化工过程控制及仪表

1、化 工 过 程 控 制 及 仪 表课 程 设 置 概 况 学分：3 学时：48 考核方式：平时成绩(10%)+期中考试成绩 (20%) +期末考试成绩(闭卷、70%) 平时成绩包括：课堂提问+平时练习绪 论 1.化工仪表化工仪表: 包括:测量仪表(温度、压力、流量、物位）、显示仪表、控制仪表和控制阀。2.化工自动化化工自动化: 石油、化工等化工类型生产过程自动化的简称。 在化工设备上配备自动化装置，代替操作人员的部分劳动，使生产不同程度的自动进行。绪 论郭台铭：机器人会帮助而不是替代人的工作机器人会帮助而不是替代人的工作化工生产一线化工生产一线化工生产一线现代化工控制装置模拟显示控制仪表模拟显

2、示控制仪表现代化工控制装置数字显示控制仪表数字显示控制仪表现代化工控制装置DCS控制系统DCS控制系统的控制室部分温度测量仪表DCS系统控制的部分现场设备智能一体化孔板流量计DCS系统控制的部分现场设备自动控制（调节）阀门（执行机构）DCS系统控制的部分现场设备实现化工生产自动化的目的： 1.减轻劳动强度，改善劳动条件。 2.加快生产速度，降低成本。 3.提高产品的产量和质量。 4.保证生产安全，防止事故的发生和扩大。 5.也是目前化工大规模连续生产的需要。化工自动化的发展现状与趋势 1975年后，随着从美、日、法引进以DDZ-III型系列表为主，一批大中型乙烯装置和化工装置实现全流程集中控制

3、，我国化工自动化进入发展期。1981年吉化公司化肥厂在氨合成生产过程中率先采用DCS系统监控合成塔温度等，这是我国工业部门首次使用分散控制系统（DCS）控制生产过程。 80年代末90年代初，管控一体的自动化试点。 90年代初现在，计算机技术用于化工生产过程控制有了较快的发展，DCS、IPC、PLC已获得广泛应用，尤其是DCS管理控制一体化等方面做了大量工作，使我国化工特别是大型化工装置的自动化技术有了长足的进步。化工自动化的发展现状与趋势化工自动化的发展现状与趋势国家863工程使化工自动化由单体控制系统在向总体控制系统发展，由彼此独立的子系统在向多元沟通的网络化系统发展，由追求单向指标、单个控

4、制系统的品质优化在向追求整体效益、实现大规模生产的安全、优质低耗的综合最优指标发展。化工仪表及自动化系统的分类化工仪表及自动化系统的分类化工自动化仪表的分类检测仪表：包括参数的测量和变送显示仪表：包括模拟量显示和数字量显示控制仪表：包括气动。电动控制器、数字式控制器执行器：气动、电动、液动执行器 1.自动检测系统自动检测系统 2.自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统 3.自动操纵和自动开停车系统自动操纵和自动开停车系统 4.自动控制系统自动控制系统化工仪表及自动化系统的分类化工仪表及自动化系统的分类利用上述各种仪表可以组成四类自动化控制系统包括：1.自动检测系统定义：利用各种检测仪表对

5、工艺参数进行测量、指示和记录。定义：利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示和记录。目的：对工艺参数进行监控，了解生产进行状况。目的：对工艺参数进行监控，了解生产进行状况。自动检测是其他自动化技术实现的保证和基础。自动检测是其他自动化技术实现的保证和基础。冷液冷液蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水热液热液流量计流量计压力表压力表平衡电桥平衡电桥测温元件测温元件换热器自动检测系统示意图换热器自动检测系统示意图2.自动信号和联锁保护系统 自动信号：参数超出变化范围时，声光报警信号，使操作人自动信号：参数超出变化范围时，声光报警信号，使操作人员注意，以提示及时采取措施。员注意，以提示及时采取措施。 联锁保护：当工

