化工自動化及儀表_第1章資料

1、化工(hugng)自動化及儀表 葉西寧Y64253330(o)共五十九頁學(xué)習(xux)這門課的必要性： 控制系統(tǒng)應(yīng)用在國民生活的各個方面，化工領(lǐng)域的應(yīng)用更加普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿生產(chǎn)過程在滌綸短纖維生產(chǎn)過程、制漿、造紙過程、制藥等等。 工藝人員也應(yīng)該充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣(zhyng)才能設(shè)計出合理、高效的生產(chǎn)工藝。共五十九頁使用常規(guī)(chnggu)儀表的中央控制室共五十九頁早期(zoq)的DCS控制系統(tǒng)共五十九頁現(xiàn)在(xinzi)的DCS控制系統(tǒng)共五十九頁1 自動(zdng)控制系統(tǒng)概述本章(bn zhn)的主要內(nèi)容：1.1 自動化及儀表發(fā)展概述1.2 自

2、動控制系統(tǒng)1.3 控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標共五十九頁1.1 自動化及儀表發(fā)展(fzhn)概述控制(kngzh)理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論:20世紀40年20世紀50年代Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點：主要從輸出與輸入量的關(guān)系方面分析與研究問題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進行分析與設(shè)計PID控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一共五十九頁現(xiàn)代控制理論:20世紀(shj)60年代獲得迅猛發(fā)展其主要內(nèi)容為： （基礎(chǔ)）線性系統(tǒng)理論，最優(yōu)控制理 論，最佳估計理論，系統(tǒng)辨識等。特點：

3、 從輸入-狀態(tài)-輸出的關(guān)系全面地分析 與研究系統(tǒng)。適用范圍： 不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線 形時變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸 入、多輸出的情況。共五十九頁大系統(tǒng)理論:20世紀70年代開始將現(xiàn)代(xindi)控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合核心思想： 系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)適用范圍： 高維線性系統(tǒng)智能控制理論:不需要建立(jinl)被控對象的數(shù)學(xué)模型共五十九頁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展基地式：20世紀50年代，適用于單回路（就地式液位控制器及自力式溫度控制器）單元組合式（按功能劃分，然后組合）： DDZ, QDZ 20世紀60年代，之間用標準(biozhn)統(tǒng)一信號聯(lián)系計算機：DDC,20世紀

4、70年代 DCS（集散控制系統(tǒng)）先進控制和優(yōu)化控制：CIPS, FCS 20世紀80年代以后共五十九頁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)及儀表的發(fā)展 自動化儀表的發(fā)展 模擬儀表 數(shù)字儀表 智能儀表共五十九頁當前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點生產(chǎn)(shngchn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流過程優(yōu)化受到普遍關(guān)注傳統(tǒng)的DCS在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向共五十九頁1.2 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 1.2.1自動控制系統(tǒng) 自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包示意圖鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)主要是：根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應(yīng)一定(ydng)規(guī)格（壓力、溫度）

5、的蒸汽，同時使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。鍋爐設(shè)備的主要控制系統(tǒng)有：（1）鍋爐汽包水位的控制（3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制（2）鍋爐燃燒的控制共五十九頁汽包水位是鍋爐運行的主要指標，維持(wich)水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐安全運行的首要條件。蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包示意圖水位過低：汽包內(nèi)水較少，負荷(fh)很大時，水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量急速減少，如不能及時得到控制，則會燒干，燒壞水冷壁，甚至爆炸。水位過高：影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，會使過熱器管壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)p壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，作為汽輪機動力的話會損壞葉片，影響運行的安全及經(jīng)濟性。共五十九頁手動控制(kngz

6、h)的步驟：蒸汽汽包省煤器給水圖1-1 鍋爐汽包示意圖(2)把觀察到的實際(shj)數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。(1)觀察液位數(shù)值；共五十九頁蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包液位自動控制系統(tǒng)示意圖鍋爐汽包液位自動(zdng)控制系統(tǒng)共五十九頁加熱爐溫度(wnd)控制系統(tǒng)共五十九頁蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖術(shù)語被控過程（被控對象）：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備(shbi)或機器。被控過程(guchng)：鍋爐汽包被控變量：汽包液位被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)共五

