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文檔簡介
制作廣西大學(xué)化工儀表與自動化廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院學(xué)習(xí)這門課的重要性:
自動制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用很普遍,比如:煉油廠、化肥廠、純堿生產(chǎn)過程、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。這樣才能設(shè)計出合理、高效的生產(chǎn)工藝。第一章自動控制系統(tǒng)概述本章的主要內(nèi)容:1.2自動化及儀表發(fā)展概述1.1自動控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)過渡過程及品質(zhì)指標第一章自動控制系統(tǒng)概述蒸汽汽包省煤器給水
鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟:(1)觀察液位數(shù)值;(2)把觀察到的實際數(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。第一章自動控制系統(tǒng)概述1.1自動控制系統(tǒng)1.1.1自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水
鍋爐汽包閉環(huán)自動控制系統(tǒng)示意圖1.1自動控制系統(tǒng)鍋爐汽包閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖1.1自動控制系統(tǒng)閉環(huán)控制:
在反饋控制系統(tǒng)中,被控變量送回輸入端,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,整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。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;而且如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng),系統(tǒng)會引起劇烈震蕩,甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。1.1自動控制系統(tǒng)1.1.2閉環(huán)控制與開環(huán)控制開環(huán)控制:根據(jù)擾動信號來控制操縱變量
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)輸入信號進行控制,控制很及時。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)受到擾動作用使被控變量偏離設(shè)定值后,無法保證消除偏差,這是開環(huán)控制的缺點。
1.1自動控制系統(tǒng)
開環(huán)的液位控制系統(tǒng)(按擾動控制,又稱前饋控制)開環(huán)控制舉例1Ff
FT
LT
FdC
蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖1.1自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制示意圖在研究自動控制系統(tǒng)時,為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系,一般都采用方框圖。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.1自動控制系統(tǒng)1.1.3自動控制系統(tǒng)的組成方框圖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)并輸出其差值。控制裝置的作用是根據(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(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。1.1自動控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成(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,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。1.1自動控制系統(tǒng)重要概念:從整個系統(tǒng)來看,輸入信號:設(shè)定值、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):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)組成1.1自動控制系統(tǒng)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)。
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),即根據(jù)需要按一定時間程序變化1.1自動控制系統(tǒng)1.1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.2自動化及儀表發(fā)展概述控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論:20世紀40年~20世紀50年代以傳遞函數(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)。PID控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一第一章自動控制系統(tǒng)概述現(xiàn)代控制理論:20世紀60年代獲得迅猛發(fā)展其主要內(nèi)容為:線性系統(tǒng)理論(基礎(chǔ)),最優(yōu)控制理論(核心),最佳估計理論,系統(tǒng)辨識等。特點: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),也適用于線性時變,非線性及離散系統(tǒng),多輸入、多輸出的情況。1.2自動化及儀表發(fā)展概述基地式:20世紀50年代,適用于單回路單元組合式(按功能):20世紀60年代,之間用標準統(tǒng)一信號聯(lián)系DDZ,QDZ計算機:20世紀70年代DDC,DCS(集散控制系統(tǒng);集中管理、分散控制)先進控制和優(yōu)化控制:20世紀80年代以后CIPS(綜合自動化系統(tǒng)),FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))
自動化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程:
模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表。1.2自動化及儀表發(fā)展概述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展早期的DCS控制系統(tǒng)1.2自動化及儀表發(fā)展概述1.2自動化及儀表發(fā)展概述1.2自動化及儀表發(fā)展概述
模擬式顯示儀表用標尺、指針、曲線等方法顯示或記錄被測變量1.2自動化及儀表發(fā)展概述數(shù)字式直接用數(shù)字量顯示或記錄被測變量智能儀表不僅具有顯示功能,還具有運算、數(shù)據(jù)存儲和回顯、通信等多種功能
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(dāng)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?fàn)顟B(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。第一章自動控制系統(tǒng)概述1.3自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標1.3.1靜態(tài)與動態(tài)1.3過渡過程及品質(zhì)指標動態(tài):由于輸入的變化,輸出隨時間變化,其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)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)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)。當(dāng)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)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。
對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)(所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng))要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性,常以階躍作用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。
1.3過渡過程及品質(zhì)指標1.3.2自動控制系統(tǒng)的過渡過程定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動情況下)
發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減1.3過渡過程及品質(zhì)指標單項控制指標(僅適用于衰減振蕩過程)穩(wěn)定性、準確性和快速性1.3.3自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標綜合控制指標1.3過渡過程及品質(zhì)指標最大動態(tài)偏差或超調(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波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中,最大偏差就是第一個波的峰值,為A=B+C。
(1)最大動態(tài)偏差(emax)或超調(diào)量(σ)CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過渡過程及品質(zhì)指標擾動作用設(shè)定值穩(wěn)態(tài)值最大偏差表示系統(tǒng)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(dāng)?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)工藝情況慎重選擇。1.3過渡過程及品質(zhì)指標ytBB’C0在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)(隨動控制系統(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,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)值等于設(shè)定值,那么最大偏差就等于超調(diào)量。1.3過渡過程及品質(zhì)指標設(shè)定作用新設(shè)定值穩(wěn)態(tài)值衰減比是衡量過渡過程穩(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)衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過渡過程及品質(zhì)指標衰減比n
n>1:衰減振蕩。n越大,則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高,當(dāng)n趨于無窮大時,控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。
n=1:等幅振蕩。
n<1: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,1.3過渡過程及品質(zhì)指標根據(jù)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:衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過渡過程及品質(zhì)指標(3)余差定義:控制系統(tǒng)過渡過程終了時設(shè)定值與被控變量穩(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,一般希望其為零,或不超過預(yù)定的范圍。1.3過渡過程及品質(zhì)指標上圖中,
在控制系統(tǒng)中,對余差的要求取決于生產(chǎn)過程的要求,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。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過渡過程及品質(zhì)指標(4)回復(fù)時間(過渡時間)TS回復(fù)時間表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短。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。1.3過渡過程及品質(zhì)指標實際上,被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的5%,或3%或2%的范圍內(nèi)且不再越出時為止所經(jīng)歷的時間,可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%A0Ts1.3過渡過程及品質(zhì)指標(5)振蕩頻率(或振蕩周期)ω在衰減比相同條件下,周期與過渡時間成正比;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。1.3過渡過程及品質(zhì)指標其它一些次要指標:振蕩次數(shù):是指在過渡過程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)?!袄硐脒^渡過程兩個波”: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。1.3過渡過程及品質(zhì)指標總結(jié):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)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)指標應(yīng)該優(yōu)先保證。1.3過渡過程及品質(zhì)指標例:二階裝置典型的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示1.3過渡過程及品質(zhì)指標例題:某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試
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