過程裝備控制技術(shù)1章2012-6

過程裝備控制技術(shù)主講：李宏燕聯(lián)系方式：Email:Lhy-208@163.com前言《過程裝備控制技術(shù)》課程簡介一課程基本情況

學(xué)分：4.5

總學(xué)時：86

授課學(xué)時：68

實驗學(xué)時：18

課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課

適應(yīng)專業(yè)：過程裝備與控制工程專業(yè)先修課：過程控制原理、化工原理、過程流體機(jī)械、過程設(shè)備設(shè)計教材：王毅.過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用,過程裝備與控制工程專業(yè)核心課程系列教材

二課程的性質(zhì)與教學(xué)目的

本課程是過程裝備與控制工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。在技術(shù)發(fā)展的今天，過程裝備技術(shù)人員掌握自動控制系統(tǒng)及常用的儀表知識，不但對于工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行是必要的、而且對于化工工藝及裝備的設(shè)計改進(jìn)也是必不可少的。三教學(xué)基本要求

掌握控制工程及自動化方面的基本知識和理論，掌握過程控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求，初步具有完成自動控制系統(tǒng)設(shè)計的能力。

前言《過程裝備控制技術(shù)》課程簡介教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容和學(xué)時分配（一）理論教學(xué)68學(xué)時第一章控制系統(tǒng)的基本概念6

學(xué)時第二章過程裝備控制基礎(chǔ)14第三章過程檢測技術(shù)22第四章過程控制裝置14第五章計算機(jī)控制系統(tǒng)6第六章典型過程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案6

前言《過程裝備控制技術(shù)》課程簡介(二）實踐教學(xué)18學(xué)時

前言《過程裝備控制技術(shù)》課程簡介（1）單容/雙容液位對象特性測定實驗2（2）液位傳感器的工作原理和校驗實驗2（3）水箱液位調(diào)節(jié)閥定值控制實驗2（4）管道壓力定值控制實驗2（5）加熱水箱溫度定值控制實驗2（6）水箱液位與管道流量的串級控制實驗2（7）流量變頻器定值控制實驗2（8）流量-液位前饋反饋控制實驗2（9）水箱液位位式控制實驗2（10）電動調(diào)節(jié)閥的流量特性測定實驗2（11）水箱液位PLC定值控制實驗2（12）工控組態(tài)軟件組態(tài)和控制實驗2合計（選做以上實驗項目中的9個實驗）18五參考書[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化(第四版).化學(xué)工業(yè)出版社.2008.[2]厲玉鳴.化工儀表及自動化例題習(xí)題集.2008[3]陳詩滔.工業(yè)過程儀表與控制.中國輕工業(yè)出版社.2009,9[4]孫炳達(dá).自動控制原理.機(jī)械工業(yè)出版社.2009,10[5]周春暉.化工過程控制原理.化學(xué)工業(yè)出版社.2010,9[6]陳守仁.自動檢測技術(shù)及儀表.機(jī)械工業(yè)出版社.2010[7]王驥程，祝和云.化工過程控制工程.化學(xué)工業(yè)出版.2011,5

前言《過程裝備控制技術(shù)》課程簡介六考核方式閉卷筆試總評成績=考試成績×60%+平時成績×20%+實驗成績×20%七上課要求1上課認(rèn)真聽課、作好課堂筆記2課后及時復(fù)習(xí)、獨立完成作業(yè)遇有疑難問題、及時交流討論答疑時間和地點：星期三機(jī)械樓411

前言《過程裝備控制技術(shù)》課程簡介教學(xué)內(nèi)容:§1.1化工生產(chǎn)自動化的主要內(nèi)容§1.2控制系統(tǒng)的組成§1.3帶控制點的工藝流程圖§1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖§1.5控制系統(tǒng)的分類§1.6自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)第1章自動控制系統(tǒng)基本知識教學(xué)要求

1掌握自動控制系統(tǒng)的組成，各環(huán)節(jié)的作用以及各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。

