矿大(北京)_1(4学时)

1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化 Chemical Engineering instrument and automation 化学与环境工程学院化学与环境工程学院刘刘 泽泽Email: 课程简介课程简介，是化工生产过程中的自动，是化工生产过程中的自动调节及控制系统方面的基础知识。调节及控制系统方面的基础知识。具体介绍构成自动调节系统的各个环节（包括对具体介绍构成自动调节系统的各个环节（包括对象、测量元件及变送器、显示仪表自动调节仪表、象、测量元件及变送器、显示仪表自动调节仪表、执行机构等），并在简单、复杂控制系统及计算执行机构等），并在简单、复杂控制系统及计算机控制系统的基础上，结合化工生产

2、过程，介绍机控制系统的基础上，结合化工生产过程，介绍典型化工单元操作的控制方案。典型化工单元操作的控制方案。 Instrumentation and control in the German chemical industry Great British, 1947-$13.99推荐书目推荐书目 早期对德国化工厂和仪表制造早期对德国化工厂和仪表制造公司的总结，该书最新版本由密公司的总结，该书最新版本由密西根大学图书馆于西根大学图书馆于2009年再版。年再版。 书中包括大量德国早期化工仪书中包括大量德国早期化工仪表及自动化实例，也有大量的仪表及自动化实例，也有大量的仪表和自动化词汇，是一本很好

3、地表和自动化词汇，是一本很好地了解化工仪表及自动化历史和案了解化工仪表及自动化历史和案例的参考书例的参考书 Process Control: Instrumentation Technology C. D. Johnson, New Jersey: Prentice Hall College Division, 2008-$121.04推荐书目推荐书目对于化工专业的学生，对于化工专业的学生，Process Control: Instrumentation Technology比较浅显，没有太多的数学推比较浅显，没有太多的数学推导和理论分析，通俗的讲解控导和理论分析，通俗的讲解控制系统各元件的设

4、计与操作，制系统各元件的设计与操作，比较适用比较适用推荐书目推荐书目R. N. Bateson. New Jersey: Prentice Hall. 2001-$141.9S. K. Singh. New York: Tata McGraw, 2010-$27.5适用于本科生和研究生教学，里边内容详实，实例广泛，更适合仪表自动化专适用于本科生和研究生教学，里边内容详实，实例广泛，更适合仪表自动化专业的学生学习业的学生学习 上边这几本参考书都涉及到了控制系统、控制仪表、数据采集、过程控制等上边这几本参考书都涉及到了控制系统、控制仪表、数据采集、过程控制等推荐书目推荐书目W. Bolton. G

5、reat Britain: Newnes, 2004.-$39.21W. Bolton. USA: Newnes, 2009-$39.31 属于搞自动化控制的专业人士阅读的参考书属于搞自动化控制的专业人士阅读的参考书推荐书目推荐书目W. Dunn and W. C. Dunn. New York: McGraw-Hill Prof Med/Tech, 2005 .-$44.87J. DiStefano, A. Stubberud, and I. Williams. New York: McGraw-Hill, 2011-$14.96 很适合职业技术学校的高技很适合职业技术学校的高技术人才学习使

6、用术人才学习使用 实用性手册，可以作为化工仪表及实用性手册，可以作为化工仪表及自动化工程师的工具书，书中囊括自动化工程师的工具书，书中囊括了了700多个完整的工程实例，对连多个完整的工程实例，对连续和离散系统等分析透彻。续和离散系统等分析透彻。化工仪表及自动化化工仪表及自动化中英文目录对照中英文目录对照Chinese-English comparison of content of Instrumentation and Control of Chemical Industry 章章 次次章节名称章节名称Chapter1自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念Basic concept of

7、auto-control system2过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型Process characteristic and mathematic model3检测仪表及传感器检测仪表及传感器Detection instruments and sensors4自动控制仪表自动控制仪表Auto-control instruments5执行器执行器Actuator6简单控制系统简单控制系统Simple control system7复杂控制系统复杂控制系统Complex control system8新型控制系统新型控制系统Advanced control system9计算机控制系统计算

8、机控制系统Computer control system10典型化工单元的控制方案典型化工单元的控制方案Typical control project of chemical industry unit第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念基本要求：基本要求：1. 掌握自动控制系统的组成，了解各部分作用及相互影掌握自动控制系统的组成，了解各部分作用及相互影响和联系；响和联系；2. 理解自控系统常用术语，掌握方块图的意义及画法；理解自控系统常用术语，掌握方块图的意义及画法；3. 了解控制系统的几种分类，掌握系统的动态与静态。了解控制系统的几种分类，掌握系统的动态与静态。 4.

