第7章化工自動化基礎

1、第七章 自動控制系統(tǒng)概述第一節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成 化工自動化是一切具有化工類型生產過程的自動化工自動化是一切具有化工類型生產過程的自動化的簡稱化的簡稱 前一篇我們著重介紹了工藝參數(shù)的自動檢查前一篇我們著重介紹了工藝參數(shù)的自動檢查 本篇我們將著重介紹化工生產工藝參數(shù)的自動本篇我們將著重介紹化工生產工藝參數(shù)的自動控制控制圖1-2 人工操作圖圖1-3 液位自動控制系統(tǒng)圖n人工操作人工操作與與自自動動控制比控制比較圖較圖控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產的需要現(xiàn)代化生產的需要自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)的組組成5組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控制器執(zhí)行器第二節(jié) 自動控制系

2、統(tǒng)的方塊圖 在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。 方塊圖每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為方塊圖每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)”。 兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入。關系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸入。 箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。系系統(tǒng)統(tǒng)或或環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)u uy y系系統(tǒng)統(tǒng)或或環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)u uy y1.信號與變

3、號與變量 載載有變變量信息的物理變變量就是信號號。 箭頭頭指向方塊塊的信號號表示施加到系統(tǒng)統(tǒng)或環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)上的獨獨立變變量，稱為輸稱為輸入變變量 箭頭頭離開開方塊塊的信號號表示系統(tǒng)統(tǒng)或環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)送出的變變量，稱稱為輸為輸出變變量 x :設定值； z :輸出信號； e :偏差信號； p :發(fā)出信號； q :出料流量信號； y :被控變量； f 擾動作用。 2.2.液位自液位自動動控制的方控制的方塊圖塊圖圖圖1-4 1-4 液位自液位自動動控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)方方塊圖塊圖3、反饋饋 把系統(tǒng)的輸出信號直接或把系統(tǒng)的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新返回到經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫反饋輸入端的做法叫反饋x

4、 取正值，取正值，z取負值，取負值，e= x- z，負反饋；，負反饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e= x+ z，正反饋。，正反饋。開環(huán)開環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)：自動機在操作自動機在操作時，一旦開機，就只能是時，一旦開機，就只能是按照預先規(guī)定好的程序周按照預先規(guī)定好的程序周而復始地運轉。這時被控而復始地運轉。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自變量如果發(fā)生了變化，自動機不會自動地根據(jù)被控動機不會自動地根據(jù)被控變量的實際工況來改變自變量的實際工況來改變自己的操作。己的操作。比較閉環(huán)閉環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)：有針對有針對性地根據(jù)被控變量性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變的變化情況而改變控制作用的大小和控制作用的大小和方

5、向，從而使系統(tǒng)方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望于或接近于所希望的狀態(tài)。的狀態(tài)。114、自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)的分類類幾種種分類類方法 按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)； 按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)； 將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統(tǒng)分

6、為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。12其中第三其中第三種種分分類類方法最普遍方法最普遍 “定值定值” 是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產指控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。用定值控制系統(tǒng)。13 給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準確而快速地跟

7、隨給定值的變化而變化。參數(shù)準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。3.3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產過程中應用比較普通。歇生產過程中應用比較普通。 自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)是具有被控變變量負負反饋饋的閉環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)。 與與自動檢測動檢測、自動動操縱縱等開環(huán)開環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)比較較，最本質質的區(qū)區(qū)別別，就在于自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)有負負反饋饋，開環(huán)開環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)中，被控（工藝藝）變變量是不反饋饋到輸輸入端的。10舉

8、例化肥化肥廠廠的造的造氣氣自自動動機就是典型的機就是典型的開環(huán)開環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)的例子的例子自動操縱裝置對象操縱作用工藝參數(shù)操縱指令小結第三節(jié) 過渡過程的品質指標 一、控制系統(tǒng)統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)靜態(tài)與動態(tài)15自自動動控制目的：控制目的：希望希望將將被控被控變變量保持在一量保持在一個個不不變變的的給給定定值值上，上，這這只有只有當進當進入被控入被控對對象的物料象的物料量（或能量）和流出量（或能量）和流出對對象的物料量（或能量）相象的物料量（或能量）相等等時時才有可能。才有可能。 當當一個個自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)的輸輸入（給給定和干擾擾）和輸輸出均恒定不變時變時，整個個系統(tǒng)統(tǒng)就處處于一種種相對穩(wěn)對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)狀