7、十九頁操縱變量：受控制器操縱的用以克服(kf)干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量擾動：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素操縱(cozng)變量：水的流量擾動：水壓力、蒸汽流量蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖共五十九頁設(shè)定值：工藝參數(shù)所要求保持(boch)的數(shù)值偏差：被控變量實際值與設(shè)定值之差負反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖共五十九頁加熱爐溫度(wnd)控制系統(tǒng)被控(bi kn)過程：被控變量：操縱變量：擾動：加熱爐物料出口溫度燃料油流量被加熱原料油溫度、燃料油熱值等共五十九頁閉環(huán)控制： 在反饋

8、控制系統(tǒng)中，被控變量的值被送回輸入端，與設(shè)定值進行比較，根據(jù)偏差進行控制，控制被控變量，這樣，整個(zhngg)系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖1.2.2閉環(huán)控制(kngzh)與開環(huán)控制(kngzh) 共五十九頁閉環(huán)控制的特點（優(yōu)點）： 按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設(shè)定值一致的目的。 閉環(huán)控制的缺點： 控制不夠及時；如果系統(tǒng)(xtng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當，系統(tǒng)(xtng)會引起劇烈震蕩，甚至會使系統(tǒng)(xtng)失去控制。蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖共五十九頁開環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：不需要對被控變量進行測量，只根據(jù)(gnj)

9、輸入信號進行控制，控制很及時。開環(huán)控制：根據(jù)擾動(rodng)信號的變化來進行控制。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水共五十九頁開環(huán)控制的缺點：由于不測量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)(xtng)受到其他擾動作用后，被控變量偏離設(shè)定值，無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點。 1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水共五十九頁 開環(huán)的液位控制系統(tǒng) （按擾動(rodng)控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制與閉環(huán)控制實例(shl)比較1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖共五十九頁1.2.3自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖 在研究自動

10、控制系統(tǒng)時，為了更清楚地表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系(linx)，一般都采用方框圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)系；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)組成共五十九頁檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測量值y(t)。比較機構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測量值y(t)并輸出(shch)其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q

11、(t)。 系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執(zhí)行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。 共五十九頁閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)組成在分析控制系統(tǒng)的工作過程時幾個重要的概念：（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實際的物理量，但它們是作為信息來轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號(xnho)，它送出的信息稱為輸出信號。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號。每一環(huán)節(jié)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。共五十九頁從整個系統(tǒng)來看，輸入信號： 設(shè)定值和擾動 輸出信號： 被控變量、測量值（2）閉環(huán)：按信息的流向來說（3）動態(tài)

12、(dngti)：物理量是時間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。 閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)組成共五十九頁1.2.4 自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類按設(shè)定值的不同情況，將自動控制系統(tǒng)分為三類: 定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 共五十九頁1.2.4 自動控制系統(tǒng)的分類隨動控制系統(tǒng) 設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。 程序控制系統(tǒng) 設(shè)定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數(shù)(hnsh)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化 共五十

13、九頁課堂作業(yè)： 下圖為直接蒸汽加熱器的工藝流程圖，要求(yoqi)畫出以熱物料的出口溫度為被控變量，蒸汽流量為操縱變量的帶檢測控制點的工藝流程圖，指明該控制系統(tǒng)中的被控變量、操縱變量、過程以及主要擾動，畫出該控制方案的方塊圖，蒸汽(zhn q)加熱器共五十九頁1.3自動(zdng)控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標1.3.1靜態(tài)與動態(tài) 控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止狀態(tài)。此時輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖共五十九頁動態(tài)：由

