化工仪表及自动化第1章1化学工业出版社25022.pptx

化工仪表及自动化化工仪表及自动化第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 内容提要内容提要n 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容n 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态n控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程n控制系统的品质指标控制系统的品质指标n影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主要因素1 内容提要内容提要n工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图n图形符号图形符号n字母代号字母代号n仪表位号仪表位号2第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容n1.自动检测系统自动检测系统n2.自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统n3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统n4.自动控制系统自动控制系统3第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容1.自动检测系统自动检测系统利用各种检测仪表对主要工艺参利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。录，起到人的眼睛的作用。图图1-1 1-1 热交换器自动检测系统示意图热交换器自动检测系统示意图2.自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统 当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出以前，信号系统就自动地发出声光信号声光信号，告诫操，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打险状态时，联锁系统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。它是生产过程中的一种防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。安全装置。3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地自动操纵系统可以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。自动开停车系对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动统可以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。地投入运行或自动停车。4.自动控制系统自动控制系统 在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。数值范围内。第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 4图图1-2 1-2 人工操作图人工操作图图图1-3 1-3 液位自动控制系统图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化生产的需要第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 n自动控制系统的组成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第二节第二节 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n在在研研究究自自动动控控制制系系统统时时，为为了了便便于于对对系系统统分分析析研研究究，一一般都般都用方块图来表示控制系统的组成用方块图来表示控制系统的组成。n下下页页图图为为液液位位自自动动控控制制系系统统的的方方块块图图，每每个个环环节节表表示示组组成成系系统统的的一一个个部部分分，称称为为“环环节节”。两两个个方方块块之之间间用用一一条条带带有有箭箭头头的的线线条条表表示示其其信信号号的的相相互互关关系系，箭箭头头指指向向方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输入入，箭箭头头离离开开方方块块表表示示为为这这个个环环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。6n方方块块图图中中，x 指指设设定定值值；z 指指输输出出信信号号；e 指指偏偏差差信信号号；p 指指发发出出信信号号；q 指指出出料料流流量量信信号号；y 指指被被控控变变量量；f 指指扰扰动动作作用用。当当x 取取正正值值，z取取负负值值，e=x-z，负负反反馈；馈；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e=x+z，正反馈。，正反馈。第二节第二节 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图1-4 1-4 液位自动控制系统方块图液位自动控制系统方块图7几个常用术语几个常用术语几个常用术语几个常用术语 ：（1 1）被控对象被控对象被控对象被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。象。象。象。（2 2）被控变量被控变量被控变量被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。被控变量。被控变量。被控变量。（3 3）控制变量控制变量控制变量控制变量（操纵变量操纵变量操纵变量操纵变量）受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。料或能量称为控制变量或操纵变量。料或能量称为控制变量或操纵变量。料或能量称为控制变量或操纵变量。（4 4）干扰干扰干扰干扰（扰动扰动扰动扰动）除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。变化的一切因素称为干扰。变化的一切因素称为干扰。变化的一切因素称为干扰。（5 5）设（给）定值设（给）定值设（给）定值设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值工艺规定被控变量所要保持的数值工艺规定被控变量所要保持的数值工艺规定被控变量所要保持的数值。（6 6）偏差偏差偏差偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。义为偏差。义为偏差。义为偏差。第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n其他控制系统其他控制系统 用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统图图1-5 1-5 蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器温度控制系统 当当进进料料流流量量或或温温度度变变化化等等因因素素引引起起出出口口物物料料温温度度变变化化时时，可可以以将将该该温温度度变变化化测测量量后后送送至至温温度度控控制制器器TCTC。温温度度控控制制器器的的输输出出送送至至控控制制阀阀，以以改改变变加加热热蒸蒸汽汽量量来来维维持持出出口物料的温度不变。口物料的温度不变。