測(cè)量?jī)x表與自動(dòng)化3

1、共三十五頁(yè)第三篇 過(guò)程(guchng)控制系統(tǒng)13 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念13.1自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及分類13.2 過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)14 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)15 復(fù)雜(fz)控制系統(tǒng)16 典型操作單元的控制方案共三十五頁(yè)第十三章 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的基本概念13.1自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)組成及分類13.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 13.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示方式 13.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)13.1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類13.2 過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)共三十五頁(yè)13.1.1 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的組成 例13-1:液罐液位控制(kngzh) 人工控制： 眼睛：觀察當(dāng)前的液位值；

2、（測(cè)量） 大腦：根據(jù)當(dāng)前液位與工藝期望值的偏差，發(fā)出操作命令，包括大小和方向；（控制）手：執(zhí)行大腦的控制命令，通過(guò)手改變閥門(mén)開(kāi)度；（執(zhí)行） 反復(fù)進(jìn)行步驟，直到液位達(dá)到期望值。 影響液位因素：入口壓力，出口壓力流量等；共三十五頁(yè)13.1.1 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的組成 例13-2：原油加熱爐出口溫度控制人工控制 眼睛(yn jing)：觀察當(dāng)前的溫度值；（測(cè)量） 大腦：根據(jù)當(dāng)前溫度與工藝期望值的偏差，發(fā)出操作命令，包括大小和方向；（控制）手：執(zhí)行大腦的控制命令，通過(guò)手改變閥門(mén)開(kāi)度；（執(zhí)行） 反復(fù)進(jìn)行步驟，直到溫度達(dá)到期望值。 影響溫度因素：原油入口流量、成份、溫度，燃料油壓力、成份等；共三十

3、五頁(yè)13.1.1 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的組成 自動(dòng)控制：用自動(dòng)化儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)上述人工控制過(guò)程。 變送器：代替(dit)眼睛，觀察當(dāng)前值；（測(cè)量） 控制器：代替大腦：分析、判斷；（控制）執(zhí)行器：代替手，執(zhí)行的控制器命令，通過(guò)手改變閥門(mén)開(kāi)度；（執(zhí)行）共三十五頁(yè)13.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成 自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由測(cè)量變送、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象(duxing)組成。被控對(duì)象 ：也稱對(duì)象。是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。如加熱爐和液罐。 自動(dòng)化儀表：變送器測(cè)量被控變量，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸出，作為測(cè)量值?？刂破饕卜Q調(diào)節(jié)器。將被控變量的設(shè)定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，并按一定規(guī)律運(yùn)算

4、發(fā)出操作命令。執(zhí)行器通常指調(diào)節(jié)閥，和普通閥的功能一樣，能自動(dòng)地根據(jù)控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變閥門(mén)的開(kāi)度 。共三十五頁(yè)1.方框圖(Block Diagram，方塊圖)說(shuō)明：（1）每個(gè)方框都代表系統(tǒng)中一個(gè)具體儀表裝置（或?qū)ο螅?）圖中每一條線代表系統(tǒng)中的一個(gè)變量信號(hào)，線上的箭頭表示信號(hào)傳遞方向。箭頭指向方框表示方框的輸入，箭頭離開(kāi)方框表示方框的輸出；（3）系統(tǒng)的輸出直接或經(jīng)過(guò)一些環(huán)節(jié)重新返回到輸入端的做法叫反饋（4）同一種(y zhn)形式的方框圖可代表不同的控制系統(tǒng)。13.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 共三十五頁(yè)13.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 1.方框圖(Bl

5、ock Diagram)舉例(j l)：水罐干擾分析： D：進(jìn)料流量的變化等。共三十五頁(yè)1.方框圖(Block Diagram)測(cè)量變送器(Measurement transmitter)把工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的裝置控制器(Controller) 計(jì)算測(cè)量與給定的偏差，并對(duì)偏差信號(hào)按預(yù)先設(shè)定(sh dn)好的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制型號(hào)控制執(zhí)行器動(dòng)作執(zhí)行器(Actuator）根據(jù)控制器的輸出完成對(duì)被控的控制10 3. 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的方框圖共三十五頁(yè)1. 方框圖(Block Diagram)被控對(duì)象(Controlled Object)被控制的工藝生產(chǎn)設(shè)備被控變量(Contr

6、olled Variable)要求(yoqi)實(shí)施控制的參數(shù)，一般是工藝操作的物理量操作變量(Manipulated Variable)實(shí)施控制作用的參數(shù)，一般是執(zhí)行器控制的物理量1113.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 共三十五頁(yè)給定(i dn)值(Set Value，SV)工藝上希望保持的數(shù)值 測(cè)量值(Process Value, PV) 被控變量的實(shí)際測(cè)量數(shù)值偏差（Deviation Value，DV）測(cè)量值與給定值之差干擾(Disturbance)引起被控變量變化的各種因素12 3. 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的方框圖1. 方框圖(Block Diagram)共三十五頁(yè)1.