2掌握方塊圖的畫法，對一個具體的控制系統(tǒng)來說，能準(zhǔn)確指出被控對象、被控變量、操縱變量、擾動量等參數(shù)。

3掌握帶控制點流程圖上常用圖形符號的含義。

4掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)在階躍擾動作用下，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。

本章作業(yè)：Pg11：1、6、7、8、9、10；補(bǔ)充題1：求過渡過程性能指標(biāo)。

本章思考題：Pg11：2、3、4、5、

HGJ7-87《化工過程檢測.控制系統(tǒng)設(shè)計符號統(tǒng)一規(guī)定》

第1章自動控制系統(tǒng)基本知識1．1概述過程裝備控制引言？化工生產(chǎn)過程自動化？含義、目的、發(fā)展第1章自動控制系統(tǒng)基本知識化工生產(chǎn)自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產(chǎn)過程自動化的簡稱。在化工設(shè)備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進(jìn)行，這種用自動化裝置來管理化工生產(chǎn)過程的辦法，稱為化工自動化。1．1.0引言目的

加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量；減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件；能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴(kuò)大，達(dá)到延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用能力的目的；生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術(shù)水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創(chuàng)造條件。1．1.0引言化工自動化的發(fā)展20世紀(jì)40年代以前絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(jīng)驗進(jìn)行。低效率，花費(fèi)龐大。20世紀(jì)50年代到60年代人們對化工生產(chǎn)各種單元操作進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，使得化工生產(chǎn)過程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展。1．1.0引言化工自動化的發(fā)展

20世紀(jì)70年代以來，化工自動化技術(shù)又有了新的發(fā)展已發(fā)展為綜合自動化，應(yīng)用的領(lǐng)域和規(guī)模越來越大；顯示了知識密集化、高技術(shù)集成化的特點；智能化程度日益增加。20世紀(jì)末，計算機(jī)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引發(fā)了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革1．1.0引言圖1-1寧東能源化工基地神華寧煤集團(tuán)甲醇項目夜景1．1.0引言1.1.1化工自動化的主要內(nèi)容化工過程生產(chǎn)自動化，包括以下四個主要內(nèi)容:？1.自動檢測系統(tǒng)2.信號聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄。它代替操作人員對工藝參數(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)測系統(tǒng)時間水箱供水口溫度水箱出水口溫度水箱溫度環(huán)境溫度2013/12/188:30-112013/12/188:3512.812.616.4-10.92013/12/188:4012.912.116.4-10.42013/12/188:451311.716.4-9.92013/12/188:5013.211.316.4-9.82013/12/188:5513.210.916.4-8.82013/12/189:0013.310.616.4-8.42013/12/189:0513.410.316.4-7.92013/12/189:1013.51016.4-化工自動化的主要內(nèi)容1.自動檢測系統(tǒng)2.信號聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(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，信號聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)就自動地發(fā)生聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。若工況已達(dá)危險狀態(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防事故發(fā)生和擴(kuò)大。如高限液位和低限液位報警裝置

1.1.1化工自動化的主要內(nèi)容1.自動檢測系統(tǒng)2.信號聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)

可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動的對生產(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。自動開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運(yùn)行或自動停車。吹風(fēng)、上吹、下吹、二次上吹、吹凈1.1.1化工自動化的主要內(nèi)容自動控制系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)的核心部分，也是本課程了解和學(xué)習(xí)的重點特別提醒思考題P11：1什么叫生產(chǎn)過程自動化?生產(chǎn)過程自動化主要包括了哪些內(nèi)容?

1.自動檢測系統(tǒng)2.信號聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)

當(dāng)某一設(shè)備的工藝條件發(fā)生變化時，自動控制系統(tǒng)能自動地排除各種干擾因素，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)。1.1.2過程裝備控制的要求和任務(wù)主要參數(shù)，即溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和物性三項要求：即安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性過程裝備控制的任務(wù)就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述三項要求，應(yīng)用理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合，最后采用合適的技術(shù)手段加以實現(xiàn)。1．2控制系統(tǒng)的組成1．2．1過程裝備的控制方法過程工業(yè)生產(chǎn)都是在一定的溫度、壓力、濃度、物位、流量下進(jìn)行的。為了實現(xiàn)控制要求，通常有兩種方式可以選擇:人工控制自動控制

