第一章控制系統(tǒng)的基本知識(shí)

《工業(yè)過程儀器與控制》多媒體課件系部：機(jī)械工程系專業(yè)：化工過程機(jī)械專業(yè)制作：張琳

關(guān)于《工業(yè)過程儀器與控制》這門課一課程基本情況●學(xué)分：2.0●總學(xué)時(shí)：32●授課學(xué)時(shí)：24●實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：8●課程性質(zhì)：專業(yè)選修●先修課：化工原理、自動(dòng)控制原理、過程流體機(jī)械、過程設(shè)備設(shè)計(jì)●教材：張寶芬、張毅、曹麗.

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2000.12

二本課程的性質(zhì)與教學(xué)目的

《工業(yè)過程儀器與控制》課程是化工過程機(jī)械專業(yè)研究生的一門專業(yè)選修課程。在技術(shù)發(fā)展的今天化工過程機(jī)械專業(yè)的技術(shù)人員掌握過程參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，不但對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行是必要的、而且對(duì)于化工工藝及過程裝備技術(shù)的改進(jìn)也是必不可少的。本課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生具有過程參數(shù)檢測(cè)及自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)。三教學(xué)基本要求及內(nèi)容

掌握控制系統(tǒng)的基本概念、各種檢測(cè)儀表的工作原理、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、了解計(jì)算機(jī)儀表控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。通過本課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐科研工作中能合理運(yùn)用自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)。

四教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配（一）理論教學(xué)24學(xué)時(shí)第1章控制系統(tǒng)的基本概念

4

學(xué)時(shí)第2章過程裝備控制基礎(chǔ)

8第3章過程檢測(cè)技術(shù)

8第4章過程控制裝置

2第5章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2(二）實(shí)踐教學(xué)8實(shí)驗(yàn)1：被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型測(cè)試2實(shí)驗(yàn)2：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)3：復(fù)雜控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3五參考書[1]厲玉鳴．化工儀表及自動(dòng)化（第三版）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．1999.11[2]厲玉鳴．化工儀表及自動(dòng)化例題習(xí)題集．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．1999.10[3]付家才．工業(yè)控制工程實(shí)踐技術(shù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2003.8[4]翁維勤，孫洪程．過程控制系統(tǒng)及工程（第二版）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2002.7[5]俞金壽．化工自控工程設(shè)計(jì)．上海：華東化工學(xué)院出版社．1991.4[6]陳詩滔．工業(yè)過程儀表與控制．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社．1998.9[7]陳守仁．自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1989[8]王毅.過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.7六考核方式平時(shí)成績(jī)：30%考試成績(jī)：70%教學(xué)要求與學(xué)習(xí)目標(biāo)：1掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成。

2掌握帶控制點(diǎn)流程圖上常用圖形符號(hào)的含義。3掌握方塊圖的畫法。4掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下，過渡過程的幾種基本形式及過渡過程品質(zhì)指標(biāo)的含義。5掌握控制系統(tǒng)的分類

教學(xué)內(nèi)容:●§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容▲§1.2控制系統(tǒng)的組成▲§1.3

帶控制點(diǎn)的工藝流程圖▲§1.4

自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖▲

§1.5控制系統(tǒng)的分類▲§1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)●本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)●本章思考題及作業(yè)

第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識(shí)§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容化工過程生產(chǎn)自動(dòng)化，包括以下四個(gè)的主要內(nèi)容:1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2.信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄。它代替操作人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起著眼睛的作用。往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容化工過程生產(chǎn)自動(dòng)化，包括以下四個(gè)的主要內(nèi)容:1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2.信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中的安全裝置。當(dāng)工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生前，信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)生聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。若工況已達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防事故發(fā)生和擴(kuò)大。

§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容化工過程生產(chǎn)自動(dòng)化，包括以下四個(gè)的主要內(nèi)容:1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2.信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中的安全裝置。當(dāng)工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生前，信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)生聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。若工況已達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動(dòng)采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防事故發(fā)生和擴(kuò)大。

