化工仪表及自动化全套课件教学教程整本书电子教案全书汇编.ppt

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自动控制系统基本概念,内容提要,化工自动化的主要内容,自动控制系统的基本组成及表示形式,自动控制系统的基本组成,自动控制系统的表示形式,自动控制系统的分类,自动控制系统的过渡过程和品质指标,控制系统的静态与动态,控制系统的过渡过程,控制系统的品质指标,影响控制系统过渡过程品质的主要因素,1,第一节 化工自动化的主要内容,1.,自动检测系统,2.,自动信号和联锁保护系统,3.,自动操纵及自动开停车系统,4.,自动控制系统,3,利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。,图,1-1,热交换器自动检测系统示意图,当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，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，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。,自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。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。,在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,4,图,1-2,液位人工控制,图,1-3,液位自动控制系统图,人工操作与自动控制比较图,控制速度和精度不能满足大型,现代化生产的需要,一、自动控制系统的基本组成,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,5,组,成,自动化装置,被控对象,测量元件与变送器,自动控制器,执行器,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,1.,方框图,在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方框图来表示控制系统的组成。,6,二、自动控制的表示形式,带有输入输出信号的方框,比较点,分支点,图,1.4,方框的组成单元示意图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,下页图为液位自动控制系统地方框图每个环节表示组成系统的一个部分，称为,“,环节,”,。两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方框表示为这个环节的输入，箭头离开方框表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。,6,二、自动控制的表示形式,方框图中，,x,指设定值；,z,指输出信号；,e,指偏差信号；,p,指发出信号；,q,指出料流量信号；,y,指被控变量；,f,指扰动作用。当,x,取正值，,z,取负值,，,e=x-z,，负反馈；,x,取正值，,z,取正值，,e=x+z,，正反馈。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,液位自动控制的方框图,图,1-5,液位自动控制系统方框图,7,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,其他控制系统,用同一种形式地方框图可以代表不同的控制系统,图,1-6,蒸汽加热器温度控制系统,当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器,TC,。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。,这个控制系统同样可以用,上页中,的方框图表示,8,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,注意！,方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。,9,方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表方框之间的物料联系。方框之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。,工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方框图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。,自动控制系统是一个闭环系统,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,小结,自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。,与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。,10,举例,化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子,自动操纵装置,对象,操纵作用,工艺参数,操纵指令,图,1-7,自动操纵系统方框图,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,小结,开环系统：,自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。,比较,闭环系统：,有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。,11,2.,管道及仪表流程图,管道及仪表流程图（,P,ID Piping and Instrumention diagram,）是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。管道及仪表流程图在工艺流程图的基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等。在控制方案确定以后，由工艺人员和自控人员共同研究绘制。,33,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,34,图,1-8,脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例,左图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图,举例,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,（,1,）图形符号,测量点（包括检出元件、取样点）,35,检试点,是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。