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文檔簡介

1、1第第1章章 控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念1-1 生產(chǎn)過程自動化概述生產(chǎn)過程自動化概述 o 生產(chǎn)過程自動化生產(chǎn)過程自動化,是指石油、化工、電力、,是指石油、化工、電力、冶金、輕工等工業(yè)部門以冶金、輕工等工業(yè)部門以連續(xù)性物流連續(xù)性物流為主要特征為主要特征的生產(chǎn)過程的自動控制,主要解決各種生產(chǎn)過程的生產(chǎn)過程的自動控制,主要解決各種生產(chǎn)過程中的中的溫度、壓力、流量、液位溫度、壓力、流量、液位(或物位)、以及(或物位)、以及成分成分(或物性)等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制問題。(或物性)等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制問題。o 用自動化裝置來管理連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程的用自動化裝置來管理連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程的綜合性技

2、術(shù)就稱為綜合性技術(shù)就稱為生產(chǎn)過程自動化生產(chǎn)過程自動化,簡稱為,簡稱為過程過程控制(控制(Process Control )。)。2一、生產(chǎn)過程及其特點一、生產(chǎn)過程及其特點連續(xù)生產(chǎn)過程主要有以下幾種形式:連續(xù)生產(chǎn)過程主要有以下幾種形式:1 傳熱過程傳熱過程通過冷熱物流之間的熱量傳遞,達(dá)到控制介質(zhì)溫通過冷熱物流之間的熱量傳遞,達(dá)到控制介質(zhì)溫度、改變介質(zhì)相態(tài)或回收熱量的目的。度、改變介質(zhì)相態(tài)或回收熱量的目的。典型設(shè)備:換典型設(shè)備:換熱器熱器2 燃燒過程燃燒過程通過燃料與空氣混合后燃燒為生產(chǎn)過程提供動力通過燃料與空氣混合后燃燒為生產(chǎn)過程提供動力和熱源。和熱源。典型設(shè)備:加熱爐典型設(shè)備:加熱爐33 化學(xué)

3、過程化學(xué)過程由兩種或幾種物料化合成一種或多種更有價值的由兩種或幾種物料化合成一種或多種更有價值的產(chǎn)品的反應(yīng)過程。產(chǎn)品的反應(yīng)過程。典型設(shè)備:反應(yīng)器典型設(shè)備:反應(yīng)器4 精餾過程精餾過程精餾是一種分離過程。精餾是一種分離過程。典型設(shè)備:精餾塔典型設(shè)備:精餾塔5 傳質(zhì)過程傳質(zhì)過程不同組分的分離和結(jié)合,如液體和氣體之間的解不同組分的分離和結(jié)合,如液體和氣體之間的解吸、汽提、去濕或潤濕,不同非溶液體的萃取、液體吸、汽提、去濕或潤濕,不同非溶液體的萃取、液體與固體之間的結(jié)晶、蒸氣或干燥等都是傳質(zhì)過程。其與固體之間的結(jié)晶、蒸氣或干燥等都是傳質(zhì)過程。其目的是獲得純的出口物料。目的是獲得純的出口物料。一、生產(chǎn)過程

4、及其特點一、生產(chǎn)過程及其特點4一、生產(chǎn)過程及其特點一、生產(chǎn)過程及其特點生產(chǎn)過程特點:生產(chǎn)過程特點:連續(xù)生產(chǎn)過程具有連續(xù)生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、時變性、非線性、不確定性時變性、非線性、不確定性,在某些高溫高壓或有害,在某些高溫高壓或有害介質(zhì)存在的場合,還具有相當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)存在的場合,還具有相當(dāng)?shù)奈kU性危險性。生產(chǎn)過程的這些特點極大地促進(jìn)了過程控制技術(shù)的發(fā)生產(chǎn)過程的這些特點極大地促進(jìn)了過程控制技術(shù)的發(fā)展,使得過程控制在自動控制領(lǐng)域乃至國民經(jīng)濟(jì)中都展,使得過程控制在自動控制領(lǐng)域乃至國民經(jīng)濟(jì)中都占有極其重要的地位。占有極其重要的地位。5二、生產(chǎn)過程對控制的要求二、生產(chǎn)過程對控制的要求