（1）用眼觀察溫度計的指示值；（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)行控制閥門的動作。exp1:換熱器管程出口溫度的控制1．2．1過程裝備的控制方法人工控制過程：圖1-2換熱器人工控制自動控制過程：（1）熱電阻——“眼睛”測得出口物料的溫度，并轉(zhuǎn)換成電信號，再由溫度變送器將電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號（2）控制器——“人腦”控制器將變送器送來的信號與要求值進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向；（3）控制閥——“人手”，調(diào)節(jié)蒸汽加入量1．2．1過程裝備的控制方法圖1-3換熱器自動控制Exp2:水槽液位控制1243出水進(jìn)水圖1-5貯槽水位控制系統(tǒng)1-貯槽；2-浮球；3-杠桿；4-針形閥圖1-4液位人工控制系統(tǒng)QiQ0h1．2．1過程裝備的控制方法表1-1人工控制與自動控制的比較人工控制自動控制檢測系統(tǒng)眼睛——觀察差壓變送器控制系統(tǒng)大腦——信息處理液位調(diào)節(jié)器操縱系統(tǒng)信號連鎖系統(tǒng)手動操作調(diào)節(jié)閥無自動調(diào)節(jié)閥有1．2．1過程裝備的控制方法在自動控制系統(tǒng)中，測量儀表、控制儀表、自動調(diào)節(jié)閥分別代替了人工控制中人的觀察、思考和手動操作，因而大大降低了人的勞動強(qiáng)度;同時由于儀表的信號測量、運(yùn)算、傳輸、動作等速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人的觀察、思考和操作過程，因此自動控制可以滿足信號變化速度快、控制要求高的場合。結(jié)論：1．2．1過程裝備的控制方法1．2．2控制系統(tǒng)的組成測量元件和變送器調(diào)節(jié)器（控制器）執(zhí)行器輔助裝置，如：給定裝置、轉(zhuǎn)換裝置、顯示儀表等控制系統(tǒng)的組成被控對象自動控制裝置被控對象：在自動控制系統(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?！詣涌刂葡到y(tǒng)被控對象自動控制裝置測量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）1．2．2控制系統(tǒng)的組成測量元件與變送器：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：如氣壓信號（0.02～0.1MPa）電流信號（0～10mA或4～20mA）▲自動控制系統(tǒng)被控對象自動控制裝置測量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）1．2．2控制系統(tǒng)的組成控制（調(diào)節(jié)）器：將檢測元件及變送器送來的信號與工藝上需要保持的設(shè)定值信號進(jìn)行比較，得出偏差的大小，根據(jù)偏差的大小及變化趨勢，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)果用特定的信號發(fā)送給執(zhí)行器（控制閥）?！詣涌刂葡到y(tǒng)被控對象自動控制裝置測量元件與變送器控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）1．2．2控制系統(tǒng)的組成▲自動控制系統(tǒng)被控對象自動控制裝置測量元件與變送器

控制（調(diào)節(jié)）器執(zhí)行器（控制閥）

執(zhí)行器（控制閥）：接受控制器送來的信號，自動地改變閥門的開度，從而相應(yīng)地改變流入（或流出）被控對象的物料流量或能量，克服擾動的影響，最終實現(xiàn)控制要求。常見的有：氣動薄膜執(zhí)行器，電動執(zhí)行器思考題P11：2自動控制系統(tǒng)主要是由哪幾個環(huán)節(jié)組成的?1．2．2控制系統(tǒng)的組成例1、如圖所示，為一換熱器溫度簡單控制系統(tǒng)，試分析該控制系統(tǒng)的組成，并簡要分析其控制過程。TCTT冷物料蒸汽熱物料1．2．2控制系統(tǒng)的組成圖1-6換熱器控制系統(tǒng)例2、如圖所示為一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)，試分析該控制系統(tǒng)的組成，并簡要分析其控制過程。TTTCAB冷卻水圖1-7反應(yīng)器控制系統(tǒng)§1.3帶控制點的工藝流程圖帶控制點的工藝流程圖：在控制方案確定后，用自動控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定的文字符號和圖形符號在工藝流程圖上標(biāo)出相應(yīng)的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與聯(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的方向。HGJ7-87《化工過程檢測.控制系統(tǒng)設(shè)計符號統(tǒng)一規(guī)定》一圖形符號儀表:用直徑約10mm的細(xì)實線圓圈表示。測量點: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,無特定的符號。連接線：儀表到測量點之間的信號連接線用細(xì)實線表示儀表的安裝位置見表1-1

