化工仪表第一章 (俞金寿)过程自动化及仪表

1、学习这门课的重要性学习这门课的重要性： 控制系统在化工领域的应用很普遍，比控制系统在化工领域的应用很普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。等。 工艺人员也应该充分了解所用的控制系工艺人员也应该充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能设计出统，以及控制系统的特性。这样才能设计出合理、高效的生产工艺。合理、高效的生产工艺。使用常规仪表的中央控制室使用常规仪表的中央控制室早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述本章的主要内容

2、：本章的主要内容：1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统1.3 1.3 控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述控制理论的发展控制理论的发展经典控制理论经典控制理论:2020世纪世纪4040年年2020世纪世纪5050年代年代Nyquist(1932)频域分析技术频域分析技术Bode(1945)图图根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948)特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系方面分析与研究的关系方面分析与研究问题。问题。适用范围：适用范围：线性定常的单输

3、入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计制系统进行分析与设计PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代获得迅猛发展年代获得迅猛发展其主要内容为：其主要内容为： （基础）线性系统理论，最优控制理（基础）线性系统理论，最优控制理 论，最佳估计理论，系统辨识等。论，最佳估计理论，系统辨识等。特点：特点： 从从输入输入- -状态状态- -输出输出的关系全面地分析的关系全面地分析 与研究系统。与

4、研究系统。适用范围：适用范围： 不限于线性定常系统，也适用于线不限于线性定常系统，也适用于线 形时变，非线性及离散系统，多输形时变，非线性及离散系统，多输 入、多输出的情况。入、多输出的情况。大系统理论大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始将现代控制理论与系统理论相结合将现代控制理论与系统理论相结合核心思想：核心思想： 系统的分解与协调系统的分解与协调适用范围：适用范围： 高维线性系统高维线性系统智能控制理论智能控制理论控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展基地式：基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路年代，适用于单回路单元组合式（按功能）：单元组合式（按功

5、能）： DDZ, QDZ DDZ, QDZ 2020世纪世纪6060年年代，之间用代，之间用标准统一标准统一信号联系信号联系计算机：计算机： DDC, DCS DDC, DCS 2020世纪世纪7070年代年代先进控制和优化控制：先进控制和优化控制：CIPS, FCS CIPS, FCS 2020世纪世纪8080年代年代以后以后 自动化仪表的发展经历了如下过程：自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表模拟仪表数字仪表数字仪表智能仪表。智能仪表。当前自动控制系统发展的一些主要特点当前自动控制系统发展的一些主要特点生产装置实施先进控制成为发展主流生产装置实施先进控制成为发展主流过程优化受到普遍关

6、注过程优化受到普遍关注传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式系统在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向是发展方向1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图手动控制的步骤：手动控制的步骤：(1)观察液位数值；观察液位数值；(2)把观察到的实际数值把观察到的实际数值与设定值加以比较，根与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命

7、令。令。(3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。使液位回到设定值。 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制系统 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图术语术语被控过程（被控被控过程（被控对象对象）：自动控自动控制系统中，工艺制系统中，工艺参数需要控制的参数需要控制的生产过程、设备生产过程、设备或机器。或机器。被控变量：被控变量：被控被控过程内要求保持过程内要求保

8、持设定值的工艺参设定值的工艺参数数被控过程：被控过程：汽包汽包被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位操纵变量：操纵变量：受控受控制器操纵的用以制器操纵的用以克服干扰的影响，克服干扰的影响，使被控变量保持使被控变量保持设定值的物料量设定值的物料量或能量或能量扰动：扰动：除操纵变除操纵变量外，作用于被量外，作用于被控过程并引起被控过程并引起被控变量变化的因控变量变化的因素素操纵变量：操纵变量：水的流量水的流量扰动：扰动：水压力、蒸汽压力水压力、蒸汽压力 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：设定值：工艺参工艺参数所要求保持的数所

9、要求保持的数值数值偏差：偏差：被控变量被控变量设定值与实际值设定值与实际值之差之差负反馈：负反馈：将被控将被控变量送回输入端变量送回输入端并与输入变量相并与输入变量相减减 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制系统被控过程被控过程：加热炉加热炉被控变量：被控变量：物料出口温度物料出口温度操纵变量：操纵变量：燃料油流量燃料油流量扰动：扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热值等1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环

10、控制 闭环控制：闭环控制： 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统环节配合不当，系统会

11、引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。失去控制。开环控制：开环控制： 开环控制的特点（优点）：开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时。控制很及时。开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点缺点。 开环的液位控制系统开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）（按扰动控制，又称前馈

12、控制）开环控制举例开环控制举例 FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图1.2.31.2.3自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制在研究自动控制系统时，为了更清楚的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都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节环节，两个方框之间用带箭头的线段表示两个方框之间用带箭头的线段表示信号信号

13、联系；进入方联系；进入方框的信号为框的信号为环节输入，环节输入，离开方框的为离开方框的为环节输出。环节输出。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环控制系统组成闭环控制系统组成检测元件和变送器检测元件和变送器的作用是把被控变量的作用是把被控变量c(t)c(t)转化为测转化为测量值量值y(t)y(t)。比较机构比较机构的作用是比较设定值的作用是比较设定值r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)并输并输出其差值。出其差值。控制装置控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，的作用是根据