9、態(tài)，系統(tǒng)統(tǒng)的各個組個組成環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)如變變送器、控制器、控制閥閥都不改變變其原先的狀態(tài)狀態(tài)，它們它們的輸輸出信號號也都處處于相對靜對靜止狀態(tài)狀態(tài)，這種這種狀態(tài)狀態(tài)就是靜態(tài)靜態(tài)。 16靜態(tài)靜態(tài)被控被控變變量不量不隨時間隨時間而而變變化的平化的平衡衡狀態(tài)狀態(tài)（變變化率化率為為0 0，不是，不是靜靜止）。止）。17動態(tài)動態(tài)被控被控變變量量隨時間變隨時間變化的不平衡化的不平衡狀態(tài)狀態(tài) 。 從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動

10、態(tài)。和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結論：結論：在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產過程中，干擾是客了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，這就需要通過自動化裝置不斷觀存在的，是不可避免的，這就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上?？刈兞勘３衷诠に嚿a所要求控制的技術指標上。系統(tǒng)統(tǒng)由一個個平衡狀態(tài)過狀態(tài)過渡到另一個個平衡狀態(tài)狀態(tài)的過過程。

11、 18當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y y發(fā)生發(fā)生變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，經(jīng)過一變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。舉例圖圖1-7 1-7 控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)方方塊圖塊圖二、控制系統(tǒng)的過渡過程二、控制系統(tǒng)的過渡過程 系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。干擾形式。 在生產中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半在生產中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控

12、制系統(tǒng)時，為了安屬于隨機性質。在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。的是階躍干擾。 19采用采用階躍階躍干干擾擾的的優(yōu)優(yōu)點：點： 這種形式的干擾比較突然、這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。服比較緩和的干擾。 這種干擾的形式簡單，容易這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算

13、。算。圖圖1-8 1-8 階躍階躍干干擾擾作用作用20自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)在階躍階躍干擾擾作用下過過渡過過程的四種種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程 發(fā)散震蕩過程X對于控制質量要對于控制質量要求不高的場合，求不高的場合，如果被控變量允如果被控變量允許在工藝許可的許在工藝許可的范圍內振蕩（主范圍內振蕩（主要指在位式控制要指在位式控制時），才可采用時），才可采用。 三、自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)的過過渡過過程和品質質指標標 控制系統(tǒng)統(tǒng)的品質質指標標（針對針對定值值系統(tǒng)統(tǒng)）最大偏差最大偏差超調量超調量衰減比衰減比振蕩周期振蕩周期余差余差23五種重要品質指標之一五種重要品質指標之一1. 1. 最大偏差

14、或超最大偏差或超調調量量 最大偏差最大偏差是指在是指在過過渡渡過過程中，被控程中，被控變變量偏離量偏離給給定定值值的的最大最大數(shù)值數(shù)值。在衰。在衰減減振振蕩過蕩過程中，最大偏差就是第一程中，最大偏差就是第一個個波的波的峰峰值值。特。特別別是是對對于一些有于一些有約約束束條條件的系件的系統(tǒng)統(tǒng)，如化，如化學學反反應應器器的化合物爆炸的化合物爆炸極極限、限、觸觸媒媒燒結溫燒結溫度度極極限等，都限等，都會對會對最大偏最大偏差的允差的允許值許值有所限制。有所限制。 超超調調量也可以用量也可以用來來表征被控表征被控變變量偏離量偏離給給定定值值的程度。的程度。2. 衰減減比 衰減比衰減比是衰減程度的指標，它

15、是前后相鄰是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為兩個峰值的比。習慣表示為 n n:1:1，一般，一般 n n 取為取為4 41010之間為宜。之間為宜。五種重要品質指標之二五種重要品質指標之二243. 余差 當過當過渡過過程終終了時時，被控變變量所達達到的新的穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值與給與給定值值之間間的偏差叫做余差，或者說說余差就是過過渡過過程終終了時時的殘殘余偏差。有余差的控制過過程稱為稱為有差調節(jié)調節(jié)，相應應的系統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)統(tǒng)。反之就為為無差調節(jié)調節(jié)和無差系統(tǒng)統(tǒng)。 25五種重要品質指標之三五種重要品質指標之三4. 過過渡時間時間 從從干擾擾作用發(fā)發(fā)生的時時刻起，直到系統(tǒng)統(tǒng)重新