儀表及測量點的表示§1.3帶控制點的工藝流程圖表1-2儀表安裝位置的圖形符號表示§1.3帶控制點的工藝流程圖①儀表圓圈的上半圓內(nèi)：用英文字母表示被測變量和儀表的功能。第一位字母表示被測變量；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。第一位數(shù)字表示工段號；第二位起后續(xù)數(shù)字表示儀表的序號。常見被測變量和儀表功能的字母代號見表3§1.3帶控制點的工藝流程圖二字母代號√√√√√√√√√√表1-3常見被測變量和儀表功能的字母代號§1.3帶控制點的工藝流程圖圖1-8帶控制點的工藝流程圖——表示測量點在塔頂?shù)膲毫χ甘究刂苾x表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為07?！硎緶y量點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，工段號為2，儀表序號為06。PIC207PI206LIC201——表示測量點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，工段號為2，儀表序號為01。例3讀圖§1.3帶控制點的工藝流程圖③①②——表示測量點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，工段號為2，儀表序號為10。FR212TRC210LICA202HL——表示測量點在塔的下部的液位指示、報警控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為02。H、L表示儀表具有高、低報警功能?！硎緶y量點在進(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，工段號為2，儀表序號為12。圖1-8帶控制點的工藝流程圖§1.3帶控制點的工藝流程圖⑥⑤④一自動控制系統(tǒng)方塊圖：是用一個方塊代表自動控制系統(tǒng)中的一個組成環(huán)節(jié)，用箭頭表示兩個環(huán)節(jié)的信號聯(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參數(shù)。特別提醒§1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖圖1-9簡單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量思考題P11：3什么是自動控制系統(tǒng)的方框圖?它與工藝流程圖有什么不同?自動控制系統(tǒng)的方框圖是由傳遞方框、信號線、綜合點、分支點構(gòu)成的表示控制系統(tǒng)組成和作用的圖形。其中每一個方塊代表系統(tǒng)中的一個組成部分，方塊內(nèi)填入表示其自身特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式；方塊間用帶有箭頭的線段表示相互間的關(guān)系及信號的流向。采用方塊圖可直觀地顯示出系統(tǒng)中各組成部分以及它們之間的相互影響和信號的聯(lián)系，以便對系統(tǒng)特性進(jìn)行分析和研究。工藝流程圖則是以形象的圖形、符號、代號，表示出工藝過程選用的化工設(shè)備、管路、附件和儀表自控等的排列及連接，借以表達(dá)在一個化工生產(chǎn)中物料和能量的變化過程，即原料→成品全過程中物料和能量發(fā)生的變化及其流向。1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖二自動控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語被控變量y——被控對象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)。測量值ym——由檢測元件檢測到的被控變量的實際值。設(shè)（給）定值ys——被控變量的預(yù)定值。圖1-9簡單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖操縱變量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。擾動量f——除操縱變量外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。例如換熱器圖1-9簡單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖偏差信號e=

ym－ys——被控變量的實際測量值與設(shè)定值之差?？刂菩盘杣——控制器按輸入的偏差信號按一定規(guī)律計算得到的量。圖1-9簡單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖反饋——把系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)重新引回到輸入端的做法。負(fù)反饋——反饋信號的作用與設(shè)定信號相反，使偏差信號減弱的反饋（e=ym－

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

ym）。圖1-9簡單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖三例題講解

例題1：鍋爐是化工、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十分重要的參數(shù)。水位過高，會使蒸汽帶液，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)中被控對象、被控變量、操縱變量、擾動變量各是什么？

