化工自动化备课笔记.docx
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化工自动化备课笔记
[教学目的要求]:
1、了解何为(过程)自动化和自动化技术、自动化仪表的简要发展过程
2、掌握如何来构筑一个控制系统
[教学重点]:
自动化技术、自动化仪表的简要发展过程
[教学难点]:
如何来构筑一个控制系统
[教学时数]:
1
[教学内容]:
第一章绪论
1.1何为(过程)自动化:
从工艺的眼光来看
在工艺设备上,配备一些自动化装置,用它们来代替操作人员的(部分)直接劳动,使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行,也即:
用自动化装置来管理设备(生产过程),使之正常运行
换一种说法
所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者状态上,或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行,保证生产过程运行在最佳状态
所谓“自动控制”是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制,使之有目的地修正被控对象的动力学行为,以达到预期的状态或满足预期的性能要求。
为什么要实现自动控制?
原因一:
代替人的劳动,减轻劳动强度,提高生产效率
原因二:
炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越向大型化、复杂化方向发展,各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证
1.2如何来构筑一个控制系统?
玻璃管液位计
控制器
1.3自动化技术的简要发展过程
1、控制理论的简要发展过程
自动控制的本质:
是指应用自动化仪器仪表、自动控制装置代替人,自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制,使之有目的地修正被控对象的动力学行为,以达到预期的状态或满足预期的性能要求
控制问题的本质:
就是要求基于对象内在的动力学本质和规律,运用适当的数学工具求取问题的解。
“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望,作为自动控制科学的核心的控制理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中发展起来。
2、经典控制理论
1868年J.C.Maxwell为了解决蒸汽机调速器的精度和稳定性之间的矛盾,首先提出了微分方程模型和稳定性分析的数学方法,从微分方程角度讨论了调节器系统可能产生的不稳定现象,他所发表的“论调节器”是目前比较公认的第一篇控制理论论文。
1877年E.J.Routh和1895年A.Hurwitz创造性地提出了称为Routh,它是经典控制理论中最基础的稳定性分析工具之一。
1932年Nyquist提出了“Nyquist稳定性判据”。
1945年Bode建立了控制系统的频域设计方法(Bode图法)。
之后,经过Wienner、Nichols等人的杰出贡献,终于形成了经典的反馈控制和频域理论,并于20世纪50年代趋于成熟
经典控制理论建立在传递函数基础上的,主要针对线性定常、SISO对象,基于反馈控制的主导思想,完成控制系统的镇定任务。
经典控制理论最辉煌的成果首推PID控制规律,对于无时间延迟的SISO系统极为有效。
直到目前,在工业过程控制中仍然被广泛应用。
(90%以上)
3、现代控制理论
由于工业生产过程也向着大型化、连续化的方向发展。
导致
(a)控制系统渐趋复杂:
在整体结构上,表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等;
在被处理的信息上,表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。
(b)控制要求越来越高,除了实现单纯的稳定控制以外,控制器的设计往往还要追求最佳的性能要求
经典控制理论已无法满足解决多变量、非线性、不确定性以及最佳性能要求等问题的需要,这在客观上促使现代控制理论得以建立和发展。
4、经典控制理论和现代控制理论的关系
对于经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论而言,并非意味着相互的否定和排斥,它们之间有着共同发展、互相渗透、相互结合的发展关系。
需要提出的是,在当今的过程控制领域中,几乎有90%以上的控制回路仍然沿用经典的PID控制算法或PID控制算法的变形,并能够获取比较满意的控制效果
5、仪表的简要发展过程
常见的测控参数:
T、P、L、F、A(五大参数)
测控仪表的分类:
变送器(传感器)、执行器、控制器三大类
控制器:
常规调节器、智能调节器、计算机系统
6、自动化装置的简要发展过程
1.4本课程的主要知识点
自动控制究竟是一个什么“东西”?
