自动控制系统设计概论

自动控制系统设计概论主讲：李现明山东大学控制学院自动化系一、自动化专业在现代工业生产中的地位与作用现代工业生产的特点：“大机器、大工业”——摘自共产党宣言现代工业生产的主要技术专业：能源动力类、工艺类、设备类、信息与控制类自动化专业：以自动控制理论为理论基础，以电工技术、电子技术（微电子技术、电力电子技术）、传感器技术、计算机技术为主要技术手段，以实现生产系统的运动控制和过程控制为主要目的。校正装置：控制器，其算法依靠自动控制理论，其实现依靠电子技术、微机放大装置：电力电子技术（形象举例：打铁）执行机构：电机与拖动测量装置：传感器给定装置：取决于工艺，由工艺类专业给出被控对象：是生产的主体设备，设备类专业给出培养目标：自动控制系统的设计、制造、使用（含调试、运行、维修）培养方法：技术基础课、专业基础课给出各个单元的基本知识；专业课《自动控制系统》以一个典型的控制系统为例，将各个单元综合在一起；生产实习环节提供几个典型的自动控制系统，这是他人的设计结果，“它山之石，可以攻玉”；（没吃过猪肉，先看看猪跑）毕业设计：教师指导下的独立设计（师傅领进门，修行在个人）二、自动控制系统设计的主要内容1方案设计：所定方案要保证系统具有符合要求安全性、稳定性、经济性和静态、动态特性。正确选择被控参数和施控参数是关键；2技术设计：含仪表系列选型；计算机系统选型；传感器选型；执行器选型；各种零配件选型；控制室仪表盘及操作台设计；计算机控制软件及组态设计；超限报警和连锁保护系统设计；3参数整定：在设计过程中对各控制器的PID参数做出初步整定（可借助数字仿真）；投运使在现场进一步做出整定。三、自动控制系统的工程设计流程1设计任务书是自动控制系统设计、评价的主要依据。要明确（1）被控对象特征和工艺流程：熟悉被控对象及其工艺流程是设计自动控制系统的前提。（2）主要工艺参数及指标要求：影响产品质量和生产效率的因素往往很多，要抓主要矛盾。“牵牛要牵牛鼻子”，应该通过控制牛的鼻子去控制一头牛，而不是牛角、牛尾、牛脚等其他部位。主要控制参数及其指标不同，控制方案也不相同。（3）系统运行环境：温度、湿度、电磁干扰环境、粉尘、噪音、电网波动、静电场等。（4）特殊工艺要求：例如化工生产中的防火、防暴；客梯的故障自锁；大部分冶金、化工、电力生产的控制系统都要求配置安全热备系统。（5）系统设计目标：在决定性能指标时，要在性能、造价、复杂度、可靠性、可扩展性、可维护性等诸多因素约束中找到最佳平衡点。2初步设计（1）系统方案选择：诸多约束下的最佳平衡点。（2）系统结构的确定：（3）主要设备和装置的选择：（4）性能价格比评价：3详细设计：（1）系统功能块划分：合理划分功能块，有利于并行设计。（2）硬件设计：（3）软件设计：（4）辅助系统设计：例如保护系统、热备系统等。热备系统是自动控制系统中的“战略预备队”。（5）系统离线调试与评价：即实验室调试与评价。4现场安装调试：（1）系统现场安装：（2）现场调试：（3）在线测试：（4）系统最终评价：5资料归档（1）设计图纸（2）评价结果（3）编写使用说明书（4）设计完成确认书：由用户给出三、自动控制系统设计的标准老体制设计标准：奠定了一整套常规仪表自动控制系统设计标准。组成CD50A2-84:《化工工厂自控设计施工图内容深度统一规定》（原化学工业部颁布）HG20506-92:《自控专业施工图设计内容深度规定》HG/T20573-95:《分散型控制系统工程设计规定》新体制设计标准：为DCS系统奠定了一整套设计标准HG/T20636-20639:《化工装置自控工程设计规定》（1）HG/T20636：《自控专业设计管理规定》，包括十项文件自控专业的职责范围；自控专业与工艺、系统专业的设计条件关系；自控专业与管道专业的设计分工；自控专业与电气专业的设计分工；自控专业与电信、机泵及安全（消防）专业的设计分工；自控专业工程设计的任务；自控专业工程设计的程序；自控专业工程设计质量保证程序；自控专业工程设计文件的校审提要；自控专业工程设计文件的控制程序；（2）HG/T20637：《自控专业工