化工自动化与仪表内容辅导

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1、PAGE1OF144 化工自动化及仪表 内容辅导 （一） PAGE2OF144 本辅导主要内容 第一章：自动控制系统概述 第二章：过程特性 第三章：过程检测仪表 第四章：成分分析仪表 第五章：显示仪表 PAGE3OF144 Ch1 自动控制系统概述 PAGE4OF144 1、控制理论的发展 （1）经典控制论 （2）现代控制论 （3）大系统理论 （4）智能控制 一、自动化及仪表技术发展概况 PAGE5OF144 2、控制系统结构（实现方式） 控制系统结构经历了四个阶段： 基地式控制器的控制系统（1950） 单元组合仪表的控制系统（1960） 计算机控制系统（1970） 集散控制系统（1980）

2、目前： 现场总线控制系统 综合自动化系统 PAGE6OF144 二、自动控制系统 图1-1 加热炉温度自动控制系统 1、自动控制系统 PAGE7OF144 目标：控制加热炉火的出口温度 实现方式（过程）： （1）测量该温度 （2）将该温度与期望值（设定值）比较 （3）根据偏差调节燃料流量，目的是使得偏 差为0 特点： 负反馈系统（设定值与测量值相减） 根据偏差调节 闭环控制 PAGE8OF144 2、闭环控制与开环控制 闭环控制：不能什么原因导致被控变量有偏 差就会产生控制作用，以图减小偏差。但控 制不及时 开环控制：不需要测量被控变量，根据输入 信号调节，控制及时，但无法消除偏差。 根据需要

3、选择控制方式:前馈反馈控制系 统就结合了这两种控制方式的优点。 PAGE9OF144 图1-2 开环液位控制系统 PAGE10OF144 3、自动控制系统组成及方框图 研究控制系统时，为了更清楚地表示控 制系统各环节的组成、特性和相互间的信号 联系，一般都采用方框图。每个方框表示组 成系统的一个环节，两个方框间用带箭头的 线段表示信号联系，进入方框表示信号为输 入，离开表示信号为输出，输入引起输出变 化，而输出不会引起输入变化，即环节具有 单向特性。 PAGE11OF144 方框图采用符号说明： r(t) 设定值 y(t) 测量值 e(t) 偏差，e(t)=r(t)-y(t) u(t) 控制作

4、用（控制器输出） c(t) 被控变量 q(t) 操纵变量 f(t) 扰动 PAGE12OF144 图1-3 控制系统方框图 PAGE13OF144 4、分析控制系统时重要概念 信息概念 图13中的各个符号变量都是实际的物 理量，然而他们是作为信息来转换和使用的 。每个环节都有信息流入和流出。信息的流 入和流出与实际对象中物料的流入和流出不 同。从整个系统看，设定值和扰动是系统输 入，而被控变量和其他测量值是输出。 PAGE14OF144 图1-4 两个液位控制系统 PAGE15OF144 闭环的概念： 在方框图中，任何一个信息沿箭头方向 前进，最后又回到原来的起点，这种系统称 为闭环系统。闭环

5、控制系统的闭合回路是通 过检测和变送器实现的。 闭环系统一定要有反馈。 PAGE16OF144 动态的概念： r(t)、y(t)、e(t)、u(t)、q(t)和f(t)等都是时间的 函数，即它们随时间而变化。 在定值控制系统中，扰动使得被控变量偏离 设定值，控制作用又使它恢复到设定值，扰 动与控制构成一对矛盾，被控变量处于不断 的运动中。 等效的概念： PAGE17OF144 5、控制系统牵涉内容 信息流动与控制设备对应关系： 信息流动： 信号采集信号变换信号处理执行 控制设备（硬件）： 检测仪表变送器 控制器 执行机构 PAGE18OF144 涉及课程内容： 检测、变送技术；显示技术；电动与

6、气动 执行机构 控制系统设计；控制原理；控制工程；各 种控制算法；过程建模 实现方式：计算机控制系统（控制仪表与 装置；集散控制系统，PLC，工业控制计算 机，现场总线控制系统，SCADA系统） PAGE19OF144 6、自动控制系统分类 按照设定值的不同，分成三类： 定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 PAGE20OF144 三、自动控制系统过渡过程 和品质指标 PAGE21OF144 1、自动控制系统的过渡过程 当自控系统的输入发生变化后，被控变量 随时间不断变化，该过程称为系统的过渡过程 。定值控制系统的过渡过程通常有以下几种形 式： 发散振荡 单调发散 等幅振荡 衰减振荡 PA

7、GE22OF144 图1-8 定值控制系统过渡过程几种形式 PAGE23OF144 图1-9 稳定的随动系统过渡过程 PAGE24OF144 2、自动控制系统的品质指标 控制系统受到外作用时，要求被控变量 要平稳、迅速和准确地趋近或恢复到设定值 。因此在稳定性、快速性和准确性三个方面 提出单项和综合指标，这些指标仅适用于衰 减振荡过程。 PAGE25OF144 图1-10 过渡过程控制指标示意图（扰动作用） PAGE26OF144 图1-11 过渡过程控制指标示意图（设定作用） PAGE27OF144 （1）单项控制指标 衰减比n：衡量过程过程稳定性的动态指标 ，其定义是第一波的振幅和同方向第