6、况达危险状态时，由联锁系统自动采取紧急联锁保护：当工况达危险状态时，由联锁系统自动采取紧急措施，（打开安全阀、切断某些通路或紧急停车）以防止事措施，（打开安全阀、切断某些通路或紧急停车）以防止事故的发生和扩大。故的发生和扩大。 目的：防止事故发生和扩大的措施。目的：防止事故发生和扩大的措施。 方法：警铃、警灯报警。自动采取措施。方法：警铃、警灯报警。自动采取措施。反应釜自动信号和联锁保护系统示意图反应釜自动信号和联锁保护系统示意图进料进料A进料进料B产品出口产品出口紧急释放口紧急释放口TIA温度显示温度显示报警仪表报警仪表控制室报警显示控制室报警显示3.自动操纵及自动开停车系统 自动操纵：根据

7、预先规定的步骤对生产设备进行周期性的自动操纵：根据预先规定的步骤对生产设备进行周期性的操作。操作。 自动开停车：按照预先规定好的步骤，自动进行开车和停自动开停车：按照预先规定好的步骤，自动进行开车和停车操作。车操作。 按照预先设定的程序对生产进行操作。按照预先设定的程序对生产进行操作。自动操纵程序进料进料出料出料冷凝水冷凝水蒸汽蒸汽自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统 自动控制：根据工艺参数的变化情况自动对工艺参数进行控制，自动控制：根据工艺参数的变化情况自动对工艺参数进行控制，保证生产的平稳进行。保证生产的平稳进行。 对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在对

8、生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。数值范围内。 能够克服各种干扰对工艺参数的影响，保证生产维持在正常或能够克服各种干扰对工艺参数的影响，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。最佳的工艺操作状态。 它是它是化工自动化的核心内容化工自动化的核心内容。自动控制系统示意图自动控制系统示意图变送器控制器H1.测量变送器，了解生产操作的状态，并将测量信号传输出来2.自动控制器，将测量值与给定值进行比较，并按某种规律运算输出控制信号3.执行器，按照控制信号的大小，自动控制阀的开度

9、，使参数回复4.对象，需要控制其工艺参数的生产设备自动控制系统自动控制系统F1F2LT、P 自动检测系统只能了解生产状态，自动信号和联锁保护系统是在生产达到安全线时防止事故发生和扩大的措施。自动操纵和自动开停车系统是根据已有的经验设定工作步骤和时间，其间其他干扰引起的参数变化情况并未考虑，而只有自动控制系统时时根据参数的变化控只有自动控制系统时时根据参数的变化控制使生产得以平稳进行，所以，它是化工自动化的核心。制使生产得以平稳进行，所以，它是化工自动化的核心。 在这四项内容中，自动检测是前提和基础，自动控制是核心，其他两项是化工自动化补充和完善。四类自动化控制系统的区别化 工 过 程 控 制

10、及 仪 表第一章 自动控制系统基本概念 第一节 化工自动化的主要内容 主要内容自动检测自动保护自动控制自动操作 一、自动检测利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量，以了解生产过程进行的情况，监视生产过程的变化趋势。冷液热液冷凝水蒸汽换 热 器 自 动 检 测 系 统 示 意 图流量计温度计压力表 一、自动检测利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量，以了解生产过程进行的情况，监视生产过程的变化趋势。 二、自动保护在发生意外时自动采取保护措施，以防止事态进一步扩大或保护生产设备使之不受严重破坏。 三、自动操作根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列操作。 四、自动控制自动维持生产过程在规定

11、的工况下进行。 第二节 自动控制系统的组成 一、人工控制需做三方面的工作：1、观察 2、思考 3、操作 二、自动控制借助一套自动化装置来实现，装置由三部分组成：1、测量元件与变送器2、自动控制器3、执行器h观察思考操作LTLC液位人工控制QiQ0H0与自动控制示意图 1、被控对象 2、自动化装置 自动化装置常用小圆圈表示，圈内标有字 母、线段和阿拉伯数字。必要时，也可以 用象形或图形符号表示。自动控制系统由两部分组成：通常将需要控制其工艺参数的生产设备称为被控对象，简称对象。PIC207PCPTLTLCTTTCFCFT被测变量名称仪表的功能安装位置段号序号TTTCA冷液热液换 热 器 温 度

