化工儀表及其自動化控制第一章 自動控制系統(tǒng)基本概念

1、2020年6月25日，化學儀器與自動化課件，2020年6月25日，尤，2020年6月25日，化學儀器與自動化控制課件，2020年6月25日，化學儀器與自動化控制課件，2020年，在化工等連續(xù)生產設備中，一些自動化設備的配備取代了部分操作人員的直接勞動，使生產可以在不同程度上自動進行，這就是所謂的化學自動化?；瘜W自動化的目的是加速生產，降低生產成本，提高產品的數(shù)量和質量。降低勞動強度，提高勞動成本。學習本課程對保障安全生產的意義在于：擴大知識面，適應生產現(xiàn)代化的需要；擴大就業(yè)渠道。首先是戰(zhàn)無不勝，然后才能取勝！2020年6月25日，化學儀器與自動化控制課件，化學自動化發(fā)展史，基礎氣動單元儀表，基

2、礎電氣單元儀表，隔膜儀表，20世紀50年代至60年代，為化學單元操作的發(fā)展提供技術支持。1970年s1980 s機組組合型儀表：QDZ ，DDZ 1990年代機組組合型儀表：QDZ ，DDZ ，2020年6月25日，化工儀表及自動化控制課件，本課程的主要內容，基本概念控制系統(tǒng)控制對象儀表測量顯示調整執(zhí)行調整系統(tǒng)(簡單系統(tǒng)，復雜系統(tǒng))計算機控制系統(tǒng)(系統(tǒng)組成，接口和轉換)，2020年6月25日，化工儀表及自動化控制課件，主要書目， 化學儀器與自動化(第四版)編輯，化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社，化學過程控制工程(第二版)編輯，化學工業(yè)出版社，基礎化學工業(yè)出版社，2020年6月25日，化學儀器及其

3、自動化控制課件，第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念。 化學自動化的主要內容自動調節(jié)系統(tǒng)的組成和框圖自動調節(jié)的分類過度過程和系統(tǒng)質量指標過程管道和控制流程圖，2020年6月25日，化學儀器及其自動化控制課件，第一節(jié)化學自動化的主要內容，自動檢測系統(tǒng)使用各種檢測儀器測量、指示和記錄主要過程參數(shù)。 自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)是生產過程中的安全裝置。自動操作和自動啟動/停止系統(tǒng)可以根據(jù)預先指定的步驟自動對生產設備執(zhí)行一些周期性操作。生產過程可以按照預先規(guī)定的步驟自動投入運行，或者當一些關鍵控制參數(shù)由于外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時，自動專用車自動控制系統(tǒng)可以自動控制這些關鍵控制參數(shù)返回到規(guī)定的數(shù)值范圍。2020

4、/6/25，化學儀器及其自動化控制課件，第二節(jié)自動調節(jié)系統(tǒng)的組成，2020/6/25，化學儀器及其自動化控制課件，控制系統(tǒng)的四個基本環(huán)節(jié)：被控對象、檢測儀器(測量傳輸環(huán)節(jié))、控制器、執(zhí)行器和執(zhí)行器(2)被控變量對象中需要保持一定值(或按照一定規(guī)則變化)的物理量稱為被控變量。(3)受控變量(操縱變量)由致動器控制，用于將受控變量保持在某一值的材料或能量稱為受控變量或操縱變量。(4)干擾(擾動)除控制變量(操縱變量)外，所有作用于對象并引起被控變量變化的因素都稱為干擾。(5)設定(給出)一個固定值的過程規(guī)定了由受控變量保持的值。(6)偏差應該是設定值和受控變量實際值之間的差值。然而，可以獲得的信息

5、是受控變量的測量值，而不是實際值。因此，設定值和測量值之間的差值通常被定義為控制系統(tǒng)中的偏差。，2020/6/25，化學儀器及其自動化控制課件，自動控制系統(tǒng)框圖，2020/6/25，反饋是一個過程，其中控制系統(tǒng)的輸出(即受控變量)通過測量返回到控制系統(tǒng)的輸入，并與設定值進行比較。負反饋：減少系統(tǒng)輸出的反饋類型；正反饋：增加系統(tǒng)輸出的反饋類型；工業(yè)控制系統(tǒng)一般應該是負反饋。2020/6/25，化學儀器及其自動化控制課件，閉環(huán)和開環(huán)，將閉環(huán)系統(tǒng)的輸出反饋給輸入并與設定值進行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)根據(jù)設定值和測量值之間的偏差進行控制，直到偏差消除。開環(huán)系統(tǒng)的輸出不反饋給輸入，致動器僅根據(jù)輸