16、建立新的平衡時時止，過過渡過過程所經(jīng)歷經(jīng)歷的時間時間叫過過渡時間時間。一般在穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)規(guī)定一個個小范圍圍，當當被控變變量進進入該該范圍并圍并不再越出時時，就認為認為被控變變量已經(jīng)達經(jīng)達到新的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)值態(tài)值，或者說過說過渡過過程已經(jīng)結經(jīng)結束這個這個范圍圍一般定為穩(wěn)為穩(wěn)態(tài)值態(tài)值的（也有的規(guī)規(guī)定為為）。 26五種重要品質指標之四五種重要品質指標之四 5. 5.震蕩蕩周期或頻頻率 過過渡過過程同向兩兩波峰（或波谷）之間間的間間隔時間時間叫振蕩蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為數(shù)稱為振蕩頻蕩頻率。在衰減減比相同的情況況下，周期與過與過渡時間時間成正比，一般希望振蕩蕩周期短一些為為好。27五種重要品質指

17、標之五五種重要品質指標之五28某某換熱換熱器的器的溫溫度控制系度控制系統(tǒng)統(tǒng)在在單單位位階躍階躍干干擾擾作作用下的用下的過過渡渡過過程曲程曲線線如下如下圖圖所示。所示。試試分分別別求求出最大偏差、余差、衰出最大偏差、余差、衰減減比、振比、振蕩蕩周期和周期和過過渡渡時間時間（給給定定值為值為200200）。）。舉例圖1-11 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解解 最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由圖上可以看出，第一個波峰值由圖上可以看出，第一個波峰值B B230-205230-2052525，第二個波峰值第二個波峰值BB210210205

18、20555，故衰減比應為故衰減比應為B:BB:B25:525:55:15:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）29 分析 過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的關，假定被控變量進入額定值的2 2，就可以，就可以認為過渡過程已經(jīng)結束，那么限制范圍為認為過渡過程已經(jīng)結束，那么限制范圍為200200（2 2）44，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205205）兩側以寬度為）兩側以寬度為畫一區(qū)域，上圖中以畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影

19、線的區(qū)域表示，只要被控變量進入這畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認為已經(jīng)一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認為已經(jīng)結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22m22minin。30四、影響響控制系統(tǒng)過統(tǒng)過渡過過程品質質的主要因素31 一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即即工藝過程部分（被控對象）工藝過程部分（被控對象）和和自動化裝置部分自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統(tǒng)有關的部分。后者指為前者指與該自動控制系統(tǒng)有關的部分。后者指為實現(xiàn)自動控制所必需的自動化儀表設備，通常包實現(xiàn)自動

20、控制所必需的自動化儀表設備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。 對對于一個個自動動控制系統(tǒng)統(tǒng)，過過渡過過程品質質的好壞，在很大程度上決決定于對對象的性質質。例如在前所述的溫溫度控制系統(tǒng)統(tǒng)中，屬屬于對對象性質質的主要因素有：換熱換熱器的負負荷大小，換熱換熱器的結構結構、尺寸、材質質等，換熱換熱器內內的換熱換熱情況況、散熱熱情況況及結結垢程度等。不同自動動化系統(tǒng)統(tǒng)要具體分析。32第一節(jié)節(jié) 識圖識圖基礎礎 控制流程圖控制流程圖 所謂帶謂帶控制點的工藝藝流程圖圖指在工藝藝物料流程圖圖的基礎礎上，用過過程檢測檢測和控制系統(tǒng)統(tǒng)的設計設計符號號，描述生產

21、過產過程控制內內容的圖紙圖紙，簡稱簡稱控制流程圖圖。 一、圖圖形符號號 1連連接線線 通用的儀儀表信號線號線均以細實線細實線表示。在需要區(qū)區(qū)分時時，電電信號號可用虛線虛線表示；氣氣信號號用在實線實線上打雙雙斜線線表示。 電信號電信號氣信號氣信號 2儀儀表的圖圖形符號號儀儀表的圖圖形符號號是一個細實線圓個細實線圓圈，根據(jù)儀儀表的安裝位置不同，其圖圖形符號號有所區(qū)別區(qū)別。 PI-101二、字母代號號1被測變測變量和儀儀表功能的字母代號號 （1）同一字母在不同的位置有不同的含義義或作用，處處于首位時時表示被測變測變量或初始變變量；處處于次位時時作為為首位的修飾飾，一般用小寫寫字母表示；處處于后繼繼位