14、偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)u(t)。比较机构比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器执行器的作用是接受控制器送来的的作用是接受控制器送来的u(t)u(t)，相应地去改相应地去改变操纵变量变操纵变量q(t)q(t)。 系统中控制器以外的各部分组合在一起，即系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执过程、执行器、检测元件与变送器行器、检测元件与变送器的组合称为的组合称为广义对象广义对象。 控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)

15、f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：在分析控制系统的工作过程时，有几个很重要的概念：（1 1）信息：）信息：图中的图中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等尽管是实际等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环的每一部分称为一个环节，作用于它的信息称为该环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输入信号，它送出的信息称为输出信号。前一环节的输出就是后一环节的输入信号

16、。每一环节的输出节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动 输出信号：被控变量、测量值输出信号：被控变量、测量值（2 2）闭环：）闭环：按信息的流向来说按信息的流向来说（3 3）动态：）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。物理量是时间的函数、是不断变化的。扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回到设定值。到设定值。 控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构

17、-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。称为定值控制系统。 随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系设定值不断变化，且事先是不知道

18、的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。统的输出（被控变量）随之而变化。 程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化即根据需要按一定时间程序变化 1.31.3自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标1.3.11.3.1静态与动态静态与动态控制系统的输入有设定作用和扰动作用。控制系统的输入有设定作用和扰动作用。静态（定态）静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都立平衡，系统中各个环节将

19、暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。系统的静态特性。环节环节的静态特性的静态特性动态：动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。为动态。环节环节的动态特性的动态特性1.3.21.

20、3.2自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。态过渡到另一个平衡状态的过程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速稳定性、准确性和快速性性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程，常以阶跃作用为

21、输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。 定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程的几种形式( (阶跃扰动阶跃扰动) ) c(t) (e)单调衰减 (c)等幅振荡 (b)单调发散 (d)衰减振荡 (a)发散振荡 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t 发散振荡发散振荡单调发散单调发散等幅振荡等幅振荡衰减振荡衰减振荡单调衰减单调衰减单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、

22、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标综合控制指标综合控制指标最大动态偏差或超调量是描述最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值被控变量偏离设定值最最大程度的物理量，是衡量过渡过程大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性稳定性的一个动态的一个动态指标。指标。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的指被控变量第一个波的峰值与设定值峰值与设定值之差。在上图中，之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为最大偏差就是第一个波的峰值。为A A （1 1）最大动态偏差（）

23、最大动态偏差（e emaxmax）或超调量（或超调量（ ）CtyBBA0稳态特性稳态特性最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。正常生产越不利。要求小。要求小。特别是对于一些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，爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最都会对最大偏差的允许值有所限制。大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，

24、第二个干扰可能又出现了，干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。时，要根据工艺情况慎重选择。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用通常采用超调量超调量这个指标来表示被控变量偏离这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。设定值的程度，一般超调量以百分数给出。A超调量定义超调量定义：第第一个波的峰值与一个波的峰值与最终稳态值之差，最终稳态值之差，

25、即即B=A-C,如果如果系统的新稳态值系统的新稳态值等于设定值，那等于设定值，那么最大偏差就等么最大偏差就等于超调量。于超调量。100%BCytBBC0衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 （2 2）衰减比）衰减比n nBnB衰减比衰减比n nCtyBBA0稳态特性稳态特性BnB衰减比衰减比n n n1:n1:衰减振荡衰减振荡。n n越大，则控制系统的稳定越大，则控制系统的稳定度也越高，当度也越高，当n n趋于无穷大时，控制系统的趋于无穷大时，控制系统的过渡过

26、程接近于非振荡过程。过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:n=1:等幅振荡等幅振荡。 n1:n1:发散振荡发散振荡。n n越小，意味着控制系统越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，根据实际操作经验，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应，与此对应的的衰减比在衰减比在4:14:1到到10:110:1的的范围内。范围内。衰减率：衰减率：BBB衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率0.750.75衰减比衰减比10:110:1衰减衰减率率0.900.90CtyBBA0稳态

27、特性稳态特性（3 3）余差）余差e定义：控制系统过渡过程终了时设定值与定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。被控变量稳态值之差。( )ery 余差是反映控制余差是反映控制准确性准确性的一个重要稳的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。的范围。上图中，上图中，( )eryC 在控制系统中，在控制系统中，对余差的要求取决于对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好生产过程的要求，并不是越小越好。例如。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。温度控制要求高，

28、余差就要小一些。CtyBBA0稳态特性稳态特性（4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间）回复时间表示控制系统过渡过程的长短。回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。无限长的时间。STCtyBBA0稳态特性稳态特性实际上，实际上，被控变量接近于新稳态值的被控变量接近于新稳态值的 或或 或或 的范围内且不再越出时的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。希望过渡时间短一些。5%3%2%ytBB5%A0Ts（5 5）振荡频率（或振荡周期）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。