5、n 生產(chǎn)過程對控制生產(chǎn)過程對控制最主要的要求可以歸結(jié)為三個方面,最主要的要求可以歸結(jié)為三個方面,即:即:安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。(1)安全性安全性 是指在整個生產(chǎn)運行過程中,能夠及時是指在整個生產(chǎn)運行過程中,能夠及時預(yù)測、監(jiān)控和防止任何事故的發(fā)生,以確保生產(chǎn)設(shè)預(yù)測、監(jiān)控和防止任何事故的發(fā)生,以確保生產(chǎn)設(shè)備和操作人員的安全,這是最重要也是最基本的要備和操作人員的安全,這是最重要也是最基本的要求。求。(2) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 是指當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化或受到隨是指當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化或受到隨機因素的干擾和影響時,生產(chǎn)過程仍能不間斷地平機因素的干擾和影響時,生產(chǎn)過程仍能不間斷地平

6、穩(wěn)運行,并保持穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。穩(wěn)運行,并保持穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。 6(3)經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性 是指在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提是指在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,以最小的投資、最少的能耗和最低的成本,使下,以最小的投資、最少的能耗和最低的成本,使生產(chǎn)裝置在高效率運行中獲取最大的經(jīng)濟(jì)收益。生產(chǎn)裝置在高效率運行中獲取最大的經(jīng)濟(jì)收益。過程控制的任務(wù)過程控制的任務(wù):就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的各種特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)工藝生產(chǎn)提出的要過程的各種特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)工藝生產(chǎn)提出的要求,應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計和綜求,應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計和綜合,并采用

7、相應(yīng)的自動化裝置和適宜的控制手段加合,并采用相應(yīng)的自動化裝置和適宜的控制手段加以實現(xiàn),最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。以實現(xiàn),最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。二、生產(chǎn)過程對控制的要求二、生產(chǎn)過程對控制的要求7p回顧生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,大致經(jīng)歷了三回顧生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史,大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。個發(fā)展階段。 1初級階段初級階段1950年以前,簡單的檢測年以前,簡單的檢測儀表和笨重的基地式儀表儀表和笨重的基地式儀表 三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程82儀表化階段儀表化階段50年代至年代至70年代,單元組年代,單元組合儀表和巡回檢測儀表。合儀表和巡回檢測儀

8、表。 三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程集中監(jiān)視集中監(jiān)視和操作和操作9 3綜合自動化階段綜合自動化階段: 70年代以來,多功能組年代以來,多功能組裝儀表、數(shù)字儀表、裝儀表、數(shù)字儀表、DDZ-S智能儀表。智能儀表。70年年代中期出現(xiàn)代中期出現(xiàn)DCS。90年代以來,管控一體化成年代以來,管控一體化成為可能。為可能。 三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程10p作為作為電氣技術(shù)人員電氣技術(shù)人員,學(xué)習(xí)和掌握生產(chǎn)過程自動化方,學(xué)習(xí)和掌握生產(chǎn)過程自動化方面的知識,對于研究和開發(fā)新的生產(chǎn)工藝,解決生產(chǎn)面的知識,對于研究和開發(fā)新的生產(chǎn)工藝,解決生產(chǎn)操作中的關(guān)鍵技術(shù)問題,

9、合理確定控制方案,保證生操作中的關(guān)鍵技術(shù)問題,合理確定控制方案,保證生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的順利運行,促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的順利運行,促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)代化管理等都具有十分重要的作用。代化管理等都具有十分重要的作用。p生產(chǎn)過程自動化是生產(chǎn)過程自動化是自動控制理論自動控制理論、計算機科學(xué)計算機科學(xué)、儀器儀表技術(shù)儀器儀表技術(shù)和和生產(chǎn)工藝知識生產(chǎn)工藝知識相結(jié)合而構(gòu)成的一門相結(jié)合而構(gòu)成的一門綜合性的技術(shù)科學(xué)。在現(xiàn)代過程工業(yè)中,自動化裝綜合性的技術(shù)科學(xué)。在現(xiàn)代過程工業(yè)中,自動化裝置與生產(chǎn)工藝及設(shè)備已結(jié)合成為有機的整體。置與生產(chǎn)工藝及設(shè)備已結(jié)合成為有機的整體。 三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程三、生

10、產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程111-2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類過程控制系統(tǒng)的組成及分類一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成以液體貯槽的液位控制為例說明過程控制系統(tǒng)以液體貯槽的液位控制為例說明過程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。貯槽液位原理圖,如圖所示。的基本構(gòu)成。貯槽液位原理圖,如圖所示。給水給水12人工控制方式:人工控制方式:眼眼 觀察玻璃管液位計(測量元件)指示高度;觀察玻璃管液位計(測量元件)指示高度;大腦大腦 將液位高度與期望高度進(jìn)行比較,經(jīng)過思考估將液位高度與期望高度進(jìn)行比較,經(jīng)過思考估算出需要改變的流出量,然后發(fā)出動作命令;算出需要改變的流出量,然后發(fā)出動作命令; 手手 根據(jù)命令改變出口閥

