化工自动化及仪表内容辅导课件.ppt
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1、PAGE1OF144化工自动化及仪表化工自动化及仪表内容辅导内容辅导(一)(一)PAGE2OF144本辅导主要内容第一章:自动控制系统概述第二章:过程特性第三章:过程检测仪表第四章:成分分析仪表第五章:显示仪表PAGE3OF144Ch1 自动控制系统概述PAGE4OF1441 1、控制理论的发展、控制理论的发展(1 1)经典控制论)经典控制论(2 2)现代控制论)现代控制论(3 3)大系统理论)大系统理论(4 4)智能控制)智能控制一、自动化及仪表技术发展概况PAGE5OF1442 2、控制系统结构(实现方式)、控制系统结构(实现方式)控制系统结构经历了四个阶段:基地式控制器的控制系统(195
2、0)单元组合仪表的控制系统(1960)计算机控制系统(1970)集散控制系统(1980)目前:现场总线控制系统 综合自动化系统PAGE6OF144二、自动控制系统 图1-1 加热炉温度自动控制系统 1、自动控制系统、自动控制系统PAGE7OF144目标目标:控制加热炉火的出口温度实现方式(过程)实现方式(过程):(1)测量该温度(2)将该温度与期望值(设定值)比较(3)根据偏差调节燃料流量,目的是使得偏 差为0 特点特点:负反馈系统(设定值与测量值相减)根据偏差调节 闭环控制PAGE8OF1442、闭环控制与开环控制闭环控制闭环控制:不能什么原因导致被控变量有偏差就会产生控制作用,以图减小偏差
3、。但控制不及时开环控制开环控制:不需要测量被控变量,根据输入信号调节,控制及时,但无法消除偏差。根据需要选择控制方式根据需要选择控制方式:前馈反馈控制系统就结合了这两种控制方式的优点。PAGE9OF144 图1-2 开环液位控制系统PAGE10OF1443、自动控制系统组成及方框图 研究控制系统时,为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系,一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节,两个方框间用带箭头的线段表示信号联系,进入方框表示信号为输入,离开表示信号为输出,输入引起输出变化,而输出不会引起输入变化,即环节具有单向特性。PAGE11OF144方框图采用符号说明:方
4、框图采用符号说明:r(t)设定值y(t)测量值e(t)偏差,e(t)=r(t)-y(t)u(t)控制作用(控制器输出)c(t)被控变量q(t)操纵变量f(t)扰动PAGE12OF144 图1-3 控制系统方框图PAGE13OF1444、分析控制系统时重要概念信息概念信息概念 图13中的各个符号变量都是实际的物理量,然而他们是作为信息来转换和使用的。每个环节都有信息流入和流出。信息的流入和流出与实际对象中物料的流入和流出不同。从整个系统看,设定值和扰动是系统输入,而被控变量和其他测量值是输出。PAGE14OF144 图1-4 两个液位控制系统PAGE15OF144闭环的概念闭环的概念:在方框图中
5、,任何一个信息沿箭头方向前进,最后又回到原来的起点,这种系统称为闭环系统。闭环控制系统的闭合回路是通过检测和变送器实现的。闭环系统一定要有反馈。PAGE16OF144动态的概念动态的概念:r(t)、y(t)、e(t)、u(t)、q(t)和f(t)等都是时间的函数,即它们随时间而变化。在定值控制系统中,扰动使得被控变量偏离设定值,控制作用又使它恢复到设定值,扰动与控制构成一对矛盾,被控变量处于不断的运动中。等效的概念等效的概念:PAGE17OF1445、控制系统牵涉内容信息流动与控制设备对应关系:信息流动信息流动:信号采集信号变换信号处理执行控制设备(硬件)控制设备(硬件):检测仪表变送器 控制
6、器 执行机构PAGE18OF144涉及课程内容涉及课程内容:检测、变送技术检测、变送技术;显示技术;电动与气动执行机构控制系统设计控制系统设计;控制原理;控制工程;各 种控制算法;过程建模实现方式实现方式:计算机控制系统(控制仪表与装置;集散控制系统,PLC,工业控制计算机,现场总线控制系统,SCADA系统)PAGE19OF1446、自动控制系统分类按照设定值的不同,分成三类按照设定值的不同,分成三类:定值控制系统定值控制系统随动控制系统随动控制系统程序控制系统程序控制系统 PAGE20OF144三、自动控制系统过渡过程和品质指标PAGE21OF1441、自动控制系统的过渡过程 当自控系统的输
