第一章-控制系统的基本知识(081016上传网络课堂打印)讲解.ppt
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,教学要求与学习目标:
1掌握自动控制系统的组成。
2掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。
3掌握方块图的画法。
4掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下,过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。
5掌握控制系统的分类教学内容:
1.1化工自动化的主要内容1.2控制系统的组成1.3带控制点的工艺流程图1.4自动控制系统方块图1.5控制系统的分类1.6自动控制系统的过渡过程和品质指标本章学习要点本章思考题及作业,第1章自动控制系统基本知识,学习重点1掌握自动控制系统的组成,各环节的作用以及各环节之间的联系。
2掌握方块图的画法,对一个具体的控制系统来说,能准确指出被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量等参数。
3掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。
4掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下,过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。
本章作业:
Pg11:
6、7、补充题1:
求过渡过程性能指标。
本章思考题:
Pg11:
1、2、3、4、5、8、9、10,HGJ7-87化工过程检测.控制系统设计符号统一规定,第1章自动控制系统基本知识,本章例题及习题训练的目的:
1要求能看懂带控制点的工艺流程图;2会根据带控制点的工艺流程图画控制系统的方块图3会求控制系统过渡过程的品质指标,第1章自动控制系统基本知识,1.1化工自动化的主要内容,化工过程生产自动化,包括以下四个的主要内容:
1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统,利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录。
它代替操作人员对工艺参数的不断观察与记录,起着眼睛的作用。
往复压缩机在线监测系统,1.1化工自动化的主要内容,化工过程生产自动化,包括以下四个的主要内容:
1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统,是生产过程中的安全装置。
当工艺参数超过了允许范围,在事故即将发生前,信号联锁保护系统就自动地发生声光信号,告诫操作人员注意,并及时采取措施。
若工况已达危险状态时,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,以防事故发生和扩大。
1.1化工自动化的主要内容,化工过程生产自动化,包括以下四个的主要内容:
1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统,可以根据预先规定的步骤自动的对生产设备进行某种周期性的操作。
例如:
煤气发生炉的造气过程(吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净)。
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过程自动地投入运行或自动停车。
1.1化工自动化的主要内容,自动控制系统是自动化生产的核心部分,也是本课程了解和学习的重点,特别提醒,思考题P11:
1什么叫生产过程自动化?
生产过程自动化主要包括了哪些内容?
化工过程生产自动化,包括以下四个的主要内容:
1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统,当某一设备的工艺条件发生变化时,自动控制系统能自动地排出各种干扰因素,使工艺参数始终保持在预先规定的数值范围内,以保证生产维持正常或最佳的工艺操作状态。
1.2自动控制系统的组成,人工控制过程:
(1)用眼观察温度计的指示值;
(2)将观察值与要求值进行比较,得出偏差的大小和方向,并传递给大脑;(3)大脑根据偏差的大小和方向,依据经验决定开关阀门开度的大小和方向,并指令手去执行;(4)手根据大脑的指令去执行控制阀门的动作。
自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的,下面以换热器管程出口温度的控制为例,对人工控制和自动控制加以比较。
换热器的结构?