12、控 制 系 统 自动控制系统方块图信号和变量系统或环节uy输入变量u输出变量y状态变量信号 自动控制系统方块图方块图的作用： 在研究自动控制系统时，将各环节的方块根据信号流的关系排列和连接起来，组成自动控制系统的方块图。环节1uy环节2yU, y: 信号：环节：相应的设备或是控制器箭头：信号输送的方向h观察思考操作LTLCQiQ0H0液位自动控制如何实现？ 自动控制系统方块图对象干扰作用f操纵变量q控制阀p控制器偏差e测量变送被控变量yz-设定值x +反馈 闭环系统每一方块代表一个元件或一个过程在具体输入信号作用下与输出信号的关系，称为环节。 方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏

13、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。n液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图7正负反馈的区别扰动fyz正反馈e=x+zpqy负反馈e=x-zpqy正反馈：反馈信号与原信号方向相同；负反馈：反馈信号与原信号方向相反；自动控制系统不能单独采用正反馈；自动控制系统不能单独采用正反馈；y控制阀pqf对象干扰作用测量变送控制器前馈 开环系统 自动控制系统的基本组成及方块图 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

14、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开环系统实例“声控门”声音输入声音传感器电动机门输出量X没有反馈电热水壶，热得快是开环系统还是闭环系统？自动控制系统的基本组成及方块图 小结开环系统：开环系统：自动机在操作时，自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭环系统：闭环系统：有针对性有针对性地根

15、据被控变量的变地根据被控变量的变化情况而改变控制作化情况而改变控制作用的大小和方向，从用的大小和方向，从而使系统的工作状态而使系统的工作状态始终等于或接近于所始终等于或接近于所希望的状态。希望的状态。11 一、定值控制系统 被控变量的设定值是恒定不变的。 二、随动控制系统 被控变量的设定值既不是恒定的，也不是按已 知规律变化的，而是按事先不能确定的一些随 机因素改变的。 三、程序控制系统 被控变量的设定值是按预定的时间程序变化的。自动控制系统的分类除碳器纯水阳 床一 级 除 盐二级除盐生水除钙、镁离子除硅酸水 处 理 流 程 示 意 图阴 床混 床 第三节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 一

16、、控制系统的静态与动态 被控变量不随时间变化的平衡 状态 静态（变化率为（变化率为0，不是静止）不是静止）。 被控变量随时间变化的不平衡 状态 动态。 系统从一个平衡状态过渡到新的平衡状态的过程 称为过渡过程。（ 平衡干扰发生控制作用新的平衡 ） 二、控制系统的过渡过程ftyty(a)(b)tt01. 非周期衰减过程2. 衰减振荡过程3. 等幅振荡过程4. 发散振荡过程yt(c)yt(d)阶跃干扰自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式21非周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对于控制质量要求不对于控制质量要求不高的

17、场合，如果被控高的场合，如果被控变量允许在工艺许可变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要的范围内振荡（主要指在位式控制时），指在位式控制时），才可采用。才可采用。 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。 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。五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一1. 最大偏差或超调量最大偏差或超调量(A) 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

18、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。 2. 衰减比(B:B) 衰减比衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般，一般 n 取为取为410之间为宜。之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二五种重要品质指标之三3. 余差(C) 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做态值与给定值之间的偏差叫做余差余差，或者说余差就，或者说余差就是过渡过

19、程终了时的残余偏差。有余差的控制过程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。为无差调节和无差系统。 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立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡过渡时间时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当。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

20、，或者说过渡过程已经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结束。这个范围一般定为稳态值的（也有（也有的规定为的规定为）。）。 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）之间的间隔过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫时间叫振荡周期振荡周期或工作周期，其倒数称为或工作周期，其倒数称为振荡频振荡频率率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成。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。正比，一般希望振荡周期短一些为好。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、

21、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。举例举例tyABC200205温度（）22 minBts230210 四、影响控制系统过渡过程品质指标的主要因素1. 被控对象的特性2 .自动化装置对象干扰作用f操纵变量q控制阀p控制器偏差e测量变送被控变量yz-设定值x +单 回 路 反 馈 控 制 系 统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，即一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部工艺过程部分（被控对象）分（被控对象）和和自动化装置部分自动化装置部分。前者指与该自动控制系。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

22、仪表统有关的部分。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。设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 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影响控制系统过渡过程品质的主要因素 基本要求1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用及相互影响和联系。2. 理解自动控制系统中常用的术语，掌握方块图的意义及画法。3. 熟悉管道及