,图,1-9,测试点的一般表示方法,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,连接线,36,通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别,。,图,1-10,联系线的表示法,工艺管道及控制流程图,仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号,仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约,10mm,，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。,37,工艺管道及控制流程图,序号,安装位置,图形符号,备注,序号,安装位置,图形符号,备注,1,就地安装仪表,嵌在管道中,4,集中仪表盘后安装仪表,2,集中仪表盘面安装仪表,5,就地仪表盘面安装仪表,3,就地仪表盘面安装仪表,38,表,1-1,仪表安装位置的图形符号表示,工艺管道及控制流程图,39,对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。,图,1-11,复式仪表的表示法,工艺管道及控制流程图,（,2,）字母代号,在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。,40,字母,第一位字母,后继字母,被测变量,修饰词,功能,A,C,D,E,F,I,K,L,M,P,Q,R,S,T,V,W,Y,Z,分析,电导率,密度,电压,流量,电流,时间或时间程序,物位,水分或湿度,压力或真空,数量或件数,放射性,速度或频率,温度,黏度,力,供选用,位置,差,比（分数）,积分、累积,安全,报警,控制（调节）,检测元件,指示,自动,-,手动操作器,积分、累积,记录或打印,开关、联锁,传送,阀、挡板、百叶窗,套管,继动器或计算器,驱动、执行或未分类的终端执行机构,表,1-2,被测变量和仪表功能的字母代号,41,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,42,举例,以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。,塔顶的压力控制系统,中的,PIC-207,，其中第一位字母,P,表示被测变量为压力，第二位字母,I,表示具有指示功能，第三位字母,C,表示具有控制功能，因此，,PIC,的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,回流罐液位控制系统,中的,LIC-201,是一台具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。,塔下部的温度控制系统,中的,TRC-210,表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。,塔底的液位控制系统,中的,LICA-202,代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。,43,第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式,（,3,）仪表位号,44,仪表位号,是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。,举例,脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中,PIC-206,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，工段号为,2,，仪表序号为,06,。,第三节 自动控制系统的分类,几种分类方法,按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；,按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；,将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。,12,其中第三种分类方法最普遍,第三节 自动控制系统的分类,“,定值,”,是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。,13,1.,定值控制方法,2.,随动控制系统（自动跟踪系统）,给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。,第三节 自动控制系统的分类,3.,程序控制系统（顺序控制系统）,给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。,14,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,一、控制系统的静态与动态,15,自动控制目的：,希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。,静态,被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为,0,，不是静止）。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是,静态,。,16,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,17,动态,被控变量随时间变化的不平衡状态。,从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。,结论：,在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,二、控制系统的过渡过程,系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。,18,当干扰作用于对象，系统输出,y,发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。,举例,图,1-12,控制系统方框图,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。,在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,19,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,采用阶跃干扰的优点：,这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。,这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。,图,1-13,阶跃干扰作用,20,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式,21,非周期衰减过程,衰减震荡过程,等幅震荡过程,发散震荡过程,X,？