9、 掌握闭环控制系统在阶跃作用下，过渡过程的几种基掌握闭环控制系统在阶跃作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程的品质指标。本形式及过渡过程的品质指标。5. 熟悉管道及控制流程图中的常用符号；熟悉管道及控制流程图中的常用符号；1 1、自动检测系统、自动检测系统( (Auto detection system) 利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示、或记录。指示、或记录。热交换器自动检测系统示意图热交换器自动检测系统示意图第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容孔板孔板流量计流量计冷液冷液冷凝水冷凝水压力表压力表蒸汽蒸汽测温元件测温元件

10、热液热液平衡电桥平衡电桥 在实际生产中，对某些重要的参数进行范围的在实际生产中，对某些重要的参数进行范围的设定，如若设定，如若超过超过设定范围，则自动发生声光信号，设定范围，则自动发生声光信号，进行进行报警报警；如若达到如若达到危险危险状态，则状态，则联锁联锁系统自动系统自动采取采取措施措施，打开安全阀，切断某些通路，必要时，打开安全阀，切断某些通路，必要时，紧急停车。紧急停车。2、自动信号和联锁保护系统、自动信号和联锁保护系统 Auto signal and interlock protect system 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 Auto operation

11、 and auto start-stop system自动操纵：可根据预先规定的步骤自动对生产自动操纵：可根据预先规定的步骤自动对生产设备进行某种周期性的操作。设备进行某种周期性的操作。 如：煤气发生炉的吹风过程为吹风、上吹、下如：煤气发生炉的吹风过程为吹风、上吹、下吹、吹净，这些步骤周期往复，可自动操纵。吹、吹净，这些步骤周期往复，可自动操纵。 自动开停系统：可以按照预先规定的步骤，将自动开停系统：可以按照预先规定的步骤，将生产过程自动运行与停车。生产过程自动运行与停车。 4、自动控制系统自动控制系统 Automatic control system 对于连续性的化工生产，当某一工艺参数发生

12、变化对于连续性的化工生产，当某一工艺参数发生变化时，可能会影响后续生产过程的工作效果，为此，必时，可能会影响后续生产过程的工作效果，为此，必须对须对影响因素较大的参数影响因素较大的参数进行进行自动控制自动控制，一旦它们，一旦它们在受到外界干扰在受到外界干扰(扰动扰动)而偏离正常值，系统采取相应措而偏离正常值，系统采取相应措施，施，通过调节将其稳定在规定范围内通过调节将其稳定在规定范围内。 自动控制系统是自动化生产的核心部分，是本书的自动控制系统是自动化生产的核心部分，是本书的重点。重点。(Automatic Control System) （1 1）自动检测：了解生产过程）自动检测：了解生产过

13、程 （2 2）自动保护：安全生产过程）自动保护：安全生产过程 （3 3）自动操纵：方便生产过程）自动操纵：方便生产过程 （4 4）自动控制：调节生产过程）自动控制：调节生产过程 思考题思考题1: 自动操纵与自动控制的区别自动操纵与自动控制的区别?自动控制系自动控制系统的作用是什么统的作用是什么?化工过程的自动化包括：化工过程的自动化包括：自动保护：安全生产过程自动保护：安全生产过程自动保护：安全生产过程自动保护：安全生产过程1. 1. 手动控制的操作过程手动控制的操作过程 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眼眼看看脑脑想想手手动动进料口进料口出料口出料口

14、H玻璃管液位计玻璃管液位计 总结：总结： 检测（检测（detection）（）（看看）：观察玻璃管）：观察玻璃管液位计的高度，得到液位的准确信息。液位计的高度，得到液位的准确信息。 运算（运算（calculation）（）（想想）：对检测信）：对检测信息进行分析思考，根据经验，确定调节的方息进行分析思考，根据经验，确定调节的方向（大，小，不变）向（大，小，不变） 执行（执行（operation）（）（动动）：根据运算结）：根据运算结果，按需要的调节方向进行阀门的调节。果，按需要的调节方向进行阀门的调节。 执行器执行器 (actuator)：执行器接受控制器的控制信号，执行器接受控制器的控制信号