23、控制流程图上常用符号的意义。4. 了解控制系统的几种分类形式，掌握系统的动态与静态。5. 掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下，过渡过程的几种基本形式以及过渡过程品质指标的含义。 例 题 分 析 （一）1. 简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量、设定值和偏差的含义。答：自动控制系统中常用的几个术语其含义是：被控对象 工艺参数需要控制的生产过程或设备等。被控变量 受控制器操纵的，用以克服干扰的影响， 使被控变量保持设定值的物料量或能量。 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量扰动量 除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值偏差 要求被控变量维持的数值。 被控变量的设定

24、值与实际测量值之差。2. 什么是自动控制系统的方块图？它与工艺管道及控制流程图有什么区别？答： 方块图是表示控制系统组成和作用的图形，图中的每是方块间的信号联系，表示信号作用的方向。采用方块图可直观地显示出系统中个各组成部分以及它们一个方块表示系统中的一个组成部分，方块间的连接线，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。工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，图中的连接线是工艺管线，表示物料流动的方向。3. 什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究控制系统的 动态比静态更有意义？答：被控变量不随时间变化的平衡 状态 静态。被控变量随时间变化的不平

25、衡 状态 动态。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，平衡只是暂时的，一个正常工作的控制系统，随时受到扰动的作用，总是处在频繁的动态过程中。因此研究控制系统的动态比静态更有意义。4. 在进行控制系统研究中，为什么常采用阶跃信号作为系统 的输入信号？答： 因为阶跃信号具有突发性，且持续时间较长，对被控 变量的影响较大。另外，阶跃信号的数学表示形式简单， 容易实现，便于分析、实验和计算。 如果一个控制系统能够有效地克服这种扰动的影响，那么对于其它比较缓和的扰动也一定能起到很好的效果。5. 什么是反馈、负反馈和正反馈？负反馈在自动控制中有 什么重要意义？答： 把系统（或环节）的输出信号经

26、过若干环节（或直接）重新引回到输入端的作法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即两者做减法，这种反馈叫做负反馈，反之为正反馈。在控制系统中采用负反馈，是因为当被控变量受到扰动作用后，控制作用应是抵消扰动作用的，这样才能达到控制的目的。 例 题 分 析 （二）第二章 过程特性及其数学模型 第一节 化工对象的特点极其描述方法 一、研究对象特性的目的1. 设计合理的控制系统对被控对象特性全面和深入地了解，是设计控制系统的基础。如控制系统中被控变量、检测点的选择；操纵变量的确定；控制系统结构形式的确定等都与被控对象的特性有关。2. 选择合适的测量元件、控制器；合适的控制规律、控制参数；合适的性

27、能价格比。3. 制定过程操作优化方案操作优化往往可以在基本不增加投资与设备的情况下，获取可观的经济效益。这个问题的解决同样离不开对被控对象特性的了解。4. 新型控制方案及控制算法的确定在用计算机构成一些新型控制系统时，如预测控制、模糊控制、前馈动态补偿等都是在已知对象数学模型基础上才能进行的。5. 计算机仿真与过程培训系统利用开发的数学模型和系统仿真技术，使设计和操作人员可以在计算机上对各种控制策略进行定量比较与评定。在计算机上仿效实际操作，降低培训成本，提高安全可靠性。 二、化工对象的特点tfttyy1. 有一定的迟延和惯性2. 化工对象是不振荡环节3. 受到扰动后，被控变量可能会达到新的平

28、衡 称对象有自平衡能力；率变化，不再稳定下来 称对象无自平衡能力。也可能以一定速对 象干扰作用f控制作用qy由对象的输入量至输出量的信号联系称为通道。控制作用至被控变量的信号联系 控制通道干扰作用至被控变量的信号联系 干扰通道在研究对象特性时，应先明确对象的输入量、输出量是什么，因为对同一对象，不同通道的特性可能差别很大。 三、化工对象特性的表达形式 1、参量模型 当对象的特性采用数学方程式来描述时，称为参量 模型。一般可用下列微分方程来描述：2、非参量模型两类表达形式参量形式参量模型非参量形式非参量模型数学模型采用曲线或数据表格等来表示，这些曲线和数据通常是通过实验得到的。( )( )( )