——不是名词解释
需要学习自控回路(系统)的组成、基本工作原理、如何评价自动质量……
怎么样来构建一个自动控制回路?
需要学习构建自控回路的各环节的作用,各环节的特性对自控系统的影响,(最常用)检测仪表、控制仪表的基本工作原理,如何选择合适的自控设备(仪表)……
·如何工程实施?
——即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施?
需要学习自动系统的设计、控制参数的整定……
更复杂的控制回路如何工程实施?
计算机控制是什么一回事?
怎么样来设计一个计算机控制系统?
……
[教学目的要求]:
1、了解自控系统的组成、自控系统的分类、系统运行的基本要求自动控制、系统的过渡过程和品质指标
2、掌握方块图、管道及仪表流程
[教学时数]:
2
[教学重点]:
自控系统的组成、自控系统的分类、系统运行的基本要求自动控制、系统的过渡过程和品质指标
[教学难点]:
方块图、管道及仪表流程
[教学内容]:
第2章自控系统基本概念
2.1自控系统的组成
控制系统的4个基本环节:
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
几个常用术语:
(1)被控对象:
需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象,简称对象。
(2)被控变量:
对象内要求保持一定数值(或按某一规律变化)的物理量称为被控变量。
(3)控制变量(操纵变量):
受执行器控制,用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。
(4)干扰(扰动)除控制变量(操纵变量)以外,作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。
(5)设(给)定值工艺规定被控变量所要保持的数值。
(6)偏差:
偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。
但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值,因此,在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。
2.2系统运行的基本要求
自动控制系统的(最)基本要求是系统运行必须是稳定的
反馈是控制系统的输出(即被控变量)通过测量变送返回到控制系统的输入端,并与设定值比较的过程。
若反馈的结果是使系统的输出减小,则称为负反馈
若反馈的结果是使系统的输出增加,则称为正反馈
工业控制系统一般情况下都应为负反馈。
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统,此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制,直至消除偏差
开环——系统的输出没有被反馈回输入端,执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统,此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关
执行器
要实现自动控制,系统必须闭环。
闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈
正作用与反作用(如何保证系统是负反馈的?
)
1、输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节
2、输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节
例如:
对于调节器来说,测量值增大,输出增大,称为正作用调节器
3、能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关
液位变送器
由于被控对象和执行器的特性是由实际的工艺现场条件决定的,所以应当通过控制器的正、反作用特性来满足系统负反馈的要求。
2.3控制系统的分类
1)按被控变量对操作变量的影响分
闭环控制系统——如:
反馈控制
开环控制系统——如:
前馈控制
2)按补偿干扰的方法分
反馈
f
干扰f(t)被控变量调节器操作变量补偿干扰
前馈
f
干扰f(t)变送器补偿器操作变量补偿干扰
反馈+前馈
+
3)按设定值的特点区分
定值控制系统――设定值是由工艺要求给出的不变常数
通常要求被控变量尽量与设定值保持一致。
随动控制系统――设定值随时间不断发生变化
通常要求被控变量尽可能地与设定值一起变化。
教材中的程序控制事实上可以理解为随动控制
4)按控制系统的复杂程度区分
简单控制系统复杂控制系统
5)按控制变量的名称区分
温度控制系统压力控制系统……
6)按调节规律区分
P、PI、PD、PID、预估控制……
2.4过渡过程和品质指标
(1)静态(稳态)和动态
控制系统的作用:
尽可能使被控变量与设定值保持一致(或随设定值一起变化),当被控变量受干扰影响而偏离设定值时,控制作用必须驱使被控变量回到设定值
静态――被控变量不随时间变化的平衡状态(变化率为0,不是静止)。
如果控制系统是稳定的,假设设定值和干扰都保持不变,经过足够长的时间,控制系统中各参数必然会到达一个“相对”平衡状态,这种状态就是所谓的“静态”,在控制领域中更多的称之为“稳态”。
静态”是物料、能量、传热、传质、化学反应速度等平衡关系的最终体现。
很明显,单纯用“静态”的概念来衡量控制系统的品质指标是不充分的。
动态――被控变量随时间变化的不平衡状态。
