化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化学工业出版社,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化学工业出版社,化工仪表及自动化,第一章 自动控制系统基本概念,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第1页,内容提要,化工自动化主要内容,自动控制系统基本组成及方块图,自动控制系统分类,自动控制系统过渡过程和品质指标,控制系统静态与动态,控制系统过渡过程,控制系统品质指标,影响控制系统过渡过程品质主要原因,1,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第2页,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,2,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第3页,第一节 化工自动化主要内容,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,3,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第4页,第一节 化工自动化主要内容,1.,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、指示或统计，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数不停观察与统计，起到人眼睛作用。,图1-1 热交换器自动检测系统示意图,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第5页,2.,自动信号和联锁保护系统,当工艺参数超出了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出,声光信号,，告诫操作人员注意，并及时采取办法。如工况已抵达危险状态时，联锁系统马上自动采取紧急办法，打开安全阀或切断一些通路，必要时紧急停车，以预防事故发生和扩大。它是生产过程中一个安全装置。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第6页,3.,自动操纵及自动开停车系统,自动操纵系统能够依据预先要求步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统能够按照预先要求好步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第7页,4.,自动控制系统,在受到外界干扰（扰动）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要求数值范围内。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第8页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,4,图1-2 人工操作图,图1-3 液位自动控制系统图,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,当代化生产需要,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第9页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,自动控制系统组成,5,组,成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第10页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,液位自动控制方块图,在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，普通都,用方块图来表示控制系统组成,。,下页图为液位自动控制系统方块图，,每个步骤表示组成系统一个部分，称为“步骤”。,两个方块之间用一条带有箭头线条表示其信号相互关系，箭头指向方块表示为这个步骤输入，箭头离开方块表示为这个步骤输出。线旁字母表示相互间作用信号。,6,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第11页,方块图中，,x,指设定值；,z,指输出信号；,e,指偏差信号；,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。当,x,取正值，,z,取负值,，,e=x-z,，负反馈；,x,取正值，,z,取正值，,e=x+z,，正反馈。,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,液位自动控制方块图,图1-4 液位自动控制系统方块图,7,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第12页,几个惯用术语：,（1）,被控对象,需要实现控制设备、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（或按某一规律改变）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，作用于对象并引发被控变量改变一切原因称为干扰。,（5）,设（给）定值,工艺要求被控变量所要保持数值,。,（6）,偏差,偏差本应是设定值与被控变量实际值之差。但能获取信息是被控变量测量值而非实际值，所以，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第13页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,其它控制系统,用同一个形式方块图能够代表不一样控制系统,图1-5 蒸汽加热器温度控制系统,当进料流量或温度改变等原因引发出口物料温度改变时，能够将该温度改变测量后送至温度控制器TC。温度控制器输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料温度不变。,这个控制系统一样能够用,上页中,方块图表示,8,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第14页,P6,图1-5 蒸汽加热器温度控制系统：,（1）,被控对象,-,蒸汽加热器,（2）,被控变量,-出口物料温度,（3）,控制变量（操纵变量）,-,加热蒸汽量,（4）,干扰（扰动）作用,-进料流量、进料温度改变 、,加热蒸汽压力改变、加热器内部传热系数改变、环境温度改变,（5）,操纵介质（操纵剂）,-,加热蒸汽,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第15页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,注意！,方块图中每一个方块都代表一个详细装置。,9,方块与方块之间连接线，只是代表方块之间信号联络，并不代表方块之间物料联络。方块之间连接线箭头也只是代表信号作用方向，与工艺流程图上物料线是不一样。,工艺流程图上物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。,自动控制系统是一个闭环系统,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第16页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,小结,自动控制系统是含有被控变量负反馈闭环系统。,与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质区分，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。,10,举例,化肥厂造气自动机就是经典开环系统例子,自动操纵装置,对象,操纵作用,工艺参数,操纵指令,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第17页,第二节 自动控制系统基本组成及方块图,小结,开环系统：,自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先要求好程序周而复始地运转。这时被控变量假如发生了改变，自动机不会自动地依据被控变量实际工况来改变自己操作。,比较,闭环系统：,有针对性地依据被控变量改变情况而改变控制作用大小和方向，从而使系统工作状态一直等于或靠近于所希望状态。,11,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第18页,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,开环,控制系统,：,闭环控制系统:,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第19页,第三节 自动控制系统分类,几个分类方法,（一）按,被控变量,来分类，如温度、压力等控制系统；,（二）按,控制器含有控制规律,来分类，如百分比、百分比积分、百分比微分、百分比积分微分等控制系统；,（三）将控制系统按照工艺过程需要控制,被控变量给定值是否改变和怎样改变,来分类，这么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。,12,其中第三种分类方法最普遍,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第20页,第三节 自动控制系统分类,“定值”是,恒定给定值,简称。