29、( )()(1)110nnnna ytayta yta yt-+ 鬃鬃鬃+=( )( )( )( )()(1)110mmmmb xtbxtb xtb xt-+ 鬃鬃鬃+ 第二节 对象数学模型的建立 参量模型一般由机理建模得到，非参量模型一般由实 验建模得到。 一、机理建模 根据对象或生产过程的内部机理，通过一些物理 定律、能量平衡方程来获取对象的数学模型。 1. 一阶对象 对象特性可以用一阶微分方程来描述时，称为一阶对象 （ 1 ）水槽对象 （ 2 ）RC电路 A1Qh2QSR（1）水槽对象假设选择 为输入量，h 为Q1输出量，求水槽对象特性的数学表达式。1（)ShQdtA dhR-=（2）代

30、入（1）得 1SSdhA RhR Qdt+=整理得：令;SSTA RKR=1dhThK Qdt+=代入得：其中：12()QQ dtA dh-=(1)2ShQR(2) 时间常数T 放大系数KCR C 电 路Reie0（ 2 ）R C 电 路输出量，求该对象特性的数学表达式。(1)ioeeiR-=1oidteC=odeCidt =或(2)假设选择 为输入量， 为eie0oiodeeeR Cdt-=ooideTeedt+=整理得：其中：T = RCK = 1（2）代入（1）消去中间变量 得：iAA串 联 水 槽1Q2Q1h2h1R2R2. 二阶对象11 21(1 )hQRQKK222(2 )hQRK

31、K11 21()(3 )QQd tAd h-=KK1 222()(4)QQd tAd h-=KK12Q设选择Q 为输入量，h 为输出量12由（ ）（ ）（ ）得：122212212142(5)hdhhdhQQAARdtRdt=+=+K K由（ ）（ ）（ ）得：122212212142(5)hdhhdhQQAARdtRdt=+=+K K对 （ 5） 求 导 得 ：21122122(6)dhRdhd hA RdtRdtdt=+K K式 （ 5） （ 6） 代 入 （ 3） 得 ：222212211222hd hRd hd hQAAARRd tRd td t-=+22212122212()d hd

32、hA R A RA RA RhR Qdtdt+=整理得：2221212212()d hdhT TTThK Qdtdt+= K = R 为整个对象的放大系数2式中：T = AR 为第一只水槽的时间常数11T = AR 为第二只水槽的时间常数221、明确对象的输入量和输出量 输出量通常选取工艺上需要维持的参数，即被控变量。 输入量一般取经常发生的扰动作用。2、写出各变量之间的关系式 根据物理定律、平衡方程等。3、消去中间变量 使表达式中只含有输入、输出两个变量。 二、 实验建模 在所研究的对象上人为加扰动作用，同时用仪表测 取或记录被控变量随时间变化的数据或曲线。这些 数据或曲线客观、真实地反映了

33、对象的特性。 在化工生产中，获取的方式主要有两种： 1、阶跃响应曲线法 实现容易； 与对象实际受到的扰动相似，研究有实用价值。 2、矩形脉冲法 对象的某些特征并没有完全表现出来，通常需作 进一步处理，然后推出阶跃响应曲线。 1. 阶跃反应曲线法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优点简单缺点缺点稳定时间长测试精度受限简单水槽的动态特性简单水槽的动态特性举例举例2. 矩形脉冲法矩形脉冲法 当对象处于稳定工况下，在时间t0突然加一阶跃干扰，幅值为A，到t1时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量y随时间的

34、变化规律，称为对象的矩形脉冲特性矩形脉冲特性，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*ytttABxtyoxx*xy1Qh1t21t31t1t试验过程中应注意以下几点： （1）加扰动前对象必须处于稳定工况 （2）选择合适的扰动幅值 从精确度来看，越大越好，有足够高的信噪比, 但 会引起被控变量超出生产允许的范畴。一般取额定 值的 5 10 % 。 （3）试验前的稳定工况，应选在日常工作点附近 工作点不同，对象的特性会有差异, 选在日常工 作点附近，有实用价值。 机理建模物理意义明确，实验

