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1、第一章 自动控制系统 基本概念 第一节： 化工自动化的主要内容 自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统 过程控制的主要内容 自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录 代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录 图 1-1 热交换器自动检测系统示意图 作用 对过程信息的获取与记录作用。 自动操纵及自动开停车系统 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：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入 运行或自动停车 自动控制系统 ： 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动
2、的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。 过程控制的主要内容 自动信号和联锁保护系统 自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号 联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车 3 图 7-1 人工操作图 图 7-2 液位自动控制图 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 现代化生产的需要 人工控制：眼、脑、手 眼睛 目测（检测） 大脑 运算、比较、发出指令（控制） 手 手动操作（执行） 第二节：自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制是人工控制的发展 测量元件与变送器 眼睛 控制器 大脑 执行器 手 + 控制阀 自动控制系统主要组成部分
3、(1)检测元件与变送器：测量工艺参数并转换为统一的标准信号。 (2)自动控制器：接受变送器送来的信号，与给定值比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后用特定信号发送出去。 (3)执行器（控制阀）：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 (4)被控对象：生产过程中被控制的工艺设备或装置。 常用术语 1、 被控变量 y：指需要控制在一定范围的工艺参数。 2、干扰作用 f:凡是影响被控量的各种作用均叫做干扰或扰动。 3、操纵变量 q：具体实现控制作用的变量。 4、操纵介质（剂）：用来实现控制作用的物料。 5、测量值 z：被控变量经检测变送后的信号值即是测量值。 6、给定值 x：即被控变
4、量的设定值。 7、偏差 e：给定值与测量值之差称作为偏差 . 8、控制器输出 p：根据偏差值、经一定算法得到的输出信号值。 Qi 执行器 测量 控制器 执行器 被控对象 测量元件与变送器 测量值 给定值 偏差 输出 变量 被控变量 控制器 操纵 干扰作用 x z e p q y f 自动控制系统的方块图 Qi 执行器 测量 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 。 说明 方块 : 表示系统的组成部分（环节）， 代表具体的装置 带箭头线条： 表示各环节间信号联系， 不代表物料联系 箭头方向： 代表信号流向，不代表物料流向 箭头指向方块 : 为该
5、环节的输入信号 箭头离开方块 : 为该环节的输出信号 线旁的字母： 表示相互间的作用信号 控制器 执行器 被控对象 测量元件与变送器 测量值 给定值 偏差 输出 变量 被控变量 控制器 操纵 干扰作用 x z e p q y f 蒸汽加热器温度控制系统 控制器 执行器 加热器 测量元件与变送器 测量值 给定值 偏差 输出 变量 被控变量 控制器 操纵 干扰作用 x z e p q T f 图 1-5蒸汽加热器温度控制系统 对自动控制系统的说明 闭环系统与开环系统 系统的输出（即被控变量）被反馈到输入端的控制系统，称为闭环系统。 被控变量不反馈到输入端的控制系统称为开环系统。 例如，自动检测系统
6、、自动操纵系统为开环系统。 自动操纵装置 对象 操纵指令 操纵作用 工艺参数 图 1-6 自动操纵系统方块图 正反馈与负反馈 正反馈： 反馈信号加强给定信号， e=x+z 负反馈： 反馈信号削弱给定信号， e=x-z 自动控制系统是具有负反馈的闭环系统 对自动控制系统的说明 第三节 自动控制系统的分类 1、按被控变量分类： 有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、物位控制系统、成分控制系统等。 2、按控制器的控制规律分类： 有比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。 过程控制系统的主要类型 被控变量的给定值是否变化 分类 定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。 定值控
7、制系统 特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。 作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上 过程控制系统的主要类型 随动 控制系统 特点 ：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。 作用 ：以一定的精度跟随设定值的变化而变化 程序控制系统（顺序控制系统） 特点： 设 定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数 程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。 作用 ：以一定的精度跟随设定值的变化而变化 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 静态： 被控变量不随时间变化的平衡状态 动态