14、于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)(xtng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)(xtng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。環(huán)節(jié)的動態(tài)特性蒸汽汽包省煤器給水 鍋爐汽包自動控制系統(tǒng)示意圖共五十九頁1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程 當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)(靜態(tài))過渡到另一個平衡狀態(tài)（靜態(tài)）的過程。 所有(suyu)正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng),對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng),要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用

15、為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。 共五十九頁定值控制系統(tǒng)過渡過程的形式(xngsh)(階躍擾動) 發(fā)散(fsn)振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減穩(wěn)定的過渡過程最常用共五十九頁單項控制指標（僅適用(shyng)于衰減振蕩過程）穩(wěn)定性、準確性和快速性1.3.3 自動(zdng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標綜合控制指標共五十九頁最大動態(tài)偏差(pinch)或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。 對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個振蕩波的峰值與設(shè)定值之差。在

16、上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值。為A （1）最大動態(tài)(dngti)偏差（emax）或超調(diào)量（ ）穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()共五十九頁最大偏差表示系統(tǒng)(xtng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。同時考慮到干擾會不斷出現(xiàn)，當?shù)谝粋€干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據(jù)工藝情況(qngkung)慎重選擇。共五十九頁在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動控

17、制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個指標來表示被控變量偏離設(shè)定值的程度(chngd)，一般超調(diào)量以百分數(shù)給出。A超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于(dngy)設(shè)定值，那么最大偏差就等于(dngy)超調(diào)量。ytBBC0共五十九頁衰減比是衡量過渡過程(guchng)穩(wěn)定性的動態(tài)指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。 （2）衰減(shui jin)比n衰減比n穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()共五十九頁衰減(shui jin)比n n1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當n趨于無窮大時，控制系統(tǒng)的過渡過程(guchng)接近于非振蕩過程(

18、guchng)。 n=1:等幅振蕩。 n1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，CtyBBA0共五十九頁根據(jù)(gnj)實際操作經(jīng)驗，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減(shui jin)比4:1衰減率0.75衰減比10:1衰減率0.90CtyBBA0穩(wěn)態(tài)特性共五十九頁（3）余差定義：控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控(bi kn)變量穩(wěn)態(tài)值之差。 余差是反映控制準確性的一個重要穩(wěn)態(tài)指標，一般希望(xwng)其為零，或不超過預(yù)定的范圍。共五十九頁上圖中， 在控制系統(tǒng)中，對余差的要求(yoqi)取

19、決于生產(chǎn)過程的要求(yoqi)，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。穩(wěn)態(tài)特性(txng)CtyBBA0y()共五十九頁（4）回復(fù)(huf)時間（過渡時間）回復(fù)時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短(chngdun)。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達到新的平衡狀態(tài)需要無限長的時間。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()共五十九頁實際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的 或 或 的范圍內(nèi)且不再越出時為止(wizh)所經(jīng)歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間長or短？ytBB5%A0Ts短一些(

20、yxi)！共五十九頁（5）振蕩(zhndng)頻率（或振蕩(zhndng)周期）在衰減比相同(xin tn)條件下，振蕩周期與回復(fù)時間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。共五十九頁其它一些次要指標：振蕩次數(shù)：是指在過渡(gud)過程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)?！袄硐脒^渡過程兩個(lin )波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。穩(wěn)態(tài)特性CtyBBA0y()共五十九頁總結(jié)(zngji)：主要指標有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間。在實際的系統(tǒng)中如何確定這些指標，要根據(jù)

21、實際情況來定。原則：對生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)(pnzh)指標應(yīng)該優(yōu)先保證。共五十九頁例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)(tioji)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過渡時間（設(shè)定值為200）。()解：(1)最大偏差(pinch)：(2)余差：()共五十九頁(3)衰減(shui jin)比：第一個波的振幅(zhnf)第二個波的振幅()()衰減比共五十九頁(4)過渡(gud)時間：過渡時間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小(dxio)有關(guān)，假設(shè)為 ，就可以認為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為()那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫一區(qū)域，被控變量進入該區(qū)域而且不再越出，那么進入的時間就是