35、建模直观可 靠，各有其特点。比较实用的是将两者结合起 来，称为混合建模。 混合建模的方法是： 先根据机理分析的方法，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 参数利用实验的方法给予确定。 混合建模 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 描述对象特性参数在对象特性表达式（或响应曲线）中，有些数值能反映对象特性的某些特

36、征，称为对象的特性参数。常用的有三个： 一. 放大系数 K 二. 时间常数 T 三. 滞后时间 tt1Q1Qh1QK 一、放大系数 K已知一阶水槽对象的动态表达式：1dhThK Qdt+=设 为阶跃扰动， 1Q1( )(1)tTh tKQe-=D-K=h(t) / DQ1f(T)被控变量随时间变化的函数表达式。K在数值上等于对象达到新的稳态后，输出变化量与输入变化量之比。解微分方程得： K 越大，表示对象的输入量有一定变化时，对输出越大，表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大量的影响越大。这在选择控制方案时需要考虑。因为同一设备，各种量的变化对被控变量的影响是不一样的，放大系数是不同

37、的。希望选择操纵变量时，它的操纵变量时，它的 K 要大要大，即稍加控制作用，被控变量就有较大的变化，反应灵敏。而干扰对被控变量的干扰对被控变量的 K 要小要小。 对参量模型，K 可从数学表达式中得到，对非参量模型，可从阶跃响应曲线量得，但对矩形脉冲响应曲线K 称为对象的放大系数，又称为稳态传递系数。就反应不出来了，所以，需作处理，推出阶跃响应曲线。举例举例以合成氨的转换炉为例，说明各个量的变化对被以合成氨的转换炉为例，说明各个量的变化对被控变量控变量K的影响的影响 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

38、。1 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 影响变换炉一段反应温度的因素主要有冷激流量、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。改变阀门蒸汽流量和半水煤气流量。改变阀门1 1、2 2、3 3的开度就可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。放大系数最小。 t

39、T变 换 炉换 热 器蒸汽 2煤气 31321 冷激量 二、时间常数T 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。 变化明显变化明显如何定量地表示对象受如何定量地表示对象受干扰后的这种特性呢？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。 二、时间常数T1KQhdtdhT举例举例简单水槽为例由前面的推导可知假定Q1为阶跃作用，t0或t=0时Q1=A，如左图。 TteKAth1则

40、函数表达式为图2-16 反应曲线 KAh AhK 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： 或或 对于简单水槽对象，K=RS，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。31 KAeKATh632.011 hTh632. 032将将 t=T 代入式（代入式（2-33），得），得（2-35）将式（将式（2-34）代入式（）代入式（2-35），得），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当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.263.2所需的时间

41、，就是时间常数所需的时间，就是时间常数T，实际工作中，常用这，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。变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。 图2-17 不同时间常数下的反应曲线T1T2T3T4 说明说明时间常数大的对象（如时间常数大的对象（如T4)对输入的反应较慢，对输入的反应较慢，一般认为惯性较大。一般认为惯性较大。33 三、滞后时间 对一阶对象，用 K 和 T 两个参数就能表达它的特征。 但有的对象，特别是高阶对象，受到扰动后，在开始 一段时间内，被控变量几乎没

42、有反应，这种现象称为 滞后现象，根据滞后的性质不同，分为传递滞后和容 量滞后。 1. 传递滞后于介质的传输需要一段时间而引起的。又称纯滞后，一般用 表示。它的产生一般是由L加料斗溶 解 槽浓度测点稀释液溶液皮带输送机溶质Lv=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：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。 tx

43、tyy(t)(t)y两者之间的数学关系为：或 yy t-tt =0t 0y yt+tt =0t若无滞后的对象特性表达式：( )( )( )dy tTy tKx tdt则有纯滞后该对象特性表达式：()()( )dy tTy tKx tdtKxydtdyTTdtydTT212221 tytytysstr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。 举例以前面讲述的串联二级水槽为例将输出量h2用y表示，输入量Q1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. 2. 容量滞后容量滞后t2ht1Q1QDK1QO对串联水槽的

44、二阶对象：2221212212()d hdhT TTThK Qdtdt+=和时间常数 T 的大致情况是：被控变量：常见化工对象的滞后时间压力 、T 都不大。液位 很小，T 稍大。流量 和 T 都较小 。温度 和 T 都较大。T2. 2. 容量滞后容量滞后图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用一阶对象的特性（是有滞后）来近似上述二阶对象的方法 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0h。 自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以

