化工儀表及自動化第一章自動控制系統基本概念

內容提要

化工自動化的主要內容自動控制系統的基本組成及方塊圖自動控制系統的分類自動控制系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態控制系統的過渡過程控制系統的品質指標影響控制系統過渡過程品質的主要因素1第一節化工自動化的主要內容1.自動檢測系統2.自動信號和聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統3利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統。它代替了操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1熱交換器自動檢測系統示意圖當工藝參數超過了允許范圍，在事故即將發生以前，信號系統就自動地發出聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態時，聯鎖系統立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發生和擴大。它是生產過程中的一種安全裝置。

自動操縱系統可以根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統可以按照預先規定好的步驟，將生產過程自動地投入運行或自動停車。

在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態時，自動控制系統能自動地控制而回到規定的數值范圍內。

第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖

4圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動控制系統圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現代化生產的需要第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖

自動控制系統的組成5組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控制器執行器控制系統的4個基本環節：被控對象、檢測儀表(測量變送環節)、控制器、執行器幾個常用術語：（1）被控對象

需要實現控制的設備、機械或生產過程稱為被控對象，簡稱對象。（2）被控變量

對象內要求保持一定數值（或按某一規律變化）的物理量稱為被控變量。（3）控制變量（操縱變量）受執行器控制，用以使被控變量保持一定數值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。

（4）干擾（擾動）除控制變量（操縱變量）以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。（5）設（給）定值

工藝規定被控變量所要保持的數值。（6）偏差

偏差本應是設定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值，因此，在控制系統中通常把設定值與測量值之差定義為偏差。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖液位自動控制的方塊圖在研究自動控制系統時，為了便于對系統分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統的組成。下頁圖為液位自動控制系統地方塊圖每個環節表示組成系統的一個部分，稱為“環節”。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。6方塊圖中，

x

指設定值；z

指輸出信號；e

指偏差信號；p指發出信號；q

指出料流量信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當x

取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖液位自動控制的方塊圖圖1-4液位自動控制系統方塊圖7第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖其他控制系統

用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統

當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個控制系統同樣可以用上頁中的方塊圖表示8第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。9方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯系，并不代表方塊之間的物料聯系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。自動控制系統是一個閉環系統系統運行的基本要求

自動控制系統的（最）基本要求是系統運行必須是穩定的反饋是控制系統的輸出（即被控變量）通過測量變送返回到控制系統的輸入端，并與設定值比較的過程。若反饋的結果是使系統的輸出減小，則稱為負反饋若反饋的結果是使系統的輸出增加，則稱為正反饋工業控制系統一般情況下都應為負反饋。

第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖閉環與開環

閉環——系統的輸出被反饋到輸入端并與設定值進行比較的系統稱為閉環系統，此時系統根據設定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差。調節器被控對象測量變送裝置+－SP執行器開環——系統的輸出沒有被反饋回輸入端，執行器僅只根據輸入信號進行控制的系統稱為開環系統，此時系統的輸出與設定值與測量值之間的偏差無關。要實現自動控制，系統必須閉環。閉環控制系統穩定運行的必要條件是負反饋。

第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖小結自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。與自動檢測、自動操縱等開環系統比較，最本質的區別，就在于自動控制系統有負反饋，開環系統中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10舉例化肥廠的造氣自動機就是典型的開環系統的例子自動操縱裝置對象操縱作用工藝參數操縱指令第二節自動控制系統的基本組成及方塊圖小結開環系統：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發生了變化，自動機不會自動地根據被控變量的實際工況來改變自己的操作。比較閉環系統：有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統的工作狀態始終等于或接近于所希望的狀態。11第三節自動控制系統的分類幾種分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統；按控制器具有的控制規律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統；將控制系統按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統分為三類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。12其中第三種分類方法最普遍第三節自動控制系統的分類

“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統。131.定值控制方法2.隨動控制系統（自動跟蹤系統）

給定值隨機變化，該系統的目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第三節自動控制系統的分類3.程序控制系統（順序控制系統）

給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統在間歇生產過程中應用比較普通。14第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標一、控制系統的靜態與動態15自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。

靜態——被控變量不隨時間而變化的平衡狀態（變化率為0，不是靜止）。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標

當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，系統的各個組成環節如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對穩定狀態，這種狀態就是靜態。16第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標17動態——被控變量隨時間變化的不平衡狀態。

從干擾作用破壞靜態平衡，經過控制，直到系統重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。結論：在自動化工作中，了解系統的靜態是必要的，但是了解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標二、控制系統的過渡過程系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。18當干擾作用于對象，系統輸出y發生變化，在系統負反饋作用下，經過一段時間，系統重新恢復平衡。舉例圖1-7控制系統方塊圖第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。

19第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標采用階躍干擾的優點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。圖1-8階躍干擾作用20第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程

發散震蕩過程X√√？對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標三、控制系統的品質指標控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。22圖1-10過渡過程品質指標示意圖

假定自動控制系統在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程

多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統的品質指標。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標23五種重要品質指標之一1.最大偏差或超調量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。超調量是用來表征被控變量偏離穩態值的程度。第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標2.衰減比衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。五種重要品質指標之二24第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之三3.余差當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調節，相應的系統稱為有差系統。反之就為無差調節和無差系統。

25第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之四4.過渡時間

從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經歷的時間叫過渡時間。一般在穩態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩態值，或者說過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩態值的±５％（也有的規定為±２％）。26第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標五種重要品質指標之五5.震蕩周期或頻率

過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27階躍干擾作用下的過渡過程（設定值固定，加一階躍干擾）——定值系統

0最大偏差emax：衰減比n：余差e(∞)：過渡時間tp：振蕩周期：超調量σ：第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統希望的結果：最大偏差（超調量）？衰減比？余差？過渡時間？振蕩周期？答：越小越好n＝1等幅振蕩n＜1發散振蕩n＞1衰減振蕩不振蕩

為了保持有足夠的穩定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優的結果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。答：越小越好答：越小越好答：短好第四節自動控制系統的過渡過程和品質指標例子某換熱器的溫度調節系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間(給定值為200)。

解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃2、余差C＝205—200＝5℃3、第一個波峰值B＝230—205＝25℃

第二個波峰值B’＝210—205＝5℃

衰減比n＝25：5＝5：l。

4、振蕩周