,对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,三、控制系统的品质指标,控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。,22,图,1-15,过渡过程品质指标示意图,假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程,多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,23,五种重要品质指标之一,1.,最大偏差或超调量,最大偏差,是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。,超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,2.,衰减比,衰减比,是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为,n,:1,，一般,n,取为,4,10,之间为宜。,五种重要品质指标之二,24,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之三,3.,余差,当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做,余差,，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。,25,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之四,4.,过渡时间,从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫,过渡时间,。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的,（也有的规定为,）。,26,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,五种重要品质指标之五,5.,震荡周期或频率,过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫,振荡周期,或工作周期，其倒数称为,振荡频率,。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。,27,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,28,某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为,200,）。,举例,图,1-16,温度控制系统过渡过程曲线,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,解,最大偏差,A,230-200,30,余差,C,205-200,由图上可以看出，第一个波峰值,B,230-205,25,，,第二个波峰值,B,210,205,5,，,故衰减比应为,B:B,25:5,5:1,。,振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，,故周期,T,20-5,15,（,min,）,29,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,分析,过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的,2,，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为,200,（,2,）,4,，这时，可在新稳态值（,205,）两侧以宽度为,画一区域，上图中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为,22min,。,30,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素,31,一个自动控制系统可以概括成两大部分，即,工艺过程部分（被控对象）,和,自动化装置部分,。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。,第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标,对于一个自动控制系统，过渡过程品质的,好坏,，在很大程度上,决定于对象的性质,。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。,32,END,化工仪表及自动化,第二章 过程特性及其数学模型,内容提要,化工过程的特点及其描述方法,对象数学模型的建立,建模目的,机理建模,实验建模,描述对象特性的参数,放大系数,时间常数,滞后时间,1,第一节 化工过程的特点及其描述方法,自动控制系统,是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。系统的控制质量与被控对象的特性有密切的关系。,研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素，如下图所示。,输出变量输入变量通道 控制通道干扰通道,？,几个概念,2,图,2-1,对象的输入输出量,第一节 化工过程的特点及其描述方法,对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型,静态数学模型,动态数学模型,基础,特例,3,第一节 化工过程的特点及其描述方法,一般是在工艺流程和设备尺寸等都确定的情况，研究对象的输入变量是如何影响输出变量的。,研究的目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效果。,在产品规格和产量已确定的情况下，通过模型计算，确定设备的结构、尺寸、工艺流程和某些工艺条件。,（,a,）,（,b,）,（,c,）,用于,控制,的数学模型（,a,、,b,）与用于,工艺设计与分析,的数学模型（,c,）不完全相同。,4,第一节 化工过程的特点及其描述方法,数学模型的表达形式分类,5,1.,非参量模型,当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。,特点,形象、清晰，比较容易看出其定性的特征,缺点,直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难,表达形式,对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示,第一节 化工过程的特点及其描述方法,当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。