45、，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TCTT喷水蒸汽高 温 烟 气 基本要求1. 了解建立被控对象数学模型的意义及数学模型建立的方法。3. 掌握用机理建模的方法建立简单对象的数学模型。4. 掌握表征被控对象特性的三个参数 放大系数 K 、时间常数 T 、滞后时间 的物理意义及其对控制质量的影响。5. 了解被控对象特性的实验测定方法。2. 了解化工对象的特点。 例 题 分 析 1. 什么是被控对象特性？什么是被控对象数学模型？研究被控对象的特性有什么意义？答 ：被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。 即当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化的

46、快慢程度以及最终变化的数值等。 对象的输入有控制作用和扰动作用，输出是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。 定量地表达对象输入输出关系的数学表达式 该对象的数学模型。 在生产过程中，存在着各种各样的被控对象。这些对象 特性各不相同。有的较易操作，工艺变量能控制得比较平稳； 有的却很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不 谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。状态下运行。因此，在控制系统设计时，首先必须了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量，合适的测量元件和

47、控制器。选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。 特别在设计新型控制系统时，例如前馈控制、解耦控制、自适应控制、计算机最优控制等，更需要考虑被控对象特性。 只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳2. 简述建立对象数学模型的两种主要方法。 答： 一是机理分析法。通过对象内部运动机理的分析，根据 对象中物理或化学变化的规律（如守恒定律等），在忽略 一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方 程。通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们 的表现形式一般是微分方程。 二是实验测取法。在所研究的对象上，人为施加一定的 输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理

48、量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。 然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的 特性参数，进而得到对象的数学模型。3. 实验测取对象特性常用的方法有哪些？各自有什么特点？ 答：有阶跃响应曲线法和矩形脉冲法。 阶跃响应法是当对象处于稳定状态时，在对象的输入 端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变 量的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。 根据这一曲线，再经过一定的处理，就可以得到描述 对象特性的几个参数。 阶跃响应曲线法是一种比较简单的方法。如果输入量 是流量，只需将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加 了一个阶跃扰动，同时还可以利用原设备上的仪表把输

49、出 量的变化记录下来，不需要额外增加仪器设备，测试工作量也不大。但在测试过程中不可避免地会受到许多其它扰动因素的影响而使测试精度不高。为提高精度就必须加大输入量的幅度，这往往又是工艺上不允许的。 因此，阶跃响应曲线法是一种简易但精度不高的对象特性测定方法。 矩形脉冲法的响应曲线，可用叠加法作图得到完整的阶跃响应曲线数学处理对象的数学模型。由于加在对象上的扰动经过较短的时间后即被除去，因此，扰动的幅值可以取得较大，提高了实验的精度，同时，对象的输出又不会长时间偏离设定值，因而对正常运行的设备影响较小。第三章 检测仪表与传感器 用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表检测仪表。 用来将这些参数转换为

50、一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器传感器。在化工生产中工艺参数的准确测量是关键在化工生产中工艺参数的准确测量是关键将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器变送器。第三章 检测仪表与传感器变送器：把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器 传感器和变送器一同构成自动控制的传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源监测信号源 第三章 检测仪表与传感器 第一节 概 述 一、测量过程与测量误差测量的最基本形式是比较为了确定被测对象的量值而进行的实验过程 测量。 将待测的未知量和给定的标准作比较。

51、测量过程必然伴随有误差。xm=-V即：0 xx=-V0 xx=-V 二、仪表的性能指标绝对误差：1. 基本误差其中：x：被校表的读数值；x0：标准表的读书值；测量范围上限值-测量范围下限值0100%xxd-=0100%xxA-=相对百分误差： 二、仪表的性能指标仪表测量范围上下限之间的差值，称为仪表的量程仪表测量范围上下限之间的差值，称为仪表的量程2. 允许误差和精度等级按规定基本误差不能超过的限值 允许误差。maxyAyDD 100%yyADy去掉 、% 号剩下的数值为仪表的准确度等级。 基本误差可通过校验仪表得到，是仪表实际拥有的。允许误差只是要求的限值，两者概念不同。一台合格的仪表应满足

