化工自动控制系统

自动控制系统中， 工艺参数需要控 制的生产过程、 设备或机器。
被控变量：
被控过程内要求 保持设定值的工 艺参数
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽流量
操纵变量：
受控制器操纵的 用以克服干扰的 影响，使被控变 量保持设定值的 物料量或能量
扰动：
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
变量与设定值一致的目的。
➢闭环控制的缺点：
汽包
LT
LC
控制不够及时；如果系 统内部各环节配合不当，
省煤器
系统会引起剧烈震荡，甚
给水
至会使系统失去控制。
锅炉汽包自动控制系统示意图
开环控制：根据扰动信号的变化来进行控制。
➢开环控制的特点
汽包
（优点）：
不需要对被控变量 省煤器 进行测量，只根据 输入信号进行控制， 控制很及时。
形时变，非线性及离散系统，多输
入、
多输出的情况。
大系统理论:20世纪70年代开始 将现代控制理论与系统理论相结合 核心思想： 系统的分解与协调 适用范围： 高维线性系统
智能控制理论:不需要建立被控对象的数学模型
➢控制系统结构及仪表的发展
•控制系统结构的发展
基地式：20世纪50年代，适用于单回路（就地式 液位控制器及自力式温度控制器）
FT
LT
Fd1fCF
蒸汽
给水
➢开环控制的缺点：
由于不测量被控变量，
也不与设定值相比较，
所以系统受到其他扰
源自文库
动作用后，被控变量 偏离设定值，无法消 汽包
除偏差，这是开环控
制的缺点。
省煤器
FT
LT
Fd1fCF
蒸汽
给水
开环控制与闭环控制实例比较
➢ 开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）
蒸汽
汽包 省煤器
2.2闭环控制与开环控制
闭环控制：
在反馈控制系统 中，被控变量的值 被送回输入端，与 设定值进行比较， 根据偏差进行控制， 控制被控变量，这 样，整个系统构成 了一个闭环。
汽包 省煤器
蒸汽
LT
LC
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
➢闭环控制的特点（优
蒸汽
点）：
按偏差进行控制，使偏
差减小或消除，达到被控
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
设定值：
工艺参数所要求 保持的数值
偏差：
被控变量实际值 与设定值之差
负反馈：
将被控变量送回 输入端并与输入 变量相减
加热炉温度控制系统
TT
TC
被加热原料
T 出口温度
燃料油
被控过程： 加热炉 被控变量： 物料出口温度 操纵变量： 燃料油流量 扰动： 被加热原料油温度、燃料油热值等
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 PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一
现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展
其主要内容为：
（基础）线性系统理论，最优控制理 论，最佳估计理论，系统辨识等。
特点： 从输入-状态-输出的关系全面地分析
与研究系统。
适用范围： 不限于线性定常系统，也适用于线
LT
LC
汽包
给水
省煤器
锅炉汽包自动控制系统示意图
FT
LT
Fd1fCF
蒸汽
给水
2.3自动控制系统的组成及方框图
在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系 统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都 采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两 个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框 的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。
水位过低：汽包内水较少，负荷很大时，水的汽化速度加快， 汽包内水量急速减少，如不能及时得到控制，则会烧干，烧坏 水冷壁，甚至爆炸。
蒸汽
汽包
省煤器 给水
图1-1 锅炉汽包示意图
手动控制的步骤：
(1)观察液位数值；
(2)把观察到的实际数值 与设定值加以比较，根 据偏差的大小及变化情 况做出判断，并发布命 令。
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环控制系统组成
•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测 量值y(t)。
•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出 其差值。
(3)根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。
锅炉汽包液位自动控制系统 蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包液位自动控制系统示意图
加热炉温度控制系统
被加热原料
TT
TC
T 出口温度
燃料油
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
被控过程：锅炉汽包 被控变量： 汽包液位
术语
被控过程（被控 对象）：
•生产装置实施先进控制成为发展主流 •过程优化受到普遍关注 •传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 •综合自动化系统（CIPS）是发展方向
2 自动控制系统
2.1自动控制系统 自动控制的必要性
蒸汽
汽包
锅炉设备的控制任务主 要是：
根据生产负荷的需要，供应 一定规格（压力、温度）的 蒸汽，同时使锅炉在安全、 经济的条件下运行。
单元组合式（按功能划分，然后组合）： DDZ, QDZ 20世纪60年代，之间用标准统一信号联系
计算机：DDC,20世纪70年代
DCS（集散控制系统）
先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代 以后
➢控制系统结构及仪表的发展 • 自动化仪表的发展
模拟仪表 数字仪表 智能仪表
➢当前自动控制系统发展的一些主要特点
锅炉设备的主要控制系 统有：
省煤器
给水 图1-1 锅炉汽包示意图
（1）锅炉汽包水位的控制 （2）锅炉燃烧的控制 （3）过热蒸汽系统的控制
蒸汽
汽包
省煤器 给水
图1-1 锅炉汽包示意图
汽包水位是锅炉运行的主 要指标，维持水位在一定 范围内是锅炉安全运行的 首要条件。
水位过高：影响汽包内的汽水 分离，饱和水蒸汽带水过多， 会使过热器管壁结构导致损坏， 同时过热蒸汽温度急剧下降， 作为汽轮机动力的话会损坏叶 片，影响运行的安全及经济性。
化工自动控制系统
内容
1 自动化及仪表发展概述 2 自动控制系统 3 控制系统过渡过程及品质指标
1 自动化及仪表发展概述
➢控制理论的发展 经典控制理论:20世纪40年～20世纪50年代 Nyquist(1932)频域分析技术 Bode(1945)图 根轨迹分析方法(1948)
特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究 问题。 适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。