化工仪表及自动化ppt课件.ppt
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1、化工仪表及自动化 第一章第一章 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1 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3第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 4图1-2 人工操作图图1-3 液位自动控制系统图n人工操作与自动控制比较图人工操作
2、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5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液位自动控制的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”。6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
3、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 自动控制系统的基本组成及方块图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7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这个控制系统同样可这个控制系统同样可以用上页中的方块图以用上页中的方块图表示表示8第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 留意!方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。9n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
4、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。10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
5、二节 自动控制系统的基本组成及方块图 小结开环系统:自动机在操作时,开环系统: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:有针对性闭环系统: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
6、状态。希望的状态。11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。12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 “定值定值”是恒定给定值的简称。是恒定给定值的简称。工艺生产中,若要求控制系统的作用工艺生产中,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是使被控制的工艺参数保持在一个生产指
7、标上不变,或者说要求被控变量产指标上不变,或者说要求被控变量的给定值不变,就需要采用定值控制的给定值不变,就需要采用定值控制系统。系统。13 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)给定值变化,但它是一个已知的时间函数,即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。14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15自动控制目的:希望将被控变量保持在一个不变的给定自动控制目的:希望将被控变量保持在一个不变的给定值
8、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。16第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标17动态动态被控变量随时间变
9、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。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,了解系统的静态是必要的,但是了结论: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在的,是不可避免的,就需要
10、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工艺生产所要求控制的技术指标上。在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。18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变化的。被控变量随时间
11、的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。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,其中常用的是择一些定型的干扰形式,其中常用的是阶跃干扰。阶跃干扰。19第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标采用阶跃干扰的优点:采用阶跃干扰的优点:这种形式的干扰比较突然、这种形式的干扰比较突然、危险,且对被控变量的危险,且对被控变量的影响也最大。如果一个影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克控制
12、系统能够有效地克服这种类型的干扰,那服这种类型的干扰,那么一定能很好地克服比么一定能很好地克服比较缓和的干扰。较缓和的干扰。这种干扰的形式简单,容易这种干扰的形式简单,容易实现,便于分析、实验实现,便于分析、实验和计算。和计算。图1-8 阶跃干扰作用20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21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
13、式控制时),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。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23五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一1.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。在衰减振荡过程中,最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有
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