化工自动化及仪表_第一章_自动控制系统基本概念

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1、化工自动化及仪表,第一章 自动控制系统基本概念,100第一章,授课教师：和萌林,101章节结构,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 第二节 自动控制系统的基本组成及方块图 第三节 自动控制系统的分类 第四节 自控系统的过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态 二、控制系统的过渡过程 三、控制系统的品质指标 四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 第五节 工艺管道及控制流程图 一、图形符号 二、字母代号 三、仪表位号,第一章 基本概念 第二章 对象数学模型 第三章 仪表与传感器 第四章 显示仪表 第五章 自动控制仪表 第六章 执行器 第七章 简单控制系统 第八章 复杂

2、控制系统 第九章 新型控制系统 第十章 计算机控制系统 第11章 典型控制方案,教学基本要求：,掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用及相互影响关系； 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； 熟悉管道及控制流程图上常用符号的意义； 了解控制系统的几种分类，掌握系统的动态与静态； 掌握闭环控制系统在阶跃干扰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。,教学要求,第 一 章,第一节 主要内容 第二节 系统组成 及方块图 第三节系统分类 第四节过渡过程 和品质指标 1.静态与动态 2.过渡过程 3.品质指标 4.影响过渡过程 品质主要因素 第五节工艺管道及 控制流

3、程图 1.图形符号 2.字母代号 3.仪表位号,第 一 章,第一节 主要内容 第二节 系统组成 及方块图 第三节 系统分类 第四节 过渡过程 和品质指标 1.静态与动态 2.过渡过程 3.品质指标 4.影响过渡过程 品质主要因素 第五节工艺管道及 控制流程图 1.图形符号 2.字母代号 3.仪表位号,过程自动化 在生产设备上配置一些装置，代替人工的部分直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理生产过程的方式称为过程自动化。,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,110第一节,第一节 化工自动化的主要内容,化工自动化 化工类（化工、

4、炼油、轻工、食品）生产过程的自动化控制简称为“化工自动化”。,第一节 主要内容,111自动检测,自动检测系统 利用各种检测仪器仪表对主要参数（温度、压力、流量、料位 ）进行测量、指示或记录，“了解” 生产的任务，这种系统称为自动检测系统。,1-1 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,图中热交换器是利用蒸汽来加热冷介质的，冷介质经加热后的温度是否达到要求，可用测温元件配上平衡电桥来测量、指示和记录；冷介质的流量可以用孔板流量计来检测，蒸汽压力可用压力表来指示，这就是一些常用的、简单的自动检测系统。,由此可见，自动检测仪表可包括包括压

5、力、温度、流量、液位等的简单测量仪表或它们的传感器、变送器、显示表等。,自动检测系统实际上是代替了操作人员对工艺参数的观察与记录，起到人的眼睛的作用。,自动检测系统的本质（特点）: 利用各种检测仪器仪表对主要工艺参数进行检测、指示或记录，达到“了解” 生产任务的目的。,112联锁保护,在生产过程中，有时由于偶然因素的影响，导致工艺参数超出允许范围而出现不正常情况，有可能引起事故。为此常对一些关键参数设置自动信号和联锁保护装置，当工艺参数超过允许范,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,围，在事故发生以前，信号系统会自动地发出声光信号，告诫操作人员及时采取

6、措施。如工况已到达危险状态，联锁系统会立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。 自动信号和联锁保护系统是生产过程中的一种安全装置。,1-1 化工自动化的主要内容,113自动操纵,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,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，这种系统称为自动操纵系统。 例如：合成氨造气车间的煤气发生炉 自动加料系统,按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车，这种系统称为自动开停车系统。,1-1 化工自动化的主要内容,114自动控制,自动检测系统 自动信号和联锁保护

7、系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统,生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，设备之间相互关联，其中一台设备的工艺条件发生变化时，会引起其他设备的某些参数波动，偏离,正常的工艺条件，因此需要设置一些自动控制装置，对生产中一些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。,1-1 化工自动化的主要内容,114自动控制a,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,温度传感/变送器 控制器 液位传感/变送器 执行器

8、料位变送器 压力变送器 流量变送器,1-1 化工自动化的主要内容,11e,化工生产的特点：,（1）连续进行物理或化学反应 （2）密闭空间，高压 （3）高温（深冷） （4）易燃、易爆介质 （5）有毒、强腐蚀性介质 （6）类型纷繁，控制系统多种多样 ,对化工仪表、控制系统的要求：,（1）适应生产环境 高温、高压、易燃、腐蚀 （2）适应生产要求 控制稳定、准确、灵敏 ,1-1 化工自动化的主要内容,11e第一节小结1,由以上介绍可以看出： 自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行情况的任务； 信号联锁保护系统只能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； 自动操纵系统只能按照