如果系统原来处于相对平衡状态(静态),当出现干扰使被控变量发生变化,此时控制系统发生作用,调节器根据偏差及其偏差的变化情况,改变调节器输出,再经执行器改变操纵变量,使被控变量重新回到设定值来,这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。
工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作
自动控制主要是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性
――当系统失去平衡以后,如何使系统重新回到平衡状态
(2)过渡过程
过渡过程:
受到干扰作用后系统失稳,在控制系统的作用下,被控变量回复到新的平衡状态的过程。
在分析和设计控制系统时,往往选定阶跃信号作为输入。
阶跃干扰:
在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统,并保持在这个幅值。
阶跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统的影响也最大、且容易产生阶跃干扰。
对于一个控制系统,如果能有效克服阶跃干扰,肯定能很好地克服其它变化比较缓和的各种干扰。
几种典型的过渡过程:
非周期衰减过程
衰减振荡过程
等幅振荡过程:
一般是不允许的除开关量控制回路
发散振荡过程
单调发散过程
(3)过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣,其标准有二大类:
·以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。
主要包括:
最大偏差(超调量)、
衰减比
余差
过渡时间
振荡周期(振荡频率)……
·以误差性能指标的形式给出,一般指偏差对某个函数的积分。
主要包括:
平方误差积分指标
时间乘平方误差积分指标
绝对误差积分指标
时间乘绝对误差积分指标
当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。
•振荡周期?
影响过渡过程的主要因素?
固定因素:
对象特性
测量仪表特性
执行器特性
补偿因素:
控制器特性——这是自动控制的主要研究内容
以误差性能指标的形式给出
·平方误差积分指标
·时间乘平方误差的积分指标
·绝对误差积分指标
·时间乘绝对误差积分指标
优化控制的策略:
[教学目的要求]:
1、了解对象的数学模型的建立
2、掌握对象的三个特性参数及其意义
[教学重点]:
对象的数学模型的建立
[教学难点]:
对象的三个特性参数及其意义
[教学时数]:
3
[教学内容]:
第三章被控对象的数学模型
3.1被控对象特性及其对过渡过程的影响
对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)
即对象受到输入作用后,被控变量是如何变化的、变化量为多少……
输入量?
?
控制变量+各种各样的干扰变量
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道
控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道
干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道
被控对象
对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和
1.数学模型的表示方法:
参量模型:
通过数学方程式表示
常用的描述形式:
微分方程(组)*、传递函数*、频率特性等
参量模型的微分方程的一般表达式:
y(t)表示输出量,x(t)表示输入量,通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(n≥m)
当n=m时,称对象是正则的;当n>m时,称对象是严格正则的;n 通常n=1,称该对象为一阶对象模型;n=2,称二阶对象模型。 非参量模型: 采用曲线、表格等形式表示。 特点: 形象、清晰,缺乏数学方程的解析性质(必要时须进行数学处理获得参量模型)。 建模的方法: 机理建模、实验建模、混合建模 机理建模——根据物料、能量平衡、化学反应、传热传质等基本方程,从理论上来推导建立数学模型。 由于工业对象往往都非常复杂,物理、化学过程的机理一般不能被完全了解,而且线性的并不多,再加上分布元件参数(即参数是时间与位置的函数)较多,一般很难完全掌握系统内部的精确关系式。 另外,在机理建模过程中,往往还需要引入恰当的简化、假设、近似、非线性的线性化处理等,而且机理建模也仅适用于部分相对简单的系统。 实验建模——在所要研究的对象上,人为的施加一个输入作用,然后用仪表记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律,得到一系列实验数据或曲线。 这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。 这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法,通常称为系统辨识。 其主要特点是把被研究的对象视为一个黑箱子,不管其内部机理如何,完全从外部特性上来测试和描述对象的动态特性。 有时,为进一步分析对象特性,可对这些数据或曲线进行处理,使其转化为描述对象特性的解析表达式。 混合建模——将机理建模与实验建模结合起来,称为混合建模。 混合建模是一种比较实用的方法,它先由机理分析的方法提出数学模型的结构形式,把被研究的对象视为一个灰箱子,然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实验的方法给予确定。 