§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容化工過程生產(chǎn)自動(dòng)化，包括以下四個(gè)的主要內(nèi)容:1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2.信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)的對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性的操作。例如：煤氣發(fā)生爐的造氣過程（吹風(fēng)、上吹、下吹、二次上吹、吹凈）。自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化生產(chǎn)的核心部分，也是本課程了解和學(xué)習(xí)的重點(diǎn)特別提醒化工過程生產(chǎn)自動(dòng)化，包括以下四個(gè)的主要內(nèi)容:1.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)2.信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)某一設(shè)備的工藝條件發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地排出各種干擾因素，使工藝參數(shù)始終保持在預(yù)先規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)，以保證生產(chǎn)維持正?；蜃罴训墓に嚥僮鳡顟B(tài)。§1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

人工控制過程：（1）用眼觀察溫度計(jì)的指示值；（2）將觀察值與要求值進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向，并傳遞給大腦；（3）大腦根據(jù)偏差的大小和方向，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定開關(guān)閥門開度的大小和方向，并指令手去執(zhí)行；（4）手根據(jù)大腦的指令去執(zhí)行控制閥門的動(dòng)作。

自動(dòng)控制系統(tǒng)是在人工控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，下面以換熱器管程出口溫度的控制為例，對(duì)人工控制和自動(dòng)控制加以比較。提問？自動(dòng)控制過程：（1）由測(cè)溫度元件熱電阻測(cè)的出口物料的溫度，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由溫度變送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；（2）控制器將變送器送來的信號(hào)與要求值進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；（3）控制器根據(jù)偏差的大小和方向，按照一定的控制規(guī)律輸送出一個(gè)對(duì)應(yīng)的信號(hào)去控制閥（執(zhí)行器）的動(dòng)作；（4）控制閥接受信號(hào)，改變控制閥的開度大小，從而改變了進(jìn)入換熱器的蒸汽量，達(dá)到調(diào)整溫度的目的各環(huán)節(jié)的作用：被控對(duì)象：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器，如：換熱器、塔器、反應(yīng)器、泵、壓縮機(jī)、管道、各種貯槽等。從上面的人工控制及自動(dòng)控制過程可看出：自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下環(huán)節(jié)組成：▲自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象自動(dòng)控制裝置測(cè)量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）各環(huán)節(jié)的作用：▲測(cè)量元件與變送器：用來感受被控變量的變化并將它轉(zhuǎn)換成一種特定的信號(hào)：如氣壓信號(hào)（0.02～0.1MPa）電流信號(hào)（0～10mA或4～20mA）從上面的人工控制及自動(dòng)控制過程可看出：自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下環(huán)節(jié)組成：▲自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象自動(dòng)控制裝置測(cè)量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）各環(huán)節(jié)的作用：

▲控制（調(diào)節(jié)）器：將檢測(cè)元件及變送器送來的信號(hào)與工藝上需要保持的設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差的大小，根據(jù)偏差的大小及變化趨勢(shì)，按照預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果用特定的信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行器（控制閥）。從上面的人工控制及自動(dòng)控制過程可看出：自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下環(huán)節(jié)組成：▲自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象自動(dòng)控制裝置測(cè)量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）從上面的人工控制及自動(dòng)控制過程可看出：自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下環(huán)節(jié)組成：▲自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象自動(dòng)控制裝置測(cè)量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）各環(huán)節(jié)的作用：

▲執(zhí)行器（控制閥）：接受控制器送來的信號(hào)，自動(dòng)地改變閥門的開度，從而相應(yīng)地改變流入（或流出）被控對(duì)象的物料流量或能量，克服擾動(dòng)的影響，最終實(shí)現(xiàn)控制要求。常見的有：氣動(dòng)薄膜執(zhí)行器，電動(dòng)執(zhí)行器▲帶控制點(diǎn)的工藝流程圖：在控制方案確定后，用自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定的文字符號(hào)和圖形符號(hào)在工藝流程圖上標(biāo)出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等。流程圖中設(shè)備間連線表示物料流動(dòng)的方向。例如▲