,2.,参量模型,6,第一节 化工过程的特点及其描述方法,7,对于线性的集中参数对象,通常可用常系数线性微分方程式来描述，如果以,x,（,t,）表示输入量，,y,（,t,）表示输出量，则对象特性可用下列微分方程式来描述,在允许的范围内，多数化工对象动态特性可以忽略输入量的导数项可表示为,（,2-1,）,第一节 化工过程的特点及其描述方法,8,举例,一个对象如果可以用一个一阶微分方程式来描述其特性（通常称一阶对象），则可表示为,或表示成,式中,（,2-2,）,（,2-3,）,上式中的系数与对象的特性有关，一般需要通过对象的内部机理分析或大量的实验数据处理得到。,第二节 对象数学模型的建立,一、建模目的,9,（,1,）控制系统的方案设计,（,2,）控制系统的调试和控制器参数的确定,（,3,）制定工业过程操作优化方案,（,4,）新型控制方案及控制算法的确定,（,5,）计算机仿真与过程培训系统,（,6,）设计工业过程的故障检测与诊断系统,第二节 对象数学模型的建立,二、机理建模,10,根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而获取对象（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。,第二节 对象数学模型的建立,二、机理建模,对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能适用。,具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。,优点,缺点,11,第二节 对象数学模型的建立,举例,1.,一阶对象,（,1,）水槽对象,对象物料蓄存量的变化率,单位时间流入对象的物料单位时间流出对象的物,料,依据,12,第二节 对象数学模型的建立,13,（,2-4,）,若,变化量很微小,，可以近似认为,Q,2,与,h,成正比,（,2-5,）,将上式代入（,2-4,）式，移项,令,则,转到,22,页,图,2-2,水槽对象,第二节 对象数学模型的建立,14,（,2,）,RC,电路,e,i,若取为输入参数，,e,o,为输出参数，根据基尔霍夫定理,消去,i,由于,或,图,2-3,RC,电路,第二节 对象数学模型的建立,2.,积分对象,当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象。,Q2,为常数，变化量为,0,说明，所示贮槽具有积分特性。,其中，,A,为贮槽横截面积,15,图,2-4,积分对象,第二节 对象数学模型的建立,16,3.,二阶对象,（,1,）串联水槽对象,假定,输入、输出量变化很小的情况下，贮槽的液位与输出流量具有线性关系。,假定,每只贮槽的截面积都为,A,，则,转到,26,页,图,2-5,串联水槽对象,第二节 对象数学模型的建立,消去,Q,12,、,Q,2,、,h,1,整理,得,式中 为第一只贮槽的时间常数；为第二只贮槽的时间常数；为整个对象的放大系数。,17,第二节 对象数学模型的建立,18,（,2,）,RC,串联电路,根据基尔霍夫定律,整理得,图,2-6,RC,串联电路,第二节 对象数学模型的建立,三、实验建模,19,对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为的输入作用（输入量），然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量（输出量）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的特性。,实验方法,研究对象特性,第二节 对象数学模型的建立,三、实验建模,定义：,通过这种应用对象的输入输出的实测数据来决定其模型的结构和参数。,特点：,把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理。,系统辨识,20,第二节 对象数学模型的建立,21,实验性能的测试方法,1.,阶跃反应曲线法,用实验的方法测取对象在阶跃输入作用下，输出量,y,随时间的变化规律。,图,2-7,简单水槽对象,图,2-8,水槽的阶跃反应曲线,优点,简单,缺点,稳定时间长,测试精度受限,简单水槽的动态特性,举例,第二节 对象数学模型的建立,22,2.,矩形脉冲法,当对象处于稳定工况下，在时间,t,0,突然加一阶跃干扰，幅值为,A,，到,t,1,时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量,y,随时间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。此外，还可以采用矩形脉冲波和正弦信号。,图,2-9,矩形脉冲特性曲线,图,2-10,矩形脉冲波信号,图,2-11,正弦信号,第二节 对象数学模型的建立,混合建模,23,先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实测的方法给予确定。,这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。,举例,以换热器建模为例，可以先列写出其热量平衡方程式，而其中的换热系数,K,值等可以通过实测的试验数据来确定。,途径,第三节 描述对象特性的参数,一、放大系数,K,对于前面介绍的水槽对象，当流入流量,Q,1,有一定的阶跃变化后，液位,h,也会有相应的变化，但最后会稳定在某一数值上。如果我们将流量,Q,1,的变化,Q,1,看作对象的输入，而液位,h,的变化,h,看作对象的输出，那么在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象的静态特性。,24,第三节 描述对象特性的参数,25,图,2-12,水槽液位的变化曲线,或,K,在,数值,上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。,K,越大,，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，即被控变量对这个量的变化,越灵敏,。,第三节 描述对象特性的参数,26,举例,以合成氨的转换炉为例，说明各个量的变化对被控变量,K,的影响,生产过程要求一氧化碳的转化率要高，蒸汽消耗量要少，触媒寿命要长。通常用变换炉一段反应温度作为被控变量，来间接地控制转换率和其他指标。,图,2-13,一氧化碳变换过程示意图,图,2-14,不同输入作用时的被控变量变化曲线,第三节 描述对象特性的参数,影响变换炉一段反应温度的因素主要有冷激流量、蒸汽流量和半水煤气流量。改变阀门,1,、,2,、,3,的开度就可以分别改变冷激量、蒸汽量和半水煤气量的大小。从右上图看出，冷激量对温度的相对放大系数最大；蒸汽量对温度的相对放大系数次之；半水煤气量对温度的相对放大系数最小。,27,第三节 描述对象特性的参数,二、时间常数,T,28,从大量的生产实践中发现，有的对象受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值；有的对象在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。,图,1-15,不同时间常数对象的反应曲线,第三节 描述对象特性的参数,如何定量地表示对象受干扰后的这种特性呢？,在自动化领域中，往往用时间常数,T,来表示。