7、入发生变化后,被控变量随时间不断变化,该过程称为系统的过渡过程。定值控制系统的过渡过程通常有以下几种形式:发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡PAGE22OF144 图1-8 定值控制系统过渡过程几种形式 PAGE23OF144 图1-9 稳定的随动系统过渡过程 PAGE24OF1442、自动控制系统的品质指标 控制系统受到外作用时,要求被控变量要平稳、迅速和准确地趋近或恢复到设定值。因此在稳定性、快速性和准确性三个方面提出单项和综合指标,这些指标仅适用于衰减振荡过程。PAGE25OF144 图1-10 过渡过程控制指标示意图(扰动作用)PAGE26OF144 图1-11 过渡过程控制指标示意图(
8、设定作用)PAGE27OF144(1)单项控制指标衰减比衰减比n:衡量过程过程稳定性的动态指标,其定义是第一波的振幅和同方向第二个波的振幅之比。n越小,控制系统振荡剧烈,稳定度低n越大,控制系统的稳定性越高。当n趋向于无穷大时,过渡过程接近非振荡过程。n通常整定在4:1到10:1PAGE28OF144最大动态偏差最大动态偏差 (或超调量(或超调量 )。该指标反映被控变量偏离设定值的最大程度。是衡量过渡过程稳定性的动态指标。对定值控制,指被控变量的第一个波峰与设定值的偏差。对随动系统,通常采用超调量,定义为第一个波的峰值与最终稳定值的差。某些工艺要求高的场合,要限制最大动态偏差maxePAGE2
9、9OF144余差余差 指控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差,即余差是反映控制准确性的重要指标,一般 希望它为0。并非所有的控制系统对余差都有很高的要 求。)()(yre)(ePAGE30OF144回复时间和振荡频率回复时间和振荡频率 回复时间表示控制系统过渡过程时间长短。回复时间短,表示控制系统过渡过程快。回复时间长,表示系统过程过渡过程慢。在衰减比相同条件下,振荡频率与回复时间成反比,振荡频率越高,回复时间越短;因此振荡频率也可以作为衡量控制快速性的指标。PAGE31OF1442、综合指标 由于过渡过程动态偏差越大,或是回复时间越长,则控制品种越差,所以综合控制指标采用积分鉴定
10、的形式。其中:J为积分鉴定值,e为偏差,t为回复时间。通常采用三种表达形式)12(),(0dttefJPAGE32OF144(1)平方积分鉴定平方积分鉴定ISEISE(2)绝对积分鉴定绝对积分鉴定IAEIAE(3)时间乘以绝对值的积分鉴定时间乘以绝对值的积分鉴定ITAEITAE)22(,),(022dteJetef)32(,),(0dteJetef)42(,),(0tdteJtetefPAGE33OF144 自动控制系统控制质量的好坏,取决于组成控制系统的各个环节,特别是过程的特性。自动控制装置应该按照过程的特性加以适当的选择和调整,才能达到预期的控制质量。如果过程特性和控制装置两者配合不当,
11、或者过程特性、控制装置特性在运行过程中发生变化,都会影响到控制系统的控制品质,在设计控制系统时要考虑这些问题。PAGE34OF144一些基本概念题1、简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动(干扰)量、设定(给定)值、偏差的含义。被控对象:自动控制系统中,工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量:被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量:受控制器操纵的,用于克服干扰的影响,使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量:除操纵变量外,作用于被控对象并引起被控量变化的因素。PAGE35OF144设定值:被控变量的预定值偏差:被控变量的设定值与实际值之差。2、什么是自动控制系统的过渡过程?