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8P6P6P6P6图图1-5 蒸汽加热器温度控制系统：蒸汽加热器温度控制系统：（1 1 1 1）被控对象被控对象被控对象被控对象-蒸汽加热器蒸汽加热器（2 2 2 2）被控变量被控变量被控变量被控变量-出口物料的温度出口物料的温度出口物料的温度出口物料的温度（3 3 3 3）控制变量（操纵变量）控制变量（操纵变量）控制变量（操纵变量）控制变量（操纵变量）-加热蒸汽量加热蒸汽量（4 4 4 4）干扰（扰动）作用干扰（扰动）作用干扰（扰动）作用干扰（扰动）作用-进料流量、进料温度的变化进料流量、进料温度的变化进料流量、进料温度的变化进料流量、进料温度的变化 、加热蒸汽压力的变化、加热器内部传热系数的变化、环境加热蒸汽压力的变化、加热器内部传热系数的变化、环境温度的变化温度的变化（5 5 5 5）操纵介质（操纵剂）操纵介质（操纵剂）操纵介质（操纵剂）操纵介质（操纵剂）-加热蒸汽加热蒸汽第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n注注意意！方方块块图图中中的的每每一一个个方方块块都都代代表表一一个具体的装置。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，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。同的。n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个工艺流程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。相一致。n自动控制系统是一个闭环系统自动控制系统是一个闭环系统第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n小结小结n自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。n与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于别，就在于自动控制系统有负反馈自动控制系统有负反馈，开环系统中，被，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。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第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n小结小结开开环环系系统统：自自动动机机在在操操作作时时，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。11设定器设定器控制器控制器被控对象被控对象扰动扰动被控量被控量设定器设定器被控过程被控过程传感器传感器控制器控制器开环开环控制系统控制系统：闭环控制系统闭环控制系统:第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类几种分类方法几种分类方法（一）按（一）按被控变量被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；来分类，如温度、压力等控制系统；（二）按（二）按控制器具有的控制规律控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、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；比例微分、比例积分微分等控制系统；（三）将控制系统按照工艺过程需要控制的（三）将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值被控变量的给定值是否变化和如何变化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来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。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第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 “定值定值”是是恒定给定值恒定给定值的简称。工艺生产中，若要的简称。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。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。数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。第三节第三节 自动控制系统的分类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。歇生产过程中应用比较普通。14第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态一、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 0，不是静止）。，不是静止）。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 当当一一个个自自动动控控制制系系统统的的输输入入（给给定定和和干干扰扰）和和输输出出均均恒恒定定不不变变时时，整整个个系系统统就就处处于于一一种种相相对对稳稳定定的的平平衡衡状状态态，系系统统的的各各个个组组成成环环节节如如变变送送器器、控控制制器器、控控制制阀阀都都不不改改变变其其原原先先的的状状态态，它它们们的的输输出出信信号号也也都都处处于于相相对对静静止止状状态态，这种状态就是这种状态就是静态静态。16第四节第四节 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变化的不平衡状态 。从从干干扰扰作作用用破破坏坏静静态态平平衡衡，经经过过控控制制，直直到到系系统统重重新新建建立立平平衡衡，在在这这一一段段时时间间中中，整整个个系系统统的的各各个个环环节节和和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。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。在工艺生产所要求控制的技术指标上。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程n系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。18当当干干扰扰作作用用于于对对象象，系系统统输输出出y y发发生生变变化化，在在系系统统负负反反馈馈作作用用下下，经经过过一一段段时时间间，系统重新恢复平衡。系统重新恢复平衡。举例举例图图1-7 1-7 控制系统方块图控制系统方块图 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变化的不平衡状态。如如果果系系统统原原来来处处于于相相对对平平衡衡状状态态（静静态态），当当出出现现干干扰扰使使被被控控变变量量发发生生变变化化，此此时时控控制制系系统统发发生生作作用用，调调节节器器根根据据偏偏差差及及其其偏偏差差的的变变化化情情况况，改改变变调调节节器器输输出出，再再经经执执行行器器改改变变操操纵纵变变量量，使使被被控控变变量量重重新新回回到到设设定定值值来来，这这么么一一个个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态动态”过程。过程。工工艺艺设设计计主主要要围围绕绕系系统统“静静态态”特特性性开开展展工工作作，自自动动控控制制是是在在“静静态态”特特性性基基础础上上研研究究其其“动动态态”特特性性当当系系统统失失去去平平衡衡以以后后，如如何何使使系统重新回到平衡状态。