1、化工儀表及自動(dòng)化,第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念,內(nèi)容提要,化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成 自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示形式 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 控制系統(tǒng)的過渡過程 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素,1,第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容,1. 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 2. 自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 3. 自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng) 4. 自動(dòng)控制系統(tǒng),3,當(dāng)工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)地發(fā)出聲光信號(hào)，告誡操作人員注意，并及時(shí)采取措施。如工況已到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即

2、自動(dòng)采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時(shí)緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。,自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)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(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。,在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,4,圖1-2 液位人工控制,圖1-3 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖,人工操作與自動(dòng)控制比較圖,一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,5,組 成,自動(dòng)化裝置,被控對(duì)象,測(cè)量元件與

3、變送器,自動(dòng)控制器,執(zhí)行器,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,1.方框圖 在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成。,6,二、自動(dòng)控制的表示形式,帶有輸入輸出信號(hào)的方框,比較點(diǎn),分支點(diǎn),圖1.4 方框的組成單元示意圖,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,下頁圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方框圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方框之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方框表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方框表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。,6,二、自動(dòng)控制的表示形式,方框圖中， x 指設(shè)定值；z

4、指輸出信號(hào)；e 指偏差信號(hào)；p 指發(fā)出信號(hào)；q 指出料流量信號(hào)；y 指被控變量；f 指擾動(dòng)作用。當(dāng)x 取正值，z取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反饋。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,液位自動(dòng)控制的方框圖,圖1-5液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖,7,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方框圖可以代表不同的控制系統(tǒng),圖1-6 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng),當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。,這個(gè)控制

5、系統(tǒng)同樣可以用上頁中的方框圖表示,8,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,注意！方框圖中的每一個(gè)方框都代表一個(gè)具體的裝置。,9,方框與方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表方框之間的物料聯(lián)系。方框之間連接線的箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。 工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而方框圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。 自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,小結(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)反

6、饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。,10,圖1-7 自動(dòng)操縱系統(tǒng)方框圖,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,小結(jié),11,2.管道及儀表流程圖,管道及儀表流程圖（PID Piping and Instrumention diagram）是自控設(shè)計(jì)的文字代號(hào)、圖形符號(hào)在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工中采用的一種圖示形式。管道及儀表流程圖在工藝流程圖的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標(biāo)出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與連鎖保護(hù)系統(tǒng)等。在控制方案確定以后，由工藝人員和自控人員共同研究繪制。,33,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,34,圖1-

7、8脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例,左圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖,舉例,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,（1）圖形符號(hào) 測(cè)量點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）,35,檢試點(diǎn)是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)，一般無特定的圖形符號(hào)，如下圖所示。必要時(shí)，檢測(cè)元件也可以用象形或圖形符號(hào)表示。,圖1-9 測(cè)試點(diǎn)的一般表示方法,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,連接線,36,通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示。連接線表示交叉及相接時(shí)，采用下圖的形式。必要時(shí)也可用加箭頭的方式表示信號(hào)的方向。在需要時(shí)，信號(hào)線也可按氣信號(hào)、電信號(hào)、導(dǎo)壓毛細(xì)管等采用不同的表示方

8、式以示區(qū)別。,圖1-10 聯(lián)系線的表示法,工藝管道及控制流程圖,儀表（包括檢測(cè)、顯示、控制）的圖形符號(hào) 儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對(duì)于不同的儀表安裝位置的圖形符號(hào)如下表所示。,37,工藝管道及控制流程圖,38,表1-1 儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示,工藝管道及控制流程圖,39,對(duì)于處理兩個(gè)或兩個(gè)以上被測(cè)變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時(shí)，可用兩個(gè)相切的圓或分別用細(xì)實(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測(cè)量點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。,圖1-11 復(fù)式儀表的表示法,工藝管道及控制流程圖,（2）字母代號(hào),在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（

9、或兩位以上）字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號(hào)見下表。,40,表1-2 被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào),41,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,42,舉例,以脫乙烷塔控制流程圖，來說明如何以字母代號(hào)的組合來表示被測(cè)變量和儀表功能。,塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測(cè)變量為壓力，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的組合就表示一臺(tái)具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩(wěn)定的。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,回流罐液位控制系統(tǒng)中的LIC-201是一臺(tái)具有指示

10、功能的液位控制器，它是通過改變進(jìn)入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩(wěn)定的。 塔下部的溫度控制系統(tǒng)中的TRC-210表示一臺(tái)具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進(jìn)入再沸器的加熱蒸汽量來維持塔底溫度恒定的。,塔底的液位控制系統(tǒng)中的LICA-202代表一臺(tái)具有指示、報(bào)警功能的液位控制器，它是通過改變塔底采出量來維持塔釜液位穩(wěn)定的。,43,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式,（3）儀表位號(hào),44,儀表位號(hào)是由字母代號(hào)組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)兩部分組成。阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號(hào)。,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,幾種分類方法 按被控變

11、量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)； 按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)； 將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。,12,其中第三種分類方法最普遍,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,“定值” 是恒定給定值的簡(jiǎn)稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。,13,1.定值控制方法,2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）,給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝

12、參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。,第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）,給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。,14,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài),15,自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。,靜態(tài)被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)

13、，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。,16,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),17,動(dòng)態(tài)被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài) 。,從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。,結(jié)論：在自動(dòng)化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在

14、工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),二、控制系統(tǒng)的過渡過程 系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。,18,當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。,舉例,圖1-12 控制系統(tǒng)方框圖,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。 在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。,19,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過

15、渡過程和品質(zhì)指標(biāo),采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)： 這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。 這種干擾的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。,圖1-13 階躍干擾作用,20,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式,21,非周期衰減過程,衰減震蕩過程,等幅震蕩過程,發(fā)散震蕩過程,X,？,對(duì)于控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時(shí)），才可采用。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 控制

16、系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。,22,圖1-15 過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖,假定自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程,多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),23,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一,1. 最大偏差或超調(diào)量,最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。 超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程

17、度。,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),2. 衰減比 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。,五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二,24,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三 3. 余差 當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。,25,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四 4. 過渡時(shí)間 從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)

18、止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。,26,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五 5.震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。,27,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),28,某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間（給定值為200）。,舉例,圖1-16 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線,第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo),解