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1、化工自动化及仪表课程概况学时数 理论32，实验16学分 2.5上课教材 过程自动化及仪表（第三版）俞金寿，孙自强化学工业出版社参考教材期末闭卷考试（70%）+平时成绩（30%）为什么要学本课程？如何学好本课程？基础知识：电路、电子、计算机课堂讲授、讨论实验课后自学学习方法：了解基本原理（结构），学会基本工程设计、分析、应用。主要授课内容概述概述过程特性过程特性检测变送检测变送显示仪表显示仪表执行器执行器控制器控制器系统设计系统设计投运投运参数整定参数整定复杂控制复杂控制先进控制先进控制典型案例典型案例简单控制系统简单控制系统 第一章 自动控制系统概述本章的主要内容本章的主要内容自动控制和自动化
2、仪表发展概况自动控制和自动化仪表发展概况自动控制系统自动控制系统控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标什么是自动化？什么是自动化？ (a) 手动控制手动控制 (b) 自动控制自动控制 自动化自动化，是指机器或装置在无人干预的情况下按规是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。定的程序或指令自动地进行操作或运行。我国古代自动装置我国古代自动装置指南车指南车铜壶滴漏铜壶滴漏浮子式阀门浮子式阀门饮酒速度的自动调节饮酒速度的自动调节计里鼓车计里鼓车。指南车复原模型指南车复原模型齿轮系齿轮系车身车身木人木人方向方向车辆车辆转弯转弯铜壶滴漏铜壶滴漏中国古代的自动
3、中国古代的自动计时计时（测量时间）（测量时间）装置装置，又称刻漏或漏刻。又称刻漏或漏刻。上壶滴水到下面的受上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升水壶，液面使浮箭升起以示刻度（即时间）起以示刻度（即时间）。饮酒速度自动调节饮酒速度自动调节计里鼓车计里鼓车近代自动装置近代自动装置公元公元17881788年年 J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述控制理论的发展控制理论的发展经典控制理论经典控制理论:20世纪世纪4040年年2020世纪世纪5
4、050年代年代Nyquist频域分析技术频域分析技术(1932)Bode图图 (1945)根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948)(1948)特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究问题。究问题。适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计制系统进行分析与设计PID控制规律是古典控制理论最辉煌成果之一控制规律是古典控制理论最辉煌成果之一现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代年代其主要内容
5、其主要内容线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系统辨识等。统辨识等。特点特点从输入从输入- -状态状态- -输出的关系全面地分析与研究系统。输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围适用范围不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出的情况。及离散系统，多输入、多输出的情况。大系统理论大系统理论: 2020世纪世纪7070年代，将现代控制年代，将现代控制理论与系统理论相结合理论与系统理论相结合核心思想：核心思想： 系统的分解与协调系统的分解与协调适用范围：适用范围： 高维线性系
6、统高维线性系统智能控制理论智能控制理论控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展基地式：基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路年代，适用于单回路单元组合式（按功能）：单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 2020世纪世纪6060年代，之间用标准统一信号联系年代，之间用标准统一信号联系计算机：计算机： DDC, DCS 2020世纪世纪7070年代年代先进控制和优化控制：先进控制和优化控制：CIPS, FCS 2020世纪世纪8080年年代以后代以后 自动化仪表的发展经历了如下过程：自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表模拟仪表、数字仪表数字仪表、智能仪表智能仪表自动化
7、应用举例 1.2 自动控制系统自动控制系统1.2.1 自动控制系统自动控制系统蒸汽蒸汽给水给水省煤器省煤器汽包汽包锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图观察观察比较比较决策决策动作动作LT 省煤器省煤器汽包汽包蒸汽蒸汽给水给水锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统示意图LC 液位检测液位控制执行器控制术语被控过程（被控对象被控过程（被控对象）：自动控制系统中，自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。器。被控变量：被控变量：被控过程内要求保持设定值的被控过程内要求保持设定值的工艺参数工艺参数操纵变量：操纵变量：受控制器操纵用以克服干扰影受
8、控制器操纵用以克服干扰影响，使被控变量保持设定值的物料量或能响，使被控变量保持设定值的物料量或能量量扰动：扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素引起被控变量变化的因素设定值：设定值：工艺参数所要求保持的数值工艺参数所要求保持的数值偏差：偏差：被控变量设定值与实际值之差被控变量设定值与实际值之差负反馈：负反馈：将被控变量送回输入端并与输入将被控变量送回输入端并与输入变量相减变量相减LT 省煤器省煤器汽包汽包蒸汽蒸汽给水给水LC 信息获取信息获取信息处理信息处理动作执行动作执行具体对象具体对象1.2.2 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制闭环控制
9、闭环控制在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，整个系设定值进行比较，根据偏差进行控制，整个系统构成了一个闭环。统构成了一个闭环。闭环控制优点闭环控制优点达到被控变量与设定值一致达到被控变量与设定值一致 闭环控制缺点闭环控制缺点控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。开环控制开环控制优点优点不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。
10、控制，控制很及时。缺点缺点由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差。法消除偏差。 开环控制举例（锅炉汽包液位）开环控制举例（锅炉汽包液位）（如按扰动控制，又称前馈控制）（如按扰动控制，又称前馈控制） FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水1.2.3自动控制系统组成及方框图自动控制系统组成及方框图检测元件和变送器检测元件和变送器被控变量被控变量c(t)转化为测量值转化为测量值y(t)比较机构比较机构比较设定值比较设定值r(t)与测量值
11、与测量值y(t)并输出其差值并输出其差值控制装置控制装置根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用制规律给出控制作用u(t)。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器执行器接受控制器送来的接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量相应地去改变操纵变量q(t)。 系统中控制器以外的各部分组合在一起称为广义系统中控制器以外的各部分组合在一起称为广义对象对象1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分按设定值的不同情况，将自动控制系
12、统分为三类为三类定值控制定值控制随动控制随动控制程序控制程序控制定值控制系统定值控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。制系统称为定值控制系统。 随动控制系统随动控制系统设定值不断变化，且事先是不知道的，并设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。要求系统的输出（被控变量）随之而变化。 放大器放大器被测电压被测电压反馈反馈电压电压可逆可逆电机电机 可逆可逆 电机电机 传动传动 机构机构 滑线滑线 电阻电阻 放大器放大器被测电压被测电压输出输出 角位移角位移自动平衡电子电位差计示意图及方框图自动平衡电
13、子电位差计示意图及方框图 滑线电阻滑线电阻 程序控制系统程序控制系统设定值也是变化的，但它是一个已知的时设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化间函数，即根据需要按一定时间程序变化 1.3 控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标过渡过程过渡过程当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化的过程。（即输出）随时间不断变化的过程。即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。的过程。对于一个稳定的系统要分析其稳定性、准确性对于一个稳定的系统要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例的过渡过程为例过渡过程几种形式过渡过程几种形式( (阶跃扰动作用下阶跃扰动作用下) )1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性、快速性稳定性、准确性、快速性综合控制指标综合控制指标过渡过程单项控制指标衰减比n最大动态偏差 （超调量 ）余差 回复时间 （振荡频率） 本章小结术语概念（开环，闭环）控制系统分类（定值，随动，程序）方框图过渡过程及其品质指标
