自动控制系统基本概念课件.ppt

化工仪表及自动化 电子课件-1,第一章 自动控制系统 基本概念,化学与环境工程学院化工与制药教研室,第一章 自动控制系统基本概念,1、掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系。2、理解自动控制系统中常用的各种术语，掌握方块图的意义及画法。3、了解控制系统的几种分类形式，掌握系统的动态与静态。4、掌握闭环控制系统在阶跃干扰(扰动)作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。5、熟悉管道及控制流程图上常用符号的意义。,本章基本要求：,完成“了解”生产过程进行的情况。 利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录，代替操作人员的观察与记录，起到人眼的作用。,1.1 化工自动化的主要内容,1、自动检测系统,在工艺条件进入某种极限状态时， 采取安全措施，以避免生产事故的发生。,2、自动信号和连锁保护系统（自动保护和报警）,自动操纵系统：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：按照预先设好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。 举例：合成氨造气车间的煤气发生炉，要求按照吹风、上吹、下吹制气、吹净等步骤周期性接通空气和水蒸，利用自动操纵机可极大减轻操作工的重复性体力劳动。,3、自动操纵及自动开停车系统,自动排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。自动生产中的核心，本课程了解和学习的重点。,4、自动控制系统（自动调节）,1.2 自动控制系统的基本组成及方块图,为保证贮罐里液体不溢出或抽空，可选取玻璃管液位计指示值的中间某一点为正常工作液位，然后通过改变阀门开度来维持液位高度。,1、手工操作：,检测（观察）： 眼睛神经系统大脑 （测量）运算（思考）、命令： 大脑思考比较得出偏差发出指令 （求偏差）执行： 大脑命令神经系统手阀门开度 （操纵、纠正偏差）,2、人工控制三步骤（眼-脑-手）：,3、用自动化装置来代替人的三个部分,图1-3 液位自动控制系统,（1）测量元件与变送器（眼） 测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、统一的输出信号(气压信号或电压、电流信号等)。,自动化装置组成（“眼-脑-手”）,模拟人眼,（2）自动调节器（脑） 接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的液位高度相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号(气压或电流)发送出去。,模拟人脑,（3）执行器（手） 通常指控制阀，它与普通阀门功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。,模拟人手,定义：在自动控制系统中，需要控制其工艺参数的生产设备或机器，简称对象。简单对象：化工生产中的各种塔器、反应器、换热器、泵和压缩机及各种容器、贮槽，或一段输气管道等。 复杂对象：如精馏塔、吸收塔等，在一个设备上可能有多个控制系统。,4、对 象,5、自动控制系统的方块图表示,在研究自动控制系统时，常常用方块图来表示控制系统的组成。 每一个方块都代表一个具体的装置。,方块图表示,测量值,-,z,测量变送器,调节器,对象,控制器,图1-4 液位自动控制系统方块图,被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。（何谓对象？简单对象和复杂对象？）被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值：被控变量的预定值。偏 差：被控变量的设定值与实际值之差。,方框图中常用的几个术语：,方块具体的装置（“环节”）；带箭头的线信号联系；线旁字母相互作用的信号。贮槽“对象” , 液位被控变量“y”,干扰作用“f”。控制液位，需由控制流量来实现，于是液位信号由测量变送器测得“z”，“z”与给定值比较，得偏差信号“e”（exz），并送往控制器。图中用“”(比较机构)表示。操纵变量”q”（由控制器输出控制信号“p” ，驱动控制阀动作）。,图1-4的说明：,同一形式的方块图可代表不同控制系统。对蒸汽加热器温度控制系统（图1-5），其方块图仍然可以用图1-4所示的方框图来表示。,图1-5 蒸汽加热器稳定控制系统的工艺流程图,被控对象-“加热器”；被控变量“y”出口物料温度；干扰作用进料流量和温度的变化、加热蒸汽的压力变化、传热系数和环境温度变化等。,自控系统是一个闭环系统，即任何一个信号，经过若干环节后，一定回到起点。反馈：把系统的输出信号直接或经过一些环节重新返回道输入端的做法。反馈信号为“+”，使信号加强，叫正反馈，反之叫负反馈。一般控制系统不单独采用正反馈。自动控制系统和自动检测系统及自动操纵系统的本质区别是：前者有负反馈。自动控制系统具有被控变量负反馈的闭环系统。,自动控制系统特点-负反馈,1.3 自动控制系统的分类,1、按被控变 量来分,2、按控制器控制规律分,3、按信号种类分类,4、按基本结构 形式来分,开环自动控制系统闭环自动控制系统,（1）开环自动控制：控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。信号传递关系未构成闭合回路。（2）闭环自动控制：控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系。,图1-5中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向、调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物料出口温度回到设定值上。