化工仪表及自动化第1章

1、仪表及自动化控制仪表及自动化控制第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 内容提要内容提要n 生产过程自动化的主要内容生产过程自动化的主要内容n 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态n控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程n控制系统的品质指标控制系统的品质指标n影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主要因素1第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容n 1. 自动检测系统自动检

2、测系统n 2. 自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统n 3. 自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统n 4. 自动控制系统自动控制系统3利用各种检测仪表对主要工艺参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人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。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，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，告诫操作人员注信

3、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，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。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，将生产过程自动地可以按

4、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。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，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自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。内。 第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 4图1-2 人工操作图图1-3 液位自动控制系统图n人工操作与自动控制比较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控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块

5、图 n 自动控制系统的组成自动控制系统的组成5组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器自动控制系统的自动控制系统的组成部分组成部分 测量元件与变送器测量元件与变送器：测量液位并将其高度转化为统一标准信号； 电信号: 420mADC; 010mADC等 气压信号: 20100KPa。 自动控制器自动控制器：计算变送器输出信号与液位设定值之间偏差，按某种运算规律进行计算并输出统一信号； 被控对象被控对象：水槽 需要控制其工艺参数的生产设备或机器，需要控制其工艺参数的生产设备或机器，简称简称对象对象。 执行器执行器：自动根据控制器的

6、输出改变阀门开度。几个常用术语几个常用术语n 被控过程（被控对象被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。过程、设备或机器。n 被控变量：被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。被控过程内要求保持设定值的工艺参数。n 操纵变量：操纵变量：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。定值的物料量或能量。n 扰动：扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。n 设（给）定值设

7、（给）定值：工艺规定被控变量所要保持的数值。工艺规定被控变量所要保持的数值。n 偏差偏差：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：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。与测量值之差定义为偏差。？第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n 液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图n在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来

8、表示控制系统的组成。般都用方块图来表示控制系统的组成。n下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节表示组成系统的一个部分，称为系统的一个部分，称为“环节环节”。两个方块之间用一条。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其带有箭头的线条表示其信号的相互关系信号的相互关系，箭头指向方块，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节表示为这个环节的输入，箭头离开方块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。的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。6系统或环节xy信号：载有变量信息的物理变量n方块图中，方块图中， x 指设定值；指

9、设定值；z 指输出信号；指输出信号；e 指偏差信指偏差信号；号；p 指发出信号；指发出信号；q 指出料流量信号；指出料流量信号；y 指被控变指被控变量；量；f 指扰动作用。当指扰动作用。当x 取正值，取正值，z取负值取负值，e= x- z，负反馈；负反馈；x 取正值，取正值，z取正值，取正值， e= x+ z，正反馈。，正反馈。第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n液位自动控制的方块图液位自动控制的方块图图1-4 液位自动控制系统方块图7第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n 其他控制系统其他控制系统 用同一种形式用同

10、一种形式的方块图可以代表不同的控制系统方块图可以代表不同的控制系统图1-5 蒸汽加热器温度控制系统 当进料流量或温度变化当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器量后送至温度控制器TCTC。温。温度控制器的输出送至控制阀，度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。口物料的温度不变。 这个控制系统同样可这个控制系统同样可以用上页中的方块图以用上页中的方块图表示表示8蒸汽加热器蒸汽加热器自动控制系统自动控制系统方块图方块图执行器测量元件变送器- -偏差ez测

11、量值给定值x控制器控制器输出p操纵变量q被控变量yf干扰作用被控变量被控变量：出料温度；：出料温度；操纵变量操纵变量：蒸汽流量；：蒸汽流量；干扰作用干扰作用：如进料：如进料流量、温度变化或流量、温度变化或蒸汽压力变化等。蒸汽压力变化等。操纵介质操纵介质：蒸汽；：蒸汽；对象被控对象被控对象(对象对象)：蒸汽加热器；蒸汽加热器；第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图n 注意！注意！方块图中的每一个方块都代表一方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。个具体的装置。9n方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联信号联

12、系系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线物料线是不同的。是不同的。n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一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，而个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时方块图上的线条及箭头方向有时并不与并不与流体流流体流向相一致向相一致。n自动控制系统是一个闭环系统自动控制系统是一个闭环系统反馈反馈与与负负反馈反馈n 自动控制系统是具有自动控制系统是具有被控变量被控变量负反馈负反馈的的闭环闭环系统。

