《自动化仪表概述》PPT课件

p
操纵变量
控制阀
q
对象
测量元件 变送器
自动控制系统方框图
正反馈系统 当偏差e=x+z时,控制系统称正反馈系统。当液位y 由于某种干扰而上升时,其测量值z升高,偏差e=x+z 增大,这时,控制器应发出控制信号使e变大,从而y 进一步上升, z进一步增大,增强了受干扰后的变化 趋势,导致系统崩溃或达到极限值,从而使系统不稳 定。 例如炸弹的爆炸、电子振荡器中振荡过程的产 生等都是正反馈系统。
振荡周期和频率:两个同向波峰(或波谷)之间的时 间间隔,为振荡周期;周期越短越好。频率为周期的 倒数。 这些指标在不同的系统中各有其重要性,且互相 间即有矛盾,又有联系。要分清主次,首先保证对生 产过程有决定性意义的主要品质指标。 四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 工艺过程部分(被控对象)和自动化装置部分(测量 与变送器、控制器、执行器)。主要是对象的性质, 但自动化装置应按对象的性质加以选择和调整。
第二部分
自动化仪表概述
• 自动化仪表是实现工业生产过程自动化 的重要工具，它被广泛地应用于石油、 化工等各工业部门。在自动控制系统中， 过程检测仪表将被控变量转换成电信号 或气压信号后，除了送至显示仪表进行 指示和记录外，还需送到控制仪表进行 自动控制，从而实现生产过程的自动化， 使被控变量达到预期的要求。
自动控制系统:它是对生产中某些关键性的参数进 行自动调节,使它们在受到外界干扰的影响而偏离 正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内, 是生产过程自动化的核心部分。
第二节
自动控制系统的组成
• 生活环境中的自动 控制系统 空调;电饭煲;电冰 箱;洗衣机等。
• 工业生产中的自动 控制系统 液位控制:人工→ 自动;温度控制等。
第五节 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 静态:被控变量不随时间变化、自动化装置保持原 状的平衡状态。 当一个自控系统的输入(给定和干扰)和输出均衡不 变时,整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态,即 指系统中各信号的变化率为零,信号保持在某一常 数不变化,而不是指物料不流动或能量不交换。因 为自动控制系统在静态时,生产还在进行,物料和能 量仍有进有出,只是平稳进行没有改变。
操纵指令 自动操纵装置 操纵作用 对象 工艺参数
图1-10 自动操纵系统方框图
第四节
自动控制系统的分类
• 各种分类方法 按被控量分:如温度、压力、液位等控制系统。 按控制器的控制规律分:比例控制、积分控制、 微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比 例积分微分控制等。 按系统功能与结构分:单回路简单控制系统;串 级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规 复杂控制系统；解耦、预测、推断等先进控制 系统和程序控制系统。
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
-
控制装置
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
简单控制系统的方块图
在过程自动化中要通过检测元件获取 生产工艺变量，最常见变量是温度、压 力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器， 它直接响应工艺变量，并转化成一个与 之成对应关系的输出信号。这些输出信 号包括位移、电压、电流、电阻、频率、 气压等。
四、现代自动化技术特点
• 已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来 越大,控制与管理一体化的系统已提到日程,因此, 其社会、经济效益也越来越大。 • 显示了知识密集化、 高技术集成化的特点,它是 信息技术、自动化技术、管理科学等相结合的 现代高技术。 • 自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能 仪表不断出现,控制的精度越来越高,控制的方式 日益多样化,它不仅减轻和代替了人们的体力劳 动,而且也在很大程度上代替了人们的脑力劳动。
Qi
眼 看 脑 想 手 动
Qo