7、方框圖(Block Diagram)舉例1：液罐 被控對(duì)象：液罐 被控變量：液罐的液位 操縱變量：進(jìn)料流量 測(cè)量變送器：液位變送器LT 控制器：液位控制器LC 執(zhí)行器：進(jìn)料流量調(diào)節(jié)閥LV 干擾(gnro)分析D：進(jìn)料流量的變化等。13.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示(biosh)方式 共三十五頁(yè)2.方框圖(Block Diagram)舉例2：加熱爐 被控對(duì)象：加熱爐 被控變量：爐出口溫度 操縱變量：燃料油流量 測(cè)量變送器：溫度變送器TT 控制器：溫度控制器TC 執(zhí)行器：燃料油調(diào)節(jié)閥 干擾分析：D1:原油(yunyu)入口流量、成份、溫度； D2:燃料油壓力、成份； D3:環(huán)境溫度等13.1.2 自

8、動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的表示方式 共三十五頁(yè)13.1.2 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的表示方式 被控(bi kn)對(duì)象輸入輸出示意圖廣義對(duì)象：除控制器外其它環(huán)節(jié)合并成的環(huán)節(jié)共三十五頁(yè)2.工藝控制(kngzh)流程圖（PCD Process Control Diagram）在工藝流程圖（PFD Process Flow Diagram）上用圖形符號(hào)直觀表示出控制方案，稱為工藝控制流程圖。13.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的表示方式 TT溫度變送器 TC溫度控制器FT流量變送器 FC流量控制器 PT壓力變送器 PC壓力控制器LT液位變送器 LC液位控制器共三十五頁(yè)3.管道儀表流程圖（

9、P&ID Piping and Instrument Diagram）定義：管道儀表流程圖（P&ID）是借助統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號(hào)和文字代號(hào)，用圖示的方法把建設(shè)化工工藝裝置所需的全部設(shè)備、儀表、管道、閥門(mén)及主要管件，按其各自的功能，為滿足工藝要求和安全要求而組合起來(lái)的技術(shù)文件，以起到描述工藝裝置的結(jié)構(gòu)和功能的作用。 不僅是設(shè)計(jì)、施工的依據(jù)，也是企業(yè)(qy)管理、試運(yùn)轉(zhuǎn)、操作、維修等各方面所需完整技術(shù)資料的一部分。 圖例符號(hào)的統(tǒng)一規(guī)定圖中小圓圈表示某些自動(dòng)化儀表，圓內(nèi)寫(xiě)有兩位(或三位)字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能。13.1.2 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的表示方式 共三十五頁(yè)1

10、3.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的表示方式 3.管道儀表(ybio)流程圖（P&ID Piping and Instrument Diagram）舉例：共三十五頁(yè)13.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的主要特點(diǎn)1.構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋正反饋：反饋信號(hào)與輸入極性相同 Dv=Sv+Pv負(fù)反饋：反饋信號(hào)與輸入極性相反 Dv=Sv-Pv 自動(dòng)控制系統(tǒng)必須采取負(fù)反饋，才能起到糾正偏差的作用。 若采取正反饋，不僅不能克服干擾的影響，反而使系統(tǒng)的偏差越來(lái)越大，直至超出安全極限而破壞生產(chǎn)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)不能單獨(dú)(dnd)采用正反饋。2.控制作用的產(chǎn)生由偏差引起 偏差產(chǎn)生的控制

11、作用是系統(tǒng)沿減少或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)。共三十五頁(yè)13.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類1.按給定值的不同情況分為：(1)定值控制系統(tǒng)（Fixed Set-Point Control System）給定值恒定的控制系統(tǒng)。若要求控制系統(tǒng)的被控變量(binling)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或要求工藝參數(shù)的給定值不變，則采用定值控制系統(tǒng)。引起被控變量波動(dòng)的原因:各種干擾控制目的：克服干擾設(shè)計(jì)重點(diǎn):存在干擾的情況下如何將被控變量控制在所希望的給定值上石油石化行業(yè)中以定值控制系統(tǒng)為主共三十五頁(yè)13.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類1.按給定值的不同情況分為：(2)隨動(dòng)

12、控制系統(tǒng)（Follow-Up Control System）給定值不是固定的，是隨時(shí)間(shjin)不斷變化的，且不是預(yù)先規(guī)定好的 。 控制目的：使被控變量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定值的變化。例：比值控制/副回路共三十五頁(yè)13.1.3 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的分類1.按給定值的不同情況分為：(3)程序控制系統(tǒng)（Programmed Control System） 給定值也是變化(binhu)的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化(binhu)。 共三十五頁(yè)13.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的分類其他分類：2. 按系統(tǒng)(xtng)的復(fù)雜程度（控制器的多少）分為