§1.3

帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（補(bǔ)充）

HGJ7-87《化工過程檢測(cè).控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)符號(hào)統(tǒng)一規(guī)定》一圖形符號(hào)儀表:

用直徑約10mm的細(xì)實(shí)線圓圈表示。測(cè)量點(diǎn):

是由工藝設(shè)備輪廓或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn),無特定的符號(hào)。

連接線：儀表到測(cè)量點(diǎn)之間的信號(hào)連接線用細(xì)實(shí)線表示儀表的安裝位置見表1-1補(bǔ)充圖儀表及測(cè)量點(diǎn)的表示下面介紹控制流程中統(tǒng)一的符號(hào)規(guī)定南京化學(xué)工業(yè)公司磷酸中控室某鋼鐵廠中控室某鋼鐵廠中控室揚(yáng)子芳烴廠中控室（亞洲最大的中控室）揚(yáng)子芳烴廠表1-1儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示（補(bǔ)充）二字母代號(hào)

①儀表圓圈的上半圓內(nèi)：用英文字母表示被測(cè)變量和儀表的功能。第一位字母表示被測(cè)變量；第二位起后續(xù)字母表示儀表功能。②儀表圓圈的下半圓內(nèi)：用阿拉伯?dāng)?shù)字表示儀表的位置編號(hào)。第一位數(shù)字表示工段號(hào)；第二位起后續(xù)數(shù)字表示儀表的序號(hào)。常見被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)見表1-2√√√√√√√√√√（補(bǔ)充）補(bǔ)充圖控制點(diǎn)的工藝流程圖——表示測(cè)量點(diǎn)在塔頂?shù)膲毫χ甘究刂苾x表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為07?！硎緶y(cè)量點(diǎn)在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝儀表，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為06。LICA202——表示測(cè)量點(diǎn)在塔的下部溫度記錄控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為10。FR212TRC210PIC207PI206LIC201HL——表示測(cè)量點(diǎn)在回流罐封頭處的液位指示控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為01?！硎緶y(cè)量點(diǎn)在塔的下部的液位指示、報(bào)警控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為02。H、L表示儀表具有高、低報(bào)警功能?！硎緶y(cè)量點(diǎn)在進(jìn)口管線上的孔板流量記錄儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為12。例題1

注意：6大要點(diǎn)▲設(shè)計(jì)以及讀帶控制點(diǎn)的工藝流程圖時(shí)。①測(cè)量點(diǎn)

②被測(cè)變量

③儀表功能

④儀表安裝位置

⑤工段號(hào)

⑥儀表序號(hào)

思考題：揚(yáng)子芳烴廠100單元帶控制點(diǎn)的流程圖。1與課堂上講的有什么不同？2具體含義？流程圖中的箭頭：設(shè)備間連線表示物料流動(dòng)的方向方塊圖中的箭頭：表示信號(hào)的流向和相互關(guān)系一自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖：是用一個(gè)方塊代表自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)組成環(huán)節(jié)，用箭頭表示兩個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)聯(lián)系和傳遞方向，用規(guī)定的字母表示方塊間相互作用的信號(hào)參數(shù)。特別提醒§1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量二自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語被控變量y——被控對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。測(cè)量值ym——由檢測(cè)元件檢測(cè)到的被控變量的實(shí)際值。設(shè)（給）定值ys——被控變量的預(yù)定值。圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量二自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語操縱變量m——受控制器操縱的，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動(dòng)量f——除操縱變量外，作用于被控對(duì)象并引起被控變量變化的因素。

圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量二自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語偏差信號(hào)e=

ym

－ys——被控變量的實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值之差。控制信號(hào)u——控制器按輸入的偏差信號(hào)按一定規(guī)律計(jì)算得到的量。圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量二自動(dòng)控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語反饋——把系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新引回到輸入端的做法。負(fù)反饋——反饋信號(hào)的作用與設(shè)定信號(hào)相反，使偏差信號(hào)減弱的反饋（e=ym