15、，按需要的调节方向实现对阀门的自动调节。按需要的调节方向实现对阀门的自动调节。 2、自动控制的操作过程、自动控制的操作过程 测量元件与变送器测量元件与变送器(elements and transmitter)：测量液位并把液位的高低转化测量液位并把液位的高低转化为规范的信号为规范的信号(气压，电压，电气压，电压，电流）。流）。 自动控制器自动控制器 (controller)：对变送器的液位信号与工艺要求的液位进行比较，得到对变送器的液位信号与工艺要求的液位进行比较，得到偏差，通过某种运算规则，输出控制信号。偏差，通过某种运算规则，输出控制信号。执行器执行器 3、方块图、方块图 (block d

16、iagram) 用方块图来表示控制系统的组成环节、相互影响用方块图来表示控制系统的组成环节、相互影响和联系。和联系。z液位控制系统方块图液位控制系统方块图被控变量被控变量给定值给定值控制器控制器执行器执行器对象对象偏差偏差输出输出xe测量值测量值z操纵变量操纵变量yf 干扰作用干扰作用pq测量元件、变送器测量元件、变送器方框方框组成部分组成部分“环节环节”信号线信号线关系关系流向流向比较点比较点信号信号加减运算加减运算 3、方块图、方块图 (block diagram) 每个环节表示组成系统的一个部分，称为每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环环节节”。”circuit” 被控变量被控变量“

17、对象对象”，用，用y表示，被控变量表示，被控变量y对象的输出。对象的输出。 影响被控变量影响被控变量y的因素的因素进料流量的改变，这种进料流量的改变，这种引起被控变量波动的外来因素引起被控变量波动的外来因素“干扰作用干扰作用”（扰动作用），用（扰动作用），用f表示。表示。 自动控制系统中的常用术语自动控制系统中的常用术语(frequently used terms)：被控对象被控对象 (controlled objects)：控制系统中，工艺参数需要：控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器（或它们的某个部分）。控制的生产过程、设备或机器（或它们的某个部分）。被控变量被控变量 (co

18、ntrolled variable)：y，被控对象内要保持设定被控对象内要保持设定数值的工艺参数。数值的工艺参数。操纵变量操纵变量 (operation variable)：q，受控制器操纵，用来克受控制器操纵，用来克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的变量。服干扰的影响，使被控变量保持设定值的变量。操纵介质操纵介质 (operation medium)：实现控制作用的物质，如：实现控制作用的物质，如流体等。流体等。扰扰 动动 量量 (disturbance variable)：f，除操纵变量外，作用于除操纵变量外，作用于被控对象，并引起被控变量变化的因素。被控对象，并引起被控变量变化的因素。

19、 自动控制系统中的常用术语：自动控制系统中的常用术语：设定值设定值 (set value)：x，被控变量的预定值。被控变量的预定值。偏偏 差差 (deviation)：e，被控变量的设定值与测量值之差。被控变量的设定值与测量值之差。 反反 馈馈 (feedback)：z，系统输出信号重新返回输入端，系统输出信号重新返回输入端，称为反馈。称为反馈。正反馈正反馈 (positive feedback)：反馈信号取正值进入比较反馈信号取正值进入比较器为器为正反馈正反馈，反馈信号取负值进入比较器为，反馈信号取负值进入比较器为负反馈负反馈。（自动控制系统一般取负）（自动控制系统一般取负）闭环系统闭环系统

20、 (closed circuit system)：控制系统中，信号传控制系统中，信号传递过程最终能形成回路的系统称为闭环系统，否则为开递过程最终能形成回路的系统称为闭环系统，否则为开环系统。环系统。4 4、方块图注意事项、方块图注意事项 同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统。同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统。 方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。 方块之间的连接线只代表方块之间的连接线只代表信号联系信号联系，而不代表物，而不代表物料的联系。料的联系。 箭头方向代表箭头方向代表信号作用的方向信号作用的方向，而不代表物料流，而不代表物料流

