化工仪表自动化第一章

1、 课程教材课程教材【化工仪表及自动化化工仪表及自动化】. . 机械工业出版社，机械工业出版社，20112011年第五版年第五版厉玉鸣厉玉鸣 主编主编 学习本课程的重要性学习本课程的重要性自动自动控制系统控制系统在化工领域的应用很在化工领域的应用很普遍，比如：炼油厂、化肥厂、制药厂、普遍，比如：炼油厂、化肥厂、制药厂、盐化工等等。盐化工等等。 工艺工艺人员应该人员应该充分了解所用的控制充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性。这样才能系统，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。设计出合理、高效的生产工艺。 课程特点课程特点课程内容涵面广课程内容涵面广自动控制原理自动控制原理检

2、测技术检测技术过程控制仪表及装置过程控制仪表及装置计算机控制技术计算机控制技术是一门综合性的技术是一门综合性的技术课程课程。 1.1.加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量2.2.减轻劳动强度、改善劳动条件减轻劳动强度、改善劳动条件3.3.保证生产安全、防止事故发生或扩大保证生产安全、防止事故发生或扩大 实现化工自动化的主要目的：实现化工自动化的主要目的：自动控制系统基本概念1.1 1.1 自动控制系统的发展自动控制系统的发展企业管理企业管理办公自动化办公自动化农业生产农业生产农业自动化农业自动化化工工业化工工业自动化自动化冶金工业冶金工业

3、冶炼自动化冶炼自动化车辆工程车辆工程车辆控制车辆控制船舶工程船舶工程船舶控制船舶控制楼宇自动楼宇自动控制控制交通智能交通智能控制系统控制系统航空航天工程飞行器航空航天工程飞行器制导、导航与控制制导、导航与控制机械加工机械加工机械制造自动化机械制造自动化电力系统电力系统电力系统自动化电力系统自动化自动控制与自动化技术的典型应用领域自动控制与自动化技术的典型应用领域2020世纪世纪4040年代以前年代以前手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。2020世纪世纪4040年代末年代末5050年代年代控制系统：控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统；

4、多为单输入、单输出简单控制系统；自动化仪表：自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表 （气动（气动型和电动型和电动型）；型）；1.1 1.1 自动控制系统的发展自动控制系统的发展2020世纪世纪6060年代年代控制系统：控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。复杂控制系统。自动化仪表：自动化仪表：单元组合仪表（气动单元组合仪表（气动型和电动型和电动型）型）成为主流产品。成为主流产品。6060年代后期，出现了专门用于自动控年代后期，出现了专门用于自动控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控

5、制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于自动控制领域。制系统开始应用于自动控制领域。1.1 1.1 自动控制系统的发展自动控制系统的发展2020世纪世纪70708080年代年代控制系统：最优控制、自适应控制、解耦控制、控制系统：最优控制、自适应控制、解耦控制、 模糊控制等。模糊控制等。自动化仪表：电动自动化仪表：电动型，以微处理器为主要构成单型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（元的智能控制装置。集散控制系统（DCSDCS）、可）、可编程逻辑控制器编程逻辑控制器 (PLC) (PLC) 、工业、工业PCPC机、和数字控机、和数字控制器等，已成为控制装置

6、的主流。制器等，已成为控制装置的主流。1.1 1.1 自动控制系统的发展自动控制系统的发展 是以是以 0.14MPa0.14MPa压缩空气为能源压缩空气为能源, ,各单元之间以统各单元之间以统一的一的 0.020.020.1MPa0.1MPa气压标准信号相联系仪表。气压标准信号相联系仪表。： DDZ-DDZ-型型电子管器件为主要器件电子管器件为主要器件 DDZ-DDZ-型型晶体管等分立元件为主要器件晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-DDZ-型型线性集成电路作为核心器件线性集成电路作为核心器件2020世纪世纪9090年代至今年代至今：随着信息技术飞速发展随着信息技术飞速发展控制系统：控制系统：

7、管控一体化、综合自动化是当今生产过管控一体化、综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。如计算机集成制造系统程控制的发展方向。如计算机集成制造系统CIMSCIMS。自动化仪表：自动化仪表：总线控制系统的出现，引起过程控制系总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。如各种智能仪表、变送器等。控制系统。如各种智能仪表、变送器等。1.1 1.1 自动控制系统的发展自动控制系统的发展1.2 1.2 化工自动化的主要内容化工自动化

8、的主要内容 1 1、自动检测系统、自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。温度自动检测系统温度自动检测系统1.2 1.2 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 2 2、自动信号和联锁保护系统、自动信号和联锁保护系统自动信号系统自动信号系统当工艺参数超出要求范围，自当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号。动发出声光信号。联锁保护系统联锁保护系统达到危险状态，打开安全阀或达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车。切断某些通路，必要时紧急停车。液位自动控制系统液位自动控制系统3 3、自动操纵及自动开停车系统、自

9、动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设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。备进行某种周期性操作。自动开停车系统：自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自按预先规定好的步骤将生产过程自 动的投入运行或自动停车。动的投入运行或自动停车。1.2 1.2 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 例：液体混合装置的控制例：液体混合装置的控制控制要求：控制要求：按下启动按钮，按下启动按钮， 电磁阀电磁阀YV1YV1打开，打开，液体液体A A流入容器，流入容器，SLISLI变为变为“1 1”时，时，关闭关闭YV1YV1，打开打开YV2,