－

ys

），叫負(fù)反饋。正反饋——使偏差信號(hào)加強(qiáng)的反饋，即（e=ys+

ym）。圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量三例題講解

例題2：鍋爐化工、煉油等企業(yè)中常見的主要設(shè)備。汽包水位是影響蒸汽質(zhì)量及鍋爐安全的一個(gè)十分重要的參數(shù)。水位過高，會(huì)使蒸汽帶液，降低了蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至?xí)p壞后續(xù)設(shè)備。而水位過低，輕則影響汽液平衡，重則燒干鍋爐甚至引起爆炸。因此，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。下圖是一鍋爐汽包水位控制示意圖，要求：

1）指出該系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變量、操縱變量、擾動(dòng)變量各是什么？

2）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖；

LTLC冷水蒸汽汽包加熱室鍋爐汽包水位控制示意圖解：（1）被控對(duì)象：被控變量：操縱變量：擾動(dòng)量：(2)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖：

控制器執(zhí)行器鍋爐汽包測(cè)量元件與變送器LsLf(干擾變量）Lme=Lm－LsumLTLC冷水蒸汽汽包加熱室方塊圖動(dòng)畫演示鍋爐汽包；鍋爐汽包水位；鍋爐給水量；冷水溫度、壓力、蒸汽壓力、流量、燃燒狀況等1畫法方塊圖要注意的幾個(gè)要點(diǎn)：①組成控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)用“方塊”表示②信號(hào)聯(lián)系箭頭符號(hào)不能丟③負(fù)反饋負(fù)號(hào)不能丟④對(duì)某一具體的控制系統(tǒng)來說，應(yīng)指出被控對(duì)象、被控變量、操縱變量、干擾變量是什么？⑤給定值、被控變量不是環(huán)節(jié)，不用方塊表示2理解負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的含義

把系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新引回到輸入端的做法，叫反饋；使偏差信號(hào)減弱的反饋，叫負(fù)反饋。要點(diǎn)歸納溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)成分控制系統(tǒng)等…….

§1.5控制系統(tǒng)的分類2

按控制器的控制規(guī)律分：比例（P）Proportion比例積分（PI)Integral比例微分(PD)Differential比例積分微分(PID)1按被控變量分：3按給定值的特點(diǎn)分：定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)是指給定值恒定不變的控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)的作用是克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，使被控變量最終回到給定值或其附近。以后無特殊說明控制系統(tǒng)均指定值控制系統(tǒng)而言。

§1.5控制系統(tǒng)的分類3按給定值的特點(diǎn)分：定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)定值是不斷變化的。隨動(dòng)控制系統(tǒng)的作用是使被控變量能盡快地、準(zhǔn)確無誤的跟蹤設(shè)定值的變化而變化。

§1.5控制系統(tǒng)的分類

§1.5控制系統(tǒng)的分類3按給定值的特點(diǎn)分：定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值也是變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即設(shè)定值按一定的時(shí)間程序變化。

§1.5控制系統(tǒng)的分類4按系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)操縱變量影響分：是指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的自動(dòng)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制開環(huán)控制是指控制器與被控對(duì)象之間只有順向控制沒有反向聯(lián)系的自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量思考題：P13：55按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分：

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)

§1.5控制系統(tǒng)的分類是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)。如圖1-2圖1-2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對(duì)象f測(cè)量元件與變送器yse=ym

－ysumym偏差－控制信號(hào)操縱變量5按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分：

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)

§1.5控制系統(tǒng)的分類是指由多個(gè)被控對(duì)象、多個(gè)檢測(cè)元件及變送器、多個(gè)控制器和多個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的多回路控制系統(tǒng)。如如圖1-4圖1-4串級(jí)復(fù)雜控制系統(tǒng)7按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分：反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)

前饋--反饋控制系統(tǒng)

§1.5控制系統(tǒng)的分類P8：△y=△y1+△y2=0前饋完全補(bǔ)償靜態(tài)：被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)。動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)。?！?.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)