11、門開度,相應(yīng)地增根據(jù)命令改變出口閥門開度,相應(yīng)地增 減流出量,使液位保持在合理的范圍內(nèi)。減流出量,使液位保持在合理的范圍內(nèi)。一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成13 自動控制方式:自動控制方式:一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成14 自動控制系統(tǒng)作用:自動控制系統(tǒng)作用: 液位變送器液位變送器 檢測并變換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號送到檢測并變換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號送到 控制器;控制器; 自動控制器自動控制器 接收變送器信號與液位期望值進(jìn)行接收變送器信號與液位期望值進(jìn)行 比較,根據(jù)偏差按某種規(guī)律運算,運比較,根據(jù)偏差按某種規(guī)律運算,運 算結(jié)果送給執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥);算結(jié)果送給執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥); 執(zhí)行

12、器執(zhí)行器 將控制器指令信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位將控制器指令信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位 移信號,驅(qū)動閥門動作,改變液體移信號,驅(qū)動閥門動作,改變液體 流出量,實現(xiàn)液位的自動控制。流出量,實現(xiàn)液位的自動控制。 一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成15p 由液體貯槽的液位控制可知,過程控制系統(tǒng)是由由液體貯槽的液位控制可知,過程控制系統(tǒng)是由被被控對象,檢測元件(測量與變送裝置)控對象,檢測元件(測量與變送裝置)、控制器控制器、執(zhí)執(zhí)行器行器組成。組成。p 如果如果把測量與變送裝置、控制器、以及執(zhí)行器統(tǒng)把測量與變送裝置、控制器、以及執(zhí)行器統(tǒng)稱為自動化裝置稱為自動化裝置,則過程控制系統(tǒng)是由,則過程控制系統(tǒng)是由被控

13、對象和自被控對象和自動化裝置動化裝置兩部分組成的。兩部分組成的。p 過程控制系統(tǒng)的任務(wù):過程控制系統(tǒng)的任務(wù):就是當(dāng)被控對象受到干擾就是當(dāng)被控對象受到干擾使被控變量(溫度、壓力、流量、液位、成分等)產(chǎn)使被控變量(溫度、壓力、流量、液位、成分等)產(chǎn)生偏差時,能夠及時檢測,并通過合理地調(diào)節(jié)操縱變生偏差時,能夠及時檢測,并通過合理地調(diào)節(jié)操縱變量使被控變量回到給定值。量使被控變量回到給定值。一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)方框圖鍋爐汽包水位自動控制系統(tǒng)方框圖o 自控過程參數(shù)整定自控過程參數(shù)整定控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器鍋爐汽包鍋爐汽包測量變送器測量變送器操縱變量操縱變量

14、控制控制作用作用被控變量被控變量擾動量擾動量測量值測量值設(shè)定值設(shè)定值偏差偏差控制量控制量 17自控常用術(shù)語:自控常用術(shù)語:(1)被控對象被控對象: 需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機器或生產(chǎn)過需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機器或生產(chǎn)過 程稱為被控對象,簡稱對象。程稱為被控對象,簡稱對象。 如本例中的液體貯槽。如本例中的液體貯槽。(2)被控變量被控變量: 對象中需要進(jìn)行控制(保持?jǐn)?shù)值在某對象中需要進(jìn)行控制(保持?jǐn)?shù)值在某 一范圍內(nèi)或按預(yù)定規(guī)律變化)的物理量稱為被控變量。一范圍內(nèi)或按預(yù)定規(guī)律變化)的物理量稱為被控變量。 如本例中的貯槽液位。如本例中的貯槽液位。(3)操縱變量操縱變量: 受到控制裝置的操縱,用以使受到控制裝

15、置的操縱,用以使被控變被控變 量量保持在保持在設(shè)定數(shù)值設(shè)定數(shù)值的物料或能量變量稱為操縱變量。的物料或能量變量稱為操縱變量。 如本例中的液體流出量。如本例中的液體流出量。一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成18 (4)干擾(擾動)干擾(擾動): 除操縱變量外,作用于對象并使除操縱變量外,作用于對象并使 被控變量發(fā)生變化的因素稱為干擾(擾動)。被控變量發(fā)生變化的因素稱為干擾(擾動)。 如本例中的液體流入量。如本例中的液體流入量。 (5)設(shè)定值設(shè)定值:按照生產(chǎn)工藝的要求為被控變量規(guī)定的:按照生產(chǎn)工藝的要求為被控變量規(guī)定的所要達(dá)到或保持的數(shù)值稱為給定值(設(shè)定值)。所要達(dá)到或保持的數(shù)值稱為給定值