13、系统。n 反馈反馈：系统：系统( (或环节或环节) )的输出信号直接或经过一些环节重新返回到的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端。在反馈信号输入端。在反馈信号z z旁有一个负号旁有一个负号“- -”，而在设定值，而在设定值x x旁有一个旁有一个正号正号“+ +” ( (可省略可省略) )，所得偏差，所得偏差 e=x-ze=x-z。反馈信号。反馈信号 z z 取负值，所取负值，所以叫以叫负反馈负反馈，负反馈能使原来信号减弱负反馈能使原来信号减弱。反馈信号取正值。反馈信号取正值使原来使原来信号加强，就叫做信号加强，就叫做正反馈，正反馈，e=x+ze=x+z 。n 为什么在自动控制系统中一般

14、采用负反馈为什么在自动控制系统中一般采用负反馈？n 闭环系统的优点闭环系统的优点：有负反馈，可以随时了解被控对象的情况，有：有负反馈，可以随时了解被控对象的情况，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，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。从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。n 有没有开环开环？第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图10举例举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子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自动操纵装置对象对

15、象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指令有没有开环开环？有n 比较比较开环系统：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

16、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。第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图11n 小结小结n自动控制系统是具有自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统被控变量负反馈的闭环系统。 n与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区与自动检测、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。控（工艺）变量是不反馈到输入端的。工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案确定后，工艺流程和控制方案确定后， 根据工艺设计给

17、出的流程图，根据工艺设计给出的流程图， 按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，自动信号与联锁保护系统等， 便成了便成了工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 （PID图）图）。 工艺管道及控制流程图主要由工艺管道及控制流程图主要由图形符号图形符号、字母代号字母代号和和仪仪表位号表位号组成。组成。33工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图34图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例举例举例工艺介绍工艺介绍从脱甲烷塔出来的釜液进入脱乙烷塔脱除乙烷。从脱乙烷塔塔顶出来的碳二馏分经塔顶冷凝器冷凝后，部分作为

18、回流，其余去乙炔加氢反应器进行加氢反应。从脱乙烷塔底出来的釜液部分经再沸器后返回塔底，其余去脱丙烷塔脱除丙烷。工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图n一、图形符号一、图形符号n1. 1. 测量点（包括检出元件、取样点）测量点（包括检出元件、取样点）35 测量点测量点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆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所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。示。图1-13 测试点的一般表示方法工艺管道及控制流程图工艺管道及控

19、制流程图n2. 2. 连接线连接线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、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。电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。图1-14 联系线的表示法工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图3. 3. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号仪表（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

20、线圆圈，直径约仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm10mm。 对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。 37PIC207例如：工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图38序序号号安装位安装位置置图形符号图形符号备注备注序序号号安装位置安装位置图形符图形符号号备注备注1就地安就地安装仪表装仪表嵌在管道嵌在管道中中4集中仪表集中仪表盘后安装盘后安装仪表仪表2集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 5就地仪表就地仪表盘面安装盘面安装仪表仪表3就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表表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工艺

21、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。一图纸上），如下图所示。图1-15 复式仪表的表示法工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图n 二、字母代号二、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，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

22、示被测变一般写有两位（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。量，后继字母表示仪表的功能。 常用字母代号见下表。常用字母代号见下表。40PIC207例如：字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比（分数）比（分数）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）

23、检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、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工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图42举例举例以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号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。的组合来表示被测变量和仪表功能。 塔顶的压力控制系统塔顶的压力控制系统中的中的PIC-207PIC-207，其中第一，其中第一位字母位字

24、母P P表示被测变量为压力，第二位字母表示被测变量为压力，第二位字母I I表示表示具有指示功能，第三位字母具有指示功能，第三位字母C C表示具有控制功能，表示具有控制功能，因此，因此，PICPIC的组合就表示一台具有指示功能的压力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。持塔压稳定的。 PIC207例如：工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 回流罐液位控制系统回流罐液位控制系统中的中的LIC-201是一台具有指示功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能的液位控制器，它是通

25、过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。持回流罐中液位稳定的。 塔下部的温度控制系统塔下部的温度控制系统中的中的TRC-210表示一台具有记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。汽量来维持塔底温度恒定的。 塔底的液位控制系统塔底的液位控制系统中的中的LICA-202代表一台具有指示、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。塔釜液位稳定的。 43LICA202HLTRC210LIC201工艺管

26、道及控制流程图工艺管道及控制流程图n 三、仪表位号三、仪表位号44 仪表位号仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部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）表示仪数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。表序号。 举例举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该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，工段号为仪表为就地安装，工段号为2，

