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1、1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12 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23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34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
2、化生产的需要5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6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”。67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=
3、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78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以这个控制系统同样可以用用上页中上页中的方块图表示的方块图表示89第二节 自动控制系统的基本组成及方块图注意！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
4、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10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11第二节 自动控制系统的基本组成及方块图小结开开环环系系统统：自自动动机机在在
5、操操作作时时，一一旦旦开开机机，就就只只能能是是按按照照预预先先规规定定好好的的程程序序周周而而复复始始地地运运转转。这这时时被被控控变变量量如如果果发发生生了了变变化化，自自动动机机不不会会自自动动地地根根据据被被控控变变量量的的实实际际工工况况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭闭环环系系统统：有有针针对对性性地地根根据据被被控控变变量量的的变变化化情情况况而而改改变变控控制制作作用用的的大大小小和和方方向向，从从而而使使系系统统的的工工作作状状态态始始终终等等于于或或接接近近于于所所希望的状态。希望的状态。1112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、
6、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13第三节 自动控制系统的分类 “定值”是恒定给定值的简称。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系统。131.1.定值控制方法定值控制方法定值控制方法定值控制方法2.2.2.2.随动控制系统（自动跟踪系统）随动
7、控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）随动控制系统（自动跟踪系统）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。14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。1415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自自动动控控制制目目的的：希希望望将将被被控控变变量量保保持持在在一一个个不不变变的的给给定定值值上上，这这只只有有当当进进入入被被控控对对象象的的
8、物物料料量量（或或能能量量）和和流流出对象的物料量（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。静静态态被被控控变变量量不不随随时时间间而而变变化化的的平平衡衡状状态态（变变化化率率为为0，不是静止）。，不是静止）。16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。1617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化的不平衡状态被控变量随时间
9、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。结论：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，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要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在工艺生产所要求控制的技术指标上。18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系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。状态的过程。18当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，
10、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19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。在在生生产产中中，出出现现的的干干扰扰是是没没有有固固定定形形式式的的，且且多多半半属属于于随随机机性性质质。在在分分析析和和设设计计控控制制系系统统时时，为为了了安安全全和和方方便便，常常选选择择一一些些定定型型的的干干扰扰形形式式，其其中中常常用用的的是是阶跃干扰。阶跃干
11、扰。1920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、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。图1-8 阶跃干扰作用2021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？对对于于控控制制质质量量要要求求不不高高的的场场合合，如如果果被被控控变变量量允允许许在
12、在工工艺艺许许可可的的范范围围内内振振荡荡（主主要要指指在在位位式式控控制制时时），才可采用。才可采用。22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。23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
13、减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。24第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标2.衰减比 衰减比衰减比是衰减程度的指标，它是前后是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般，一般 n 取为取为410之间为宜。之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二2425第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之三3.余差 当当过过渡渡过过程程终终了了时时，被被控控变
14、变量量所所达达到到的的新新的的稳稳态态值值与与给给定定值值之之间间的的偏偏差差叫叫做做余余差差，或或者者说说余余差差就就是是过过渡渡过过程程终终了了时时的的残残余余偏偏差差。有有余余差差的的控控制制过过程程称称为为有有差差调调节节，相相应应的的系系统统称称为为有有差差系系统统。反反之之就就为为无无差差调节和无差系统。调节和无差系统。2526第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之四4.过渡时间 从从干干扰扰作作用用发发生生的的时时刻刻起起，直直到到系系统统重重新新建建立立新新的的平平衡衡时时止止，过过渡渡过过程程所所经经历历的的时时间间叫叫过过渡渡时时间间。一一般般在在稳稳态
15、态值值的的上上下下规规定定一一个个小小范范围围，当当被被控控变变量量进进入入该该范范围围并并不不再再越越出出时时，就就认认为为被被控控变变量量已已经经达达到到新新的的稳稳态态值值，或或者者说说过过渡渡过过程程已已经经结结束束这这个个范范围围一一般般定定为为稳稳态态值值的的（也也有有的的规规定为定为）。）。2627第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之五5.震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫的间隔时间叫振荡周期振荡周期或工作周期，其倒或工作周期，其倒数称为数称为振荡频率振荡频率。在衰减比相同的情况下，。在衰减比相同的情
16、况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。期短一些为好。2728第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标28某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。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）。举例举例图1-11 温度控制系统过渡过程曲线29第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标解解 最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值BB21021020520555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）2930第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 分析 过过渡渡时时间间与与规规定定的的被被控控变变量量限限制制范范围围大大小小有有关关，假假定定被被控控