系统重新回到平衡状态。如何来评价自控系统的质量？如何来评价自控系统的质量？必必须须分分析析“系系统统失失稳稳以以后后能能否否重重新新回回到到平平衡衡状状态态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。这个过程的各种指标。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰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。形式。n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阶跃干扰。跃干扰。19第四节第四节 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：这这种种形形式式的的干干扰扰比比较较突突然然、危危险险，且且对对被被控控变变量量的的影影响响也也最最大大。如如果果一一个个控控制制系系统统能能够够有有效效地地克克服服这这种种类类型型的的干干扰扰，那那么么一一定定能能很很好好地地克克服比较缓和的干扰。服比较缓和的干扰。这这种种干干扰扰的的形形式式简简单单，容容易易实实现现，便便于于分分析析、实实验验和和计计算算。图图1-8 1-8 阶跃干扰作用阶跃干扰作用20第四节第四节 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制时），才可采用。控制时），才可采用。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标三、控制系统的品质指标三、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。控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。22图图1-10 1-10 过渡过程品质指标示意图过渡过程品质指标示意图 假假定定自自动动控控制制系系统统在在阶阶跃跃输输入入作作用用下下，被被控控变变量量的的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程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。过程形式讨论控制系统的品质指标。第四节第四节 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一1.1.最大偏差最大偏差A A或超调量或超调量B B 最最大大偏偏差差A A 是是指指在在过过渡渡过过程程中中，被被控控变变量量偏偏离离给给定定值值的的最最大大数数值值。在在衰衰减减振振荡荡过过程程中中，最最大大偏偏差差就就是是第第一一个个波波的的峰峰值值。特特别别是是对对于于一一些些有有约约束束条条件件的的系系统统，如如化化学学反反应应器器的的化化合合物物爆爆炸炸极极限限、触触媒媒烧烧结结温温度度极极限限等等，都都会会对对最最大大偏差的允许值有所限制。偏差的允许值有所限制。超调量超调量B B 也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。B=A-CB=A-C第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标2.衰减比衰减比 B/B 衰减比衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为比。习惯表示为 n n:1:1，一般，一般 n n 取为取为4 41010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二24第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标3.余差余差 C 当当过过渡渡过过程程终终了了时时，被被控控变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，相相应应的系统称为的系统称为有差系统有差系统。反之就为。反之就为无差调节无差调节和和无差系统无差系统。25五种重要品质指标之三五种重要品质指标之三第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标4.过渡时间过渡时间 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（也也有有的规定为的规定为）。）。26五种重要品质指标之四五种重要品质指标之四第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标5.5.震荡周期或频率震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振振荡周期荡周期或工作周期，其倒数称为或工作周期，其倒数称为振荡频率振荡频率。在衰减比相同。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。一些为好。27五种重要品质指标之五五种重要品质指标之五自动控制系统希望的结果：自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？最大偏差（超调量）？衰减比？衰减比？余差？余差？过渡时间？过渡时间？振荡周期？振荡周期？答：越小越好答：越小越好答：越小越好答：越小越好n n1 1等幅振荡等幅振荡 n n1 1发散振荡发散振荡 n n1 1衰减振荡衰减振荡 不振荡不振荡 为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4 4：1 1至至1010：1 1；这种过渡过程；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。不振荡：不便于操作人员掌握。答：答：答：答：越小越好越小越好越小越好越小越好 答：答：答：答：越小越好越小越好越小越好越小越好 答：答：答：答：短好短好短好短好自动控制系统性能要求自动控制系统性能要求五个字：稳、准、快、壮、省五个字：稳、准、快、壮、省n稳稳：扰动下不发散扰动下不发散n准准：与设定值的偏差小与设定值的偏差小n快快：用最少的时间达到要求用最少的时间达到要求n壮壮：适应宽范围工况适应宽范围工况n省省：控制能量最省，波动小，效率高控制能量最省，波动小，效率高第四节第四节 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第四节第四节 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，故故衰减比衰减比应为应为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，故故周期周期T T20-520-51515（minmin）29第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 分析分析 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，假假定定被被控控变变量量进进入入额额定定值值的的22，就就可可以以认认为为过过渡渡过过程程已已经经结结束束，那那么么限限制制范范围围为为200200（22）44，这这时时，可可在在新新稳稳态态值值（205205）两两侧侧以以宽宽度度为为画画一一区区域域，上上图图中中以以画画有有阴阴影影线线的的区区域域表表示示，只只要要被被控控变变量量进进入入这这一一区区域域且且不不再再越越出出，过过滤滤过过程程就就可可以以认认为为已已经经结结束束。因因此此，从图上可以看出，从图上可以看出，过渡时间过渡时间为为22min22min。30第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素31 一一个个自自动动控控制制系系统统可可以以概概括括成成两两大大部部分分，即即工工艺艺过过程程部部分分（被被控控对对象象）和和自自动动化化装装置置部部分分。