27、仪表序号为，仪表序号为06。 第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类n 几种分类方法几种分类方法n按按被控变量被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；来分类，如温度、压力等控制系统；n按按控制器具有的控制规律控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、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；比例微分、比例积分微分等控制系统；n将控制系统按照工艺过程需要控制的将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定被控变量的给定值值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系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统分为三

28、类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。控制系统。12其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 “定值定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要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指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要，就需要采用定值控制系统。采用定值控制系统。大多数自动控制系统采用13 给定值随机变化，该给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参系统的目的就是使所控制

29、的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。导航雷达系统、天线接收系统、比值控制系统等。第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类3.3.程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，给定值变化，但它但它是一个已知的是一个已知的时间函数时间函数，即生产，即生产技术指标需按一定技术指标需按一定的时间程序变化。的时间程序变化。这类系统在间歇生这类系统在间歇生产过程中应用比较产过程中应用比较普通。如金属热处普通。如金属热处理理14第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 n 一、控制系统的静态

30、与动态一、控制系统的静态与动态15自动控制目的：自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定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。出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 静态静态被控变量不随时间而被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。不是静止）。 简单水槽第四节第四节 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）和输出均当一个自动控制系统的输入（给定和干扰

31、）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，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，其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是这种状态就是静态静态。 16第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标17动态动态被控变量随时间变化的不平衡状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，在这控制，

32、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，这种状态信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。叫做动态。结论：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的过渡过程和品质指标n 二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程n系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。系统

33、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，系统输当干扰作用于对象，系统输出出y y发生变化，在系统负反发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。系统重新恢复平衡。举例举例图1-7 控制系统方块图第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控系统在过渡过程中，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。形式。n在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属在生产中，出现

34、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，其中常用的是阶方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。跃干扰。 19 控制系统运行的控制系统运行的 基本要求基本要求 是什么？是什么？必须稳定，必须稳定，满足一定精满足一定精度或某些规度或某些规定指标定指标第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响危险，且对被控变量的影响也最大。

35、如果一个控制系统也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计实现，便于分析、实验和计算。算。图1-8 阶跃干扰作用20第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式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

36、量要求不对于控制质量要求不高的场合，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。 y t 第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标n控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。22图1-10 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变化曲线如上图所示，这是属于

37、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。过程形式讨论控制系统的品质指标。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标23五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 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A。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B

38、。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标2. 衰减比衰减比 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比（B:B）。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二24第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之三五种重要品质指标之三3. 余差余差 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C，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第四节第四

39、节 自动控制系统的过渡过程和品质指标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四五种重要品质指标之四4. 过渡时间过渡时间 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的过渡过程和品质指标五种重要品质指标之五五种重要品质指标之五5.5.震荡周期或频率震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期

40、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、振荡周期和过出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为渡时间（给定值为200200）。）。举例举例图1-11 温度控制系统过渡过程曲线第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标解解 最

41、大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B B230-205230-2052525，第二个波峰值第二个波峰值BB21021020520555，故衰减比应为故衰减比应为B:BB:B25:525:55:15:1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）29第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 分析分析 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假过渡时间与

42、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定被控变量进入额定值的2 2，就可以认为过渡过程已，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为经结束，那么限制范围为200200（2 2）44，这时，这时，可在新稳态值（可在新稳态值（205205）两侧以宽度为）两侧以宽度为画一区域，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，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，过渡时间为从图上可以看出，过渡时间为22min22min。30第四节第四节 自动控制

43、系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标n 四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素四、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。第四节第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标

44、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，过渡过程品质的对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏好坏，在，在很大程度上很大程度上决定于对象的性质决定于对象的性质。例如在前所述的温度控制。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，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。热情况及结垢程度等。不同自动化系统要具体分析。32第四节第四节 小结小结n 影响过渡过程的主要因素影响过渡过程的主要因素?n固定

45、因素：对象特性固定因素：对象特性 测量仪表特性测量仪表特性 执行器特性执行器特性n补偿因素：补偿因素：这是自动控制系统的主要这是自动控制系统的主要研究内容研究内容n 主要指标有：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。n 原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。保证。自动控制系统希望的结果自动控制系统希望的结果最大偏差（超调量）？最大偏差（超调量）？衰减比？衰减比？余差？余差？过渡时间？

46、过渡时间？振荡周期？振荡周期？答：越小越好答：越小越好n n1 1等幅振荡等幅振荡 n n1 1发散振荡发散振荡 n n1 1衰减振荡衰减振荡 不振荡不振荡 为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4 4：1 1至至1010：1 1；这种过渡过程；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程不振荡：不便于操作人员掌握。不振荡：不便于操作人员掌握。 答：越小越好答：越小越好答：越小越好答：越小越好答：短好答：短好本章小结本章小结n 掌握自动控制系统的组成、掌握自