16、(設(shè)定值)。 如例中,為了防止槽內(nèi)液體溢出或抽空,規(guī)定如例中,為了防止槽內(nèi)液體溢出或抽空,規(guī)定貯槽液位保持在貯槽貯槽液位保持在貯槽50的高度比較合理。的高度比較合理。 (6)偏差偏差:在過程控制系統(tǒng)中通常把:在過程控制系統(tǒng)中通常把測量值減給定值測量值減給定值稱為偏差。稱為偏差。一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成19一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成o 指出圖中指出圖中被控對象,被控變量,操縱變量,被控對象,被控變量,操縱變量,干擾,設(shè)定值,偏差干擾,設(shè)定值,偏差分別是什么?分別是什么?20一、過程控制系統(tǒng)的組成一、過程控制系統(tǒng)的組成o 反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)示意圖,反應(yīng)器反

17、應(yīng)溫度控制系統(tǒng)示意圖,由哪幾部分構(gòu)成由哪幾部分構(gòu)成?請?請指出指出被控對象,被控變量,操縱變量,干擾各是什么?被控對象,被控變量,操縱變量,干擾各是什么?21過程控制系統(tǒng)的分類方法有很多,每一種分類只反映出過程控制系統(tǒng)某過程控制系統(tǒng)的分類方法有很多,每一種分類只反映出過程控制系統(tǒng)某一方面的特點。一方面的特點。p按被控變量的名稱分類按被控變量的名稱分類溫度,壓力,流量,液位,成分等控制系統(tǒng)溫度,壓力,流量,液位,成分等控制系統(tǒng)p按被控變量的數(shù)量分類按被控變量的數(shù)量分類單變量單變量控制系統(tǒng)控制系統(tǒng),多變量,多變量控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)p按控制器的控制規(guī)律分類按控制器的控制規(guī)律分類比例比例P控制系統(tǒng),比例

18、積分控制系統(tǒng),比例積分PI控制系統(tǒng),比例微積分控制系統(tǒng),比例微積分PID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)p按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng),前饋反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng),前饋-反饋控制系統(tǒng),反饋控制系統(tǒng),二、過程控制系統(tǒng)的分類二、過程控制系統(tǒng)的分類22按照按照被控變量的給定值被控變量的給定值分類,可分成以下三類:分類,可分成以下三類:1定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 定值控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值始終固定值控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值始終固定不變的控制系統(tǒng)。定不變的控制系統(tǒng)。如:液位控制系統(tǒng)。如:液位控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類二、過程控制系統(tǒng)的分類232隨動控制系統(tǒng)隨

19、動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值隨時間隨動控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值隨時間不斷變化的控制系統(tǒng)。不斷變化的控制系統(tǒng)。例如:鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)例如:鍋爐的燃燒控制系統(tǒng) 為使燃料充分燃燒,空燃比保持一定比例,采用為使燃料充分燃燒,空燃比保持一定比例,采用比值控制系統(tǒng),要求空氣和燃料保持一定比例。比值控制系統(tǒng),要求空氣和燃料保持一定比例。 由于燃料量隨負(fù)荷變化,空氣量隨燃料量變化,由于燃料量隨負(fù)荷變化,空氣量隨燃料量變化,即空氣量的給定值也是隨機變化的,所以是一個即空氣量的給定值也是隨機變化的,所以是一個隨動控制系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類二、過程控制系統(tǒng)的分類243程

20、序控制系統(tǒng)(又稱順序控制系統(tǒng))程序控制系統(tǒng)(又稱順序控制系統(tǒng)) 程序控制系統(tǒng)是被控變量的給定值按預(yù)程序控制系統(tǒng)是被控變量的給定值按預(yù)定的時間程序來變化的控制系統(tǒng)。定的時間程序來變化的控制系統(tǒng)。例如:冶金工業(yè)中的金屬熱處理的溫度控制例如:冶金工業(yè)中的金屬熱處理的溫度控制 金屬加熱給定值都是按照預(yù)定的升溫、恒溫、金屬加熱給定值都是按照預(yù)定的升溫、恒溫、降溫等程序變化的,屬于程序控制系統(tǒng)。降溫等程序變化的,屬于程序控制系統(tǒng)。二、過程控制系統(tǒng)的分類二、過程控制系統(tǒng)的分類25一、方塊圖一、方塊圖方塊圖是從信號流(信息)的角度出發(fā),依據(jù)信方塊圖是從信號流(信息)的角度出發(fā),依據(jù)信號的流向?qū)⒔M成控制系統(tǒng)的各