2）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖。

LTLC冷水蒸汽汽包加熱室圖1-10鍋爐汽包水位控制示意圖1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖解：（1）被控對象：被控變量：操縱變量：擾動量：(2)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖：控制器執(zhí)行器鍋爐汽包測量元件與變送器LsLf(干擾變量）Lme=Lm－LsumLTLC冷水蒸汽汽包加熱室鍋爐汽包；鍋爐汽包的水位；鍋爐給水量；冷水溫度、壓力、蒸汽壓力、流量、燃燒狀況等1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖例2如圖所示是一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖。工藝要求反應(yīng)器內(nèi)的溫度保持不變。試畫出該溫度控制系統(tǒng)的方框圖，并指出該控制系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用各是什么？TTTCAB冷卻水圖1-11反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖例3、如圖所示為一液位簡單控制系統(tǒng)，工藝要求液位保持為某一數(shù)值，試畫出該液位控制系統(tǒng)的方框圖，并指出該控制系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用各是什么？LTLCqv1qv2圖1-12水槽液位控制系統(tǒng)示意圖1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖例4如圖所示為一自力式貯槽水位控制系統(tǒng)，試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出系統(tǒng)中被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用是什么？1243出水進(jìn)水圖1-13貯槽水位控制系統(tǒng)1-貯槽；2-浮球；3-杠桿；4-針形閥1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖

例5如圖所示，一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定值。試畫出該控制系統(tǒng)的方框圖，并指出該系統(tǒng)的被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用各是什么？圖1-14換熱器溫度控制系統(tǒng)TCTT冷物料蒸汽熱物料1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖例6在石油化工生產(chǎn)中，常常利用液態(tài)丙烯汽化吸收裂解氣體的熱量，是裂解氣體的溫度下降到規(guī)定的數(shù)值上。如圖所示是一個丙烯冷卻器溫度控制系統(tǒng)。被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在（15±1.5）℃。試畫出該系統(tǒng)的方框圖，并指出系統(tǒng)中被控對象、被控變量和操縱變量、干擾作用各是什么？TCTT氣態(tài)丙烯乙烯裂解氣液態(tài)丙烯丙烯冷卻器圖1-15換熱器溫度控制系統(tǒng)1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖1畫法方塊圖要注意的幾個要點：

①組成控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)用“方塊”表示

②信號聯(lián)系箭頭符號不能丟

③負(fù)反饋負(fù)號不能丟

④對某一具體的控制系統(tǒng)來說，應(yīng)指出被控對象、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；使偏差信號減弱的反饋，叫負(fù)反饋。要點歸納1.4自動控制系統(tǒng)方塊圖溫度控制系統(tǒng)[2]壓力控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)[3]成分控制系統(tǒng)

§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按給定值的特點分：定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)給定值恒定不變的控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)的作用是克服擾動對被控變量的影響，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按給定值的特點分：定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)的設(shè)定值是不斷變化的。隨動控制系統(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3按給定值的特點分：定值控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的設(shè)定值也是變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即設(shè)定值按一定的時間程序變化。1.5控制系統(tǒng)的分類4按系統(tǒng)輸出信號對操縱變量影響分：是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出變量會影響操縱變量。閉環(huán)控制開環(huán)控制是指控制器與被控對象之間只有順向控制沒有反向聯(lián)系的自動控制系統(tǒng)，操縱變量不受系統(tǒng)輸出信號的影響（反饋回路斷開或調(diào)節(jié)器置于手操狀態(tài)），如按設(shè)定值進(jìn)行控制，按擾動進(jìn)行控制。

圖示思考題P11：5什么是閉環(huán)控制?什么是開環(huán)控制?定值控制系統(tǒng)為什么必須是一個閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)?1.5控制系統(tǒng)的分類簡單控制系統(tǒng)[4]復(fù)雜控制系統(tǒng)是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)。如圖17圖1-17簡單控制系統(tǒng)方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執(zhí)行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.5控制系統(tǒng)的分類5按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分：5按系統(tǒng)的復(fù)雜程度劃分：