12、答:系统受到扰动作用后,其平衡状态被破坏,被控变量发生波动,在自动控制作用下,经过一段时间,使被控变量回复到新的稳定状态,把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。PAGE36OF1443、衰减振荡过程的品质指标有哪些?答:衰减振荡过程的品质指标主要有:最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。PAGE37OF1444、什么是反馈、什么是正反馈、负反馈?答: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作法称为反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反,即偏差信号为两者之差,这种反馈称为负反馈。反之称为正反馈。PAGE38OF1445、什么是
13、自动控制系统的方框图?答:自动控制系统的方框图是由传递方块、信号线(带有箭头的线段)、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每个方框代表系统的一个组成部分,方框内填入表示其自身特性的数学表达式;方框间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号流向。采用方框图可以直观地表达系统各组成部分及它们之间的相互影响和信号的联系,以便对系统特性进行分析和研究。PAGE39OF144Ch2 自动控制系统过程特性PAGE40OF144工业生产过程设备众多 换热器、反应器、精馏塔、泵、锅炉、压 缩机等每个过程都有其自身特性,该特性影响控 制系统的运行了解和熟悉过程特性,有利于过程操作了解过程特性,才
14、能设计好控制系统一、基本概念PAGE41OF144过程特性过程特性:指当被控过程的输入变量(操纵变量或扰动)发生变化时,其输出变量(被控变量)随时间变化规律。控制通道控制通道:操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径,干扰通道干扰通道:扰动f(t)对被控变量得作用途径研究过程特性时,两个通道都要考虑PAGE42OF144 图2-3 4种过程特性响应曲线PAGE43OF144 描述过程特性的最好方法就是建立过程的数学模型,即将过程得输入和输出特性用数学方程表达出来,数学方程包括:微分方程偏微分方程差分方程状态方程等 二、过程数学描述PAGE44OF144建模依据(机理模型):建模依据(机理模
15、型):物料平衡能量平衡动量平衡相平衡化学反应定律电路基本定理等 建模方法:建模方法:机理建模实验建模PAGE45OF144三、过程特性一般分析1、放大系数、放大系数控制通道放大系数K0 反映了过程以初始工作点为基准的被控变量与操纵变量在过程结束时的变化量之间的关系,是一个稳态特性参数干扰通道放大系数KfPAGE46OF1442、时间常数 时间T是常数反映被控变量变化快慢的动态参数。3、各种滞后PAGE47OF144四、过程建模方法常用过程建模方法:机理建模机理建模u对简单过程可以u工业过程特性十分复杂,因此难于机 理建模实验建模实验建模u阶跃扰动法u矩形脉冲扰动法u周期扰动法u统计相关法PAG
16、E48OF144一些基本概念题1、什么是被控对象特性?什么是被控对象数学模型?研究被控对象特性有何意义?答:过程特性是指当被控过程的输入变量(操纵变量或扰动变量)发生变化时,其输出变量(被控变量)随时间的变化规律。定量地表达对象输入输出关系的数学表达式称为对象的数学模型。在充分研究过程特性及其规律的基础上,可以确定合适的被控变量和操纵变量,进而选用合适的检测和控制仪表,选择合理的控制器参数,设计合乎工艺要求的控制系统。PAGE49OF1442、什么是控制通道和扰动通道?答:对于一个被控对象来说,输入量是扰动量或操纵变量,而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至
17、被控变量的信号联系称为控制通道;扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。一般来说,对于不同的通道,对象的特性参数(K、T和 )对控制作用的影响是不同的。PAGE50OF144Ch3 过程检测仪表PAGE51OF144检测仪表是控制系统信息的源头,是信号变换、加工、处理、存储的基础,在控制系统中处于十分重要的地位。检测仪表把各种非电量,如温度、压力、流量、物位等转换为电量信号。变送器将检测仪表的输出转换为标准输出信号,对电动二型仪表,信号为010mA,对电三型仪表,标准信号为420mA。有时会将检测元件(如热电偶)、变送器和显示仪表统称为检测仪表。PAGE52OF144检测仪表性能 静态指标:精
18、度、变差、灵敏度、灵敏 限、线性度、重复性 动态指标:测量误差的基本知识一、基本概念PAGE53OF144二、温度测量根据敏感元件和被测介质是否接触,分为接触式和非接触式两大类。1、接触式方法、接触式方法:(1)基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测(2)基于导体或半导体电阻随温度变化的热电阻温度检测(3)基于热电效应的热电偶温度检测2、非接触式方法、非接触式方法:(1)利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对温度检测PAGE54OF1441、热电偶温度检测(1)热电效应)热电效应 热电势由两个部分组成:接触电动势和温差电动势。图33 热电效应PAGE55OF144(2)热电偶基本定律热电