工艺生产中，若要求控制系统作用是使被控制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给定值不变，就需要采取定值控制系统。,13,1.定值控制方法,2.随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机改变，该系统目标就是使所控制工艺参数准确而快速地跟随给定值改变而改变。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第21页,第三节 自动控制系统分类,3.程序控制系统（次序控制系统）,给定值改变，但它是一个已知时间函数，即生产技术指标需按一定时间程序改变。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,14,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第22页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,一、控制系统静态与动态,15,自动控制目标：,希望将被控变量保持在一个不变给定值上，这只有当进入被控对象物料量（或能量）和流出对象物料量（或能量）相等时才有可能。,静态,被控变量不随时间而改变平衡状态（改变率为0，不是静止）。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第23页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,当一个自动控制系统输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一个相对稳定平衡状态，系统各个组成步骤如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先状态，它们输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是,静态,。,16,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第24页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,17,动态,被控变量随时间改变不平衡状态。,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，整个系统各个步骤和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：,在自动化工作中，了解系统静态是必要，不过了解系统动态更为主要。因为在生产过程中，干扰是客观存在，是不可防止，就需要经过自动化装置不停地施加控制作用去反抗或抵消干扰作用影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制技术指标上。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第25页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,二、控制系统过渡过程,系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态过程,。,18,当干扰作用于对象，系统输出y发生改变，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,图1-7 控制系统方块图,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第26页,动态被控变量随时间改变不平衡状态,。,假如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改变，此时控制系统发生作用，调整器依据偏差及其偏差改变情况，改变调整器输出，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、直到重新建立平衡过程称为“动态”过程。,工艺设计主要围绕系统“静态”特征开展工作，自动控制是在“静态”特征基础上研究其“动态”特征,当系统失去平衡以后，怎样使系统重新回到平衡状态。,怎样来评价自控系统质量？,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”这个过程各种指标。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第27页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,系统在过渡过程中，被控变量是随时间改变。被控变量随时间改变规律首先取决于作用于系统干扰形式。,在生产中，出现干扰是没有固定形式，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，常选择一些定型干扰形式，其中,惯用是阶跃干扰。,19,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第28页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,采取阶跃干扰优点：,这种形式干扰比较突然、危险，且对被控变量影响也最大。假如一个控制系统能够有效地克服这种类型干扰，那么一定能很好地克服比较缓解干扰。,这种干扰形式简单，轻易实现，便于分析、试验和计算,。,图1-8 阶跃干扰作用,20,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第29页,第四节 自动控制系统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四种形式,21,非周期衰减过程,衰减震荡过程,等幅震荡过程,发散震荡过程,X,？,对于控制质量要求不高场所，假如被控变量允许在工艺许可范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采取。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第30页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,三、控制系统品质指标,控制系统过渡过程是衡量品质依据。,22,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，被控变量改变曲线如上图所表示，这是属于衰减振荡过渡过程,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品质指标。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第31页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,23,五种主要品质指标之一,1.最大偏差,A,或超调量,B,最大偏差,A,是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波峰值。尤其是对于一些有约束条件系统，如化学反应器化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差允许值有所限制。,超调量B,也能够用来表征被控变量偏离给定值程度。,B=A-C,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第32页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,2.,衰减比,B/B,衰减比,是衰减程度指标，它是前后相邻两个峰值比。习惯表示为,n,:1,，普通,n,取为,4,10,之间为宜。,五种主要品质指标之二,24,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第33页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,3.,余差,C,当过渡过程终了时，被控变量所到达新稳态值与给定值之间偏差叫做,余差,，或者说余差就是过渡过程终了时残余偏差。有余差控制过程称为,有差调整,，对应系统称为,有差系统,。反之就为,无差调整,和,无差系统,。,25,五种主要品质指标之三,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第34页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,4.,过渡时间,从干扰作用发生时刻起，直到系统重新建立新平衡时止，过渡过程所经历时间叫,过渡时间,。普通在稳态值上下要求一个小范围，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到达新稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围普通定为稳态值,（也有要求为,）。,26,五种主要品质指标之四,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第35页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,5.,震荡周期或频率,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间间隔时间叫,振荡周期,或工作周期，其倒数称为,振荡频率,。在衰减比相同情况下，周期与过渡时间成正比，普通希望振荡周期短一些为好。