13、：(1)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（Simple Control System）生產(chǎn)過(guò)程自控中最簡(jiǎn)單、最基本、應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)，解決了大多數(shù)的參數(shù)定值控制問(wèn)題。(2)復(fù)雜控制系統(tǒng)（Follow-Up Control System）解決簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法解決的問(wèn)題 在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加計(jì)算環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)，構(gòu)成復(fù)雜控制系統(tǒng)。共三十五頁(yè)第十三章 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)的基本概念13.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)組成及分類13.2 過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)13.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程13.2.2 過(guò)渡過(guò)程的形式13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)共三十五頁(yè)13.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的

14、過(guò)渡(gud)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)：靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))：干擾及給定值均保持不變，被控變量不隨時(shí)間變化，整個(gè)系統(tǒng)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，各個(gè)組成環(huán)節(jié)(hunji)都暫不動(dòng)作，輸出信都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)（各變量(或信號(hào))的變化率為零）。動(dòng)態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)擾動(dòng)，系統(tǒng)中各部分的輸入輸出都發(fā)生變化被控變量也將偏離原靜態(tài)值而隨時(shí)間變化若系統(tǒng)是穩(wěn)定的，經(jīng)一段時(shí)間，系統(tǒng)可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程 從平衡狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)新平衡狀態(tài)的過(guò)程共三十五頁(yè)13.2.2 過(guò)渡過(guò)程(guchng)的形式系統(tǒng)輸入采用階躍干擾(Step Function) 系統(tǒng)過(guò)渡(gud)過(guò)程分為：（1）振蕩過(guò)程： 發(fā)散振蕩/等幅振蕩/衰減振蕩（

15、2）非周期： 非周期發(fā)散/非周期衰減其中穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程有： 衰減振蕩/非周期不穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程有： 發(fā)散振蕩 等幅振蕩 非周期發(fā)散共三十五頁(yè)一般(ybn)以階躍干擾作用下，衰減振蕩過(guò)程為研究依據(jù)(快 準(zhǔn) 穩(wěn))1.余差C residual error（準(zhǔn)確性指標(biāo)）新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。靜態(tài)指標(biāo)，反映控制(kngzh)系統(tǒng)的控制(kngzh)精確度，希望越小越好。給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程 干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)共三十五頁(yè)2.最大偏差A(yù)與超調(diào)量 maximum overshoot (衡量相對(duì)穩(wěn)定程度(chngd)指標(biāo))對(duì)定值系統(tǒng)衰減振蕩過(guò)程，最大偏差為第一個(gè)波的峰

16、值隨動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)常采用超調(diào)量A或是衡量穩(wěn)定程度的指標(biāo)，希望不要太大。(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡(gud)過(guò)程 (b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程 圖13-8 過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)共三十五頁(yè)13.2.3 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的品質(zhì)指標(biāo)3.衰減比 damping ratio （衡量相對(duì)(xingdu)穩(wěn)定性指標(biāo)）過(guò)渡過(guò)程同方向前后相鄰兩峰值的比（表示衰減程度，習(xí)慣表示為 n:1 ）n1，發(fā)散振蕩；n1，等幅振蕩；n1，衰減振蕩。一般4:1至10:1為宜。(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程 (b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程 圖13-8 過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖

17、共三十五頁(yè)13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)(pnzh)指標(biāo)4.調(diào)節(jié)時(shí)間（過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）Ts residence time 系統(tǒng)快速性指標(biāo)(zhbio)從干擾發(fā)生起至被控變量建立新的平衡狀態(tài)止的時(shí)間新平衡狀態(tài)：被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的5(或2)(a)給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程 (b)干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程 圖13-8 過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖共三十五頁(yè)13.2.3 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的品質(zhì)指標(biāo)5.振蕩周期T oscillation period（相對(duì)穩(wěn)定性/系統(tǒng)(xtng)快速性指標(biāo))過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時(shí)間。 n 相同時(shí)，T 與 Ts 成正比。給定值階躍變化下的過(guò)渡過(guò)

18、程 干擾階躍變化下的過(guò)渡過(guò)程共三十五頁(yè)13.2.3 控制系統(tǒng)的品質(zhì)(pnzh)指標(biāo)小結(jié)：對(duì)于控制系統(tǒng)，一般希望： C小、A(或 )小、Ts短、衰減比4:110:1之間過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的好壞，與控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)都有不同程度的關(guān)系 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的考慮。注：（1）上述幾方面的性能要求通常是相互制約的。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)瓜到y(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定；反之，若強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)性的要求，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的降低和動(dòng)態(tài)過(guò)程的緩慢；由此可見(jiàn)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、高精度與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性之間是一對(duì)矛盾。（2）不同控制系統(tǒng)，注重的指標(biāo)不同，在選擇這些指標(biāo)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的控制系統(tǒng)分清主次，區(qū)別輕重，對(duì)于主要(zhyo)的指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先保證。 共三十五頁(yè)33例:某化學(xué)反應(yīng)器工藝操作規(guī)定溫度為（80010）。為確保安全，控制中溫度最高不得超過(guò)850?，F(xiàn)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動(dòng)下的過(guò)渡(gud)過(guò)程如示（1）分別求出最大偏差、余差、衰減比、