过程控制系统及仪表第版绪论.ppt
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1、1,2,第1章 控制系统的基本概念,1-1 生产过程自动化概述 生产过程自动化,是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制,主要解决各种生产过程中的温度、压力、流量、液位(或物位)、以及成分(或物性)等参数的自动监测和控制问题。用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就称为生产过程自动化,简称为过程控制(Process Control)。,3,一、生产过程及其特点连续生产过程主要有以下几种形式:1 传热过程通过冷热物流之间的热量传递,达到控制介质温度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备:换热器2 燃烧过程通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提
2、供动力和热源。典型设备:加热炉,4,3 化学过程由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的产品的反应过程。典型设备:反应器4 精馏过程精馏是一种分离过程。典型设备:精馏塔5 传质过程不同组分的分离和结合,如液体和气体之间的解吸、汽提、去湿或润湿,不同非溶液体的萃取、液体与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其目的是获得纯的出口物料。,一、生产过程及其特点,5,一、生产过程及其特点,生产过程特点:连续生产过程具有复杂性、关联性、时变性、非线性、不确定性,在某些高温高压或有害介质存在的场合,还具有相当的危险性。生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发展,使得过程控制在自动控制领域乃至国
3、民经济中都占有极其重要的地位。,6,二、生产过程对控制的要求 生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面,即:安全性、稳定性和经济性。(1)安全性 是指在整个生产运行过程中,能够及时预测、监控和防止任何事故的发生,以确保生产设备和操作人员的安全,这是最重要也是最基本的要求。(2)稳定性 是指当工业生产环境发生变化或受到随机因素的干扰和影响时,生产过程仍能不间断地平稳运行,并保持稳定的产品质量。,7,(3)经济性 是指在保证生产安全和产品质量的前提下,以最小的投资、最少的能耗和最低的成本,使生产装置在高效率运行中获取最大的经济收益。,过程控制的任务:就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的各种特性
4、的基础上,根据工艺生产提出的要求,应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综合,并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现,最终达到优质、高产、低耗的控制目标。,二、生产过程对控制的要求,8,回顾生产过程自动化的发展历史,大致经历了三个发展阶段。,1初级阶段,1950年以前,简单的检测仪表和笨重的基地式仪表,三、生产过程自动化的发展历程,9,2仪表化阶段,50年代至70年代,单元组合仪表和巡回检测仪表。,三、生产过程自动化的发展历程,集中监视和操作,10,3综合自动化阶段:70年代以来,多功能组装仪表、数字仪表、智能仪表。70年代中期出现DCS。90年代以来,管控一体化成为可能。,三、生产过
5、程自动化的发展历程,11,作为工艺技术人员,学习和掌握生产过程自动化方面的知识,对于研究和开发新的生产工艺,解决生产操作中的关键技术问题,合理确定控制方案,保证生产优质、高产、低耗的顺利运行,促进生产企业的现代化管理等都具有十分重要的作用。,生产过程自动化是自动控制理论、计算机科学、仪器仪表技术和生产工艺知识相结合而构成的一门综合性的技术科学。在现代过程工业中,自动化装置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。,三、生产过程自动化的发展历程,12,1-2 过程控制系统的组成及分类,一、过程控制系统的组成以液体贮槽的液位控制为例说明过程控制系统的基本构成。贮槽液位原理图,如图所示。,13,人工控制
6、方式:眼 观察玻璃管液位计(测量元件)指示高度;大脑 将液位高度与期望高度进行比较,经过思考估算出需要改变的流出量,然后发出动作命令;手 根据命令改变出口阀门开度,相应地增 减流出量,使液位保持在合理的范围内。,一、过程控制系统的组成,14,自动控制方式:,一、过程控制系统的组成,15,自动控制方式:液位变送器 检测并变换成统一标准信号送到 控制器;自动控制器 接收变送器信号与液位期望值进行 比较,根据偏差按某种规律运算,运 算结果送给执行器(调节阀);执行器 将控制器指令信号转换成相应的位 移信号,驱动阀门动作,改变液体 流出量,实现液位的自动控制。,一、过程控制系统的组成,16,由液体贮槽
7、的液位控制可知,过程控制系统是由被控对象,测量与变送装置、控制器、执行器组成。如果把测量与变送装置、控制器、以及执行器统称为自动化装置,则过程控制系统是由被控对象和自动化装置两部分组成的。过程控制系统的任务:就是当被控对象受到干扰使被控变量(温度、压力、流量、液位、成分等)产生偏差时,能够及时检测,并通过合理地调节操纵变量使被控变量回到给定值。,一、过程控制系统的组成,17,自控常用术语:(1)被控对象:需要实现控制的设备、机器或生产过 程称为被控对象,简称对象。如本例中的液体贮槽。(2)被控变量:对象中需要进行控制(保持数值在某 一范围内或按预定规律变化)的物理量称为被控变量。如本例中的贮槽
8、液位。(3)操纵变量:受到控制装置的操纵,用以使被控变 量保持在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量。如本例中的液体流出量。,一、过程控制系统的组成,18,(4)干扰(扰动):除操纵变量外,作用于对象并使 被控变量发生变化的因素称为干扰(扰动)。如本例中的液体流入量。(5)设定值:按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要达到或保持的数值称为给定值(设定值)。如例中,为了防止槽内液体溢出或抽空,规定贮槽液位保持在贮槽50的高度比较合理。(6)偏差:在过程控制系统中通常把测量值减给定值称为偏差。,一、过程控制系统的组成,19,一、过程控制系统的组成,指出图中被控对象,被控变量,操纵变量,干扰,设定值