,图1-5 蒸汽加热器稳定控制系统的工艺流程图,例：蒸气加热温度控制系统（闭环）,测量变送器,控制阀,对象,温度控制器,图1-5 蒸气加热温度控制系统方框图,可以看出：操纵变量(蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。,5、按被控变量给定值是否变化和如何变化来分：,定值控制系统：恒定给定值，如温度控制和液位控制系统， 化工过程均属定值控制。 随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值是跟随另外一个 参数而变化的，是随机、不确定的。其目的就是使所控制的 工艺参数准确而快速地随给定值变化而变化。 如电视台的天线接收系统、化工中的某些比值控制系统。 程序控制系统（顺序控制系统）：给定值按一个已知的时 间函数而变化。,被控变量不随时间而变化的平衡状态。 自动控制系统的输入(设定值和干扰)及输出(被控变量)都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。 静态反映的是相对平衡状态。,1.4 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,1、静态,被控变量随时间而变化的不平衡状态。 当一个原处于相对平衡的系统，受扰动作用影响，其平衡状态受到破坏，控制器就会产生相应控制作用，力图恢复平衡。 从扰动发生，经控制直到系统重新建立平衡，在这段时间中整个系统都处于变动状态中。,2、动态,3、为什么研究动态比研究静态更有意义? 在生产过程中，干扰是客观存在、不可避免的。这就需通过控制装置不断施加控制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在规定的技术指标上，以满足过程控制要求。 一个正常工作的自动控制系统，时刻受到扰动的频繁作用，总是处在一种频繁的、不间断的动态过程中。,二、自动控制系统的过渡过程：,1、过渡过程： 由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。2、控制系统研究中典型的输入信号形式： 阶跃函数、斜坡(速度)函数、 抛物线(加速度)函数、脉冲函数等。,（1）阶跃函数： 电源的突然接通，负荷的突然变化，以及其它突变形式 的信号均可视为阶跃函数。 阶跃幅值A1：单位阶跃函数,阶跃函数,数学表达式,（2）斜坡函数： 一切等速变化的信号，如恒电流充电的电容器两端的电压信号，等速升温的温度信号等均可视为斜坡函数。 Al：单位斜坡函数。,斜坡函数,数学表达式,（3）抛物线函数： 一切等加速变化的信号均属抛物线函数。 加速度A1：单位抛物线函数,抛物线函数,数学表达式,（4）单位脉冲函数： 宽度为，高度为1/的矩形脉冲。 (趋于0时-单位脉冲函数)。 理想单位脉冲函数实际上不存在，但在控制理论中却是一个重要数学工具。,单位脉冲函数,数学表达式,阶跃信号具有突发性，且持续时间较长，对被控变量的影响较大。 数学形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。 若一个控制系统能有效克服这种扰动的影响，那么对于其他较缓和扰动也一定能取得好的校正效果。,3、自动控制系统常用阶跃信号作为系统的输入信号？,4、自动控制系统的过渡过程,（1）非周期衰减过程（非振荡衰减过程） 当系统受扰动作用后，被控变量在给定值的某侧作缓慢变化，没有上下波动，经一段时间最终能稳定下来。（仅在生产不允许有波动时采用）,（2）衰减振荡过程： 当系统受扰动作用后，被控变量上下波动，最后稳定在某一数值上，能较快达到稳定状态(首选)。,（3）等幅振荡过程： 当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。,（4）发散振荡过程： 当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大、偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。,（5）非振荡发散过程： 当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧作非振荡变化、且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。,5、哪些过渡过程能满足基本控制要求？,在上述五种过渡过程形式中，非周期衰减过程（但进程过于缓慢）和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。 衰减振荡过程：最佳。,6、自动控制系统的品质指标,控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。 以常见的衰减振荡过程来讨论：,最大偏差：A；衰减比：(A- C)/B； 4:110:1余差：C；过渡时间：t；振荡周期：T。,图1-10 过渡过程品质指标示意图,衰减振荡过程的品质指标主要有： 最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)。（1）最大偏差A： 过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。 被控变量偏离设定值的程度，其值愈大，被控变量偏离设定值越远，对于工艺条件要求较高的生产过程十分不利。,注：最大偏差与超调量：BAC。 即B是第一个峰值A和新稳定值C之差， 若系统的新稳定值等于给定值，则A=B。,（2）衰减比（nB:B） 过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。 n越大，系统越稳定。 若n1, 衰减振荡； 若nl，接近于等幅振荡； 若nl，发散振荡； 当n时，接近非振荡衰减过程。 