21、個環(huán)節(jié)相互連接起來的號的流向?qū)⒔M成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)相互連接起來的一種圖解表達(dá)方式。一種圖解表達(dá)方式。由于在方塊圖中不僅明確表明了每個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)由于在方塊圖中不僅明確表明了每個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的作用,而且能夠清楚地看出自動控制系統(tǒng)中各組中的作用,而且能夠清楚地看出自動控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)系以及信號在系統(tǒng)中的流動情況。成環(huán)節(jié)之間的相互關(guān)系以及信號在系統(tǒng)中的流動情況。對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究時,經(jīng)常用方塊圖來表對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究時,經(jīng)常用方塊圖來表示一個過程控制系統(tǒng)的組成。示一個過程控制系統(tǒng)的組成。 1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖26p圖中的方塊表示控制系統(tǒng)的一個組成部分,

22、稱圖中的方塊表示控制系統(tǒng)的一個組成部分,稱為為“環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)”。箭頭指向方塊的信號。箭頭指向方塊的信號x 表示該環(huán)節(jié)的輸表示該環(huán)節(jié)的輸入,稱為入,稱為輸入變量輸入變量。箭頭離開方塊的信號。箭頭離開方塊的信號y 表示該環(huán)表示該環(huán)節(jié)的輸出,稱為節(jié)的輸出,稱為輸出變量輸出變量。箭頭所指的方向箭頭所指的方向就是信就是信號的流向,它表明信號的作用方向。號的流向,它表明信號的作用方向。p許多物理性質(zhì)不同,但特性相同的系統(tǒng),可以許多物理性質(zhì)不同,但特性相同的系統(tǒng),可以用同一種形式的方塊圖來表達(dá)。用同一種形式的方塊圖來表達(dá)。 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)圖圖1-2 方塊圖單元方塊圖單元xyp 圖圖1-2 表示的是一個簡單的方塊圖單元

23、。表示的是一個簡單的方塊圖單元。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖27相加點:相加點: 如圖如圖1-3 所示,表示兩個以上具有相同單位的變所示,表示兩個以上具有相同單位的變量量(信號)之間的加和運算。信號)之間的加和運算。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖(a)表示表示 e=r-z;(b)表示表示 x=x1+x2。28分支點:分支點:如圖如圖1-4所示,當(dāng)一個變量(或信號)要同所示,當(dāng)一個變量(或信號)要同時作用于幾個不同的環(huán)節(jié)時,可使用分支點。時作用于幾個不同的環(huán)節(jié)時,可使用分支點。 由分支點引出的各路信號都相等。由分支點引出的各路信號都相等。 1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖29p

24、有了方塊圖,就可以根據(jù)變量間的相互作用,按有了方塊圖,就可以根據(jù)變量間的相互作用,按照信號的流向方便地將系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)連接起來,照信號的流向方便地將系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)連接起來,構(gòu)成一個完整的過程控制系統(tǒng)。構(gòu)成一個完整的過程控制系統(tǒng)。p圖圖1-1 液位控制系統(tǒng),畫控制系統(tǒng)的方塊圖。液位控制系統(tǒng),畫控制系統(tǒng)的方塊圖。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖30例:例:方框圖方框圖31為了便于分析,有時將控制器以外的各個環(huán)節(jié)為了便于分析,有時將控制器以外的各個環(huán)節(jié)(包括執(zhí)行器、被控對象、測量變送)組合在一起作(包括執(zhí)行器、被控對象、測量變送)組合在一起作為一個對象看待,稱之為廣義對象。為一個對象看待,稱之為

25、廣義對象。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖32例:爐溫控制系統(tǒng)畫方塊圖1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖33爐溫控制系統(tǒng)方塊圖爐溫控制系統(tǒng)方塊圖爐溫控制系統(tǒng)方塊圖爐溫控制系統(tǒng)方塊圖執(zhí)行器執(zhí)行器34o 爐溫控制系統(tǒng)方塊圖特點1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖35o 畫出如下反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。畫出如下反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖36閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng):環(huán)節(jié)的任何一個信號,只要沿箭頭方:環(huán)節(jié)的任何一個信號,只要沿箭頭方向流動,最終總會回到它的起始點,把這樣的系統(tǒng)稱向流動,最終總會回到它的起始點,把這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。為閉環(huán)控

