1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第一章第一章 自動控制系統基本概念自動控制系統基本概念 內容提要內容提要n 化工自動化的主要內容化工自動化的主要內容n 自動控制系統的基本組成及表示形式自動控制系統的基本組成及表示形式n 基本組成基本組成n 方塊圖方塊圖 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖n 圖形符號圖形符號n 字母代號字母代號n 儀表位號儀表位號n 自動控制系統的分類自動控制系統的分類n 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標n 控制系統的靜態與動態控制系統的靜態與動態n 控制系統的過渡過程控制系統的過渡過程n 控制系統的品質指標控制系統的品質指標n 影響控制系

2、統過渡過程品質的主要因素影響控制系統過渡過程品質的主要因素1第一節第一節 自動控制系統的基本組成及表示形式自動控制系統的基本組成及表示形式 4圖圖1-2 1-2 人工操作圖人工操作圖圖圖1-3 1-3 液位自動控制系統圖液位自動控制系統圖n人工操作與自動控制比較圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現代化生產的需要現代化生產的需要第二節第二節 自動控制系統的基本組成及表示形式自動控制系統的基本組成及表示形式二、二、自動控制系統的表示形式自動控制系統的表示形式1、方塊圖、方塊圖n在研究自動控制系統時，為了便于對系統分析研究，一在研究自動控制系統時，為了便于

3、對系統分析研究，一般都般都用方塊圖來表示控制系統的組成用方塊圖來表示控制系統的組成。n下頁圖為液位自動控制系統的方塊圖，下頁圖為液位自動控制系統的方塊圖，每個環節表示組每個環節表示組成系統的一個部分，稱為成系統的一個部分，稱為“環節環節”。兩個方塊之間用一兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關系，箭頭指向方塊表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環塊表示為這個環節的輸入，箭頭離開方塊表示為這個環節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。節的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。6n方塊圖中，方塊圖中， x 指設定值；指設定值；z

4、 指輸出信號；指輸出信號；e 指偏差信指偏差信號；號；p 指發出信號；指發出信號；q 指出料流量信號；指出料流量信號；y 指被控變指被控變量；量；f 指擾動作用。當指擾動作用。當x 取正值，取正值，z取負值取負值，e= x- z，負反饋；負反饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值， e= x+ z，正反饋。，正反饋。第二節第二節 自動控制系統的基本組成及表示形式自動控制系統的基本組成及表示形式n液位自動控制的方塊圖液位自動控制的方塊圖圖圖1-5 1-5 液位自動控制系統方塊圖液位自動控制系統方塊圖7第二節第二節 自動控制系統的基本組成及表示形式自動控制系統的基本組成及表示形式n 其他控制系統

5、其他控制系統 用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統圖圖1-6 1-6 蒸汽加熱器溫度控制系統蒸汽加熱器溫度控制系統 當進料流量或溫度變化當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器量后送至溫度控制器TCTC。溫。溫度控制器的輸出送至控制閥，度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。口物料的溫度不變。 這個控制系統同樣可這個控制系統同樣可以用上頁中的方塊圖以用上頁中的方塊圖表示表示8圖圖1-6 蒸汽加熱器溫度控

6、制系統：蒸汽加熱器溫度控制系統：蒸汽加熱器蒸汽加熱器加熱蒸汽量加熱蒸汽量加熱蒸汽壓力的變化、加熱器內部傳熱系數的變化、環境加熱蒸汽壓力的變化、加熱器內部傳熱系數的變化、環境溫度的變化溫度的變化加熱蒸汽加熱蒸汽1.方塊圖方塊圖n 注意！注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。個具體的裝置。9n方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯系，并不代表方塊之間的物料聯系。方塊之間連接線的箭系，并不代表方塊之間的物料聯系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線頭也只是代表信號作用的方向

7、，與工藝流程圖上的物料線是不同的。是不同的。n工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設備進入另一個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流個設備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。向相一致。n自動控制系統是一個閉環系統自動控制系統是一個閉環系統1.方塊圖方塊圖n 小結小結n自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。 n與自動檢測、自動操縱等開環系統比較，最本質的區與自動檢測、自動操縱等開環系統比較，最本質的區別，就在于別，就在于自動控制系統有負反饋自動控制系統有負反饋，開環系統

8、中，被，開環系統中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10舉例舉例化肥廠的造氣自動機就是典型的開環系統的例子化肥廠的造氣自動機就是典型的開環系統的例子自動操縱裝置自動操縱裝置對象對象操縱作用操縱作用工藝參數工藝參數操縱指令操縱指令1.1.方塊圖方塊圖n小結小結開環系統：開環系統：自動機在操作時，自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預一旦開機，就只能是按照預先規定好的程序周而復始地先規定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發運轉。這時被控變量如果發生了變化，自動機不會自動生了變化，自動機不會自動地根據被控變量的實際工況地根據被控變量的實際工況來改變自己的