一控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)二控制系統(tǒng)的過渡過程

系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量隨時(shí)間變化的，其規(guī)律首先決定于系統(tǒng)的干擾形式。最常見的是階躍干擾1典型干擾輸入信號(hào)的形式①階躍干擾A0t0t12t20tAt②斜坡干擾③拋物線干擾0tδ（t）④單位脈沖干擾：2自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-13過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy①非周期衰減過程：它表明當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量在給定值的某一側(cè)做緩慢變化，沒有來回波動(dòng)，最終穩(wěn)定在某一數(shù)值上。由于過渡速度慢、時(shí)間長(zhǎng)，一般不采用：2自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程②衰減振蕩過程：它表明當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量上下波動(dòng)，且幅度逐漸減小，經(jīng)過一段時(shí)間最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。我們希望得到的①②③④

圖1-13過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy：2自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程③等幅振蕩過程：它表明當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量在給定值附近來回波動(dòng)且波動(dòng)幅值保持不變。即被控變量在設(shè)定值的某一范圍內(nèi)來回波動(dòng)，而不能穩(wěn)定下來。一般不采用，如工藝上允許被控變量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，則可采用。①②③④

圖1-13過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy：2自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程④發(fā)散振蕩過程：它表明當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸增大，即被控變量偏離設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，以至超越工藝允許范圍。應(yīng)盡量避免。①②③④

圖1-13過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy

控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)的依據(jù)，一般都希望得到衰減振蕩過程，習(xí)慣上采用以下品質(zhì)指標(biāo)來衡量衰減振蕩過程的質(zhì)量。

。三控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1最大偏差A(yù)：指過渡過程中被控量偏離給定值的最大數(shù)值。A一般小一些較好。超調(diào)量σ：也是表示被控變量偏離給定值的程度。（y(∞)：新穩(wěn)定值）2衰減比n=B1：B2：指過渡過程曲線上同方向第一個(gè)波的峰值與第二個(gè)波的峰值之比。n：1=4：1～10：1tsB2C圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’3余差C：指過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的差值。一般C越小越好

4過渡時(shí)間ts：指控制系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量從原穩(wěn)定狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)（±5%的范圍內(nèi)）所經(jīng)歷的最短時(shí)間。

5振蕩周期T（或頻率）：指過渡過程兩個(gè)同向波峰之間的間隔時(shí)間，其倒數(shù)為振蕩頻率。tsB2C圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’作業(yè)題1：某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為（800±10）℃。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過850℃?，F(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過渡過程曲線如下圖所示。

（1）分別求出最大偏差A(yù)、超調(diào)量B、余差C、衰減比n、過渡時(shí)間Ts（溫度進(jìn)入±1%新的穩(wěn)定值即示為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和震蕩周期。（2）分析此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求？T/℃845815

805

800720T/min25教學(xué)要求與學(xué)習(xí)目標(biāo)：1掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成。

2掌握帶控制點(diǎn)流程圖上常用圖形符號(hào)的含義。

3掌握方塊圖的畫法。4掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下，過渡過程的幾種基本形式及過渡過程品質(zhì)指標(biāo)的含義。5熟悉控制系統(tǒng)的分類

教學(xué)內(nèi)容:§1.1化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容§1.2控制系統(tǒng)的組成§1.3帶控制點(diǎn)的工藝流程圖§1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖§1.5控制系統(tǒng)的分類§1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)●本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)●本章思考題及作業(yè)

第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識(shí)開始學(xué)習(xí)返回總目錄▲設(shè)計(jì)以及讀帶控制點(diǎn)的工藝流程圖時(shí)。注意：6大要素

①測(cè)量點(diǎn)

②被測(cè)變量

③儀表功能

④儀表安裝位置

⑤工段號(hào)

⑥儀表序號(hào)