6、入信號控制，這稱為開環(huán)系統(tǒng)。此時，系統(tǒng)的輸出與設定值和測量值之間的偏差無關。要實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)必須是閉環(huán)的。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反饋。2020年6月25日，化學儀器與自動化控制課件，第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類，(1)根據(jù)設定值的特性進行區(qū)分(即根據(jù)過程中被控變量的數(shù)值是否發(fā)生變化對控制系統(tǒng)進行分類):(1)定值控制系統(tǒng)：設定值是過程要求給定的常數(shù)，通常要求被控變量盡可能與設定值一致。2.隨動控制系統(tǒng)：設定值隨時間不斷變化(自動跟蹤系統(tǒng))，通常要求被控變量盡可能隨設定值變化。3.程序控制系統(tǒng)：可以理解，伺服控制設定點是一個已知的時間函數(shù)(順序控制系統(tǒng))，即生產技術指標根據(jù)一定的時間

7、程序而變化，2020/6/25，化學儀器及其自動化控制課件，(2)根據(jù)干擾補償方法，反饋，干擾F (t)控制變量調節(jié)器操作變量補償干擾，前饋，干擾f (t)變送器補償器操作變量補償干擾，前饋反饋，2020年6月25日， 化學儀器及其自動化控制課件，(3)根據(jù)控制系統(tǒng)的復雜性，簡單控制系統(tǒng)復雜控制系統(tǒng)，(4)根據(jù)控制變量的名稱，溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)，(5)根據(jù)調節(jié)規(guī)律，P、PI、PD、(6)根據(jù)被控變量對操作變量的影響，分為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如：反饋控制開環(huán)控制系統(tǒng)，如：前饋控制，2020年6月25日，化工儀表及其自動化控制課件，第四節(jié)過渡過程和質量指標，一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))和動態(tài)。 控制

8、系統(tǒng)的作用：盡可能使被控變量與設定值保持一致(或遵循因為沒有嚴格的干擾變化規(guī)律(否則不能稱之為干擾)，系統(tǒng)中的相關參數(shù)也隨時間變化。 靜態(tài)：受控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)(變化率為0，非靜態(tài))。如果控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，假設設定值和擾動保持不變，經過足夠長的時間后，控制系統(tǒng)中的參數(shù)將不可避免地達到“相對”平衡狀態(tài)，這在控制領域中稱為“靜態(tài)”，更稱為“穩(wěn)態(tài)”。在工業(yè)對象的設計過程中，需要從物質平衡、能量平衡、傳熱、傳質、化學反應速度和平衡等方面進行大量的計算。這些計算結果是設計的基礎，這部分屬于系統(tǒng)“靜態(tài)”特性的范疇。理論上，這些計算結果可以保證系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下運行(物質平衡、能量平衡等)。)。假設

9、在設計的蒸發(fā)系統(tǒng)中，由于電磁干擾，蒸汽壓力突然變化或某個測量信號發(fā)生變化，系統(tǒng)如何克服這些干擾，僅僅使用“靜態(tài)”的概念并不能很好地解決這些困難。2020/6/25，化學儀器與自動化控制課件，D如果系統(tǒng)處于相對平衡狀態(tài)(靜態(tài))，當擾動改變被控變量時，控制系統(tǒng)生效。調節(jié)器根據(jù)偏差及其變化改變調節(jié)器的輸出，然后通過致動器改變操縱變量，使受控變量返回到設定值。這種從擾動發(fā)生、系統(tǒng)控制到重新建立平衡的過程稱為“動態(tài)”。過程設計主要關注系統(tǒng)的“靜態(tài)”特性，自動控制基于“靜態(tài)”特性研究其“動態(tài)”特性如何使系統(tǒng)在失去平衡后回到平衡狀態(tài)。如何評價自動控制系統(tǒng)的質量？有必要分析“系統(tǒng)失穩(wěn)后能否恢復平衡”和“從失穩(wěn)