21、动的方向。（动的方向。（两者可以不一致两者可以不一致） 闭环系统，方块图的信号传递关系，形成回路。闭环系统，方块图的信号传递关系，形成回路。 反馈与负反馈。反馈与负反馈。( (自动控制系统中都采用负反馈自动控制系统中都采用负反馈) ) 思考题思考题2 2：为什么自动控制系统中都采用负反馈？为什么自动控制系统中都采用负反馈？0 5 5、工艺管道及控制流程图、工艺管道及控制流程图根据工艺设计给出的流程图，按顺序标出相应的根据工艺设计给出的流程图，按顺序标出相应的测量测量点点、控制点控制点、控制系统控制系统及及自动信号与联锁保护自动信号与联锁保护等，形等，形成工艺管道及控制流程图成工艺管道及控制流程

22、图(Piping and Instrumentation Diagram, P&ID)。2 2、图形符号、图形符号：反映控制系统的各种符号。反映控制系统的各种符号。 测量点测量点 ， 连接线连接线(细实线细实线)，仪表符号，仪表符号； 注注：仪表安装位置不同，则仪表的图形符号不同。仪表安装位置不同，则仪表的图形符号不同。C2脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图 3 3、字母代号、字母代号（见表见表1-2） 在表示仪表圆圈的上半圆内，有多个字母，表示在表示仪表圆圈的上半圆内，有多个字母，表示被测变量和仪表功能。被测变量和仪表功能。 4 4、仪表位号、仪表位号 构成

23、控制回路的每一个仪表都有自己的位号。由字母构成控制回路的每一个仪表都有自己的位号。由字母代号组合和数字编号组成。字母代号写在上部，数字代号代号组合和数字编号组成。字母代号写在上部，数字代号写在下半部写在下半部( (工段号和仪表序号工段号和仪表序号) )。 PIC207提问提问：LIC-201 ？LICA-202 ？ TRC-210 ？207 207 表示第二工段，表示第二工段，0707号仪表号仪表P P 测压力，测压力，I I 指示，指示， C C 控制功能控制功能 （具有指示功能的压力控制器具有指示功能的压力控制器） 根据被控变量分类根据被控变量分类温度，压力，流量，液位等；温度，压力，流量

24、，液位等； 根据控制器的控制规律分类根据控制器的控制规律分类比例，比例积分，比例微分，比例，比例积分，比例微分，比例积分微分等；比例积分微分等； 根据工艺过程中被控变量给定值变化方式分类：根据工艺过程中被控变量给定值变化方式分类： 1 1）定值控制系统（化工生产中主要控制方式）定值控制系统（化工生产中主要控制方式） 要求被控变量保持在给定值不变。要求被控变量保持在给定值不变。 2 2）随动控制系统）随动控制系统( (自动跟踪系统自动跟踪系统) ) 控制工艺参数迅速跟随给定值的控制工艺参数迅速跟随给定值的 变化而变化。（如天线接收系统，两种液体比值）变化而变化。（如天线接收系统，两种液体比值）

25、3 3）程序控制系统）程序控制系统( (顺序控制系统顺序控制系统) ) 控制参数按预定的时间函数变化（升温控制系统）控制参数按预定的时间函数变化（升温控制系统）第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 Controlled variabletemperature, pressure, flow, solution level etc. Control law of controllerproportion, proportion integration, proportion differential, proportion integration differential (PID

26、) etc.Section 3 classification of auto control system Set value variation of controlled variable in the chemical process 1）Fixed set point control system (major control mode in chemical process) require no change of set value of controlled variable. 2）Following control system (auto tracking system)

27、controlled parameters changed with set value quickly. (e.g. antenna receiver, ratio of two liquid) 3）Programmable control system (sequence control system) control parameters changed with the time (temperature rising control system)一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态 (static and dynamic) 1. 控制系统的静态（信号变化率为零）控制系统