这种在已知模型结构的基础上,通过实测数据来确定数学表达式中某些参数的方法,称为参数估计 3.2.对象机理数学模型的建立 问题: 处于平衡状态的对象加入干扰以后,不经控制系统能否自行达到新的平衡状态? 上图: 假设初始为平衡状态qi=qo,水箱水位保持不变。 当发生变化时(qi>qo),此时水箱的水位开始升高 根据流体力学原理,水箱出口流量与H是存在一定的对应关系的: 因此,qiHqo,直至qi=qo可见该系统受到干扰以后,即使不加控制,最终自身是会回到新的平衡状态,这种特性称为“自衡特性”。 下图: 如果水箱出口由泵打出,其不同之处在于: qi当发生变化时,qo不发生变化。 如果qi>qo,水位H将不断上升,直至溢出,可见该系统是无自衡能力。 绝大多数对象都有自衡能力,一般而言有自衡能力的系统比无自衡能力的系统容易控制。 ·一阶线性对象 问题: 求右图所示的对象模型(输入输出模型) 解: 该对象的输入量为qi被控变量为液位h 根据物料平衡方程: 该对象的输入量为qi被控变量为液位h 单位时间内水槽体积的改变=输入流量—输出流量 由于出口流量可以近似地表示为: 所以 (i)式是针对完全量的输入输出模型,(ii)式是针对变化量的输入输出模型,二者的结构形式完全相同。 由于在控制领域中,特性的分析往往是针对变化量而言的,为了书写方便在以后的表达式中不写出变化量符号。 K――放大系数,在阶跃输入作用下,对象输出达到新的稳定值时,输出变化量与输入变化量之比,也称静态增益。 K越大,表示输入量对输出量的影响越大。 T――时间常数,在阶跃输入作用下,对象输出达到最终稳态变化量的63.2%所需要的时间,时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。 用T表示的响应滞后称阻容滞后(容量滞后)。 T大,反应慢,难以控制;T小,反应块。 ·二阶线性对象 问题: 求右图所示的对象模型(输入输出模型)。 解该对象的输入量为qi被控变量为液位h2(同样利用物料平衡方程) 槽1 槽2 联立方程求解: 二阶线性对象(总结) 典型的微分二阶线性对象(总结)方程 典型的传递函数 典型的阶跃响应函数 典型的阶跃响应曲线 a 不相关双容 3.3.对象模型的三个基本参数: K、T、τ K对过渡过程的影响 阶跃输入作用下,对象输出达到新的稳定值时,输出变化量与输入变化量之比,称为静态增益(输出静态变化量与输入静态变化量之比)。 y K 其它参数不变 控制通道放大系数干扰通道放大系数 KO越大控制变量u对被控变量y的影响越灵敏控制能力强 Kf越大干扰f对被控变量y的影响越灵敏。 在设计控制系统时,应合理地选择KO使之大些,抗干扰能力强,太大会引起系统振荡。 T对过渡过程的影响 时间常数: 在阶跃输入作用下,对象输出达到最终稳态变化量的63.2%所需要的时间。 T(其它参数不变) 时间常数T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。 用T表示的响应 滞后称阻容滞后(容量滞后),T大反应慢,难以控制;T小反应块。 控制通道TO大响应慢、控制不及时、过渡时间tp长、超调量大 控制通道TO小响应快、控制及时、过渡时间tp短、超调量小 控制通道TO太小响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。 干扰通道的时间常数对被控变量输出的影响也是相类似的。 一般情况希望TO小些,但不能太小,Tf大些 τ对过渡过程的影响 产生纯滞后的原因: 物料输送等中间过程产生时间常数对象所表现出来的等效纯滞后。 物料输送产生的纯滞后比较容易理解,实际对象由于多容的存在也会使响应速度变慢,尤其是初始响应被大大延迟,在动态特性上也可近似作为纯滞后看待。 事实上,广义等效的等效纯滞后就包括了以上二个部分之和。 控制通道纯滞后对控制肯定不利,纯滞后增大控制质量恶化、超调量大 干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大,因为干扰本身是不确定的,可以在任何时间出现。 在工艺设计时,应尽量减少或避免纯滞后时间。 如: 简化工艺、减少不必要的环节,以利于减少控制通道的滞后时间,在选择控制阀与检测点的安装位置时,应选取靠近控制对象的有利位置。 [教学目的要求]: 1、了解霍尔片式力矩平衡式压力计的工作原理 2、掌握弹簧官压力计的工作原理、差压式流量计的工作原理、压力表的选择和安装 [教学重点]: 霍尔片式力矩平衡式压力计的工作原理 [教学难点]: 弹簧官压力计的工作原理、差压式流量计的工作原理、压力表的选择和安装 [教学时数]: 6 [教学内容]: 第4章检测仪表及传感器 4.1概述 4.1.1检测过程与测量误差 (1)检测过程与测量误差 检测过程参数检测就是用专门的技术工具,依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。 显示装置 传感器又称为检测元件或敏感元件,它直接响应被测变量,经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号,如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。 由于传感器的输出信号种类很多,而且信号往往很微弱,一般都需要经过变送环节的进一步处理,把传感器的输出转换成如0~10mA、4~20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号,这种检测仪表称为变送器。 有些时候,传感器可以不经过变送环节,直接通过显示装置把被测量显示出来。 测量误差 测量误差——仪表测得的测量值与被测真值之差 由于真值在理论上是无法真正被获取的,因此,测量误差就是指检测仪表(精度较低)和标准表(精度较高)在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。 