▲畫法方塊圖要注意的幾個(gè)要點(diǎn)：①組成控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)用“方塊”表示②信號(hào)聯(lián)系箭頭符號(hào)不能丟③負(fù)反饋負(fù)號(hào)不能丟④對(duì)某一具體的控制系統(tǒng)來說，應(yīng)指出被控對(duì)象、被控變量、操縱變量、干擾變量是什么？⑤給定值、被控變量不是環(huán)節(jié)，不用方塊表示要點(diǎn)歸納揚(yáng)子芳烴廠100單元帶控制點(diǎn)的流程圖。1與課堂上講的有什么不同？2具體含義？課堂小測(cè)驗(yàn)1寫出各控制點(diǎn)符號(hào)的含義？2畫出該控制回路的方塊圖？

注意：6大要點(diǎn)▲設(shè)計(jì)以及讀帶控制點(diǎn)的工藝流程圖時(shí)。①測(cè)量點(diǎn)

②被測(cè)變量

③儀表功能

④儀表安裝位置

⑤工段號(hào)

⑥儀表序號(hào)

第1章作業(yè)講評(píng)本章作業(yè)：Pg13：6、7、補(bǔ)充題1：求過渡過程性能指標(biāo)。本章思考題：Pg13：1、2、3、4、5、8、9、10

P13：6在圖1-11的換熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，工藝要求熱物料出口溫度保持為某一設(shè)定值。①

試畫出該控制系統(tǒng)的方框圖；②

方框圖中各環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)是什么?整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)又是什么?③系統(tǒng)在遇到干擾作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)時(shí),該系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的?第1章作業(yè)講評(píng)解：①換熱器出口溫度控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器換熱器測(cè)量元件及變送器TsTf(干擾變量）Tme=Tm－Tsum正正反②各環(huán)節(jié)的輸入和輸出信號(hào)分別如下：P5

輸入輸出換熱器操縱變量m（蒸汽流量）、干擾變量f被控變量（管程出口溫度T）測(cè)量元件與變送器管程出口溫度T、管程出口溫度的測(cè)量值Tm控制器偏差e=Tm

－Ts控制信號(hào)u執(zhí)行器控制信號(hào)u操縱變量m（蒸汽流量）整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)：溫度給定值Ts、干擾變量f；

輸出信號(hào)：管程出口溫度T

控制器執(zhí)行器換熱器測(cè)量元件及變送器TsTf(干擾變量）Tme=Tm－Tsum正正反③系統(tǒng)在遇到干擾作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)時(shí),該系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的?

答：冷物料流量突然增大Δqv時(shí)，換熱器管程的出口溫度受到干擾將降低，溫度測(cè)量變送器將檢測(cè)到的信號(hào)送給控制器，控制器的輸入偏差信號(hào)e

，控制器發(fā)出給執(zhí)行器的信號(hào)u

，執(zhí)行器將自動(dòng)開大閥門，殼程蒸汽的流量m

，克服干擾的作用，將溫度T

調(diào)節(jié)到給定值。控制器執(zhí)行器換熱器測(cè)量元件及變送器TsTf(干擾變量）Tme=Tm－Tsum正正反第1章作業(yè)講評(píng)本章作業(yè)：Pg13：6、7、補(bǔ)充題1：求過渡過程性能指標(biāo)。本章思考題：Pg13：1、2、3、4、5、8、9、10

P13：7圖1-12為貯槽液位控制系統(tǒng),工藝要求液位保持為某一數(shù)值。①試畫出該系統(tǒng)的方框圖；②指出該系統(tǒng)中被控對(duì)象、被控變量、操作變量、干擾作用各是什么？②被控對(duì)象：水槽被控變量：水槽的水位；操縱變量：水槽出水流量qv2；

擾動(dòng)量：水槽進(jìn)水流量qv1

、壓力解：①水槽水位控制系統(tǒng)方塊圖：

控制器執(zhí)行器水槽測(cè)量變送器LsLf(干擾變量）Lme=Lm－Lsum1畫法方塊圖要注意的幾個(gè)要點(diǎn)：①組成控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)用“方塊”表示②信號(hào)聯(lián)系箭頭符號(hào)不能丟③負(fù)反饋負(fù)號(hào)不能丟④對(duì)某一具體的控制系統(tǒng)來說，應(yīng)指出被控對(duì)象、被控變量、操縱變量、干擾變量是什么？⑤給定值、被控變量不是環(huán)節(jié)，不用方塊表示2理解負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的含義