28、的静态（信号变化率为零） 被控变量不随时间变化的被控变量不随时间变化的平衡状态平衡状态(equilibrium state)称为静态；生产还在进行，物料和能量仍有进出，只是平称为静态；生产还在进行，物料和能量仍有进出，只是平衡不变而已。衡不变而已。 2. 控制系统的动态控制系统的动态 系统的各环节和信号处于系统的各环节和信号处于变动状态变动状态(variation state)中，中，并力图使各参数保持在给定的数值。并力图使各参数保持在给定的数值。 控制系统的目的控制系统的目的：将被控量保持在给定值上。将被控量保持在给定值上。 自控系统的重点是研究系统的动态自控系统的重点是研究系统的动态第四节

29、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二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程 (transient process) 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 系统平衡状态受到干扰后，由一种平衡状态过渡到系统平衡状态受到干扰后，由一种平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为另一个平衡状态的过程称为过渡过程过渡过程。 过渡过程的干扰作用过渡过程的干扰作用 在干扰作用下，系统的各环节和信号处于变动状态在干扰作用下，系统的各环节和信号处于变动状态中，而过渡过程的作用是力图使各参数在干扰作用后，继中，而过渡过程的作用是力图使各参数在干扰作用后，继续保持在给定的数值。续

30、保持在给定的数值。 被控变量随时间的变化规律取决于作用在系统上的干扰被控变量随时间的变化规律取决于作用在系统上的干扰的形式，所以干扰的形式非常重要。的形式，所以干扰的形式非常重要。 阶跃干扰阶跃干扰 (step disturbance)-分析设计控制系统分析设计控制系统常使用的干扰形式常使用的干扰形式 干扰的形式较多，如阶跃干扰、斜坡干扰干扰的形式较多，如阶跃干扰、斜坡干扰 (slope disturbance)、抛物线干扰、抛物线干扰 (parabola disturbance)、脉、脉冲干扰冲干扰 (pulse disturbance) 等。等。在研究控制系统时，常用在研究控制系统时，常用

31、阶跃阶跃干扰干扰；因为阶跃干扰具有突发；因为阶跃干扰具有突发性，持续时间长，影响大，且性，持续时间长，影响大，且数学表示简便，容易实现，便数学表示简便，容易实现，便于分析、实验和计算。于分析、实验和计算。0t0时间时间 t 干扰干扰 阶跃干扰下的过渡形式有四种基本形式：阶跃干扰下的过渡形式有四种基本形式： (1)非周期衰减过程非周期衰减过程(2) 衰减振荡过程衰减振荡过程(3) 等幅振荡过程等幅振荡过程(4)发散振荡过程发散振荡过程 非周期衰减过程（非周期衰减过程（稳定过程但缓慢稳定过程但缓慢） Aperiodic damp process 被控变量在给定值的某一侧缓慢变化，最后稳定在某被控变

32、量在给定值的某一侧缓慢变化，最后稳定在某一值上。一值上。b) 衰减振荡过程（衰减振荡过程（稳定过程稳定过程） Damped oscillation process 被控变量上下波动，幅度渐小，最后稳定某值。被控变量上下波动，幅度渐小，最后稳定某值。c) 等等幅振荡过程（幅振荡过程（临界临界不稳定过程不稳定过程） Undamped oscillation process 被控变量在给定值附近来回波动，幅度不变。被控变量在给定值附近来回波动，幅度不变。d) 发散振荡过程发散振荡过程 （不稳定过程不稳定过程） Diverging oscillation process 被控变量来回波动，幅度加大，远

33、离给定值。被控变量来回波动，幅度加大，远离给定值。 三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标过渡过程（恢复平衡的过程）是衡量系统品质的依据，过渡过程（恢复平衡的过程）是衡量系统品质的依据，而而衰减振荡过程衰减振荡过程是控制系统希望得到的过程，所以用它是控制系统希望得到的过程，所以用它讨论品质指标讨论品质指标 。 y图图1-10 过度过程品质指标示意图过度过程品质指标示意图 1、最大偏差和超调量最大偏差和超调量 (largest deviation and overshoot) 第一个峰值第一个峰值 A为最大编差；为最大编差；A与新稳定值与新稳定值C之差之差 B为超为超调量。要限制最大偏差。调量。要限制最大偏差。2、衰减比衰减比 attenuation ratio (表示为表示为 n:1，n一一般为般为 410) 衰减程度的指标，为前后相邻两个