26、制系統(tǒng)。 不具備這種特性的系統(tǒng)則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。不具備這種特性的系統(tǒng)則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖37反饋:反饋: 閉環(huán)控制系統(tǒng)中,輸出變量(或信號)沿著回路中的閉環(huán)控制系統(tǒng)中,輸出變量(或信號)沿著回路中的信號流動方向總會返回到系統(tǒng)的輸入端,與給定值進(jìn)信號流動方向總會返回到系統(tǒng)的輸入端,與給定值進(jìn)行比較。行比較。這種把系統(tǒng)(或方塊)的輸出信號引回到系這種把系統(tǒng)(或方塊)的輸出信號引回到系統(tǒng)輸入端的做法叫做反饋統(tǒng)輸入端的做法叫做反饋。 若反饋信號(被控變量測量值若反饋信號(被控變量測量值z)與給定值信號的方與給定值信號的方向相反,即反饋信號向相反,即反饋信號z 取負(fù)

27、值,則叫做取負(fù)值,則叫做負(fù)反饋負(fù)反饋。 測量信號與給定值信號方向相同,則叫做測量信號與給定值信號方向相同,則叫做正反饋正反饋。o 閉環(huán)控制系統(tǒng)是靠負(fù)反饋來達(dá)到控制的目的。閉環(huán)控制系統(tǒng)是靠負(fù)反饋來達(dá)到控制的目的。 例:儲槽液位控制系統(tǒng);爐溫控制系統(tǒng)例:儲槽液位控制系統(tǒng);爐溫控制系統(tǒng)1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖381-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖負(fù)反饋:儲槽液位控制系統(tǒng)負(fù)反饋:儲槽液位控制系統(tǒng)39爐溫控制系統(tǒng)方塊圖爐溫控制系統(tǒng)方塊圖溫度設(shè)定值溫度設(shè)定值100度度熱電偶檢測值熱電偶檢測值95度度閥開度增大閥開度增大40o 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)實質(zhì)實質(zhì)上是利用上是利用負(fù)反饋負(fù)反饋原理,

28、根原理,根據(jù)據(jù)偏差偏差進(jìn)行工作的。進(jìn)行工作的。o 正因為如此,閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為正因為如此,閉環(huán)控制系統(tǒng)又被稱為反饋控反饋控制系統(tǒng)制系統(tǒng)。 1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖41二、工藝控制流程圖二、工藝控制流程圖在進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計時,自控專業(yè)人在進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計時,自控專業(yè)人員必須與工藝專業(yè)人員協(xié)作,按工藝流程的順序和要員必須與工藝專業(yè)人員協(xié)作,按工藝流程的順序和要求,將所確定的控制方案標(biāo)注到求,將所確定的控制方案標(biāo)注到工藝流程圖工藝流程圖中。中。 將控制點和控制系統(tǒng)與工藝流程圖相結(jié)合的圖形將控制點和控制系統(tǒng)與工藝流程圖相結(jié)合的圖形文檔就稱為文檔就稱為工藝控制流程圖工

29、藝控制流程圖,或稱為,或稱為帶有控制點的工帶有控制點的工藝流程圖藝流程圖。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖42圖圖1-7 液體貯槽的工藝控制流程圖液體貯槽的工藝控制流程圖圖中所示,工藝控制流程圖主要是由工藝設(shè)備、圖中所示,工藝控制流程圖主要是由工藝設(shè)備、管道、元件以及構(gòu)成控制系統(tǒng)的儀表符號及信號線等管道、元件以及構(gòu)成控制系統(tǒng)的儀表符號及信號線等圖形符號組成。圖形符號組成。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖43 儀表圖形符號儀表圖形符號: 儀表圖形符號可用來表達(dá)工業(yè)自動化儀表所儀表圖形符號可用來表達(dá)工業(yè)自動化儀表所處理的被測變量和功能,還可以表示儀表或元件處理的被測變量和功能,還可以表示儀

30、表或元件的名稱。的名稱。 儀表圖形符號是直徑為儀表圖形符號是直徑為12mm的細(xì)實圓圈,的細(xì)實圓圈,并在其中標(biāo)有并在其中標(biāo)有儀表位號儀表位號。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖儀表位號儀表位號由字母代號和數(shù)字編號組成由字母代號和數(shù)字編號組成,如下例所示:44p儀表位號按被測變量不同進(jìn)行分類。同一個裝置儀表位號按被測變量不同進(jìn)行分類。同一個裝置(或工段)的同類被測變量的儀表位號中順序號是連(或工段)的同類被測變量的儀表位號中順序號是連續(xù)的。續(xù)的。p在工藝控制流程圖上,標(biāo)注儀表位號的方法是:字在工藝控制流程圖上,標(biāo)注儀表位號的方法是:字母代號填寫在圓圈上半圓中,數(shù)字編號填寫在下半圓母代號填寫在圓圈