人工操作进行工作的三个方面: (1).检测:用眼睛看液位的高低。 (2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加 以思考和比较得出偏差,发出命令。 (3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变 出口流量Qo,保持液位的高低在规定位置。
• 自动控制系统的组成 1.被控对象:对其工艺参数进行控制的机器或设备。 它可以是一段管道、一台设备或设备的某一部 分,如各种反应器、换热器等。
• 方框图中所涉及的概念 给定值:工艺过程中被控变量的期望值,可以固定 也可按程序变化。 偏差:给定值与测量值之间的差值。 输入:自动控制系统方框图中,指向该环节的信息 称该环节的输入。 输出:自动控制系统方框图中,背离该环节的信息 称该环节的输出。
• 自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。 反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送 回到系统的输入端,并加入到输入信号中的作法。 负反馈:反馈的信号使原来的输入信号减弱。 正反馈:反馈的信号使原来的输入信号增强。
横坐标t为时间,纵坐标y为被控变量离给定值的变 化量。t=0时,系统稳定,y(0)=0;t→∞时,系统也达到 新的稳态,y(∞)=C。 最大偏差(A):在过渡过程中,被控量偏离给定值的 最大量。最大偏差越小越好。 超调量(B):在过渡过程中,第一个峰值A与新稳态 值C之差,即B=A-C。
余差(C):新的稳态值与之差。余差越小越好。 过渡时间(ts):从干扰开始起,直到被控变量进入到距 新稳态值的± 5% (或±2%)的范围内且不再越出 时为止所经历的时间。过渡时间越短,系统控制质 量高。
负反馈系统 以液位控制为例分析其控制过程:当液位y由于某 种干扰而上升时,其测量值z升高,偏差(e=x-z)降低, 这时,控制器应发出控制信号使控制阀的开度发生 变化,变化的方向为负,使被控变量y下降,回到给定 值,抑制了干扰的影响,达到了控制目的。
给定值
x z f 干扰作用 被控变量 y
偏差 控制器 e 测量值
按被控变量的给定值的变化情况分： 定值控制系统:要求被控变量的给定值不变。 (如温度、液位)。 随动控制系统:给定值是随机变化的。随机系统的 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。(如导航雷达系统、火炮系 统、生物反应、金属热处理炉) 程序控制系统:给定值是变化的,但它是一个已知的 时间函数,即生产技术指标须按一定的时间程序变 化。一些定型或非定型的程控装置越来越多地被 应用到生产中。
自动化仪表
绪论
主要内容：
• • • • • 生产过程自动化的含义 实现生产过程自动化的意义 生产过程自动化的发展状况 现代自动化技术特点 学习本课程的重要性
一、生产过程自动化的含义
在生产设备上配备一些自动化的装置,代替操作 人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上自动 地进行的过程称生产过程自动化。
五、学习本课程的重要性
• 本门课是一门综合性的技术学科,通过学习自 动化、仪表方面的知识,对于管理与开发现代 化生产过程是十分重要的。
第一部分 自动控制系统基本概念
主要内容： • 生产自动化的主要内容 • 自动控制系统的组成 • 自动控制系统方框图 • 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
第一节
生产自动化的主要内容
生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自 动操纵、自动控制系统。 自动检测系统 ‫׃‬利用各种检测仪表对生产过程的 主要工艺参数(如温度、压力、流量等)进行测 量、指示或记录的。
自动信号和联锁保护系统(自动保护) 当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光 等报警信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过 改变阀门的开启度或切断某些通路,或进行紧急停 车,以防止事故的发生或扩大。它是生产过程中的 一种安全装置。 自动操纵及自动开停车系统(自动操纵) 自动操纵系统:按照预先规定的步骤自动地对生产 设备进行某种周期性的操作。可减轻工人的重复 性体力劳动。 自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生 产过程投入运行或自动停车。
系统的稳定性:如果系统在受到干扰信号作用后,输 出变量最终能返回到原平衡状态或其附近,称系统 为稳定的;否则,称系统不稳定。 在阶跃干扰作用下自动控制系统的过渡过程形式： (a)非周期衰减过程; (b)衰减振荡过程; (c)等幅振荡 过程; (d)发散振荡过程;(e)非振荡发散过程。