9、,偏差分别是什么?,20,一、过程控制系统的组成,反应器反应温度控制系统示意图,由哪几部分构成?请指出被控对象,被控变量,操纵变量,干扰各是什么?,21,过程控制系统的分类方法有很多,每一种分类只反映出过程控制系统某一方面的特点。按被控变量的名称分类温度控制系统,压力控制系统,流量控制系统等按被控变量的数量分类单变量控制系统,多变量控制系统按控制系统的结构分类开环控制系统,闭环控制系统按控制系统完成的功能分类反馈控制系统,串级控制系统,比值控制系统等,二、过程控制系统的分类,22,按照被控变量的给定值分类,可分成以下三类:1定值控制系统 定值控制系统是一种被控变量的给定值始终固定不变的控制系统
10、。如:液位控制系统。,二、过程控制系统的分类,23,2随动控制系统 随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间不断变化的控制系统。例如:锅炉的燃烧控制系统 为使燃料充分燃烧,空燃比保持一定比例,采用比值控制系统,要求空气和燃料保持一定比例。由于燃料量随负荷变化,空气量随燃料量变化,即空气量的给定值也是随机变化的,所以是一个随动控制系统。,二、过程控制系统的分类,24,3程序控制系统(又称顺序控制系统)程序控制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。例如:冶金工业中的金属热处理的温度控制金属加热给定值都是按照预定的升温、恒温、降温等程序变化的,属于程序控制系统。,二、过程控制系统的
11、分类,25,一、方块图方块图是从信号流(信息)的角度出发,依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式。由于在方块图中不仅明确表明了每个环节在系统中的作用,而且能够清楚地看出自动控制系统中各组成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流动情况。对过程控制系统进行分析研究时,经常用方块图来表示一个过程控制系统的组成。,1-3 方块图与流程图,26,图中的方块表示控制系统的一个组成部分,称为“环节”。箭头指向方块的信号x 表示该环节的输入,称为输入变量。箭头离开方块的信号y 表示该环节的输出,称为输出变量。箭头所指的方向就是信号的流向,它表明信号的作用方向。许多物理性质不同,但
12、特性相同的系统,可以用同一种形式的方块图来表达。,x,y,图1-2 表示的是一个简单的方块图单元。,1-3 方块图与流程图,27,相加点:如图1-3 所示,表示两个以上具有相同单位的变量(信号)之间的加和运算。,1-3 方块图与流程图,(a)表示 e=r-z;(b)表示 x=x1+x2。,28,分支点:如图1-4所示,当一个变量(或信号)要同时作用于几个不同的环节时,可使用分支点。由分支点引出的各路信号都相等。,1-3 方块图与流程图,29,有了方块图,就可以根据变量间的相互作用,按照信号的流向方便地将系统中各个环节连接起来,构成一个完整的过程控制系统。图1-1 液位控制系统,画控制系统的方块
13、图。,1-3 方块图与流程图,30,例:,31,为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括执行器、被控对象、测量变送)组合在一起作为一个对象看待,称之为广义对象。,1-3 方块图与流程图,32,例:炉温控制系统画方块图,1-3 方块图与流程图,33,炉温控制系统方块图,炉温控制系统方块图,执行器,34,炉温控制系统方块图特点,1-3 方块图与流程图,35,画出如下反应器反应温度控制系统的方块图。,1-3 方块图与流程图,36,闭环控制系统:环节的任何一个信号,只要沿箭头方向流动,最终总会回到它的起始点,把这样的系统称为闭环控制系统。不具备这种特性的系统则称为开环控制系统。,1-3 方块图与
14、流程图,37,反馈:闭环控制系统中,输出变量(或信号)沿着回路中的信号流动方向总会返回到系统的输入端,与给定值进行比较。这种把系统(或方块)的输出信号引回到系统输入端的做法叫做反馈。若反馈信号(被控变量测量值z)与给定值信号的方向相反,即反馈信号z 取负值,则叫做负反馈。测量信号与给定值信号方向相同,则叫做正反馈。闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。例:储槽液位控制系统;炉温控制系统,1-3 方块图与流程图,38,1-3 方块图与流程图,负反馈:储槽液位控制系统,39,温度设定值100度热电偶检测值95度阀开度增大,40,闭环控制系统实质上是利用负反馈原理,根据偏差进行工作的。正因为如此,
15、闭环控制系统又被称为反馈控制系统。,1-3 方块图与流程图,41,二、工艺控制流程图在进行过程控制系统的工程设计时,自控专业人员必须与工艺专业人员协作,按工艺流程的顺序和要求,将所确定的控制方案标注到工艺流程图中。将控制点和控制系统与工艺流程图相结合的图形文档就称为工艺控制流程图,或称为带有控制点的工艺流程图。,1-3 方块图与流程图,42,图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图图中所示,工艺控制流程图主要是由工艺设备、管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等图形符号组成。,1-3 方块图与流程图,43,仪表图形符号:仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所处理的被测变量和功能,还可以表示仪表
16、或元件的名称。仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈,并在其中标有仪表位号。,1-3 方块图与流程图,仪表位号由字母代号和数字编号组成,如下例所示:,44,仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置(或工段)的同类被测变量的仪表位号中顺序号是连续的。在工艺控制流程图上,标注仪表位号的方法是:字母代号填写在圆圈上半圆中,数字编号填写在下半圆中。如图1-8 所示:,1-3 方块图与流程图,45,表1-1 列出了在仪表位号中用到的被测变量和仪表功能的字母代号。表1-2 则给出了常见的字母组合。,1-3 方块图与流程图,46,1-3 方块图与流程图,47,1-3 方块图与流程图,48,49,图1-7中
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