9、操作。來改變自己的操作。比較比較閉環系統：閉環系統：有針對性有針對性地根據被控變量的變地根據被控變量的變化情況而改變控制作化情況而改變控制作用的大小和方向，從用的大小和方向，從而使系統的工作狀態而使系統的工作狀態始終等于或接近于所始終等于或接近于所希望的狀態。希望的狀態。11設定器設定器控制器控制器被控對象被控對象擾動擾動被控量被控量設定器設定器被控過程被控過程傳感器傳感器控制器控制器開環控制系統開環控制系統：閉環控制系統閉環控制系統 :第三節第三節 自動控制系統的分類自動控制系統的分類幾種分類方法幾種分類方法（一）按（一）按被控變量被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統；來分類，如溫度、壓力

10、等控制系統；（二）按（二）按控制器具有的控制規律控制器具有的控制規律來分類，如比例、比例積分、來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統；比例微分、比例積分微分等控制系統；（三）將控制系統按照工藝過程需要控制的（三）將控制系統按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值被控變量的給定值是否變化和如何變化是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統分為三來分類，這樣可將自動控制系統分為三類，即類，即定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。定值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。12其中第三種分類方法最普遍其中第三種分類方法最普遍第三節第三節 自動控制系統的分類自動控制系統的分類

11、“定值定值” ” 是是恒定給定值恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產求控制系統的作用是使被控制的工藝參數保持在一個生產指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統。采用定值控制系統。13 給定值隨機變化，該系統的目的就是使所控制的工藝參給定值隨機變化，該系統的目的就是使所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第三節第三節 自動控制系統的分類自動控制系統的分類3.3.程序控制系統（順序控制系統）程序控制系

12、統（順序控制系統） 給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統在間產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統在間歇生產過程中應用比較普通。歇生產過程中應用比較普通。14第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標 一、控制系統的靜態與動態一、控制系統的靜態與動態15自動控制目的：自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流值上，這只有當進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）

13、相等時才有可能。出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。 靜態靜態被控變量不隨時間而變化的平衡狀態（變化率被控變量不隨時間而變化的平衡狀態（變化率為為0 0，不是靜止）。，不是靜止）。第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標 當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均當一個自動控制系統的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，恒定不變時，整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態，系統的各個組成環節如變送器、控制器、控制閥都不改變系統的各個組成環節如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對靜止

14、狀態，其原先的狀態，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態，這種狀態就是這種狀態就是靜態靜態。 16第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標17動態動態被控變量隨時間變化的不平衡狀態被控變量隨時間變化的不平衡狀態 。 從干擾作用破壞靜態平衡，經過控制，直到系統重從干擾作用破壞靜態平衡，經過控制，直到系統重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統的各個環節和新建立平衡，在這一段時間中，整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。信號都處于變動狀態之中，這種狀態叫做動態。結論：結論：在自動化工作中，了解系統的靜態是必要的，但是了在自動化工作中，了解系

15、統的靜態是必要的，但是了解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存解系統的動態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上。在工藝生產所要求控制的技術指標上。第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標二、控制系統的過渡過程二、控制系統的過渡過程n系統由一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程系統由一個平衡狀態過渡到另一

16、個平衡狀態的過程。 18當干擾作用于對象，系統輸當干擾作用于對象，系統輸出出y y發生變化，在系統負反發生變化，在系統負反饋作用下，經過一段時間，饋作用下，經過一段時間，系統重新恢復平衡。系統重新恢復平衡。舉例舉例圖圖1-7 1-7 控制系統方塊圖控制系統方塊圖 動態動態被控變量隨時間變化的不平衡狀態被控變量隨時間變化的不平衡狀態。 如果系統原來處于相對平衡狀態（靜態），當出現干擾使被控變量發生變如果系統原來處于相對平衡狀態（靜態），當出現干擾使被控變量發生變化，此時控制系統發生作用，調節器根據偏差及其偏差的變化情況，改變調節化，此時控制系統發生作用，調節器根據偏差及其偏差的變化情況，改變調節

17、器輸出，再經執行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設定值來，這么器輸出，再經執行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設定值來，這么一個一個從干擾發生、系統控制、直到重新建立平衡的過程稱為從干擾發生、系統控制、直到重新建立平衡的過程稱為“動態動態”過程。過程。 工藝設計主要圍繞系統工藝設計主要圍繞系統“靜態靜態”特性開展工作，自動控制是在特性開展工作，自動控制是在“靜靜態態”特性基礎上研究其特性基礎上研究其“動態動態”特性特性當系統失去平衡以后，如何使當系統失去平衡以后，如何使系統重新回到平衡狀態。系統重新回到平衡狀態。 如何來評價自控系統的質量？如何來評價自控系統的質量？ 必須分析必須分析“系統

18、失穩以后能否重新回到平衡狀態系統失穩以后能否重新回到平衡狀態”、“從系統失穩到重新回到平衡狀態從系統失穩到重新回到平衡狀態”這個過程的各種指標這個過程的各種指標。 第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標n系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控系統在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。形式。n在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，為了安全和于隨機性質。在分析和