47、动控制系统的组成、了解各部分的作用及相互影响了解各部分的作用及相互影响和联系和联系n 理解自动控制系统常用理解自动控制系统常用各种术语各种术语、掌握方块图意义及画法掌握方块图意义及画法n 了解自动控制系统了解自动控制系统分类分类，具有被控量负反馈的闭环系统具有被控量负反馈的闭环系统n 掌握自动控制系统的掌握自动控制系统的静态和动态静态和动态n 掌握自动控制系统的掌握自动控制系统的过渡过程基本形式、品质指标及含义过渡过程基本形式、品质指标及含义n 熟悉工艺管道及控制流程图常用符号的意义熟悉工艺管道及控制流程图常用符号的意义45例题分析例题分析1.下图所示为一水箱的液位控制系统。试画出其方块图,指

48、出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么?简要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置在系统中的功能。 水箱液位控制系统46例题分析例题分析系统中水箱里水的系统中水箱里水的液位为被控变量液位为被控变量; ;进水流量为操纵进水流量为操纵变量变量; ;水箱为被控对象水箱为被控对象。带有浮球及塞子的。带有浮球及塞子的杠杆装置在系杠杆装置在系统中起着测量与调节的功能统中起着测量与调节的功能。其。其工作过程工作过程如下：当水箱如下：当水箱中的液位受到扰动变化后中的液位受到扰动变化后, ,使浮球上下移动使浮球上下移动, ,通过杠杆装通过杠杆装置带动塞子移动置带动塞子移动, ,使进水量发生变化使进水

49、量发生变化, ,从而克服扰动对液从而克服扰动对液位的影响。例如由于扰动使液位上升时位的影响。例如由于扰动使液位上升时, ,浮球上升浮球上升, ,带动带动塞子上移塞子上移, ,减少了进水量减少了进水量, ,从而使液位下降。从而使液位下降。 杠杆系统杠杆系统塞子塞子水箱水箱浮球浮球hh0_ 方块图方块图47例题分析例题分析2.某一电压表在稳定时能够准确显示被测电压值。在被测电压突然变化时,指针来回摆动,最后能够稳定在被测数值上。假定指示系统的衰减比为4:1。当电压突然由0上升到220V后,指针最高能摆到252V。问经三次摆动,指针能到多少伏 (即第三个波峰值)。 48由于第一个波峰离开稳态值为由于

50、第一个波峰离开稳态值为252 - 220 = 32 (V)第二个波峰值为第一个波峰值的第二个波峰值为第一个波峰值的1/4，故为，故为321/4 = 8 (V) 第三个波峰值为第二个波峰值的第三个波峰值为第二个波峰值的1/4 ，故为，故为81/4 = 2 (V) 所以指针第三次摆动的最高峰值为所以指针第三次摆动的最高峰值为222V。 55仪表防爆的基本知识仪表防爆的基本知识在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体。在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体。安装在这种危险场所的仪表如果产生火花，就容安装在这种危险场所的仪表如果产生火花，就容易引起爆炸，因而必须具有防爆性能。易引起爆炸，因而必须具有防爆

51、性能。 气动仪表从本质上来说具有防爆性能。电动仪气动仪表从本质上来说具有防爆性能。电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其防爆措施不同，防爆性能也将不同，防爆措施不同，防爆性能也将不同，适适合应用的合应用的危险场所也不同。危险场所也不同。补充：补充：56一、防爆仪表的标准一、防爆仪表的标准 iaIICT5 iaIICT6 dIIBT3iaIICT5 iaIICT6 dIIBT3v防爆仪表的分类防爆仪表的分类 v防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分级和分组 v防爆仪表的标志防爆仪表的标志国家标准国家标准GB3836.1GB3836.1爆炸性环境用防爆

52、电气设备通爆炸性环境用防爆电气设备通用要求用要求补充：补充：57防爆仪表的分类防爆仪表的分类按照国标按照国标GB3836.1GB3836.1规定，防爆电气设备分为两大类：规定，防爆电气设备分为两大类： I I 类：煤矿井下用电气设备类：煤矿井下用电气设备 IIII类：工厂用电气设备类：工厂用电气设备 IIII类类( (工厂用工厂用) )电气设备又分为电气设备又分为8 8种类型。其标志如下：种类型。其标志如下： 隔爆型 d增安型 e本质安全型 i正压型 P充油型 O充沙型 q无火花型 n特殊型 S补充：补充：58防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分级和分组在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要