10、到恢復平衡”過程中的各項指標。2020年6月25日，化學儀器及其自動化控制課件，過渡過程：系統(tǒng)在受到干擾后失去穩(wěn)定性，被控變量在控制系統(tǒng)的作用下回到新的平衡狀態(tài)的過程。在分析和設計控制系統(tǒng)時，通常選擇階躍信號作為輸入。階躍干擾：在某一時刻，t0干擾以逐步的方式突然進入系統(tǒng)，并保持在這個幅度。階躍干擾具有突發(fā)性、危險性，對控制系統(tǒng)影響最大，在設計過程中容易產生階躍干擾。對于一個控制系統(tǒng)來說，如果它能有效地克服階躍干擾，它就一定能克服各種輕微變化的干擾。幾個典型的過渡過程：2?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程，2020年6月25日，化學儀器及其自動化控制課件，幾個典型的過渡過程：,X，X，一般不允許劃分開關值控

11、制回路，2020/6/25，化學儀器及其自動化控制課件，通常用來評價和討論一個控制系統(tǒng)的性能，其標準分為兩類：以響應曲線的形式給出系統(tǒng)經過階躍輸入后的情況。它主要包括：最大偏差(過沖)、振蕩周期(振蕩頻率)的衰減比剩余躍遷時間.以誤差性能指數(shù)的形式給出，它一般指對某一函數(shù)的偏差積分。它主要包括：平方誤差積分指數(shù)時間乘以平方誤差積分指數(shù)絕對誤差積分指數(shù)時間乘以絕對誤差積分指數(shù)。當這些值達到最小值時，系統(tǒng)在某種意義上是最優(yōu)系統(tǒng)。3.控制系統(tǒng)控制指標，2020年6月25日，化學儀器及其自動化控制課件，質量指標以階躍響應曲線的形式表示(與初始值有關，這里只分析變化量)，分為兩種情況：階躍干擾下的過渡過

12、程(固定設定值，加階躍干擾)定值系統(tǒng)，階躍給定作用下的過渡過程(設定值)2020/6/25，化學儀器及其自動化控制課件。 階躍干擾下的過渡過程定值系統(tǒng)(定值加階躍干擾)，最大偏差emax:衰減比n:剩余誤差e():過渡時間tp:振蕩周期：2020/6/25，化學儀器及其自動化，衰減率？剩下的區(qū)別呢？轉變時間？振蕩周期？n=1，恒幅振蕩，n 1，衰減振蕩和無振蕩，為了保持足夠的穩(wěn)定性，衰減比一般取為41至101；這種過渡過程不是最佳結果，但是操作者很容易掌握，并且通常期望該過程不會振蕩：這對于操作者來說不方便掌握。越小越好，越小越好，越小越好，越好，越好，越好，化學儀器及其自動化控制課件，202

13、0/6/25，固定因素：物體特性測量儀器特性執(zhí)行器特性補償因素：控制器特性，這是自動控制的主要研究內容。第四，影響控制指標的主要內容，2020/6盡量找出最大偏差、殘差、衰減比、振蕩周期和過渡時間(給定值為200)。1.最大偏差：a=230-200=30 2，剩余c=205-200=5 3，第一個峰值b=230-205=25，第二個峰值b=210-205=5衰減比n=。4.振蕩周期是同一方向上兩個峰值之間的時間間隔，因此周期t=20-5=15(分鐘)。5.轉換時間與受控變量的規(guī)定極限范圍相關。假設被控變量進入額定值的2%，可以認為過渡過程已經結束，因此極限范圍為200 (2%)=4。這時，新的

14、穩(wěn)態(tài)值(205)。因此，從圖中可以看出，轉變時間為22分鐘。2020/6/25，“化學儀器及其自動化控制課件”，第5節(jié)“工藝管道和儀器流程圖”(PID)，2020/6/25，“化學儀器及其自動化控制課件”，(1)圖形符號通常是從工藝設備輪廓線或工藝管道到儀器圓的連接線的起點，必要時也可以用象形圖或圖形符號表示，(2)一般儀器信號線用細實線表示。(3)圖形符號儀表符號是一個直徑約10毫米的細實線圓圈，安裝在本地，嵌入管道中，集中在儀表板上，安裝在集中儀表板后面，安裝在本地儀表板后面。在同一個檢測點有兩個或多個測量值，可以用兩個或多個切圓表示。注意管線和儀表流程圖的圖形符號與標準不完全一致。國內外、不同設計單位甚至不同設計師在某些方面有不同的標記習慣。一般來說，PID圖將帶有圖例。例如，在國內設計院，組合儀表很少以多圈相切的形式表示，而在國外則較為常見。2020/6/