31、上半圓中,數(shù)字編號填寫在下半圓中。中。如圖如圖1-8 所示所示 :1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖45表表1-1 列出了在儀表位號中用到的被測變量和列出了在儀表位號中用到的被測變量和儀表功能的字母代號。儀表功能的字母代號。表表1-2 則給出了常見的字母組合。則給出了常見的字母組合。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖461-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖471-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖4849 圖圖1-7中采用了一臺液位變送器(中采用了一臺液位變送器(LT ) ,一臺液一臺液位控制器(位控制器(LC )和一個用于控制液位的執(zhí)行器和一個用于控制液位的執(zhí)行器(LV )。)。o 教材中

32、所畫的工藝控制流程圖中,由于回路數(shù)較教材中所畫的工藝控制流程圖中,由于回路數(shù)較少,故將數(shù)字編號省略了。少,故將數(shù)字編號省略了。1-3 方塊圖與流程圖方塊圖與流程圖50一、過渡過程一、過渡過程過程控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)。過程控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)。靜態(tài):靜態(tài):系統(tǒng)的被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài),系統(tǒng)的被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài),稱為靜態(tài)(或穩(wěn)態(tài));稱為靜態(tài)(或穩(wěn)態(tài));動態(tài):動態(tài):系統(tǒng)的被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài),系統(tǒng)的被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài),稱為動態(tài)。稱為動態(tài)。1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程:過渡過程:生產(chǎn)過程從一個平衡狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))到達(dá)另一

33、個平生產(chǎn)過程從一個平衡狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))到達(dá)另一個平衡狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))的動態(tài)歷程稱為過渡過程,衡狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))的動態(tài)歷程稱為過渡過程,它反它反映了被控變量隨時間的變換規(guī)律。映了被控變量隨時間的變換規(guī)律。51p為了便于了解控制系統(tǒng)的動態(tài)特性,通常是在系統(tǒng)為了便于了解控制系統(tǒng)的動態(tài)特性,通常是在系統(tǒng)的輸入端施加一些特殊的試驗輸入信號,然后研究的輸入端施加一些特殊的試驗輸入信號,然后研究系統(tǒng)對該輸入信號的響應(yīng)。最常采用的試驗信號是系統(tǒng)對該輸入信號的響應(yīng)。最常采用的試驗信號是階躍輸入信號階躍輸入信號,其作用方式如圖,其作用方式如圖1-9 1-9 所示。所示。 1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)52過渡過

34、程幾種典型形式:過渡過程幾種典型形式:非衰減振蕩過程非衰減振蕩過程:圖圖1-10(1-10(a)a)所示所示,其特點是被控變量在給定值的某一側(cè),其特點是被控變量在給定值的某一側(cè)作緩慢變化,沒有來回波動,最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。作緩慢變化,沒有來回波動,最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。衰減振蕩過程衰減振蕩過程:圖圖1-101-10(b b)所示所示,其特點是被控變量在給定值附近上,其特點是被控變量在給定值附近上下波動,但幅度逐漸減小,經(jīng)過幾個振蕩周期后,逐漸收下波動,但幅度逐漸減小,經(jīng)過幾個振蕩周期后,逐漸收斂在某一數(shù)值上。斂在某一數(shù)值上。1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)53等幅振蕩過程:等幅振

35、蕩過程: 圖圖1-101-10(c c)所示,其特點是所示,其特點是被控變量在給定值附近被控變量在給定值附近來回波來回波動,且波動幅度保持不變。動,且波動幅度保持不變。發(fā)散振蕩過程:發(fā)散振蕩過程: 圖圖1-10(1-10(d d)所示,其特點是當(dāng)干擾進(jìn)人系統(tǒng)后,使被控變量所示,其特點是當(dāng)干擾進(jìn)人系統(tǒng)后,使被控變量開始產(chǎn)生振蕩,控制作用不僅無法將被控變量穩(wěn)定到給定值上,開始產(chǎn)生振蕩,控制作用不僅無法將被控變量穩(wěn)定到給定值上,反而使振蕩的幅度越來越大。反而使振蕩的幅度越來越大。1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)(e)單調(diào)發(fā)散過程單調(diào)發(fā)散過程o 被控變量雖然不振蕩,但是偏離原來的平衡被控變

