化工仪表与自动化7-1(自动控制系统基本概念)解析

化工仪表及自动化》教案
教师活动
学生活动时间分配
教学步骤教学内容
实训一、熟悉CS2000组成
二、液位的控制操作
1．人工控制水箱水位操作
2．液位的自动控制操作
三、观察并记录自动控制系统组成观摩
听课
45
分种
理论教学（讲解）第一节自动控制系统的组成
化工生产自动化场景
一、人工操作
30
分钟
重点：理解人工控
制组成及过程
重点：自动控制系统组成
图7-1 人工操作图
1．人工控制目的
控制水箱水位为希望的值
2．人工控制过程
人和被控制水箱组成人工控制系统
操作员对水位进行控制进行了三个方面工作：
（1）检测眼睛观察水位
（2）运算大脑将水位与希望的水位值相比较，得出偏差
大小和正负，然后发出指令
（3）执行根据大脑发出指令，通过手开动阀门（开大还
是并小，以用动作幅度），改变出水流量Q0,从而使水位保持
在所需的高度上。

3．人工控制缺点：眼、脑、手担负了检测，运算、执行，
由于受到人的生理的限制。

控制速度和精度不能满足大型现代
化生产的需要
二、自动控制
1．自动控制装置组成
为了实现自动控制，用自动化装置实现水位的自动控制。

听课
重点：自
动控制系
统方块图
画法
自动控制装置一般至少包括三个部分：
（1）测量元件与变送器测量水位，并输出统一信号
（2）控制器接受奕送器信号，并与水位给定值相比较
得出偏差，按某种运算规则处出结果，输出信号（气
压或电流信号）
（3）执行器一般是控制阀，用来接受控制器信号，根
据控制器输出信号改变阀门开度，从而实现对水位
的控制。

图7-2 液位自动控制
它与人工控制相似。

只不过是用检测仪表代替眼睛；控制器代替人脑；执行器代替手。

3．控制对象
在自动控制系统中，除了自动化装置外，必须有控制的生产设备。

在自动控制系统中将需要控制工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象。

如：水箱
化工生产常见对象：塔、反应器、泵、压缩机、容器、贮槽
第二节自动控制系统的方块图
一、自动控制系统的方块图
1．自动控制系统的方块图组成
在研究自动控制系统中，为了清楚地表示一个自动控制系统中各个组成环节之间相互影响和信号联系，一般用方块图来表示控制系统的组成。

自动控制系统的方块图由环节、信号线、分叉点、比较点组成。

（1）信号线由方向线和变量组成
载有变量信息的物理变量是信号。

（2）环节
图7-3 输入、输出变量图
系统中变量有：
输入变量
输出变量
重点：以图7-7说明名词概念
多输入多输出系统
在控制系统中，从信号流角度出发，而不是从物料流或能量流研究问题。

例如：下图我们要控制液位h(输出量)，流量Q1、Q2则是输入量。

（3）分叉点
（4）比较点
2．自动控制系统方块图
（1）自动控制系统方块图
液位自动控制系统的地方块图画法
重点：负
反馈概念
图7-6 自动控制系统的方块图
被控对象——贮槽
被控变量——液位y
操纵变量——控制阀出料流量q
干扰作用——进料流量的改变f
（2）自动控制系统名词
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。

被控变量对象内要求保持一定数值（或按规律变化）的物理量。

操纵变量受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值、起控制（控制变量）作用的变量称为操纵变量（控制变
量）。

干扰除操纵变量,作用于对象并引起被控变量变化的其他因素.
给定值工艺规定被控变量所要保持的数值。

偏差设定值与测量值之差。

其他控制系统：用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
（3）换热器的温度控制系统
当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。

温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。

图7-7 蒸汽加热器温度控制系统
自动控制系统方块构图相似。

被控对象——加热器
被控变量——出料口温度T
操纵变量——加热蒸汽流量q
干扰作用——进料流量/温度的改变f
为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。

图7-8 简化方块图
二、反馈
反馈是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。

负反馈：反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型。

e=x- z
正反馈：反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型。

e=x+z 工业控制系统一般情况下都应为负反馈。

闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据偏差控制，直至消除偏差。

开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统。

系统的输出与偏差无关。

自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。

它可随时了解被控对象情况，有针对性根据被控变量变化情况而改变控制作用大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。

与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。

下图就是开环控制系统，由于自动装置不了解对象情况，不会根据对象实际情况来改变操作。

这就是开环控制缺点。

图7-10 自动操纵系统方块图
四、自动控制系统的分类
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；
按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值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类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