据实际操作经验，常取n410为宜。,（3）余差C ： 过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。 余差是一个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，一般希望它为0或在一预定的允许范围内。,（4）过渡时间t： 受扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。 实际规定,只要被控变量进入新稳态值的士5(或土2) 范围内且不再越出时为止所经历的时间。 过渡时间短，系统恢复稳定快；过渡时间长，则稳定慢。 t愈短愈好。,（5）振荡周期(或频率)： 过渡过程同向两波峰或波谷之间的间隔时间。 其倒数为振荡频率。 衰减比相同，周期与过渡时间成正比。 一般希望振荡周期短些好。,控制系统的品质指标,最大偏差：A；衰减比： (A- C)/B=4:110:1余差：C；过渡时间：t；振荡周期：T。,1.5 工艺管道及控制流程图,一、工艺管道及控制流程图的设计过程,(一）图形符号 符合HGJ7-87化工过程检测、控制系统设计符号统一规定。1、测量点(包括检出元件、取样点) 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。,注：必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,图1-13 测量点的一般表示方法,二、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，采用图1-14的形式，必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。,图1-14 连接线的表示方法,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表1-1所示。,表1-1 仪表安装位置的图形符号表示,对于处理两个或以上的被测变量，具有相同或不功能的复式仪表时，用两相切圆表示。,图1-15 复式仪表表示方法,(二）字母代号 第一位字母：被测变量 后继字母：仪表的功能 常用被测变量和仪表功能的字母代号见表1-2。,表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号,（三）仪表位号 阿拉伯数字编号，位于圆圈下半部。 第一位：工段号； 第二、三位：仪表序号。,三、举例,左图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图。从脱甲烷塔出来的釜液进入脱乙烷塔脱除乙烷。从脱乙烷塔塔顶出来的碳二馏分经塔顶冷凝器冷凝后，部分作为回流，其余则去乙炔加氢反应器进行加氢反应。从脱乙烷塔底出来的釜液部分经再沸器后返回塔底，其余则去脱丙烷塔脱除丙烷。,附图1 脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图,PIC207： P被测变量为压力， I具有指示功能， C具有控制功能； 2第二工段，07仪表序号为07， 嵌在管道中的集中仪表盘面安装仪表。TRC210： T温度，R记录，C控制， 第二工段第10号仪表，集中仪表盘面安装仪表。PI206： P压力，I指示， 工段号2，仪表号06，就地安装仪表。,本章问题解答,答：（1）方块图是由传递方块、信号线(带箭头线段)、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形（各环节间相互作用关系）。 方块系统组成部分，方块内填入其自身特性的数学表达式； 方块间箭头线相互关系及信号流向。 直观显示系统各组成及它们之间相互影响和信号联系，对系统特性进行分析研究。,1、什么是自动控制系统的方块图?它与工艺管道及控制 流程图有什么区别?,（2）而工艺管道及控制流程图： 在控制方案确定以后，根据工艺设计的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。 在该图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同。,2. 什么是反馈? 什么是正反馈和负反馈? 负反馈在自动控制中有什么重要意义?,答：反馈系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的作法。 反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫作负反馈；反之为正反馈。 采用负反馈是因为：当被控变量受扰动后，若使其升高，则反馈信号升高，经比较，偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用，其作用方向与扰动作用方向相反，致使被控变量下降，这样就达到了控制的目的。,1) 指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么?2) 试画出该系统的方块图。3) 试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的?,3. 右下图所示为一自力式贮槽水位控制系统。,解：（1）贮槽为被控对象；贮槽中水的液位为被控变量；进水流量为操纵变量。 （2）贮槽水位控制系统方块图如下所示。 （3）当贮槽出水量突然增大，大于入水量，水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针型阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。,第一章作业：,P16：6, 11, 21, 22共四大题。上交时间： 下下次课。本子上注明学号。作业要求： 认真、工整、独立完成。,