簡單控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)[5]是指由多個被控對象、多個檢測元件及變送器、多個控制器和多個執(zhí)行器所構(gòu)成的多回路控制系統(tǒng)。如圖1-18圖1-18串級復(fù)雜控制系統(tǒng)1.5控制系統(tǒng)的分類6按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分：

1.5控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋--反饋控制系統(tǒng)6按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分：

P6：△y=△y1+△y2=0前饋完全補(bǔ)償1.5控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋--反饋控制系統(tǒng)6按系統(tǒng)克服干擾的方法劃分：

1.5控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋--反饋控制系統(tǒng)靜態(tài)：被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)。動態(tài)：被控變量隨時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)和動態(tài)二控制系統(tǒng)的過渡過程1典型干擾輸入信號的形式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自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy①非周期衰減過程：系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量在給定值的某一側(cè)做緩慢變化，沒有來回波動，最終穩(wěn)定在某一數(shù)值上。由于過渡速度慢、時間長，一般不采用思考題P11：8什么是自動控制系統(tǒng)的過渡過程？在階躍干擾作用下有哪幾種基本形式？其中哪些能滿足自動控制的要求，哪些不能？為什么？1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)：2自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)②衰減振蕩過程：它表明當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量上下波動，且幅度逐漸減小，經(jīng)過一段時間最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。我們希望得到的：2自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)③等幅振蕩過程：系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量在給定值附近來回波動且波動幅值保持不變。即被控變量在設(shè)定值的某一范圍內(nèi)來回波動，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，則可采用。：2自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式y(tǒng)tyyy1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)④發(fā)散振蕩過程：它表明當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量來回波動，且波動幅度逐漸增大，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。3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)最大偏差(或超調(diào)量)、衰減比、余差、回復(fù)時間等以系統(tǒng)受到單位階躍輸入作用后的響應(yīng)曲線表示；偏差積分性能指標(biāo)——是希望輸出與系統(tǒng)實際輸出之間誤差的某個函數(shù)的積分。平方誤差積分指標(biāo)(ISE)、時間乘平方誤差的積分指標(biāo)(ITSE)絕對誤差積分指標(biāo)(IAE)、時間乘絕對誤差的積分指標(biāo)(ITAE)1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)1