程设计文件的编制规定》，包括8项文件自控专业工程设计文件的组成和编制；自控专业工程设计用图形符号和文字代号；仪表设计规定的编制；仪表施工安装要求的编制；仪表采购单的编制；仪表技术说明书的编制；仪表安装材料的统计；仪表辅助设备及电缆、管缆的编号；(3)HG/T20638:《自控专业工程设计文件深度的规定》（4）HG/T20639:《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》，含3项文件自控专业工程设计用表格；自控专业工程设计用典型条件表；自控专业工程设计用标准目录；四、自控工程设计的分段和内容按国际通用设计体制，自控工程设计分为基础工程设计和详细工程设计两个阶段。1基础工程设计阶段要进行以下A、B、C、D四版的设计（1）A版：初版。内容基础设计说明书和初步设计说明书；初步设计的仪表清单、控制室平面布置图、仪表盘正面布置图、初步询价说明书；工艺控制流程图；DCS系统配置图；初步管道仪表流程图；设计条件说明书；（2）B（内部审查版）、C（用户审查版）、D（确认版）内容设计开工技术准备说明书；仪表设计规定；设计计划；初步管道仪表流程图的B、C、D版；设计条件说明书；分包项目设计要求说明书；工程设计文件；2详细工程设计阶段要依次进行E(研究版)、F（设计版）、G（施工版）设计(1)E版内容仪表索引仪表数据表仪表盘布置图控制室布置图DCS系统配置图（初步）仪表回路图连锁系统逻辑图、时序图仪表供电系统图仪表电缆桥架布置总图DCSI/O表主要仪表技术说明书DCS技术规格书仪表采购单（2）F、E版内容若是常规仪表设计设计文件目录仪表设计规定仪表技术说明书仪表施工安装要求仪表索引仪表数据表报警连锁设定值表电流表管缆表铭牌表仪表拌热绝热表仪表空气分配器表仪表安装材料表控制室内电缆表电缆分配表联锁系统逻辑图顺序控制系统时序图继电器联锁原理图仪表回路图控制室布置图仪表盘布置图闪光报警器灯瓶布置图半模拟仪表布置图继电器箱布置图端子配线图半模拟盘配线图仪表供电系统图供电箱接线图仪表穿板接线图控制室电缆管缆布置图仪表布置图仪表电缆桥架布置总图仪表电缆管缆及桥架布置图现场仪表配线图仪表空气管道配线图或系统图仪表接地系统图仪表安装图若使用DCS，则F、G版包括设计文件目录DCSI/O表联锁系统逻辑图仪表回路图控制室布置图端子配线图仪表接地系统图DCS监控数据表DCS系统配置图端子（安全栅）布置图工艺流程显示图DCS操作组分配表DCS趋势组分配表DCS生产报表其它必要文件针对所选的具体型号的DCS，在具体的设计文件中要包括所有部分的说明书、图表。五、自控系统的安全规则自控设计和仪表选型中必须考虑有关防火、防爆、接地、隔离、保温、拌热等问题1防爆电器的分类、分级、温度分组煤矿井下使用的为Ι类防爆电器工厂使用的电器为ΙΙ类防爆电器分类标准中使用了最小点燃电流比指标MICR,指各种被测气体或蒸汽的最小点燃电流与实验室条件下甲烷的最小点燃电流之比ⅡA级防爆电器,MICR0.8;ⅡB级防爆电器0.45≦MICR≦0.8;ⅡC级防爆电器MICR0.45;2防爆电器设备的类型隔爆型（电器设备的标志为d）将电器设备的带电部件放在特制的外壳内，该外壳具有将壳内电器部件产生的火花和电弧与壳外爆炸性混合物隔离开的作用，并能承受进入壳内的爆炸性混合物被壳内电器设备的火花、电弧引爆时所产生的爆炸压力，而外壳不被破坏；同时能防止壳内爆炸生成物向壳外爆炸性混合物传爆，不会引起壳外爆炸性混合物燃烧和爆炸。这种特殊的外壳称为“隔爆外壳”。具有隔爆外壳的电器设备称为“隔爆型电器设备”。隔爆型电器设备广泛用于煤矿井下等不爆炸性环境工作场所。增安型（电器设备的标志为e）对于那些在正常条件下不会产生电弧、火花和危险温度的矿用电器设备，为了提高其安全程度，在设备的结构、制造工艺等方面采取一系列措施，从而避免了设备在运行和过载条件下产生火花、电弧和危险温度，实现了电器防爆。