的偏差越 來越大，直至超出安全極限而破壞生產。 自動控制系統不能單獨采用正反饋。 2.控制作用的產生由偏差引起 偏差產生的控制作用是系統沿減少或消除偏差的方向運動。 13.1.3 自動控制系統的分類 1.按給定值的不同情況分為： (1)定值控制系統（Fixed Set-Point Control System） 給定值恒定的控制系統。 若要求控制系統的被控變量保持在一個生產指標上不變，或要求工 藝參數的給定值不變

12、，則采用定值控制系統。 引起被控變量波動的原因:各種干擾 控制目的：克服干擾 設計重點:存在干擾的情況下如何 將被控變量控制在所希望的給定值上 石油石化行業(yè)中以定值控制系統為主 13.1.3 自動控制系統的分類 1.按給定值的不同情況分為： (2)隨動控制系統（Follow-Up Control System） 給定值不是固定的，是隨時間不斷變化的，且不是預先規(guī)定好的 。 控制目的：使被控變量準確、快速地跟隨給定值的變化。 例：比值控制/副回路 13.1.3 自動控制系統的分類 1.按給定值的不同情況分為： (3)程序控制系統（Programmed Control System） 給定值也是變

13、化的，但它是一個已知的時間函數，即生產指標需按 一定的時間程序變化。 )(tfSV 測量值 控制器調節(jié)閥被控對象 偏差給定值 操縱值 操縱變量 干擾 D 測量變送器 - Sv Pv DvMv q 被控變量 y + 13.1.3 自動控制系統的分類自動控制系統的分類 其他分類：2. 按系統的復雜程度（控制器的多少）分為： (1)簡單控制系統（Simple Control System） 生產過程自控中最簡單、最基本、應用最廣泛的控制系統，解決了 大多數的參數定值控制問題。 (2)復雜控制系統（Follow-Up Control System） 解決簡單控制系統無法解決的問題 在簡單控制系統的基礎

14、上，增加計算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)，構 成復雜控制系統。 第十三章 自動控制系統的基本概念 13.1 13.1 自動控制系統組成及分類自動控制系統組成及分類 13.2 13.2 過渡過程及品質指標過渡過程及品質指標 13.2.1 自動控制系統的過渡過程 13.2.2 過渡過程的形式 13.2.3 控制系統的品質指標 13.2.1 自動控制系統的過渡過程 自動控制系統在運行中有兩種狀態(tài)： 靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))：干擾及給定值均保持不變，被控變量不隨時間變化， 整個系統處于相對平衡狀態(tài)，各個組成環(huán)節(jié)都暫不動作，輸出信 都處于相對靜止狀態(tài)（各變量(或信號)的變化率為零）。 動態(tài)：當系統受到外來擾動，系統中各

15、部分的輸入輸出都發(fā)生變 化被控變量也將偏離原靜態(tài)值而隨時間變化若系統是穩(wěn)定的，經 一段時間，系統可恢復穩(wěn)定狀態(tài) 過渡過程 從平衡狀態(tài)到達另一個新平衡狀態(tài)的過程 13.2.2 過渡過程的形式 系統輸入采用階躍干擾(Step Function) 系統過渡過程分為： （1）振蕩過程： 發(fā)散振蕩/等幅振蕩/衰減振蕩 （2）非周期： 非周期發(fā)散/非周期衰減 其中穩(wěn)定的過渡過程有： 衰減振蕩/非周期 不穩(wěn)定的過渡過程有： 發(fā)散振蕩 等幅振蕩 非周期發(fā)散 t 0 t0 干擾 圖13-6 階躍干擾 一般以階躍干擾作用下，衰減振蕩過程為研究依據(快 準 穩(wěn)) 圖 13-8 過 渡 過 程 品 質 指 標 示 意

16、 圖 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干 擾 階 躍 變 化 下 的 過 渡 過 程 T (a) 給 定 值 階 躍 變 化 下 的 過 渡 過 程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 1.余差C residual error（準確性指標） 新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。 靜態(tài)指標，反映控制系統的控制精確度，希望越小越好。 給定值階躍變化下的過渡過程給定值階躍變化下的過渡過程 干擾階躍變化下的過渡過程干擾階躍變化下的過渡過程 13.2.3 控制系統的品質指標 圖13-8 過渡過程品質指標示意圖 y(t) tp B 0 B A t s T )(

17、y (b) 干擾階躍變化下的過渡過程 T (a) 給定值階躍變化下的過渡過程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 2.最大偏差A與超調量 maximum overshoot (衡量相對穩(wěn)定程度指標) 對定值系統衰減振蕩過程，最大偏差為第一個波的峰值 隨動控制系統，經常采用超調量 A或或是衡量穩(wěn)定程度的指標，希望不要太大。是衡量穩(wěn)定程度的指標，希望不要太大。 (a)(a)給定值階躍變化下的過渡過程給定值階躍變化下的過渡過程 (b) (b)干擾階躍變化下的過渡過干擾階躍變化下的過渡過 程程 圖圖13-8 13-8 過渡過程品質指標示意圖過渡過程品質指標示意圖 %100

18、 )( y )( y)t ( y p 13.2.3 控制系統的品質指標 圖13-8 過渡過程品質指標示意圖 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干擾階躍變化下的過渡過程 T (a) 給定值階躍變化下的過渡過程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 13.2.3 控制系統的品質指標 3.衰減比 damping ratio （衡量相對穩(wěn)定性指標） 過渡過程同方向前后相鄰兩峰值的比（表示衰減程度，習慣表示為 n:1 ） n1，發(fā)散振蕩；n1，等幅振蕩；n1，衰減振蕩。 一般一般4:14:1至至10:110:1為宜為宜。 B B n (a)(a)給定

19、值階躍變化下的過渡過程給定值階躍變化下的過渡過程 (b) (b)干擾階躍變化下的過渡過干擾階躍變化下的過渡過 程程 圖圖13-8 13-8 過渡過程品質指標示意圖過渡過程品質指標示意圖 圖 13-8 過 渡 過 程 品 質 指 標 示 意 圖 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干 擾 階 躍 變 化 下 的 過 渡 過 程 T (a) 給 定 值 階 躍 變 化 下 的 過 渡 過 程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 13.2.3 控制系統的品質指標 4.調節(jié)時間（過渡過程時間）Ts residence time 系統快速性指標 從干

20、擾發(fā)生起至被控變量建立新的平衡狀態(tài)止的時間 新平衡狀態(tài)：被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值的5(或2) (a)(a)給定值階躍變化下的過渡過程給定值階躍變化下的過渡過程 (b) (b)干擾階躍變化下的過渡過干擾階躍變化下的過渡過 程程 圖圖13-8 13-8 過渡過程品質指標示意圖過渡過程品質指標示意圖 圖 13-8 過 渡 過 程 品 質 指 標 示 意 圖 y(t) tp B 0 B A t s T )(y (b) 干 擾 階 躍 變 化 下 的 過 渡 過 程 T (a) 給 定 值 階 躍 變 化 下 的 過 渡 過 程 y(t) trtp B Ts0t )(y r y B A C T 13.2.3 控制系統的品質指標 5.振蕩周期T oscillation period（相對穩(wěn)定性/系統快速性指標) 過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間。 n 相同時，T 與 Ts 成正比。 給定值階躍變化下的過渡過程給定值階躍變化下的過渡過程 干擾階躍變化下的過渡過程干擾階躍變化下的過渡過程 13.2.3 控制系統的品質指標 小結： 對于控制系統，一般希望： C小、A(或 )小、Ts短、衰減比4:110:1之間 過渡過程品質的好壞，與