时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。,29,第三节 描述对象特性的参数,30,举例,简单水槽为例,由前面的推导可知,假定,Q,1,为阶跃作用，,t,0,或,t,=0,时,Q,1,=,A,，如左图。,则函数表达式为,（,2-33,）,图,2-16,反应曲线,第三节 描述对象特性的参数,从上页图反应曲线可以看出，对象受到阶跃作用后，被控变量就发生变化，当,t,时，被控变量不再变化而达到了新的稳态值,h,（），这时上式可得：,或,对于简单水槽对象，,K,=,R,S,，即放大系数只与出水阀的阻力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。,（,2-34,）,31,第三节 描述对象特性的参数,32,将,t,=,T,代入式（,2-33,），得,（,2-35,）,将式（,2-34,）代入式（,2-35,），得,（,2-36,）,当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的,63.2,所需的时间，就是时间常数,T,，实际工作中，常用这种方法求取时间常数。显然，时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。,第三节 描述对象特性的参数,图,2-17,不同时间常数下的反应曲线,T,1,T,2,T,3,T,4,说明,时间常数大的对象（如,T,4,),对输入的反应较慢，,一般认为惯性较大。,33,第三节 描述对象特性的参数,34,在输入作用加入的瞬间，液位,h,的变化速度是多大呢？,将式（,2-33,）对,t,求导，得,（,2-37,）,当,t,=0,（,2-38,）,当,t,时，式（,2-37,）可得,（,2-39,）,第三节 描述对象特性的参数,图,2-18,时间常数,T,的求法,由左下图所示，式（,2-38,）代表了曲线在起始点时切线的斜率，这条切线在新的稳定值,h,（）上截得的一段时间正好等于,T,。,由式（,2-33,），当,t,=,时，,h,=,KA,。当,t,=3,T,时，代入式（,2-33,）得,（,2-40,）,从加入输入作用后，经过,3,T,时间，液位已经变化了全部变化范围的,95,，这时，可以近似地认为动态过程基本结束。所以，时间常数,T,是表示在输入作用下，被控变量完成其变化过程所需要的时间的一个重要参数。,结,论,35,第三节 描述对象特性的参数,三、滞后时间,定义,分类,对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现象。,滞,后,性,质,传递滞后,容量滞后,传递滞后又叫纯滞后，一般用,0,表示。,0,的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。,对象在受到阶跃输入作用,x,后，被控变量,y,开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值。,36,第三节 描述对象特性的参数,37,1.,传递滞后,显然,，纯滞后时间,0,与皮带输送机的传送速度,v,和传送距离,L,有如下关系：,（,2-41,）,溶解槽及其反应曲线,纯滞后时间,举例,第三节 描述对象特性的参数,从测量方面来说，,由于测量点选择不当、测量元件安装不合适等原因也会造成传递滞后。,蒸汽直接加热器,当加热蒸汽量增大时，槽内温度升高，然而槽内溶液流到管道测温点处还要经过一段时间,0,。所以，相对于蒸汽流量变化的时刻，实际测得的溶液温度,T,要经过时间,0,后才开始变化。,注意：,安装成分分析仪器时，取样管线太长，取样点安装离设备太远，都会引起较大的纯滞后时间，工作中要尽量避免。,38,39,图,2-21,有、无纯滞后的一阶阶跃响应曲线,x,为输入量，,y,（,t,）、,y,（,t,）分别为无、有纯滞后时的输出量时,第三节 描述对象特性的参数,或,若无纯滞后的对象特性可以用下述方程式描述,（,2-44,）,则有纯滞后的对象特性可以用下述方程式描述,（,2-45,）,第三节 描述对象特性的参数,40,一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。,举例,前面介绍过的两个水槽串联的二阶对象,将输出量,h,2,用,y,表示，输入量,Q,1,用,x,表示，则方程式可写为,假定输入作用为阶跃函数，其幅值为,A,。已知，二阶常系数微分方程式的解是,（,2-46,）,（,2-47,）,2.,容量滞后,第三节 描述对象特性的参数,由于对应的齐次方程式为,其特征方程为,求得特征根为,故齐次方程式的通解为,式中，,C,1,、,C,2,为决定于初始条件的待定系数。,（,2-48,）,（,2-49,）,（,2-50,）,41,第三节 描述对象特性的参数,42,式（,2-46,）的一个特解可以认为是稳定解，,由于输入,x,A,，稳定时,将式（,2-51,）及式（,2-50,）代入式（,2-47,）,可得,用初始条件,y(0)=0,，,y(0)=0,代入式（,2-52,）,可分别解得,图,2-22,具有容量滞后对象的反应曲线,（,2-51,）,（,2-52,）,（,2-53,）,（,2-54,）,第三节 描述对象特性的参数,将上述两式代入式（,2-52,），可得,上式便是串联水槽对象的阶跃反应函数。由此式可知，在,t,=0,时,y,（,t,）,=0,；在,t,=,时，,y,（,t,）,KA,。,y,（,t,）是稳态值,KA,与两项衰减指数函数的代数和。,说明：,输入量在作阶跃变化的瞬间，输出量变化的速度等于零，以后随着,t,的增加，变化速度慢慢增大，但当,t,大于某一个,t,1,值后，变化速度又慢慢减小，直至,t,时，变化速度减少为零。,（,2-55,）,43,第三节 描述对象特性的参数,图,2-23,串联水槽的反应曲线,容量,滞后,时间,T,二阶对象近似为是有滞后时间,h,，时间常数为,T,的一阶对象,用一阶对象的特性（是有滞后）来近似上述二阶对象的方法,44,第三节 描述对象特性的参数,图,2-24,滞后时间,示意图,在容量滞后与纯滞后同时存在时，常常把两者合起来统称滞后时间,，即,0,h,。,自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。,结论,45,化工仪表及自动化,第三章 检测仪表与传感器,内容提要,概述,测量过程与测量误差,仪表的性能指标,工业仪表的分类,压力检测及仪表,压力单位及测压仪表,弹性式压力计,电气式压力计,智能型压力变送器,压力计的选用及安装,1,内容提要,流量检测及仪表,概述,差压式流量计,转子流量计,椭圆齿轮流量计,电磁流量计,漩涡流量计,质量流量计,流量测量仪表的类型,2,内容提要,物位检测及仪表,概述,差压式液位变速器,电容式物位传感器,核辐射物位计,称重式液罐计量仪,温度检测及仪表,温度检测方法,热电偶温度计,热电阻温度计,电动温度变送器,3,内容提要,一体化温度变送器,智能式温度变送器,测温元件的安装,现代检测技术与传感器的发展,软测量技术的发展,现代传感器技术的发展,显示仪表,数字型显示仪表,无笔、无纸记录仪,虚拟显示仪表,安全仪表系统,4,第一节 概述,用来检测这些参数的技术工具称为,