自动控制过程:
(1)由测温度元件热电阻测的出口物料的温度,并转换成电信号,再由温度变送器将电信号转换成标准信号;“眼睛”,
(2)控制器将变送器送来的信号与要求值进行比较,得出偏差的大小和方向;,(3)控制器根据偏差的大小和方向,按照一定的控制规律输送出一个对应的信号去控制阀(执行器)的动作;“人脑”,(4)控制阀接受信号,改变控制阀的开度大小,从而改变了进入换热器的蒸汽量,达到调整温度的目的。
“人手”,各环节的作用:
被控对象:
在自动控制系统中,工艺变量需要控制的生产设备或机器,如:
换热器、塔器、反应器、泵、压缩机、管道、各种贮槽等。
从上面的人工控制及自动控制过程可看出:
自动控制系统由以下环节组成:
自动控制系统,被控对象,自动控制装置,测量元件与变送器,控制(调节)器,执行器(控制阀),各环节的作用:
测量元件与变送器:
用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号:
如气压信号(0.020.1MPa)电流信号(010mA或420mA),从上面的人工控制及自动控制过程可看出:
自动控制系统由以下环节组成:
自动控制系统,被控对象,自动控制装置,测量元件与变送器,控制(调节)器,执行器(控制阀),各环节的作用:
控制(调节)器:
将检测元件及变送器送来的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较,得出偏差的大小,根据偏差的大小及变化趋势,按照预先设定好的控制规律进行运算后,将运算结果用特定的信号发送给执行器(控制阀)。
从上面的人工控制及自动控制过程可看出:
自动控制系统由以下环节组成:
自动控制系统,被控对象,自动控制装置,测量元件与变送器,控制(调节)器,执行器(控制阀),从上面的人工控制及自动控制过程可看出:
自动控制系统由以下环节组成:
自动控制系统,被控对象,自动控制装置,测量元件与变送器,控制(调节)器,执行器(控制阀),各环节的作用:
执行器(控制阀):
接受控制器送来的信号,自动地改变阀门的开度,从而相应地改变流入(或流出)被控对象的物料流量或能量,克服扰动的影响,最终实现控制要求。
常见的有:
气动薄膜执行器,电动执行器,思考题P11:
2自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?
带控制点的工艺流程图:
在控制方案确定后,用自动控制系统设计规定的文字符号和图形符号在工艺流程图上标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。
流程图中设备间连线表示物料流动的方向。
例如,1.3带控制点的工艺流程图(补充),HGJ7-87化工过程检测.控制系统设计符号统一规定,一图形符号仪表:
用直径约10mm的细实线圆圈表示。
测量点:
是由工艺设备轮廓或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点,无特定的符号。
连接线:
仪表到测量点之间的信号连接线用细实线表示仪表的安装位置见表1-1,补充图仪表及测量点的表示,下面介绍控制流程中统一的符号规定,南京化学工业公司磷酸中控室,扬子芳烃厂,表1-1仪表安装位置的图形符号表示(补充),二字母代号仪表圆圈的上半圆内:
用英文字母表示被测变量和仪表的功能。
第一位字母表示被测变量;第二位起后续字母表示仪表功能。
仪表圆圈的下半圆内:
用阿拉伯数字表示仪表的位置编号。
第一位数字表示工段号;第二位起后续数字表示仪表的序号。
常见被测变量和仪表功能的字母代号见表1-2,(补充),补充图控制点的工艺流程图,表示测量点在塔顶的压力指示控制仪表,仪表安装在集中仪表盘面上,工段号为2,仪表序号为07。
表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表,该仪表为就地安装仪表,工段号为2,仪表序号为06。
表示测量点在塔的下部温度记录控制仪表,仪表安装在集中仪表盘面上,工段号为2,仪表序号为10。
H,L,表示测量点在回流罐封头处的液位指示控制仪表,仪表安装在集中仪表盘面上,工段号为2,仪表序号为01。
表示测量点在塔的下部的液位指示、报警控制仪表,仪表安装在集中仪表盘面上,工段号为2,仪表序号为02。
H、L表示仪表具有高、低报警功能。
表示测量点在进口管线上的孔板流量记录仪表,仪表安装在集中仪表盘面上,工段号为2,仪表序号为12。
例题1,注意:
6大要点设计以及读带控制点的工艺流程图时。
测量点被测变量仪表功能仪表安装位置工段号仪表序号,李豫鲁(89能源)芳烃厂加氢车间生产科科长,01级学生从左到右刘宏伟:
镇海任仕荣:
常州查特申冷设备有限公司曹锋:
江苏油田/常州查特申冷设备有限公司陈文斌:
镇海,扬子芳烃厂,扬子芳烃厂100单元带控制点的流程图。
1与课堂上讲的有什么不同?