前前者者指指与与该该自自动动控控制制系系统统有有关关的的部部分分。后后者者指指为为实实现现自自动动控控制制所所必必需需的的自自动动化化仪仪表表设备，通常包括设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏好坏，在很，在很大程度上大程度上决定于决定于对象的性质对象的性质。例如在前所述的温度控制系。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。不同自动化系统要具体分析。32四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响过渡过程的主要因素影响过渡过程的主要因素?固定因素固定因素：对象特性：对象特性-工艺参数、设备结构、材质等工艺参数、设备结构、材质等 测量仪表特性测量仪表特性 执行器特性执行器特性补偿因素补偿因素：控制器特性控制器特性控制器特性控制器特性这是自动控制的主要研究内容这是自动控制的主要研究内容自动控制系统的组成自动控制系统的组成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第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，根据工艺设计给出的流程图，按按其其流流程程顺顺序序标标注注出出相相应应的的测测量量点点、控控制制点点、控控制制系系统统及及自动信号与联锁保护系统等自动信号与联锁保护系统等，便成了便成了工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 （PIDPID图）图）。Piping&Instrumentation DiagramPiping&Instrumentation Diagram 管道及仪表流程图管道及仪表流程图33第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图34图图1-121-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例右右图图是是乙乙烯烯生生产产过过程程中中脱脱乙乙烷烷塔塔的的工工艺艺管管道道及及控控制制流流程程图图 举例举例第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图一、图形符号一、图形符号1.1.测量点（包括检出元件、取样点）测量点（包括检出元件、取样点）35 测测量量点点是是由由工工艺艺设设备备轮轮廓廓线线或或工工艺艺管管线线引引到到仪仪表表圆圆圈圈的的连连接接线线的的起起点点，一一般般无无特特定定的的图图形形符符号号，如如下下图图所所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。图图1-13 1-13 测试点的一般表示方法测试点的一般表示方法第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图2.2.连接线连接线36 通通用用的的仪仪表表信信号号线线均均以以细细实实线线表表示示。连连接接线线表表示示交交叉叉及及相相接接时时，采采用用下下图图的的形形式式。必必要要时时也也可可用用加加箭箭头头的的方方式式表表示示信信号号的的方方向向。在在需需要要时时，信信号号线线也也可可按按气气信信号号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。图图1-14 1-14 联联接接线的表示法线的表示法第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 仪仪表表的的图图形形符符号号是是一一个个细细实实线线圆圆圈圈，直直径径约约10mm10mm，对对于于不不同同的的仪仪表表安安装装位位置置的的图图形形符符号号如如下下表所示。表所示。373.仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图38表表1-1 1-1 仪表安装位置的图形符号表示仪表安装位置的图形符号表示第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图39 对对于于处处理理两两个个或或两两个个以以上上被被测测变变量量，具具有有相相同同或或不不同同功功能能的的复复式式仪仪表表时时，可可用用两两个个相相切切的的圆圆或或分分别别用用细细实实线线圆圆与与细细虚虚线线圆圆相相切切表表示示（测测量量点点在在图图纸纸上上距距离离较较远远或或不不在在同同一图纸上），如下图所示。一图纸上），如下图所示。图图1-15 1-15 复式仪表的表示法复式仪表的表示法第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图二、字母代号二、字母代号 在在控控制制流流程程图图中中，用用来来表表示示仪仪表表的的小小圆圆圈圈的的上上半半圆圆内内，一一般般写写有有两两位位（或或两两位位以以上上）字字母母，第第一一位位字字母母表表示示被被测测变变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。40表表1-2 1-2 被测变量和仪表功能的字母代号被测变量和仪表功能的字母代号41第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图42举例举例以以脱脱乙乙烷烷塔塔控控制制流流程程图图，来来说说明明如如何何以以字字母母代代号号的组合来表示被测变量和仪表功能。的组合来表示被测变量和仪表功能。塔塔顶顶的的压压力力控控制制系系统统中中的的PIC-207PIC-207，其其中中第第一一位位字字母母P P表表示示被被测测变变量量为为压压力力，第第二二位位字字母母I I表表示示具具有有指指示示功功能能，第第三三位位字字母母C C表表示示具具有有控控制制功功能能，因因此此，PICPIC的的组组合合就就表表示示一一台台具具有有指指示示功功能能的的压压力力控控制制器器。该该控控制制系系统统是是通通过过改改变变气气相相采采出出量量来来维维持塔压稳定的。持塔压稳定的。第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 回回流流罐罐液液位位控控制制系系统统中中的的LIC-201LIC-201是是一一台台具具有有指指示示功功能能的的液液位位控控制制器器，它它是是通通过过改改变变进进入入冷冷凝凝器器的的冷冷剂剂量量来来维维持持回流罐中液位稳定的。回流罐中液位稳定的。塔塔下下部部的的温温度度控控制制系系统统中中的的TRC-210TRC-210表表示示一一台台具具有有记记录录功功能能的的温温度度控控制制器器，它它是是通通过过改改变变进进入入再再沸沸器器的的加加热热蒸蒸汽汽量来维持塔底温度恒定的。量来维持塔底温度恒定的。塔塔底底的的液液位位控控制制系系统统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。43第五节第五节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图三、仪表位号三、仪表位号44 仪仪表表位位号号是是由由字字母母代代号号组组合合和和阿阿拉拉伯伯数数字字编编号号两两部部分分组组成成。阿阿拉拉伯伯数数字字编编号号写写在在圆圆圈圈的的下下半半部部，其其第第一一位位数数字字表表示示工工段段号号，后后续续数数字字（二二位位或或三三位位数数字字）表表示示仪仪表序号。表序号。举例举例脱脱乙乙烷烷塔塔的的工工艺艺管管道道及及控控制制流流程程图图中中PIC-206PIC-206表表示示测测量量点点在在加加热热蒸蒸汽汽管管线线上上的的蒸蒸汽汽压压力力指指示示仪仪表表，该该仪表为就地安装，工段号为仪表为就地安装，工段号为2 2，仪表序号为，仪表序号为0606。本章作业本章作业P151，8，9，11，21,22