19、設計控制系統時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階常用的是階躍干擾。躍干擾。 19第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標采用階躍干擾的優點：采用階躍干擾的優點： 這種形式的干擾比較突然、這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統也最大。如果一個控制系統能夠有效地克服這種類型的能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。服比較緩和的干擾。 這種干擾的形式簡單，容易這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析

20、、實驗和計實現，便于分析、實驗和計算算。圖圖1-8 1-8 階躍干擾作用階躍干擾作用20第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式自動控制系統在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程非周期衰減過程衰減震蕩過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程等幅震蕩過程 發散震蕩過程發散震蕩過程X X？對于控制質量要求不高對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要指在位式內振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。控制時），才可采用。 第四節第四節 自動控制系統

21、的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標三、控制系統的品質指標三、控制系統的品質指標控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。控制系統的過渡過程是衡量品質的依據。22圖圖1-10 1-10 過渡過程品質指標示意圖過渡過程品質指標示意圖 假定自動控制系統在階躍輸入作用下，被控變量的假定自動控制系統在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程 多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種多數情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統的品質指標。過程形式討論控制系統的品質指標。第四節第四節 自動控制系

22、統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標23五種重要品質指標之一五種重要品質指標之一1. 1. 最大偏差最大偏差A A或超調量或超調量B B 最大偏差最大偏差A A 是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的最大數值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。偏差的允許值有所限制。 超

23、調量超調量B B 也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。 B=A-CB=A-C第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標2. 衰減比衰減比 B/B 衰減比衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為比。習慣表示為 n n:1:1，一般，一般 n n 取為取為4 41010之間為宜。之間為宜。五種重要品質指標之二五種重要品質指標之二24第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標3. 余差余差 C 當過渡過程終了時，被控變量所達到

24、的新的穩態值與當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做給定值之間的偏差叫做余差余差，或者說余差就是過渡過程終，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調節有差調節，相應，相應的系統稱為的系統稱為有差系統有差系統。反之就為。反之就為無差調節無差調節和和無差系統無差系統。 25五種重要品質指標之三五種重要品質指標之三第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標4. 過渡時間過渡時間 從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，

25、過渡過程所經歷的時間叫平衡時止，過渡過程所經歷的時間叫過渡時間過渡時間。一般在穩。一般在穩態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不態值的上下規定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩態值，或者說再越出時，就認為被控變量已經達到新的穩態值，或者說過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩態值的過渡過程已經結束這個范圍一般定為穩態值的（也（也有的規定為有的規定為）。）。 26五種重要品質指標之四五種重要品質指標之四第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標5.5.震蕩周期或頻率震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間

26、的間隔時間叫過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期振蕩周期或工作周期，其倒數稱為或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率振蕩頻率。在衰減比相。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。短一些為好。27五種重要品質指標之五五種重要品質指標之五自動控制系統希望的結果：自動控制系統希望的結果：最大偏差（超調量）？最大偏差（超調量）？衰減比？衰減比？余差？余差？過渡時間？過渡時間？振蕩周期？振蕩周期？n n1 1等幅振蕩等幅振蕩 n n1 1發散振蕩發散振蕩 n n1 1衰減振蕩衰減振蕩 不振蕩不振蕩 為了保持有足夠的

27、穩定程度，衰減比一般取為為了保持有足夠的穩定程度，衰減比一般取為4 4：1 1至至1010：1 1；這種過渡過程；這種過渡過程不是最優的結果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不是最優的結果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。不振蕩：不便于操作人員掌握。 自動控制系統性能要求自動控制系統性能要求五個字：穩、準、快、壯、省五個字：穩、準、快、壯、省n穩穩： 擾動下不發散擾動下不發散n準準： 與設定值的偏差小與設定值的偏差小n快快： 用最少的時間達到要求用最少的時間達到要求n壯壯： 適應寬范圍工況適應寬范圍工況n省省： 控制能量最省，波動小，

28、效率高控制能量最省，波動小，效率高第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標28某換熱器的溫度控制系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200）。舉例舉例圖1-11 溫度控制系統過渡過程曲線第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標解解 : :最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030 余差余差C C205-200205-200 由圖上可以看出，第一個波峰值由圖上可以看出，第一個波峰值B B230-205230-2052525， 第二

29、個波峰值第二個波峰值BB21021020520555， 故故衰減比衰減比應為應為B:BB:B25:525:55:15:1。 振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔， 故故周期周期T T20-520-51515（minmin）29第四節第四節 自動控制系統的過渡過程和品質指標自動控制系統的過渡過程和品質指標 分析分析 過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假定過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的被控變量進入額定值的2 2，就可以認為過渡過程已經，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍為結束，那么限制范圍為200200（2 2）44，這時，這時，可在新穩態值（可在新穩態值（205205）