2具体含义?
流程图中的箭头:
设备间连线表示物料流动的方向方块图中的箭头:
表示信号的流向和相互关系,一自动控制系统方块图:
是用一个方块代表自动控制系统中的一个组成环节,用箭头表示两个环节的信号联系和传递方向,用规定的字母表示方块间相互作用的信号参数。
特别提醒,1.4自动控制系统方块图,思考题P11:
3什么是自动控制系统的方框图?
它与工艺流程图有什么不同?
二自动控制系统中的常用术语,被控变量y被控对象内要求保持设定值的工艺参数。
测量值ym由检测元件检测到的被控变量的实际值。
设(给)定值ys被控变量的预定值。
思考题P11:
2自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?
自动控制系统中常用的术语是哪些?
二自动控制系统中的常用术语,操纵变量m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。
扰动量f除操纵变量外,作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
例如换热器,思考题P11:
2自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?
自动控制系统中常用的术语是哪些?
二自动控制系统中的常用术语,偏差信号e=ymys被控变量的实际测量值与设定值之差。
控制信号u控制器按输入的偏差信号按一定规律计算得到的量。
思考题P11:
2自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?
自动控制系统中常用的术语是哪些?
二自动控制系统中的常用术语,反馈把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法。
负反馈反馈信号的作用与设定信号相反,使偏差信号减弱的反馈(e=ymys),叫负反馈。
正反馈使偏差信号加强的反馈,即(e=ys+ym)。
思考题P11:
2自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?
自动控制系统中常用的术语是哪些?
三例题讲解例题2:
锅炉化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高,会使蒸汽带液,降低了蒸汽的质量和产量,甚至会损坏后续设备。
而水位过低,轻则影响汽液平衡,重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此,必须对汽包水位进行严格的控制。
下图是一锅炉汽包水位控制示意图,要求:
1)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?
2)画出该控制系统的方块图;,锅炉汽包水位控制示意图,解:
(1)被控对象:
被控变量:
操纵变量:
扰动量:
(2)锅炉汽包水位控制系统方块图:
锅炉汽包;,锅炉汽包的水位;,锅炉给水量;,冷水温度、压力、蒸汽压力、流量、燃烧状况等,1画法方块图要注意的几个要点:
组成控制系统的环节用“方块”表示信号联系箭头符号不能丢负反馈负号不能丢对某一具体的控制系统来说,应指出被控对象、被控变量、操纵变量、干扰变量是什么?
给定值、被控变量不是环节,不用方块表示2理解负反馈闭环系统的含义把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法,叫反馈;使偏差信号减弱的反馈,叫负反馈。
要点归纳,思考题:
P11:
3,4作业:
Pg11:
6、7,温度控制系统压力控制系统流量控制系统液位控制系统成分控制系统等.,1.5控制系统的分类,2按控制器的控制规律分:
比例(P)Proportion比例积分(PI)Integral比例微分(PD)Differential比例积分微分(PID),1按被控变量分:
3按给定值的特点分:
定值控制系统随动控制系统程序控制系统,是指给定值恒定不变的控制系统。
定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到给定值或其附近。
以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言。
1.5控制系统的分类,3按给定值的特点分:
定值控制系统随动控制系统程序控制系统,随动控制系统的设定值是不断变化的。
随动控制系统的作用是使被控变量能尽快地、准确无误的跟踪设定值的变化而变化。
1.5控制系统的分类,1.5控制系统的分类,3按给定值的特点分:
定值控制系统随动控制系统程序控制系统,程序控制系统的设定值也是变化,但它是一个已知的时间函数,即设定值按一定的时间程序变化。
1.5控制系统的分类,4按系统输出信号对操纵变量影响分:
是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制系统。
闭环控制开环控制,是指控制器与被控对象之间只有顺向控制没有反向联系的自动控制系统。
思考题P11:
5什么是闭环控制?
什么是开环控制?