其中第三种分类方法最普遍。

1．定值控制方法
“定值”是恒定给定值的简称。

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指标上不变，
化工仪表及自动化》教案
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在工艺生产所要求控制的技术指标上。

二、控制系统的过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

举例
图7-11 控制系统方块图当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。

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形式。

在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。

在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。

采用阶跃干扰的优点：
这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。

如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那
重点：过渡过程形式么一定能很好地克服比较缓和的干扰。

这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。

图7-12 阶跃干扰作用
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
三、控制系统的控制指标
控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。

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。

控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一类是时间域的综合指标。

1．时间域的各种单项指标
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程
重点：过渡过程品
质指标定义及计算
图7-14 过渡过程品质指标示意图
（1 ）最大偏差或超调量
最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。

在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。

特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。

超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度
（2）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比。

习惯表示为B:B’=n:1，一般n 取为4～10之间为宜。

（3 ）余差
当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。

有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。

反之就为无差调节和无差系统。

（4）过渡时间
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。

一般在稳态值的上下
规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有的规定为±２％）。

（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。

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一些为好。

举例：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℃）。

图7-15 温度控制系统过渡过程曲线
解: 最大偏差A＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃
由图上可以看出，第一个波峰值B＝230-205＝25℃，
第二个波峰值B′＝210－205＝5℃，
故衰减比应为B:B′＝25:5＝5:1。

振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，
故周期T＝20-5＝15（min）
分析：过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×（±2％）＝±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±４℃画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。

因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。

2．时间域的综合指标
综合性指标往往通过偏差的某些函数对时间的积分值来表达,以兼顾最大偏差、超调量、衰减比、过渡时间等各方面的因素。

以偏差e表示过渡过程中被控变量与新稳态值的差值,即e(t) = y(t) - y(∞)。

三种综合指标
①偏差绝对值对时间的积分,简记为IAE
采用绝对值,可避免正负积分面积相消的现象。

②偏差绝对值与时间乘积对时间的积分,简记为ITAE
它对后期的偏差值加大权值,因此对消除偏差所需的时间比
较敏感。

③偏差平方值对时间的积分,简记为ISE
采用平方值,同样可以避免正负偏差积分时的相消现象。

与IAE相比,它对最大偏差的数值更加敏感。

四、影响控制指标的主要因素
一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。

前者指与该自动控制系统有关的部分。

后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。

对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。

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：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、散热情况及结垢程度等。

不同自动化系统要具体分析。

第四节工艺管道及控制流程图
一、管道、仪表流程图
脱乙烷塔工艺管道及控制流程如图7-16。

重点：管
道、仪表
流程图阅
读
图7-16 脱乙烷塔工艺管道及控制流程图
二、图形符号
1．测量点（包括检出元件、取样点）一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点。

2．连线
通用的仪表信号线均以细实线表示
3．仪表符号（包括检测、显示、控制）
仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm
二、字母代号
字母编号写在圆圈的上半部第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能。

三、仪表的位号
在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表（或元件）都应有自己的仪表的位号，它由字母代号和数字组成。

数字编号写在圆圈的下半部，第一位数字表示段号，后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号。

圆圈之中有一串有字母和数字组成的代号，称为“仪表位号”例如：PIC－207 TRC－210
例题分析
1．图7-17所示为一水箱的液位控制系统。

试画出其方块图,指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么?简要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中的功能。

图7-17 水箱液位控制系统解：方块图如图7-18所示。

系统中水箱里水的液位为被控变量;进水流量为操纵变量;水箱为被控对象。

带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中起着测量与调节的功能。

其工作过程如下：当水箱中的液位受到扰动变化后,使浮球上下移动,通过杠杆装置带动塞子移动,使进水量发生变化,从而克服扰动对液位的影响。

例如由于扰动使液位上升时,浮球上升,带动塞子上移,减少了进水量,从而使液位下降。

图7-18 方块图
2．某一电压表在稳定时能够准确显示被测电压值。

在被测
电压突然变化时,指针来回摆动,最后能够稳定在被测数值上。

假定指示系统的衰减比为4:1。

当电压突然由0上升到220V
后,指针最高能摆到252V。

问经三次摆动,指针能到多少伏(即
第三个波峰值)。

解：由于第一个波峰离开稳态值为
252 - 220 = 32 (V)
第二个波峰值为第一个波峰值的1/4，故为
32×1/4 = 8 (V)
第三个波峰值为第二个波峰值的1/4 ，故为
8×1/4 = 2 (V)
所以指针第三次摆动的最高峰值为222V。

互动教学总结（提问）
回答10分种1．什么是过渡过程？过程过程品质指标有哪些？
2．什么是工艺管道和控制流程图？。