第一章 自动控制系统基本概念

化工仪表及自动化化工与制药学院周冬菊[e-mail]你目的和意义在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，称为化工自动化。实现化工自动化的目的是：1.加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量。2.降低劳动强度，改善劳动成本。3.确保生产安全学习本课程的意义在于：扩大知识面，适应生产现代化需要；扩大就业途径。化工自动化的发展历程1950s~1960s基地式气动单元仪表，基地式电动单元仪表，膜片式仪表。为化工单元操作的发展提供了技术支撑。1970s~1980s单元组合Ⅱ型仪表：QDZⅡ，DDZⅡ1990s~单元组合Ⅲ型仪表：QDZⅢ，DDZⅢ本课程主要内容基本概念控制系统控制对象仪器仪表测量显示调节执行调节系统（简单系统、复杂系统）计算机控制系统（系统构成、接口与转换）主要参考书目1.化工仪表及自动化（第四版）厉玉鸣主编，化学工业出版社2.化工仪表及自动化习题集厉玉鸣主编，化学工业出版社3.化工过程控制工程（第二版）王骥程祝和云主编，化学工业出版社4.化工过程控制基础化学工业出版社第一章自动控制系统基本概念化工自动化的主要内容自动调节系统的组成及方块图自动调节系统的分类自动调节的过度过程和系统品质指标工艺管道及控制流程图第一节化工自动化的主要内容自动检测系统利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示和记录的。自动信号和连锁保护系统生产过程中的一种安全装置自动操纵与自动开停车系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动投入运行或自动特车自动控制系统使得某些关键性的控制参数在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内。第二节自动调节系统的组成要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器进料口执行器变送器调节器进料口执行器变送器控制站控制系统的4个基本环节：被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器几个常用术语：（1）被控对象需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。（3）控制变量（操纵变量）受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。（4）干扰（扰动）除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。（5）设（给）定值工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。自动控制系统方块图进料出料TCTT凝液蒸汽+给定值x测量值-z变送器ep调节作用调节器q被调参数y干扰作用f调节对象控制器控制器输出反馈是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。负反馈:反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型正反馈:反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型工业控制系统一般情况下都应为负反馈。闭环与开环闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差。调节器被控对象测量变送装置+－SP执行器开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。要实现自动控制，系统必须闭环。闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。第三节自动控制系统的分类（一）按设定值的特点区分（即将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量数值是否变化和如何变化来分类）：1、定值控制系统：设定值是由工艺要求给出的不变常数通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。2、随动控制系统：设定值随时间不断发生变化（自动跟踪系统）通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。3、程序控制系统：可以理解为随动控制设定值是一个已知时间函数（顺序控制系统）即生产技术指标按一定时间程序变化（二）按补偿干扰的方法分反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzeuqyf干扰f（t）被控变量调节器操作变量补偿干扰前馈前馈补偿器执行器对象传感器、变送器pqy干扰f干扰f（t）变送器补偿器操作变量补偿干扰前馈+反馈调节器执行器对象传感器、变送器+－SPxzey干扰f变送器前馈补偿器++（三）按控制系统的复杂程度区分简单控制系统复杂控制系统（四）按控制变量的名称区分温度控制系统压力控制系统……（五）按调节规律区分P、PI、PD、PID、预估控制……（六）按被控变量对操作变量的影响分闭环控制系统——如：反馈控制开环控制系统——如：前馈控制第四节过渡过程和品质指标一、控制系统的静态（稳态）与动态控制系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致（或随设定值一起变化），当被控变量受干扰影响而偏离设定值时，控制作用必须驱使它（被控变量）回到设定值。由于干扰没有严格的变化规律（否则也不能称之为干扰），因此系统中的有关参数也都是随时间变化的。静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。如果控制系统是稳定的，假设设定值和干扰都保持不变，经过足够长的时间，控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态，这种状态就是所谓的“静态”，在控制领域中更多的称之为“稳态”。在工业对象的设计过程中，需要从物料平衡、能量平衡、传热、传质、化学反应速度与平衡等方面进行大量的计算，这些计算结果就是设计的依据，这部分内容就属于系统“静态”特性的范畴。从理论上讲，这些计算结果能保证系统运行在平衡状态（物料平衡、能量平衡等），设想设计蒸发系统中蒸汽压力突然发生变化或某个测量信号受到电磁干扰而发生变化，系统用何种方式来克服这些干扰，仅用“静态”的概念就不能很好地解决这些困难。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性――当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。如何来评价自控系统的质量？必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。在分析和设计控制系统时，往往选定阶跃信号作为输入。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、设计过程容易产生阶跃干扰。对于一个控制系统，如果能有效克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。几种典型的过渡过程：二、控制系统的过渡过程几种典型的过渡过程：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程单调发散过程√√？XX一般是不允许的除开关量控制回路通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：·以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差（超调量）、衰减比余差过渡时间振荡周期（振荡频率）……·以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。★三、控制系统的控制指标以阶跃响应曲线的形式表示的品质指标（和初值有关，这里只分析变化量）分两种情况：t()yt0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统t()ytSp0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统t()yt0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值最大偏差emax：maxeBC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()()eCy过渡时间tp：3ptt振荡周期：21tt阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统超调量σ：/*100%BC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()e过渡时间tp：3ptt振荡周期：21ttt()ytSp0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值自动控制系统希望的结果：•最大偏差（超调量）？•衰减比？•余差？•过渡时间？•振荡周期？•n＝1等幅振荡n＜1发散振荡n＞1衰减振荡不振荡•为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程•不振荡：不便于操作人员掌握。答：越小越好答：越小越好答：越小越好答：断好固定因素：对象特性测量仪表特性执行器特性补偿因素：控制器特性——这是自动控制的主要研究内容四、影响控制指标的主要内容例某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃第二个波峰值B’＝210—205＝5℃衰减比n＝25：5＝5：l。4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min)5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。第五节工艺管道、仪表流程图（P&ID）(1)图形符号——检测点一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点必要时也可以用象形或图形符号表示(2)图形符号——连线通用的仪表信号线均以细实线表示(3)图形符号——仪表符号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm就地安装仪表就地安装仪表嵌在管道中集中仪表盘面安装仪表就地仪表盘面安装仪表集中仪表盘后安装仪表就地仪表盘后安装仪表同一个检测点，有两个或多个测量，可用两个或多个相切的圆表示ATTENTION管道、仪表流程图的图形符号不是完全标准一致的，国内与国外、不同设计单位之间、甚至不同设计人员之间，有些方面会有不同的标注习惯，一般来说P&ID图会有图例给出。例如，国内设计院一般较少用多个圆相切的形式来表示复合仪表，而国外则更常见。仪表符号除了图形之外，圆圈之中还应有一串有字母和数字组成的代号称为“仪表位号”。例如：PIC－207TRC－210……(4)字母代号字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能PIC－207压力指示控制(5)数字代号数字编号写在圆圈的下半部第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。第2工段仪表序号为07本章作业：P156，8，9，11，14，21，22