9、预先规定好的步骤进行某种周期性的操纵； 只有自动控制系统才能自动地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。 因此，自动控制系统是自动化生产中的核心部分，也是本课程了解和学习的重点。,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,1-1 化工自动化的主要内容,120第二节,自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。所以，在开始介绍自动控制的时候，先分析人工操作，并与自动控制加以比较，可以帮助我们分析和了解自动控制系统。,第 一 章,第一节 主要内容 第二节 系统组成 及方块图 第三节 系统

10、分类 第四节 过渡过程 和品质指标 1.静态与动态 2.过渡过程 3.品质指标 4.影响过渡过程 品质主要因素 第五节工艺管道及 控制流程图 1.图形符号 2.字母代号 3.仪表位号,第二节 系统组成 及方块图,第二节 自动控制系统的基本组成及方块图,121人工控制,人工控制 自动控制,1-2 自动控制系统的组成及方框图,121自动控制,人工控制 自动控制,检测元件与变送器 自动控制器（控制器） 执行器（调节阀、控制阀）,自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的，其主要装置包括测量元件与变送器、控制器、执行器，分别代替了人的眼、脑、手三个器官的功能。,1-2 自动控制系统的组成及方框图

11、,121系统组成,在自动控制系统的组成中，除了必须具有前述的自动化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。 在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。 前面举例中液体贮槽 化工生产中的各种容器、反应器、换热器、泵和压缩机 甚至一段输气管道 精馏塔、吸收塔等一个设备可能有几个控制回路,被控对象,检测元件与变送器 自动控制器（控制器） 执行器（调节阀、控制阀）,1-2 自动控制系统的组成及方框图,122方块图,在研究自动控制系统时，为了能清楚地表示出自动控制系统中各个组成环节之间的相互影响和信号联系，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。,

12、1、方块图的组成 2、开环与闭环 3、正反馈与负反馈,1-2 自动控制系统的组成及方框图,1、“方块图”的组成：,这种表示方式称为自动控制系统方块图。,方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互作用关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出；,122,用方块表示控制系统的每个组成部分(环节)；,线条旁的字母或文字表示环节间相互作用的变量。,对象？ 测量元件、变送器？ 控制器？ 执行器？,给定值x,偏差e,控制器输出p,操纵变量q,被控变量y,执行器,对 象,测量元件 变送器,控制器,测量值 z,干扰作用f,+,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1221对象a,

13、对 象,自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器（有时是生产设备或机器的一部分）叫做被控对象，简称对象。, ?, 换热器,换热器,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1221b,对象的输出y,y(t),在生产过程中需要保持恒定的变量称为被控变量。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1221c,对象的输入q,q(t),具体实现控制作用的变量称为操纵变量。 用来实现控制作用的物料称为操纵介质或操纵剂。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1221d,对象的输入f,f(t),引起被控变量波动的外来因素在自动控制系统中称为干扰作用（扰动作用）。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,122

14、2测量元件a,测量元件、变送器,将某一物理量(如：液位、流量、压力、压差或温度等)转变成可以利用的信号的元件称为测量元件；进一步将该信号转变成标准信号的仪表称为变送器。,测温元件 变送器,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1222b,测量元件的输入y,y(t),1-2 自动控制系统方块图及方框图,1222c,测量元件的输出z,z(t),1-2 自动控制系统方块图及方框图,1223控制器a,控 制 器,根据变送器信号和工艺需求，算出偏差，经过运算发出控制信息的仪表称为控制器。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1223b,控制器的输入e,e(t),变送器的输出信号z被送入比较机构，与工艺上希

15、望保持的被控变量的数值(给定值、设定值)x进行比较，得到偏差信号e，exz。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1223c,控制器的输出p,p(t),控制器的输出信号p可能是各种类型的信号：420mA，15V，20100kPa 等。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1224调节阀a,执行器,根据控制器给出的控制信息，改变操纵变量。, ?, 调节阀,调节阀,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1224b,执行器的输入p,p(t),执行器的输入信号p可能是各种类型的信号：420mA，15V，20100kPa 等。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1224c,执行器的输出q,q(t),具体

16、实现控制作用的变量称为操纵变量。 用来实现控制作用的物料称为操纵介质或操纵剂。,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1225注意,.方块图具有通用性，用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。 .用方块表示的每个“环节”都是组成系统的一部分实物（具体装置）。 .方块之间带有箭头的线条只表示信号的作用关系与方向，不代表工艺管道、物料的流向。 .“环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。,注意/关键点：,1-2 自动控制系统方块图及方框图,1225a,注意/关键点： 1. 方块图的通用性； 2. 方块代表的是实物； 3. 箭头和线条仅表示信号作用； 4. 环节的单向性。,