19、偶基本定律 由材料成份相同的热电极组成的回路,只受到材料两端温度的作用,无论导体的直径和长度如何及各处的温度分布如何,均不产生热电动势。此定律说明热点偶必须由两种不同性质的材料制成。同时也可据此检验热电极的均匀性。均质回路定律(均质导体定律)均质回路定律(均质导体定律)PAGE56OF144中间金属材料定律中间金属材料定律 在热电偶回路中接入第三种金属,只要这种金属材料两端温度相同,则热电偶所产生的热电动是保持不变,即不受第三种金属材料接入的影响。中间温度定律中间温度定律热电偶组成定律热电偶组成定律PAGE57OF144(3)热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 EAB(t,t0)=f(t)-
20、f(t0),热电偶的热电势是测量端温度t和参比端温度t0的函数的差。热电偶分度表中的热电动势都是在参比端温度为0时给出的。如冷端温度不是0,就会产生温差。计算法计算法 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)(34)PAGE58OF144机械零点调整法机械零点调整法 显示仪表标尺通常以热电偶冷端温度为0时刻度的,因此无信号时指示为0。方法:测量冷端温度,再将显示表调零螺母调在所测得的冷端温度处。特点:比较简单,较长使用。对热电势与温度线性关系较好的热电偶(K,E)误差小,非线性大误差大。PAGE59OF144补偿导线法补偿导线法 问题问题:(1)把温度信号(现场)送控制室 (2)显示表不能
21、装在现场 (3)少数热电偶(铂铑30 铂铑6)可用普通铜导线,大多数不行,而对贵重金属显然不可能。PAGE60OF144零摄氏度恒温器(冰浴法)零摄氏度恒温器(冰浴法)原理原理:根据中间温度定律,用补偿导线后,试管中温度为新的冷端温度(00C)。根据中间金属定律,铜导线两端温度相同(00C),不影响热电偶回路总电动势。PAGE61OF144 图37(b)热电偶冷端温度补偿电桥补偿电桥补偿电桥补偿电桥PAGE62OF144型号标志材 料测温范围/S铂铑10铂(注)-501768R铂铑13铂-501768B铂铑30铂铑601820K镍铬镍硅-2701372N镍铬硅镍硅-2701300E镍铬铜镍(康
22、铜)-2701000J铁铜镍(康铜)-2701200T铜康铜-270400注:铂铑10表示铂90,铑10,以此类推。(4 4)标准化热电偶)标准化热电偶PAGE63OF144(5)热电偶的结构型式)热电偶的结构型式普通型热电偶普通型热电偶 通常由热电偶、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。按安装形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接等。PAGE64OF144铠装热电偶铠装热电偶 由热电偶丝、绝缘材料和金属套管等三者经拉伸加工而成的坚实组合体,可以做的很细、很长,在使用中可以随测量需要任意弯曲。主要特点是测量端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上。
23、PAGE65OF1442、热电阻温度检测热电阻温度检测(1)热电阻及测温原理)热电阻及测温原理 热电阻的热效应:电阻体的阻值随温度的升高而增加或减少。大部分导体或半导体都具有这种性质,但作为测温元件,应满足以下要求:PAGE66OF144(2 2)常用热电阻)常用热电阻 我国规定工业用铂电阻温度计有 =10和 =100两种,它们的分度号分别是Pt10和Pt100铜电阻温度计也有两种 =50和 =100,其分度号分别为Cu50和Cu100。0R0R0R0RPAGE67OF144 流量是指流经管道(或设备)某一截面的流体数量,随着工艺要求不同,它的测量又可分为瞬时流量和累积流量的测量。流量的表示方
24、式还有:(1)体积流量(2)质量流量 采用速度法(间接法)进行体积流量测量方法有:三、流量检测三、流量检测AvvdAqsm/3AmvdAqs/KgPAGE68OF144 节流式检测方法节流式检测方法 利用节流件前后的差压与流速之间的关系,通过差压值获得流体的流速;电磁式检测方法电磁式检测方法 导电流体在磁场中运动产生感应电势,感应电势的大小正比于流体的平均速度;变面积式检测方法变面积式检测方法 它是基于力平衡原理,通过在锥形管内的转子把流体的流速转换成转子的位移,相应的流量检测仪表为转子流量计;旋涡式检测方法旋涡式检测方法 流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规律的旋涡,旋涡释放的频
25、率正比于流速;PAGE69OF144 涡轮式检测方法涡轮式检测方法 流体对置于管内涡轮的作用力,使涡轮转动,其转动速度在一定流速范围内与管内流体的流速成正比;声学式检测方法声学式检测方法 根据声波在流体中传播速度的变化可获得流体的流速;热学式检测方法热学式检测方法 利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速,基于此方法的流量检测仪表主要有热线风速仪等。PAGE70OF1441、节流式流量检测节流式流量检测 如果在管道中安置一个固定的阻力件,它的中间是一个比管道截面小的孔,当流体通过该阻力件的小孔时,由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低,其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与
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