52、：一台仪表最大允许误差越大，表示精确度越低；一台仪表最大允许误差越小，表示精确度越高；2. 允许误差和精度等级我国规定的仪表生产等级有：0.005，0.02，0.05，0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0精确度增加2. 允许误差和精度等级0.05级以上的仪表常用来做标准仪表；0.5级以下的仪表常为工业现场用的测量仪表举例举例1.51.0如： 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。 例 1 某台测温仪表的测温范围为 200 700，校验该表时得到的最大绝对误差为 + 4，试确定该表的精度等级。解：该表的基本误差为4100%0.8%70020

53、0 j是 1.0 级。 例 2 某台测温仪表的测温范围为 0 1000，根据工艺要求温度指示值的误差不允许超过 7，应如何选择仪表的精度等级？解：该表的允许误差为7100%0.7%10000y 应选择 0.5 级表。3、变差在外界条件不变时，用同一仪表对相同的被测量进行正、反行程测量时，得到的读数是不相等的，两者之差在量程范围的最大值 变差。被校压力表砝码托盘活塞摇柄根据变差的定义，若用相对百分误差表示，则有max100%bxxA 正反1.0正反bmaxP被校P标准要求仪表:bym ax100%bAD= 贝4. 灵敏度与分辨力灵敏度是稳态时，仪表的输出增量与输入增量之比。SxaD=DS 越大，

54、表示灵敏度越高。能引起仪表指针发生偏转或数字发生变化的输入信号的最小变化量，称为分辨力（又称灵敏限）。分辨力越小，越灵敏。一般要求分辨力 11()310yD注意：注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。 被测变量量程仪表示值fmax5. 线性度仪表输入 输出曲线与相应直线偏离程度的最大值 线性度，又称非线性误差。m ax100%ffAdD=当然希望 越小越好。fd6. 反应时间当被测变量突然变化后，检测仪表的指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。当达到新的稳态值的63.2%（或 95%）所经过的时间称为反应时间。仪表反应时间的长短，反映了仪表动态特性的好坏。

55、反应时间长，说明仪表需较长时间才能给出准确的数值，实时性差，不宜用来测量变化快、变化频繁的参数。 三、工业仪表的分类 1.按仪表使用的能源分类 （1）气动仪表 （2）电动仪表 （3）液动仪表 2.按仪表的功能分类 （1）检测仪表 （2）显示仪表 （3）集中控制装置 （4）控制仪表 （5）执行器 3.按仪表的组成形式分类 （1）基地式仪表 （2）单元组合仪表 第二节 压力检测方法及仪表 一、压力单位及测压仪表hP测P气P表压P绝对P大气=P真空度=P大气 P绝对1. 液柱式压力计根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的。Pg hD测2. 弹性式压力计将被测压力弹性元件变形产生的位移

56、。3. 电气式压力计将被测压力电量来进行测量的仪表。4. 活塞式压力计将被测压力活塞上所加平衡砝码的质量。被校压力表砝码托盘活塞摇柄 第二节 压力检测方法及仪表按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类 基地式仪表基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。 分为基地式仪表和单元组合仪表分为基地式仪表和单元组合仪表 第二节 压力检测方法及仪表按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类 第二节 压力检测方法及仪表 单元组合仪表是将对参数的测量及其变送

57、、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。 第二节 压力检测方法及仪表 化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组国产的电动单元组合仪表简称合仪表简称DDZ仪表仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。注意注意 二、弹性式压力计 是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测

58、量范围宽以及有足够的精度等优点。 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。 BAP测 二、弹性式压力计1. 弹性元件（ 1 ） 弹簧管式P测平膜片P测波纹膜片P测膜盒( 2 ) 薄 膜 式虽然测量上限不高，但可用于测差压。P测波纹管( 3 ) 波 纹 管 式abAB弹簧管表 盘2. 弹簧管压力表三部分组成显示感受件放大 1弹簧管；2 拉杆；3 扇形齿轮；4 中心齿轮；5 指针；6 面板；7 游丝；8 调整螺丝；9 接头 单圈弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的

59、弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。 ：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。 在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。力表。 将普通弹簧

60、管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。 123321电接点式压力表图3-7 电接点信号压力表1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯 压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。