,27,五种主要品质指标之五,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第36页,自动控制系统希望结果：,最大偏差（超调量）？,衰减比？,余差？,过渡时间？,振荡周期？,答：越小越好,n1等幅振荡 n1发散振荡 n1衰减振荡 不振荡,为了保持有足够稳定程度，衰减比普通取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优结果，但操作人员轻易掌握，普通也是操作人员所希望过程,不振荡：不便于操作人员掌握。,答：,越小越好,答：,越小越好,答：,短好,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第37页,自动控制系统性能要求,五个字：稳、准、快、壮、省,稳,：扰动下不发散,准,：与设定值偏差小,快,：用最少时间到达要求,壮,：适应宽范围工况,省,：控制能量最省，波动小，效率高,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第38页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,28,某换热器温度控制系统在单位阶跃干扰作用下过渡过程曲线以下列图所表示。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,图1-11 温度控制系统过渡过程曲线,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第39页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,解,:,最大偏差A,230-20030,余差C,205-200,由图上能够看出，第一个波峰值B230-20525，,第二个波峰值B2102055，,故,衰减比,应为B:B25:55:1。,振荡周期为同向两波峰之间时间间隔，,故,周期T,20-515（min）,29,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第40页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,分析,过渡时间与要求被控变量限制范围大小相关，假定被控变量进入额定值,2,，就能够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,画一区域，上图中以画有阴影线区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就能够认为已经结束。所以，从图上能够看出，,过渡时间,为,22min,。,30,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第41页,第四节 自动控制系统过渡过程和品质指标,四、影响控制系统过渡过程品质主要原因,31,一个自动控制系统能够概括成两大部分，即,工艺过程部分（被控对象）,和,自动化装置部分,。前者指与该自动控制系统相关部分。后者指为实现自动控制所必需自动化仪表设备，通常包含,测量与变送装置、控制器和执行器等三部分,。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第42页,第四节 自动控制系统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,好坏,，在很大程度上,决定于,对象性质,。比如在前所述温度控制系统中，属于对象性质主要原因有：,换热器负荷大小，换热器结构、尺寸、材质等，换热器内换热情况、散热情况及结垢程度等,。不一样自动化系统要详细分析。,32,四、影响控制系统过渡过程品质主要原因,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第43页,影响过渡过程主要原因?,固定原因,：对象特征-工艺参数、设备结构、材质等,测量仪表特征,执行器特征,赔偿原因,：,控制器特征,这是自动控制主要研究内容,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第44页,自动控制系统组成,组,成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第45页,第五节 工艺管道及控制流程图,工艺流程和控制方案确实定后，,依据工艺设计给出流程图，,按其流程次序标注出对应,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,工艺管道及控制流程图（,PID,图）,。,Piping&Instrumentation Diagram,管道及仪表流程图,33,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第46页,第五节 工艺管道及控制流程图,34,图1-12脱乙烷塔工艺管道及控制流程图举例,右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔工艺管道及控制流程图,举例,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第47页,第五节 工艺管道及控制流程图,一、图形符号,1.,测量点（包含检出元件、取样点）,35,测量点,是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈连接线起点，普通无特定图形符号，以下列图所表示。必要时，检测元件也能够用象形或图形符号表示。,图1-13 测试点普通表示方法,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第48页,第五节 工艺管道及控制流程图,2.,连接线,36,通用仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采取下列图形式。必要时也可用加箭头方式表示信号方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采取不一样表示方式以示区分,。,图1-14 联,接,线表示法,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第49页,第五节 工艺管道及控制流程图,仪表图形符号是一个细实线圆圈，直径约,10mm,，对于不一样仪表安装位置图形符号以下表所表示。,37,3.仪表（包含检测、显示、控制）图形符号,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第50页,第五节 工艺管道及控制流程图,38,表1-1 仪表安装位置图形符号表示,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第51页,第五节 工艺管道及控制流程图,39,对于处理两个或两个以上被测变量，含有相同或不一样功效复式仪表时，可用两个相切圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），以下列图所表示。,图1-15 复式仪表表示法,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第52页,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，用来表示仪表小圆圈上半圆内，普通写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表功效，惯用字母代号见下表。,40,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第53页,表1-2 被测变量和仪表功效字母代号,41,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第54页,第五节 工艺管道及控制流程图,42,举例,以脱乙烷塔控制流程图，来说明怎样以字母代号组合来表示被测变量和仪表功效。,塔顶压力控制系统,中PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为,压力,，第二位字母I表示含有,指示,功效，第三位字母C表示含有,控制,功效，所以，PIC组合就表示一台含有,指示功效压力控制器,。该控制系统是经过改变气相采出量来维持塔压稳定。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第55页,第五节 工艺管道及控制流程图,回流罐液位控制系统,中LIC-201是一台含有,指示功效液位控制器,，它是经过改变进入冷凝器冷剂量来维持回流罐中液位稳定。,塔下部温度控制系统,中TRC-210表示一台含有,统计功效温度控制器,，它是经过改变进入再沸器加热蒸汽量来维持塔底温度恒定。,塔底液位控制系统,中LICA-202代表一台含有,指示、报警功效液位控制器,，它是经过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定。,43,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第56页,第五节 工艺管道及控制流程图,三、仪表位号,44,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,脱乙烷塔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。,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第57页,本章作业,P15,1,，,8,，,9,，,11,，,21,22,化工仪表及自动化之自动控制系统基本概念,第58页,