定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统?
5按系统的复杂程度划分:
简单控制系统复杂控制系统,1.5控制系统的分类,是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单回路控制系统。
如图1-2,5按系统的复杂程度划分:
简单控制系统复杂控制系统,1.5控制系统的分类,是指由多个被控对象、多个检测元件及变送器、多个控制器和多个执行器所构成的多回路控制系统。
如如图1-4,图1-4串级复杂控制系统,7按系统克服干扰的方法划分:
反馈控制系统前馈控制系统前馈-反馈控制系统,1.5控制系统的分类,静态:
被控变量不随时间而变化的平衡状态。
动态:
被控变量随时间变化的不平衡状态。
1.6控制系统的过渡过程及其性能指标,一控制系统的静态和动态,二控制系统的过渡过程,系统在过渡过程中,被控变量随时间变化的,其规律首先决定于系统的干扰形式。
最常见的是阶跃干扰1典型干扰输入信号的形式,斜坡干扰,抛物线干扰,:
2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程,非周期衰减过程:
它表明当系统受到扰动作用后,被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化,没有来回波动,最终稳定在某一数值上。
由于过渡速度慢、时间长,一般不采用,思考题P11:
8什么是自动控制系统的过渡过程?
在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式?
其中哪些能满足自动控制的要求,哪些不能?
为什么?
:
2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程,衰减振荡过程:
它表明当系统受到扰动作用后,被控变量上下波动,且幅度逐渐减小,经过一段时间最后稳定在某一数值上。
我们希望得到的,思考题P11:
8什么是自动控制系统的过渡过程?
在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式?
其中哪些能满足自动控制的要求,哪些不能?
为什么?
:
2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程,等幅振荡过程:
它表明当系统受到扰动作用后,被控变量在给定值附近来回波动且波动幅值保持不变。
即被控变量在设定值的某一范围内来回波动,而不能稳定下来。
一般不采用,如工艺上允许被控变量在一定范围内波动,则可采用。
思考题P11:
8什么是自动控制系统的过渡过程?
在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式?
其中哪些能满足自动控制的要求,哪些不能?
为什么?
:
2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程,发散振荡过程:
它表明当系统受到扰动作用后,被控变量来回波动,且波动幅度逐渐增大,即被控变量偏离设定值越来越远,以至超越工艺允许范围。
应尽量避免。
思考题P11:
8什么是自动控制系统的过渡过程?
在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式?
其中哪些能满足自动控制的要求,哪些不能?
为什么?
控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据,一般都希望得到衰减振荡过程,习惯上采用以下品质指标来衡量衰减振荡过程的质量。
三控制系统的品质指标,思考题P11:
10表示衰减振荡过程的控制指标有哪些?
三控制系统的品质指标,1最大偏差A:
指过渡过程中被控量偏离给定值的最大数值。
A一般小一些较好。
超调量:
也是表示被控变量偏离给定值的程度。
(y():
新稳定值)2衰减比n=B1:
B2:
指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。
n:
1=4:
110:
1,思考题P11:
10表示衰减振荡过程的控制指标有哪些?
3余差C:
指过渡过程终了时,被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。
一般C越小越好,4过渡时间ts:
指控制系统受到扰动作用后,被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态(5%的范围内)所经历的最短时间。
5振荡周期T(或频率):
指过渡过程两个同向波峰之间的间隔时间,其倒数为振荡频率。
思考题P11:
10表示衰减振荡过程的控制指标有哪些?
补充作业题1:
某化学反应器工艺规定操作温度为(80010)。
为确保生产安全,控制中温度最高不得超过850。
现设计的温度控制系统,在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如下图所示。
(1)分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间Ts(温度进入1%新的稳定值即示为系统已稳定)和震荡周期。
(2)分析此温度控制系统是否满足工艺要求?
