第7章化工自動化基礎(chǔ)

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(chǎn)過程的自動化的簡稱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(chǎn)工藝參數(shù)的自動控制圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統(tǒng)圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要自動控制系統(tǒng)的組成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“環(huán)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關(guān)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。系統(tǒng)或環(huán)節(jié)uy系統(tǒng)或環(huán)節(jié)uy1.信號與變量載有變量信息的物理變量就是信號。箭頭指向方塊的信號表示施加到系統(tǒng)或環(huán)節(jié)上的獨立變量，稱為輸入變量箭頭離開方塊的信號表示系統(tǒng)或環(huán)節(jié)送出的變量，稱為輸出變量x

:設(shè)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.液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統(tǒng)方塊圖3、反饋把系統(tǒng)的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫反饋x

取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。開環(huán)系統(tǒng)：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規(guī)定好的程序周而復始地運轉(zhuǎn)。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自動機不會自動地根據(jù)被控變量的實際工況來改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。114、自動控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來分類，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、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)。12其中第三種分類方法最普遍

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)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(chǎn)指標上不變，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)。131.定值控制方法2.隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）

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)準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。3.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)，即生產(chǎn)技術(shù)指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應用比較普通。自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。與自動檢測、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動控制系統(tǒng)有負反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10舉例化肥廠的造氣自動機就是典型的開環(huán)系統(tǒng)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(jié)第三節(jié)過渡過程的品質(zhì)指標一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)15自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。

當一個自動控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。16靜態(tài)——被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。17動態(tài)——被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。

從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)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)叫做動態(tài)。結(jié)論：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(chǎn)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(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標上。系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。18當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，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。舉例圖1-7控制系統(tǒng)方塊圖二、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。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質(zhì)。在分析和設(shè)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，其中常用的是階躍干擾。

19采用階躍干擾的優(yōu)點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。圖1-8階躍干擾作用20自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式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(zhì)量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

三、自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標（針對定值系統(tǒng)）最大偏差超調(diào)量衰減比振蕩周期余差23五種重要品質(zhì)指標之一1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應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。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。2.衰減比

衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質(zhì)指標之二243.余差

當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。25五種重要品質(zhì)指標之三4.過渡時間

從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間叫過渡時間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經(jīng)達到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。26五種重要品質(zhì)指標之四5.震蕩周期或頻率

過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27五種重要品質(zhì)指標之五28某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200℃）。舉例圖1-11溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解

最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個波峰值B＝230-205＝25℃，第二個波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）29

分析

過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進入額定值的±2％，就可以認為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±４℃畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(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)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。30四、影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素31

一個自動控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對象）和自動化裝置部分。前者指與該自動控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實現(xiàn)自動控制所必需的自動化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。

對于一個自動控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動化系統(tǒng)要具體分析。32第一節(jié)識圖基礎(chǔ)控制流程圖 所謂帶控制點的工藝流程圖指在工藝物料流程圖的基礎(chǔ)上，用過程檢測和控制系統(tǒng)的設(shè)計符號，描述生產(chǎn)過程控制內(nèi)容的圖紙，簡稱控制流程圖。

一、圖形符號1．連接線 通用的儀表信號線均以細實線表示。在需要區(qū)分時，電信號可用虛線表示；氣信號用在實線上打雙斜線表示。電信號氣信號2．儀表的圖形符號

儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，根據(jù)儀表的安裝位置不同，其圖形符號有所區(qū)別。

PI-101二、字母代號1．被測變量和儀表功能的字母代號（1）同一字母在不同的位置有不同的含義或作用，處于首位時表示被測變量或初始變量；處于次位時作為首位的修飾，一般用小寫字母表示；處于后繼位時代表儀表的功能。因此不能脫離字母所處的位置來說某個字母的含義。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(guān)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(qū)動、執(zhí)行或執(zhí)行器表1-2字母代號的含義（2）當“A”作為第一位字母表示“分析”變量時，一般在圖形符號外標有分析的具體內(nèi)容。（3）后繼字母的確切含義，根據(jù)實際需要，可以有不同的解釋。例如：“R”可以解釋為“記錄儀”、“記錄”或“記錄用”；“T”可以解釋為“變送器”、“傳送”或“傳送的”等。

（4）后繼字母“G”表示功能“玻璃”時，指過程檢測中直接觀察而無標度的儀表（如：玻璃板液面計）；后繼字母“L”:表示單獨設(shè)置的指示燈，用于顯示正常的工作狀態(tài)，例如，顯示液位高度的指示燈用“LL”表示；后繼字母“K”:表示設(shè)置在控制回路內(nèi)的自動-手動操作器，例如，“FK”表示流量控制回路的自動-手動操作器，它區(qū)別于第一位字母代號“H”—手動和“HC”—手動控制。（5）字母“H”、“M”、“L”可表示被測變量的“高”、“中”、“低”值，一般標注在儀表圓圈外；“H”、“L”還可以表示閥門或其它通、斷設(shè)備的開關(guān)位置，“H”表示閥在全開或接近全開位置；“L”表示閥在全關(guān)或接近全關(guān)位置。（6）字母U表示“多變量”時，可代替兩個以上的變量。當表示“多功能”時，則代替兩個以上功能字母的組合。（7）字母X代表未分類變量或未分類功能，使用中一般另有注明。（8）“供選用”的字母，是指在個別設(shè)計中反復使用，而表中未列出其含義的字母。使用時字母含義需在具體工程的設(shè)計圖例中作出規(guī)定。三、儀表位號及編號1．在檢測、控制系統(tǒng)中，構(gòu)成一個回路的每臺儀表（或元件）都應有自己的位號。儀表位號由字母代號組合和阿拉伯數(shù)字編號組成。其中字母代號組合寫在圓圈的上半部；數(shù)字編號寫在圓圈的下半部，一般是由三位或四位數(shù)字組成，其中第一位表示工段號，后續(xù)數(shù)字表示儀表的序號。

1工段05號壓力記錄控制系統(tǒng)三、儀表位號及編號2．表示儀表功能的后繼字母按IRCTQSA（指示、記錄、控制、傳送、積算、開關(guān)或聯(lián)鎖、報警）的順序標注。同時具有指示和記錄功能時，只標注字母代號“R”，而不標注“I”；同時具有開關(guān)和報警功能時，只標注字母代號“A”，而不標注“S”；當“SA”同時