本安型（电器设备的标志为ia或ib）通过电气原理限制电器的电流、功率，达到在正常工作或发生故障时能够避免火化、高温或电弧引爆正压型充油型充沙型无火花型特殊型逆变焊接电源主讲：李现明1电焊机在我国装备制造业中的重要性装备制造业是为国民经济发展提供技术装备的基础性产业，大力振兴装备制造业是贯彻落实科学发展观、走新型工业化道路、提高国际竞争力、实现国民经济全面协调可持续发展的战略举措。焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。国民经济的诸多行业都需要大量高性能、高品质的电焊机。目前，钢材是最主要的结构材料。钢材必须经过加工才能成为具有给定功能的产品。由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高，以及市场反应速度快等优点，所以焊接结构的应用日益增多。电焊机则是保证高质量焊接首要的必备条件。我国钢材总产量达到2亿多T，实际钢消耗量是3亿1千万T，几乎占到全世界钢材消耗量的1／3，成为世界上最大的钢材生产国和消费国。这为我国电焊机事业的发展提供了很大的空间。长江三峡水利枢纽工程，其水电站的水轮机转轮直径为10.7m，高5.4m，重达440t，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮。三峡水电站的电动机定子座和蜗壳的结构也是巨大的，其中电动机定子座直径为22m，高6m，重832t，是在我国焊接的最大钢结构机座；蜗壳进水直径为12.4m，总重量750t，为世界最大、最重的焊接蜗壳。西气东输工程的天然气管线，全长4300km，其中涉及到大量的螺旋管焊接和直缝管焊接。这是我国铺设的第一条高强度钢的长距离管线，并且在铺设中大量使用了自动化焊接设备。“世界第一拱桥”——上海卢浦大桥，全长3900m，跨度550m，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥，用3.4万T厚度为30-lOOmm的细晶粒钢焊接而成。上海的金茂大厦，采用焊接钢结构框架，共有88层，高420m。我国造船的总吨位从1985年的每年5O万t，提高到2002年的463万t，成为世界第三造船大国。这是在造船行业中大力推广先进、高效焊接设备的结果。“神舟”载人飞船和长征系列运载火箭的燃料箱，都是全焊接的铝合金结构。奥太公司之所以有如此大的成就，原因之一是因为选择了一个富有发展潜力、自动化专业能够唱主角的好产品。2电焊机行业生产发展方向逆变式弧焊机是一种电力电子技术与焊接技术相结合的高科技产品，具有良好的电气性能和焊接工艺性能，是目前国际上公认的最先进的电焊机。①控制性能优异，容易实现焊机智能化。②动载好，焊接工艺性优良。③重量轻，体积小。④效率高、功率因数高。⑤引弧性能好，可实现贫飞溅或无飞溅。⑥焊接速度快。⑦功能多，且转换方便。电焊机产品将逐步走向数字化。数字化焊接电源可以实现焊接电压、电流波形快速检测并计算短路过渡特征参数，进行自适应最优控制，用现代控制理论算法使特征参数和焊接规范始终调节于最佳范围内，使焊接电弧处于稳定、动态性能最佳的工作状态。对短路过渡电流波形的上升时间、燃弧时间，下降时间及各时段的电流峰值进行精确控制，以达到进一步减小焊接飞溅、改善焊接性能及焊接质量的目的。数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。数字化焊接电源的不断发展将推动整体焊接技术的进步，将促使焊接技术向着焊接工艺高效化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展。3ZX7系列逆变式直流弧焊机原理4．1逆变器及逆变式弧焊电源逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器。一般是将三相工频(50Hz)交流网路电压，先经输入整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件(晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管M