仪表及自动化-自动控制系统基本概念课件.ppt

1、仪表及自动化自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 内容提要 化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程和品质指标 控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统的品质指标 影响控制系统过渡过程品质的主要因素内容提要 工艺管道及控制流程图 图形符号 字母代号 仪表位号第一节 化工自动化的主要内容 1.自动检测系统 2.自动信号和联锁保护系统 3.自动操纵及自动开停车系统 4.自动控制系统利用各种检测仪表对主要工艺参利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作为自动检测

2、系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。录，起到人的眼睛的作用。图1-1 热交换器自动检测系统示意图当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发

3、生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对自动操纵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。自动开停车系统生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。投入运行或自动停车。在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。内。第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 图

4、1-2 人工操作图图1-3 液位自动控制系统图n人工操作与自动控制比较图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制系统的组成组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，

5、箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。n液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 方块图中，x 指设定值；z 指输出信号（测量值）；e 指偏差信号（比较值）；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。n液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图图1-4 液位自动控制系统方块图第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 其他控制系统 用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统图1-5 蒸汽加热器温度控制系统 当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量

6、后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。这个控制系统同样可这个控制系统同样可以用以用上页中上页中的方块图的方块图表示表示第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。n方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。n自动控制系统是一个闭环系统第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 小

7、结 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。举例举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 小结开环系统：开环系统：自动机在操作时，自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发运转。这时被控变量如果发生了变化，自动

8、机不会自动生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭环系统：闭环系统：有针对性有针对性地根据被控变量的变地根据被控变量的变化情况而改变控制作化情况而改变控制作用的大小和方向，从用的大小和方向，从而使系统的工作状态而使系统的工作状态始终等于或接近于所始终等于或接近于所希望的状态。希望的状态。第三节 自动控制系统的分类 几种分类方法 按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来

9、分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍第三节 自动控制系统的分类 “定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。第三节 自动控制系统的分类3.3.程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统）这种系统的给定量是按照一定的时间函数变化的。程序控制系统的组成项目：开关信号、输入回路、程序控制器、输出回

10、路和执行机构等组成部分第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态自动控制目的：自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。静态静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为为0，不是静止）。，不是静止）。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种

11、相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在

12、工艺生产所要求控制的技术指标上。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 二、控制系统的过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例举例图1-7 控制系统方块图第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 采用阶

13、跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。图1-8 阶跃干扰作用第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对于控制质量要求不对于控制质量要求不高的场合，如果被控高的场合，如果被控变量允许在工艺许可变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要的范围内振荡（主要指在位式控制

14、时），指在位式控制时），才可采用。才可采用。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 三、控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。图1-10 过渡过程品质指标示意图 假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 1.最大偏差或超调量最大偏差或超调量 最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。超调量也可以用来表示被控变量偏离给定值的程度。五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一第四节 自动控制系统的过渡过

15、程和品质指标 2.衰减比 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 五种重要品质指标之三3.余差 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 五种重要品质指标之四4.过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在

16、稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为）。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 五种重要品质指标之五5.震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。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）。举例举例图1-11

17、 温度控制系统过渡过程曲线第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 解解:最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，由图上可以看出，第一个波峰值第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值BB21021020520555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 分析 过渡时间与规定的被控变量

18、限制范围大小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有关，假定被控变量进入额定值的2 2，就可，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200200（2 2）44，这时，可在新稳态值，这时，可在新稳态值（205205）两侧以宽度为）两侧以宽度为画一区域，上图画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进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，过渡时间已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为为22min22mi

19、n。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 一个自动控制系统可以概括成两大部分，即一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部工艺过程部分（被控对象）分（被控对象）和和自动化装置部分自动化装置部分。前者指与该自动控制系。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。等三部分。第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的对于一个自动控制系统，过

20、渡过程品质的好坏好坏，在很大程度上在很大程度上决定于对象的性质决定于对象的性质。例如在前所述的温度控。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。第五节 工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控

21、制流程图（PID图）。第五节 工艺管道及控制流程图图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例右图是乙烯生产过右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程艺管道及控制流程图图 举例举例第五节 工艺管道及控制流程图 一、图形符号 1.测试点（包括检出元件、取样点）测试点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，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。图1-13 测试点的一般表示方法第五节 工艺管道及控制流程图 2.连接线 通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号

22、的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。图1-14 联系线的表示法第五节 工艺管道及控制流程图3.仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。第五节 工艺管道及控制流程图序序号号安装位安装位置置图形符号图形符号备注备注序序号号安装位置安装位置图形符图形符号号备注备注1就地安就地安装仪表装仪表嵌在管道嵌在管道中中4集中仪表集中仪表盘后安装盘后安装仪表仪表2集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 5就地仪表就地仪表盘后安装盘后安装仪表仪表3就地仪就地仪表盘面表盘面

23、安装仪安装仪表表表1-1 仪表安装位置的图形符号表第五节 工艺管道及控制流程图 二、字母代号 在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比（分数）比（分数

24、）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、执行或未分类的终端执行机构表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号第五节 工艺管道及控制流程图举例举例以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。的组合来表示被测变量和仪表功能。塔顶的压力控制系统塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第

25、一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。第五节 工艺管道及控制流程图 回流罐液位控制系统回流罐液位控制系统中的LIC-201是一台具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。塔下部的温度控制系统塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。塔底的液位控制系统塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位

26、控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。第五节 工艺管道及控制流程图 三、仪表位号 仪表位号仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。举例举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为06。反馈又称回馈，是控制论的基本概念，指将系统反馈又称回馈，是控制论的基本概念，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。系统功能的过程。反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。对负反馈的研究是控制论的核心问题。对负反馈的研究是控制论的核心问题。反馈反馈返回返回