36、量雖然不振蕩,但是偏離原來的平衡點越來越遠(yuǎn)點越來越遠(yuǎn)yty過渡過程的五種形式歸納三類過渡過程的五種形式歸納三類o 衰減過程衰減過程 a和和b圖都是衰減的成為穩(wěn)定過程。過一段時間之后趨圖都是衰減的成為穩(wěn)定過程。過一段時間之后趨于新的平衡狀態(tài),這是所希望的。于新的平衡狀態(tài),這是所希望的。o 等幅振蕩過程等幅振蕩過程 c圖介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間,一般認(rèn)為是不穩(wěn)定的過程圖介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間,一般認(rèn)為是不穩(wěn)定的過程,生產(chǎn)中不能使用的。控制要求不高的場合可以采用,生產(chǎn)中不能使用的??刂埔蟛桓叩膱龊峡梢圆捎胦 發(fā)散過程發(fā)散過程 d和和e圖式發(fā)散的,為不穩(wěn)定的過渡過程,不圖式發(fā)散的,為不穩(wěn)定的過渡過程,不能

37、達(dá)到平衡狀態(tài),而且逐漸遠(yuǎn)離設(shè)定值,這能達(dá)到平衡狀態(tài),而且逐漸遠(yuǎn)離設(shè)定值,這是生產(chǎn)中所不允許的,應(yīng)竭力避免。是生產(chǎn)中所不允許的,應(yīng)竭力避免。56二、性能指標(biāo)二、性能指標(biāo) 以以衰減振蕩過程衰減振蕩過程的形式討論的形式討論:假設(shè)性能指標(biāo)的出發(fā)點是以控制系統(tǒng)原先所處的假設(shè)性能指標(biāo)的出發(fā)點是以控制系統(tǒng)原先所處的平衡狀態(tài)時刻的被控變量平衡狀態(tài)時刻的被控變量y(0)y(0)作為基準(zhǔn)值,且被控變作為基準(zhǔn)值,且被控變量等于給定值。量等于給定值。從從t=O t=O 的時刻開始,系統(tǒng)受到階躍輸入作用,于的時刻開始,系統(tǒng)受到階躍輸入作用,于是被控變量開始變化。經(jīng)過一段時間的衰減振蕩后,是被控變量開始變化。經(jīng)過一段時間

38、的衰減振蕩后,最終達(dá)到新的平衡狀態(tài),使被控變量穩(wěn)定在最終達(dá)到新的平衡狀態(tài),使被控變量穩(wěn)定在y()y()。 在在干擾干擾或或給定值給定值作作階躍變化時,被控變量的響應(yīng)階躍變化時,被控變量的響應(yīng)曲線分別如圖曲線分別如圖1-11(1-11(a)a)和圖和圖1-11(1-11(b b)所示。所示。1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)5758控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo):控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo):1 1、最大動態(tài)偏差最大動態(tài)偏差e emaxmax(或或超調(diào)量超調(diào)量) 衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)。衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)。最大偏差(或超調(diào)量)最大偏差(或超調(diào)量)是描述被控變量偏離給是描述被控

39、變量偏離給定值程度的物理量。定值程度的物理量。 干擾作用下干擾作用下的定值控制系統(tǒng),的定值控制系統(tǒng),最大偏差最大偏差是指在是指在過渡過程中,被控變量的第一個波峰值與給定值的過渡過程中,被控變量的第一個波峰值與給定值的差。差。干擾作用下系統(tǒng)過渡過程如干擾作用下系統(tǒng)過渡過程如圖圖1-11 (a)所示。所示。 1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)59emax =B+C 最大偏差最大偏差:1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)60p 給定值變化給定值變化的隨動系統(tǒng),通常采用的隨動系統(tǒng),通常采用超調(diào)量超調(diào)量這這一性能指標(biāo)來表示被控變量偏離給定值的程一性能指標(biāo)來表示被控變量偏離給定值的程度。

40、度。o 超調(diào)量的定義為第一峰值超調(diào)量的定義為第一峰值A(chǔ)和新穩(wěn)定值和新穩(wěn)定值C之之差差()( )100%( )(0)pyyyyt (-)tp- 波峰時間波峰時間給定值變化給定值變化的過渡過程曲線如下圖所示:的過渡過程曲線如下圖所示:1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)61在圖1-11(b)中,超調(diào)量 100%BC1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)62 2 2余差余差e()e()余差又稱殘余偏差,是指在過渡過程終了時,系余差又稱殘余偏差,是指在過渡過程終了時,系統(tǒng)的給定值與被控變量新穩(wěn)態(tài)值之間的差值。統(tǒng)的給定值與被控變量新穩(wěn)態(tài)值之間的差值。余差是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的靜態(tài)指標(biāo)。余差是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的靜態(tài)指標(biāo)。1-4 過渡過程和性能指標(biāo)過渡過程和性能指標(biāo)63在圖在圖1-11(

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