8、二个波 的振幅之比。 n越小，控制系统振荡剧烈，稳定度低 n越大，控制系统的稳定性越高。当n趋向于 无穷大时，过渡过程接近非振荡过程。 n通常整定在4:1到10:1 PAGE28OF144 最大动态偏差 （或超调量 ）。 该指标反映被控变量偏离设定值的最大 程度。是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 对定值控制，指被控变量的第一个波峰与设 定值的偏差。 对随动系统，通常采用超调量，定义为第一 个波的峰值与最终稳定值的差。 某些工艺要求高的场合，要限制最大动态偏 差 PAGE29OF144 余差 指控制系统过渡过程终了时设定值与被 控变量稳态值之差，即 余差是反映控制准确性的重要指标，一般 希望它为

9、0。 并非所有的控制系统对余差都有很高的要 求。 PAGE30OF144 回复时间和振荡频率 回复时间表示控制系统过渡过程时间长短。 回复时间短，表示控制系统过渡过程快。 回复时间长，表示系统过程过渡过程慢。 在衰减比相同条件下，振荡频率与回复 时间成反比，振荡频率越高，回复时间越短 ；因此振荡频率也可以作为衡量控制快速性 的指标。 PAGE31OF144 2、综合指标 由于过渡过程动态偏差越大，或是回复 时间越长，则控制品种越差，所以综合控制 指标采用积分鉴定的形式。 其中：J为积分鉴定值，e为偏差，t为回复时 间。通常采用三种表达形式 PAGE32OF144 （1）平方积分鉴定ISE （2

10、）绝对积分鉴定IAE （3）时间乘以绝对值的积分鉴定ITAE PAGE33OF144 自动控制系统控制质量的好坏，取决于 组成控制系统的各个环节，特别是过程的特 性。自动控制装置应该按照过程的特性加以 适当的选择和调整，才能达到预期的控制质 量。如果过程特性和控制装置两者配合不当 ，或者过程特性、控制装置特性在运行过程 中发生变化，都会影响到控制系统的控制品 质，在设计控制系统时要考虑这些问题。 PAGE34OF144 一些基本概念题 1、简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（ 干扰）量、设定（给定）值、偏差的含义。 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。 被控

11、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，用于克服干扰的影响 ，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 控量变化的因素。 PAGE35OF144 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。 2、什么是自动控制系统的过渡过程？ 答：系统受到扰动作用后，其平衡状态被破 坏，被控变量发生波动，在自动控制作用下 ，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳 定状态，把系统从一个平衡状态进入另一个 平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。 PAGE36OF144 3、衰减振荡过程的品质指标有哪些？ 答：衰减振荡过程的

12、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）等。 PAGE37OF144 4、什么是反馈、什么是正反馈、负反馈？ 答：把系统（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称为反 馈。 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，这种反馈称为负反馈。 反之称为正反馈。 PAGE38OF144 5、什么是自动控制系统的方框图？ 答：自动控制系统的方框图是由传递方块、信号线 （带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示 控制系统组成和作用的图形。其中每个方框代表系 统的一个组成部分，方框内填入表示其自身特性的 数学表达式；方框间用带有箭头的线

13、段表示相互间 的关系及信号流向。采用方框图可以直观地表达系 统各组成部分及它们之间的相互影响和信号的联系 ，以便对系统特性进行分析和研究。 PAGE39OF144 Ch2 自动控制系统过程特性 PAGE40OF144 工业生产过程设备众多 换热器、反应器、精馏塔、泵、锅炉、压 缩机等 每个过程都有其自身特性，该特性影响控 制系统的运行 了解和熟悉过程特性，有利于过程操作 了解过程特性，才能设计好控制系统 一、基本概念 PAGE41OF144 过程特性：指当被控过程的输入变量（操纵 变量或扰动）发生变化时，其输出变量（被 控变量）随时间变化规律。 控制通道：操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作

14、 用途径， 干扰通道：扰动f(t)对被控变量得作用途径 研究过程特性时，两个通道都要考虑 PAGE42OF144 图2-3 4种过程特性响应曲线 PAGE43OF144 描述过程特性的最好方法就是建立过程 的数学模型，即将过程得输入和输出特性用 数学方程表达出来，数学方程包括： 微分方程 偏微分方程 差分方程 状态方程等 二、过程数学描述 PAGE44OF144 建模依据（机理模型）： 物料平衡 能量平衡 动量平衡 相平衡 化学反应定律 电路基本定理等 建模方法： 机理建模 实验建模 PAGE45OF144 三、过程特性一般分析 1、放大系数 控制通道放大系数K0 反映了过程以初始工作点为基准

15、的被控 变量与操纵变量在过程结束时的变化量之间 的关系，是一个稳态特性参数 干扰通道放大系数Kf PAGE46OF144 2、时间常数 时间T是常数反映被控变量变化快慢的动态 参数。 3、各种滞后 PAGE47OF144 四、过程建模方法 常用过程建模方法： 机理建模 u对简单过程可以 u工业过程特性十分复杂，因此难于机 理建模 实验建模 u阶跃扰动法 u矩形脉冲扰动法 u周期扰动法 u统计相关法 PAGE48OF144 一些基本概念题 1、什么是被控对象特性？什么是被控对象数学模 型？研究被控对象特性有何意义？ 答：过程特性是指当被控过程的输入变量（操纵变 量或扰动变量）发生变化时，其输出变量（被控 变量）随时间的变化规律。 定量地表达对象输入输出关系的数学表达式称 为对象的数学模型。 在充分研究过程特性及其规律的基础上，可以 确定合适的被控变量和操纵变量，进而选用合适 的检测和