53、在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要有两方面原因：有两方面原因：（1 1） 仪表产生能量过高的电火花或仪表内部仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽气体或蒸汽（2 2） 仪表过高的表面温度仪表过高的表面温度因此，根据上述两个方面对因此，根据上述两个方面对IIII类（工厂用）防类（工厂用）防爆仪表进行了分级和分组，规定其适用范围。爆仪表进行了分级和分组，规定其适用范围。 补充：补充：59防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分级防爆仪表的分级 根据：最大试验安全间隙根据：最大试验安全间隙

54、d dmax max 或或 最小点燃电流的比值最小点燃电流的比值MICRMICR级别dmax (mm) MICR II A dmax0.9 MICR0.8 II B 0.9 dmax0.5 0.8MICR0.45 II C 0.5dmax 0.45MICR 补充：补充：60防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分级和分组防爆仪表的分组防爆仪表的分组 根据：仪表最高表面温度根据：仪表最高表面温度仪表的最高表面温度仪表的最高表面温度 = = 实测最高表面温度实测最高表面温度 实实 测时环境温度测时环境温度+ + 规定最高环境温度规定最高环境温度 温度组别T1T2T3T4T5T6最高表面温度45030020

55、013510085补充：补充：61防爆仪表的标志防爆仪表的标志防爆仪表的防爆标志为防爆仪表的防爆标志为“ExEx”；仪表的防爆等；仪表的防爆等级标志的顺序为：防爆型式、类别、级别、温度级标志的顺序为：防爆型式、类别、级别、温度组别。组别。 过程控制仪表常见的防爆等级有过程控制仪表常见的防爆等级有iaIICT5 iaIICT5 (iaIICT6)(iaIICT6)和和dIIBT3dIIBT3二种。前者表示二种。前者表示IIII类本质安全类本质安全型型iaia等级等级C C级级T5T5组；后者表示组；后者表示IIII类隔爆型类隔爆型B B级级T3T3组组。 * * 防爆仪表的分级与分组，与易燃易爆

56、气体或蒸汽的分防爆仪表的分级与分组，与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组是相对应的。级和分组是相对应的。 补充：补充：62组别T1450 T2300400 T3200300 T4135200 T5100135 T685100 IIA 甲烷、氨、乙烷、甲烷、氨、乙烷、丙烷、丙酮、苯、丙烷、丙酮、苯、甲苯、一氧化碳、甲苯、一氧化碳、丙烯酸、甲脂、丙烯酸、甲脂、苯乙烯、醋酸乙苯乙烯、醋酸乙脂、醋酸、氯苯、脂、醋酸、氯苯、醋酸甲脂醋酸甲脂 乙醇、丁醇、丁乙醇、丁醇、丁烷、醋酸丁脂、烷、醋酸丁脂、醋酸戊脂、环戊醋酸戊脂、环戊烷、丙烯、乙苯、烷、丙烯、乙苯、甲醇、丙醇甲醇、丙醇 环乙烷、环乙烷、戊烷、己戊烷、

57、己烷、庚烷、烷、庚烷、辛烷、汽辛烷、汽油、煤油、油、煤油、柴油、戊柴油、戊醇、己醇、醇、己醇、环乙醇环乙醇 乙醛、三乙醛、三甲胺甲胺 亚硝酸乙亚硝酸乙脂脂 IIB 丙烯脂、二甲醚、丙烯脂、二甲醚、环丙烷、市用煤环丙烷、市用煤气气 环氧丙烷、丁二环氧丙烷、丁二烯、乙烯烯、乙烯 二甲醚、二甲醚、丙烯醛、丙烯醛、碳化氢碳化氢 乙醚、二乙醚、二乙醚乙醚 IIC 氢、水煤气氢、水煤气 乙炔乙炔 二硫化碳二硫化碳 硝酸乙脂硝酸乙脂 级级别别易爆性气体或蒸汽级别和组别一览表易爆性气体或蒸汽级别和组别一览表 补充：补充：63二、过程控制仪表的防爆措施二、过程控制仪表的防爆措施过程控制仪表主要有过程控制仪表主要有: :n 隔爆型防爆仪表隔爆型防爆仪表n 本质安全型防爆仪表本质安全型防爆仪表 补充：补充：64隔爆型防爆仪表隔爆型防爆仪表 特点：特点：仪表的电路和接线