22、時時代表儀儀表的功能。因此不能脫脫離字母所處處的位置來說來說某個個字母的含義義。溫差記錄控制系統(tǒng)溫差記錄控制系統(tǒng) 字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測變量或初始變量修飾詞功 能被測變量或初始變量修飾詞功 能A分析 報警N供選用 供選用B噴嘴火焰 供選用O供選用 節(jié)流孔C電導率 控制P壓力或真空 試驗點（接頭）D密度差 Q數(shù)量或件數(shù)積分、積算積分、積算E電壓（電動勢） 檢測元件R放射性 記錄、打印F流量比（分數(shù)） S速度、頻率安全開關或聯(lián)鎖G尺度（尺寸） 玻璃T溫度 傳送H手動（人工觸發(fā)） U多變量 多功能I電流 指示V粘度 閥、擋板、百葉窗J功率掃描 W重量或力 套管K時間或時間程

23、序 自動-手動操作器X未分類 未分類L物位 指示燈Y供選用 繼動器或計算器M水分或濕度 Z位置 驅動、執(zhí)行或執(zhí)行器（2）當當“A”作為為第一位字母表示“分析”變變量時時，一般在圖圖形符號號外標標有分析的具體內內容。 （3）后繼繼字母的確切含義義，根據(jù)實際實際需要，可以有不同的解釋釋。例如：“R”可以解釋為釋為“記錄記錄儀儀”、“記錄記錄”或“記錄記錄用”；“T”可以解釋為釋為“變變送器”、“傳傳送”或“傳傳送的”等。 （4）后繼繼字母“G”表示功能“玻璃”時時，指過過程檢測檢測中直接觀觀察而無標標度的儀儀表（如：玻璃板液面計計）；后繼繼字母“L”:表示單獨設單獨設置的指示燈，用于顯顯示正常的工

24、作狀態(tài)狀態(tài)，例如，顯顯示液位高度的指示燈用“LL”表示；后繼繼字母“K”:表示設設置在控制回路內內的自動動-手動動操作器，例如，“FK”表示流量控制回路的自動動-手動動操作器，它區(qū)別它區(qū)別于第一位字母代號號“H”手動動和“HC”手動動控制。（5）字母“H”、“M”、“L”可表示被測變測變量的“高”、“中”、“低”值值，一般標標注在儀儀表圓圓圈外；“H”、“L”還還可以表示閥門閥門或其它它通、斷設備斷設備的開關開關位置，“H”表示閥閥在全開開或接近全開開位置；“L”表示閥閥在全關關或接近全關關位置。（6）字母U表示“多變變量”時時，可代替兩個兩個以上的變變量。當當表示“多功能”時時，則則代替兩個

25、兩個以上功能字母的組組合。（7）字母X代表未分類變類變量或未分類類功能，使用中一般另有注明。（8）“供選選用”的字母，是指在個別設計個別設計中反復復使用，而表中未列出其含義義的字母。使用時時字母含義義需在具體工程的設計圖設計圖例中作出規(guī)規(guī)定。三、儀儀表位號號及編號編號1在檢測檢測、控制系統(tǒng)統(tǒng)中，構構成一個個回路的每臺儀儀表（或元件）都應應有自己的位號號。儀儀表位號號由字母代號組號組合和阿拉伯數(shù)數(shù)字編號組編號組成。其中字母代號組號組合寫寫在圓圓圈的上半部；數(shù)數(shù)字編號寫編號寫在圓圓圈的下半部，一般是由三位或四位數(shù)數(shù)字組組成，其中第一位表示工段號號，后續(xù)數(shù)續(xù)數(shù)字表示儀儀表的序號號。 三、儀儀表位號號及編號編號2表示儀儀表功能的后繼繼字母按IRCTQSA（指示、記錄記錄、控制、傳傳送、積積算、開關開關或聯(lián)鎖聯(lián)鎖、報報警）的順順序