8、： 被控变量随时间变化的不平衡状态 当系统输入 （ 给定和干扰 ） 稳定不变时 （ 即系统中各个信号的变化率为零 ） ， 被控变量处于平衡状态 -系统静态（ 是相对的 、 短暂的 ） 当系统输入有所变化时 ， 被控变量就会变化 -系统动态 控制过程： 动态 静态 动态 新的静态 控制 干扰 控制 二、控制系统的过渡过程 定义：系统由一个平衡状态（静态）过渡到另一个平衡状态（新的静态）的过程。 特点： 比较突然 比较危险 容易实现 便于分析 分析： 系统在阶跃干扰作用下的过渡过程 。 阶跃干扰： 在某一瞬间 t0, 干扰 （ 即输入量 ） 突然地阶跃式的加到系统上 ， 并继续保持在这个幅度 。
9、数学表达式为 ： 当 A=1时称为单位阶跃信号 。 00( ) 0 ttArt tt 常见典型信号 阶跃信号 、 斜坡信号 、 脉冲信号 、 加速度信号和正弦信号 自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程的几种基本形式 1.非周期衰减过程 （ 图 a） 2.衰减振荡过程 （ 图 b） 3.等幅振荡过程 （ 图 c） 4.发散振荡 过程 （ 图 d） 希望 自动控制系统在阶跃干扰作用下 ， 能够得到 衰减振荡形式的 过渡过程 （ 如图 b） 三、控制系统的品质指标 在时间 t=0之前 ， 系统稳定 ， 且被控变量等于给定值 ， 即 y=0; 在 t=0瞬间 ， 外加阶跃干扰作用 ， 系统的被控变量
10、呈 衰减振荡， 经过相当长时间后 ， y()=C 。 控制系统的品质指标 最大偏差 A：是指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 。 1.最大偏差或超调量 超调量 B： 第一个波的峰值 A与新稳定值 C之差 ,即 B=A-C 2 . 衰减比 它是相邻的同向波峰值之比 ， 即 Bn B 习惯上表示为 n:1 经验表明 ， 衰减比 n:1在 4 :1至 10:1之间比较适宜 。 3.余差 （ 静态偏差 ） C 控制系统的品质指标 指系统过渡过程终了时 ,被控参数新稳态值与给定值之间的偏差 。 描述系统稳态特性的唯一指标 一般要求余差不超过预定值或为零 。
11、 4.过渡时间 指系统从受扰动作用时起 ， 直到被控参数进入新的稳态值 5%（ 或 2%） 的范围内所经历的时间 。 一般要求过渡时间愈短愈好 。 控制系统的品质指标 5.振荡周期或频率 过渡过程同向两波峰 （ 或波谷 ） 之间的间隔时间叫 振荡周期 或 工作周期 ， 其倒数为 振荡频率 。 总结 有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间） 对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。 应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。 主要指标有：最大偏差 、 衰减比 、 余差 、 过渡时间 。 在实际的系统中如何确定这些指标 ， 要根据实际情况来定 。 原则：
12、对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证 。 例题： 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示 。 试分别求出最大偏差 、 衰减比 、 余差 、 过渡时间 （ 设定值为 200 ） 。 ( ) 解 ： (1)最大偏差： (2)余差： ( ) 302 0 0-2 3 0A 5200-205C 图 1-11 温度控制系统过渡过程曲线 (3)衰减比： 第一个波的振幅 第二个波的振幅 2 3 0 2 0 5 2 5B 2 1 0 2 0 5 5B ( ) ( ) 衰减比 2 5 : 5 5 : 1n (4)过渡时间： 过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关 ， 假设为
13、 ， 就可以认为过渡过程已经结束 ， 那么限制范围为 2%2 0 5 ( 2 % ) 4 . 1 () 那么 ， 在新稳态值 （ 205 ） 两侧以限制范围为宽度画一区域 ， 只要被控变量不再越出即可 。 因此 ， 过渡过程为22min. 图 1-11 温度控制系统过渡过程曲线 性能良好的过程控制系统 ， 在受到外来扰动作用或给定值发生变化后 ， 应 平稳 准确 迅速地回复 （ 或趋近 ） 到给定值上 四 、 影响控制系统过渡过程品质的主要因素 决定控制系统品质的环节： 被控对象特性 控制系统方案 、 结构 过程检测 、 控制 、 执行仪表 第五节：工艺管道及控制流程图 根据标准 国家行业标准
14、 HG 20505 92过程检测和控制系统用文字代号和图形符号，参照 GB 2625 81国家标 准 图形符号 字母代号 仪表位号的表示 进料 出料TCTT凝液蒸汽 工艺管道及控制流程图 (PID)绘制： 1、图形符号 测量点：起点 图 1-5 连接线： 图 1-6 仪表：圆圈 表 1-1、图 1-7 2、字母代号 上半圆、两位以上字母 表 1-2 3、仪表位号 206 工段号 2、序号 06 控制流程图符号意义 序号 安装位置 图形符号 备注 序号 安装位置 图形符号 备注 1 就地安装仪表 4 集中仪表盘后安装仪表 嵌在管道中 2 集中仪表盘面 安装仪表 5 就地仪表盘后安装仪表 3 就地仪表盘面 安装仪表 控制流程图字母意义 字母 第一位字母 后继字母 字母 第一位字母 后继字母 被测变量 修饰词 功能 被测变量 修饰词 功能 A 分析 报警 P 压力 C 电导率 控制 Q 数量 积分 累积 D 密度 差 R 放射性 记录 E 电压 S