教学要求与学习目标:
1掌握自动控制系统的组成。
2掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。
3掌握方块图的画法。
4掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下,过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。
5熟悉控制系统的分类教学内容:
1.1化工自动化的主要内容1.2控制系统的组成1.3带控制点的工艺流程图1.4自动控制系统方块图1.5控制系统的分类1.6自动控制系统的过渡过程和品质指标本章学习要点本章思考题及作业,第1章自动控制系统基本知识,开始学习,返回总目录,设计以及读带控制点的工艺流程图时。
注意:
6大要素测量点被测变量仪表功能仪表安装位置工段号仪表序号画法方块图要注意的几个要点:
组成控制系统的环节用“方块”表示信号联系箭头符号不能丢负反馈负号不能丢对某一具体的控制系统来说,应指出被控对象、被控变量、操纵变量、干扰变量是什么?
给定值、被控变量不是环节,不用方块表示,要点归纳,扬子芳烃厂100单元带控制点的流程图。
1与课堂上讲的有什么不同?
2具体含义?
课堂小测验,1写出各控制点符号的含义?
2画出该控制回路的方块图?
注意:
6大要点设计以及读带控制点的工艺流程图时。
测量点被测变量仪表功能仪表安装位置工段号仪表序号,第1章控制系统的基本概念作业讲评,本章作业:
Pg11:
6、7、补充题1:
求过渡过程性能指标。
本章思考题:
Pg11:
1、2、3、4、5、8、9、10,P11:
6在图1-11的换热器出口温度控制系统中,工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。
试画出该控制系统的方框图;方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么?
整个系统的输入信号和输出信号又是什么?
系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大qv)时,该系统是如何实现自动控制的?
p11:
题6:
解答:
换热器出口温度控制系统,第1章控制系统的基本概念作业讲评,各环节的输入和输出信号分别如下:
整个系统的输入信号:
温度给定值Ts、干扰变量f;输出信号:
管程出口温度T,系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大qv)时,该系统是如何实现自动控制的?
答:
冷物料流量突然增大qv时,换热器管程的出口温度受到干扰将降低,温度测量变送器将检测到的信号送给控制器,控制器的输入偏差信号e,控制器发出给执行器的信号u,执行器将自动开大阀门,壳程蒸汽的流量m,克服干扰的作用,将温度T调节到给定值。
P11:
7图1-12为贮槽液位控制系统,工艺要求液位保持为某一数值。
试画出该系统的方框图;指出该系统中被控对象、被控变量、操作变量、干扰作用各是什么?
第1章控制系统的基本概念作业讲评,本章作业:
Pg11:
6、7、补充题1:
求过渡过程性能指标。
本章思考题:
Pg11:
1、2、3、4、5、8、9、10,被控对象:
水槽被控变量:
水槽的水位;操纵变量:
水槽出水流量qv2;扰动量:
水槽进水流量qv1、压力,解:
水槽水位控制系统方块图:
补充题1:
某化学反应器工艺规定操作温度为(80010)。
为确保生产安全,控制中温度最高不得超过850。
现设计的温度控制系统,在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如下图所示。
(1)分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间Ts(温度进入1%新的稳定值即示为系统已稳定)和震荡周期T。
(2)分析此温度控制系统是否满足工艺要求?
第1章控制系统的基本概念作业讲评,本章作业:
Pg11:
6、7、补充题1:
求过渡过程性能指标。
本章思考题:
Pg11:
1、2、3、4、5、8、9、10,解:
(1)分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间Ts(温度进入1%新的稳定值即示为系统已稳定)和震荡周期T。
解:
最大偏差:
A=845800=45超调量:
=(845805)/805=4.97%衰减比:
n=B/B=(845805)/(815805)=4:
1余差:
C=805800=5过渡时间:
Ts=25min震荡周期:
T=207=13min,
(2)分析此温度控制系统是否满足工艺要求?
解:
符合要求:
系统新的稳定值是805,符合工艺规定操作温度为(80010)的要求845850,符合控制中温度最高不得超过850的要求,
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