三、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标
动态:被控变量随时间变化、自动化装置改变原状 的不平衡状态。 若一个系统原先处于相对平衡状态即静态,由于干 扰的作用而破坏了这种平衡时,被控变量就会发生 变化,从而使控制器、控制阀等自动化装置改变原 来平衡时所处的状态,产生一定的控制作用来克服 干扰的影响,并力图使系统恢复平衡。从干扰发生 开始,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,所以这种状态叫做动态。
第三节
自动控制系统方框图
方框图的作用:用箭头表示自动控制系统各个组成 环节之间的相互影响和信号联系。图1-3液位自动 控制系统方框图如下。
给定值 偏差 控制器
操纵变量
f
干扰作用 被控变量
x
z
e
测量值
p
控制阀
q
对象
y
测量元件 变送器
图1-8 自动控制系统方框图
给定值
偏差 控制器
操纵变量
f
干扰作Leabharlann Baidu 被控变量
x
z
e
测量值
p
控制阀
q
对象
y
测量元件 变送器
自动控制系统方框图
• 方框图中所涉及的概念 被控对象:在生产过程中需保持其工艺参数稳定的 设备或装置。如冶金炉,加热炉等,也可是一台具体 的设备或设备的某一部分,如一段管道(贮槽)。 被控变量y:生产过程中需保持恒定的变量(液位) 。 干扰作用f:在生产过程中引起被控变量偏离给定值 的外来因素,它是输入信号 (进料流量的改变)。 控制作用:用来克服外界干扰,使被控变量恢复到给 定值的操作。 操纵变量q:具体实现控制作用的变量(出料流量)。 操纵介质:用来实现控制作用的物料(流过阀门流 体 )。
二、实现生产过程自动化的意义
加快生产速度,降低生产成本,提高产品产量和质量； 减轻劳动强度,改善劳动条件； 能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,延长设 备使用寿命,提高设备利用率； 能根本改变劳动方式,提高工人文化水平,逐步消 除脑力劳动和体力劳动之间的差别。
三、生产过程自动化的发展状况
• 20世纪40年代以前,主要是人工调节,凭经验指 导生产,生产效率低。 • 20世纪50~60年代,应用简单自动化技术,如基 地式仪表。 • 20世纪70年代开始,控制理论和控制技术及计 算机技术的应用推动了生产过程自动化,出现 了各种新型控制系统,如集散控制系统、二级 优化控制等。 • 近年来,现代自动化技术已不只局限于对生产 过程中重要参数的自动控制,已发展为综合自 动化。
• 自动控制系统的组成 2.自动化装置： 测量元件及变送器:检测参数(液位)并将检测结果 变成标准统一信号进行输出,如液位的测量及变送。 自动控制器:接受变送器送来的信号,与工艺需要保 持的参数值(液位)进行比较得出偏差,并按某种运算 规律算出结果,然后将此结果以特定信号(如电压、 电流)发送出去。 执行器:通常指控制阀,它自动地根据控制器发出的 信号值改变阀门的开启度,从而改变操纵变量,给对 象施加调节作用。
二、控制系统的过渡过程 过渡过程:系统受输入(干扰)信号的作用从一个平衡 状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过渡过程。 是被控量在干扰信号或控制信号的作用下随时间不 断变化的过程,其变化规律与干扰信号的形式有关。 阶跃干扰作用:在某一 瞬间t0,干扰突然地阶跃 式地加到系统上并保持 该幅度。它比较突然, 比较危险,对被控量影 响最大。
• 可见,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭 环系统。由于具有负反馈的闭环系统,它可随时 了解被控对象的情况,有针对性地根据被控变量 的变化情况而改变控制作用的大小和方向,从而 使系统的工作状态始终等于或接近所希望的状 态这是闭环系统的优点。 • 自动检测、自动操纵等开环系统由于没有负反 馈不能随时了解被控对象的情况而改变自己的 操作状态,这是开环系统的缺点。
由于检测元件的输出信号种类繁多， 且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经 过变送器处理，转换成标准统一的电气信 号（如4～20mA 或 0～10mA直流电流信 号 ,20～100KPa气压信号）送往显示仪表， 指示或记录工艺变量，或同时送往控制器 对被控变量进行控制。有时将检测元件、 变送器及显示装置统称为检测仪表, 或者 将检测元件称为一次仪表，将变送器和显 示装置称为二次仪表。