即: x0——标准表读数 测量误差的几种表示形式: 绝对误差 实际相对误差 标称相对误差 相对百分误差 检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度一台测量范围0~1000kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内),另一台测量范围0~400kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高? (2)检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度一台测量范围0~1000kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内),另一台测量范围0~400kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高? 虽然后者的最大绝对误差较小,但这并不说明后者较前者精度高。 在自动化仪表中,通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度,定义仪表的精度等级。 由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的,因此在工业上通常将绝对误差中的最大值,即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示,称为最大相对百分误差: 仪表的精度等级(精确度等级)是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。 检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度等级 仪表的精度等级(精确度等级)是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。 把仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”号和“%”号,便可以用来确定仪表的精度等级。 目前,按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有: 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。 所谓的0.5级仪表,表示该仪表允许的最大相对百分误差为±0.5%,以此类推。 精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上: 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 精度等级数值越小,表示仪表的精确度越高。 精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表,而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。 非线性误差在通常情况下,总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。 通常非线性误差用实际测得的输入-输出特性曲线(也称为校准曲线)与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示: 实际 变差 在外界条件不变的情况下,使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程即逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量时,对应于同一被测值的仪表输出可能不等,二者之差的绝对值即为变差。 变差的大小,根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示: 上行程 灵敏度和分辨力 灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度,它是指仪表输出变化量和输入变化量之比,即灵敏度=Δy/Δx 分辨力又称为灵敏限,是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量,它也是灵敏度的一种反映。 对数字式仪表来说,分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB(二进制最低有效位)时输入的最小变化量 动态误差相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态(静态)误差。 动态误差是指检测系统受外扰动作用后,被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。 引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。 衡量各种运动惯性的大小,以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递滞后时间(纯滞后时间)τ两个参数表示(这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T和纯滞后时间τ的数学含义是一致的) 它们的存在会降低检测过
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