最大偏差A(yù)：被控量偏離給定值的最大數(shù)值。A小一些較好。

超調(diào)量σ：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波的峰值與第二個波的峰值之比。n：1=4：1～10：1tsB2C圖1-19過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’以階躍響應(yīng)曲線表示：1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)衰減比n——同方向的相鄰兩個波峰之比，n=B1:B2注意n越小，衰減程度越小；n越大，衰減程度越快；n=1時，系統(tǒng)為等幅振蕩過程；n<1時，系統(tǒng)為發(fā)散振蕩過程；n﹥1時，系統(tǒng)為衰減振蕩過程；n→∞時，系統(tǒng)為單調(diào)過程；選擇n在4：1～10：1之間1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)衰減比對過渡過程的影響？：3余差e：指過渡過程終了時，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e越小越好4過渡時間ts：指控制系統(tǒng)受到擾動作用后，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)歷的最短時間。5振蕩周期T（或頻率）：指過渡過程兩個同向波峰之間的間隔時間，其倒數(shù)為振蕩頻率。tsB2e圖1-19過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖AB1TtsB2ey(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)平方誤差積分指標(biāo)(ISE)偏差積分性能指標(biāo)有余差時，偏差I(lǐng)SE對同一偏差面積由于離設(shè)定值遠(yuǎn)近不同引起的目標(biāo)值J是不同的，遠(yuǎn)離者目標(biāo)值J大于臨近者，即ISE對大偏差敏感，若用于調(diào)整控制器參數(shù)，則所得的過渡過程不會出現(xiàn)大偏差；1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)平方誤差積分指標(biāo)(ISE)時間乘平方誤差的積分指標(biāo)(ITSE)偏差積分性能指標(biāo)有余差時，偏差I(lǐng)TSE指標(biāo)兼有ISE指標(biāo)和ITAE指標(biāo)的特點，用于調(diào)整控制器參數(shù)，可以得到比較理想的結(jié)果。1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)平方誤差積分指標(biāo)(ISE)時間乘平方誤差的積分指標(biāo)(ITSE)絕對誤差積分指標(biāo)(IAE)有余差時，偏差I(lǐng)AE指標(biāo)是偏差面積積分，沒考慮偏差面積距離設(shè)定值的遠(yuǎn)近；偏差積分性能指標(biāo)1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)平方誤差積分指標(biāo)(ISE)時間乘平方誤差的積分指標(biāo)(ITSE)絕對誤差積分指標(biāo)(IAE)時間乘絕對誤差的積分指標(biāo)(ITAE)有余差時，偏差I(lǐng)TAE指標(biāo)將偏差面積用時間來加權(quán)，考慮了偏差積分面積出現(xiàn)的時間；對初始偏差不敏感，對后期偏差敏感；用于調(diào)整控制器參數(shù)其過渡過程的初始偏差較大，但過渡時間較短；偏差積分性能指標(biāo)1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)是彼此相關(guān)、相互約束的，不可能出現(xiàn)同時都是最好的情況。確定性能指標(biāo)時應(yīng)主要看能否滿足工藝的要求。注意1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)例1某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為900±10℃，考慮安全因素，調(diào)節(jié)過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃。現(xiàn)設(shè)計一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如圖所示。其中y0=900℃，y1=908℃，y2=918℃，y3=950℃，t1=9min，t2=45min，t3=47min，試確定該系統(tǒng)的最大偏差，衰減比，余差，振蕩周期和過渡時間（按被控變量進(jìn)入±1%新穩(wěn)態(tài)來確定），并分析該系統(tǒng)能否滿足工藝要求？y2y3y1y0t1t2t3t/min1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)例2某一貯槽液位控制系統(tǒng)，工藝要求貯槽液位為（30±2）m，控制過程中液位偏離給定值最大不能超過12m，現(xiàn)設(shè)計一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如圖所示，y0=30m，y1=32m，y2=34m，y3=40m，t1=6min，t2=18min，t3=21min。試確定該系統(tǒng)的最大偏差，衰減比，余差，振蕩周期，過渡時間（按被控變量進(jìn)入±2%新穩(wěn)態(tài)值來確定），并分析該系統(tǒng)能否滿足工藝要求？y2y3y1y0t1t2t3t/min1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)例3有一蒸汽加熱器的溫度控制系統(tǒng)，現(xiàn)因生產(chǎn)需要，要求出口物料溫度從80℃提高到81℃，當(dāng)儀表給定值階躍變化后，被控變量的變化曲線如圖所示，試求該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標(biāo)：超調(diào)量、衰減比和余差。圖中y1=80.7,y2=80.9,y3=81,y4=81.5.y3y4y1y2t/min1.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)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)計的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動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/min251.6控制系統(tǒng)的過渡過程及其性能指標(biāo)第1章控制系統(tǒng)的基本概念作業(yè)講評本章作業(yè)：Pg11：1、6、7、8、9、10補(bǔ)充題1：求過渡過程性能指標(biāo)。本章思考題：Pg11：2、3、4、5、P11：6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)的輸入信號和輸出信號是什么?整個系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號又是什么?③系統(tǒng)在遇到干擾作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)時,該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制的?

p11：題6：解答：①換熱器出口溫度控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器換熱器測量元件及變送器TsTf(干擾變量）Tme=Tm－Tsum正正反第1章控制系統(tǒng)的基本概念作業(yè)講評②各環(huán)節(jié)的輸入和輸出信號分別如下：

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）測量元件與變送器管程出口溫度T、管程出口溫度的測量值Tm控制器偏差e=Tm－Ts控制信號u執(zhí)行器控制信號u操縱變量m（蒸汽流量）整個系統(tǒng)的輸入信號：溫度給定值Ts、干擾變量f；輸出信號：管程出口溫度T

控制器執(zhí)行器換熱器測量元件及變送器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,該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制的?答：冷物料流量突然增大Δqv時，換熱器管程的出口溫度受到干擾將降低，溫度測量變送器將檢測到的信號送給控制器，控制器的輸入偏差信號e

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