把系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新引回到輸入端的做法，叫反饋；使偏差信號(hào)減弱的反饋，叫負(fù)反饋。要點(diǎn)歸納思考題：P13：3,4作業(yè)：Pg13：6、7補(bǔ)充作業(yè)題1：某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為（800±10）℃。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過850℃?，F(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過渡過程曲線如下圖所示。

（1）分別求出最大偏差A(yù)、超調(diào)量B、余差C、衰減比n、過渡時(shí)間Ts（溫度進(jìn)入±1%新的穩(wěn)定值即示為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和震蕩周期T。（2）分析此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求？T/℃845815

805

800720T/min25本章作業(yè)：Pg13：6、7、補(bǔ)充題1：求過渡過程性能指標(biāo)。本章思考題：Pg13：1、2、3、4、5、8、9、10第1章作業(yè)講評(píng)

控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)的依據(jù)，一般都希望得到衰減振蕩過程，習(xí)慣上采用以下品質(zhì)指標(biāo)來衡量衰減振蕩過程的質(zhì)量。

。三控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1最大偏差A(yù)：指過渡過程中被控量偏離給定值的最大數(shù)值。A一般小一些較好。超調(diào)量σ：也是表示被控變量偏離給定值的程度。（y(∞)：新穩(wěn)定值）2衰減比n=B1：B2：指過渡過程曲線上同方向第一個(gè)波的峰值與第二個(gè)波的峰值之比。n：1=4：1～10：1tsB2C圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’3余差C：指過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之間的差值。一般C越小越好

4過渡時(shí)間ts：指控制系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量從原穩(wěn)定狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)（±5%的范圍內(nèi)）所經(jīng)歷的最短時(shí)間。

5振蕩周期T（或頻率）：指過渡過程兩個(gè)同向波峰之間的間隔時(shí)間，其倒數(shù)為振蕩頻率。tsB2C圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’本節(jié)思考題：P14：8、9、10補(bǔ)充作業(yè)題1：某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為（800±10）℃。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過850℃?，F(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過渡過程曲線如下圖所示。

（1）分別求出最大偏差A(yù)、超調(diào)量B、余差C、衰減比n、過渡時(shí)間Ts（溫度進(jìn)入±1%新的穩(wěn)定值即示為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和震蕩周期。（2）分析此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求？T/℃845815

805

800720T/min25上一章下一章返回總目錄進(jìn)入作業(yè)講評(píng)T/min800T/℃80584581572025解：（1）分別求出最大偏差A(yù)、超調(diào)量B、余差C、衰減比n、過渡時(shí)間Ts（溫度進(jìn)入±1%新的穩(wěn)定值即示為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和震蕩周期T。解：最大偏差：A=845－800=45℃超調(diào)量：

σ=（845－805）/805=4.97%衰減比：n=B/B’=（845－805）/（815－805）=4：1余差：C=805－800=5℃過渡時(shí)間：Ts=25min震蕩周期：T=20－7=13minT/min800T/℃80584581572025（2）分析此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求？解：符合要求：①系統(tǒng)新的穩(wěn)定值是805℃，符合工藝規(guī)定操作溫度為（800±10）℃

的要求②845℃＜850℃，符合控制中溫度最高不得超過850℃的要求補(bǔ)充圖控制流程圖舉例——表示測(cè)量點(diǎn)在塔頂?shù)膲毫χ甘究刂苾x表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為07。——表示測(cè)量點(diǎn)在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝儀表，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為06。LICA202——表示測(cè)量點(diǎn)在塔的下部溫度記錄控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號(hào)為2，儀表序號(hào)為10。FR212TRC210PIC207PI2