10、YV2,液体液体B B流入容器，流入容器，当液面到达当液面到达SLHSLH时，关闭时，关闭YV2,YV2,电机电机M M开始运行，搅拌液体，开始运行，搅拌液体，6 6S S后停止搅后停止搅拌，打开拌，打开YV3YV3，放出混合液体。当液放出混合液体。当液面降至面降至SLLSLL之后，再过之后，再过2 2S S容器放空，容器放空，关闭关闭YV3YV3，开始下一周期的操作，开始下一周期的操作，按按下停止按钮下停止按钮，停止操作。，停止操作。1.2 1.2 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容 4 4、自动控制系统、自动控制系统 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进利用自动控制装置对生产中某

11、些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。正常状态时，能自动的回到规定范围。 1.3 1.3 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及表示形式 1 1、自动控制系统的基本组成、自动控制系统的基本组成（1 1）测量元件与变送器）测量元件与变送器 检测被控制的物理量（如液位）并将其转化为特定的、检测被控制的物理量（如液位）并将其转化为特定的、统一的输出信号。统一的输出信号。（2 2）控制器）控制器 将设定值（需保持的液位）与测量信号进行比较，将设定值（需保持的液位）与测量信号进行比较，求出

12、它们之间的偏差求出它们之间的偏差, ,然后按照预先选定的控制规律进然后按照预先选定的控制规律进行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置。行计算并将计算结果作为控制信号送给执行装置。1.3 1.3 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及表示形式 （3 3）执行器）执行器 通常指调节阀，其作用是接受控制器的输出信号，通常指调节阀，其作用是接受控制器的输出信号，改变阀门的开度，直接作用被控对象使被控变量发生改变阀门的开度，直接作用被控对象使被控变量发生变化。变化。1.3 1.3 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及表示形式 1.3 1.3 自动控制系统的基本组

13、成及表示形式自动控制系统的基本组成及表示形式 2 2、自动控制系统的表示形式、自动控制系统的表示形式 带有输入输出信号的方框带有输入输出信号的方框 比较点比较点 分支点分支点 1.3 1.3 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及表示形式 通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端。通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端。对象对象热交换温度控制系统热交换温度控制系统TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF , Tiu(t)1.3 1.3 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及表示形式 e=x-z e=x-z 什么是什么是1.3 1.3 自

14、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及表示形式 v开环系统：开环系统：结构简单，稳定性好，容易设计和结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。效的控制方式。v闭环系统：闭环系统：由于增加了检测装置和反馈环节，由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响。稳定

15、性产生不利影响。1.3 1.3 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及表示形式 根据设定值分为根据设定值分为定值控制定值控制系统，系统，随动控制随动控制系统和系统和程序控制程序控制系统。系统。1 1、定值控制系统、定值控制系统 特点特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。 作用作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 2 2、随动、随动控制系统控制系统 特点特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称

16、为随动设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。控制系统。 作用作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化。以一定的精度跟随设定值的变化而变化。1.4 1.4 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、程序控制系统特点：特点：设设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数。定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。况，其分析研究方法与随动控制系统相同。作用作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化。以一定的精度跟随设定值的变化而变化。1.4

17、 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1 1、控制系统的静态和动态、控制系统的静态和动态静态：被控量不随时间而变化的平衡状态。静态：被控量不随时间而变化的平衡状态。动态：被控量随时间而变化的不平衡状态。动态：被控量随时间而变化的不平衡状态。1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 u设液位设液位h h为被控量。为被控量。u当当Q Qi i=Q=Qo o时，时，h h保持不变；保持不变；u当有扰动使当有扰动使Q Qi i变化时，液位变化，到变化时，液位变化，到 达新的液位达新的液位h h1 1后又平衡下来。后又平衡下来。2 2、控制系统的过渡过程

18、、控制系统的过渡过程1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 典型输入信号典型输入信号 阶跃信号阶跃信号A 0 t0 t0 )(tr特特 点点1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式：在阶跃信号作用下，被控变量随时间的变化有以下几种形式：y t t y t y t y t y t 1.1.发散振荡过程发散振荡过程曲线所示曲线所示5.5.非振荡发散过程非振荡发散过程曲线所示曲线所示3.3.等幅振荡过程等幅振荡过程曲线所示曲线所示4.4.衰减振荡过程衰减振荡过程曲线

19、所示曲线所示2.2.非振荡衰减过程非振荡衰减过程曲线所示曲线所示1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 3 3、控制系统的品质指标、控制系统的品质指标 通常以阶跃响应来衡量系统控制性能的优劣和定义通常以阶跃响应来衡量系统控制性能的优劣和定义瞬态过程的时域性能指标。瞬态过程的时域性能指标。1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 1）最大偏差或超调量）最

20、大偏差或超调量%100)()(%maxyyyB式中：式中： -输出响应的最大值；输出响应的最大值；maxy)(lim)(tyyt-稳态值；稳态值；2）衰减比）衰减比表示过渡过程衰减的程度。表示过渡过程衰减的程度。B:B,=n:1取取n=4 10为宜。为宜。 超调量超调量最大偏差指被控量偏离给定值的最大值。最大偏差指被控量偏离给定值的最大值。1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 3 3）调节时间或过渡时间）调节时间或过渡时间 从扰动作用开始，直到被控量从扰动作用开始，直到被控量 和和 之间的之间的误差误差达到达到规定的范围规定的范围之内之内比如比如 或

21、或 ，且且以后不再以后不再超出超出此范围此范围的最小的最小时间时间ts称为称为调节时间调节时间。即。即当当 ，有有：)(ty)(y)(%5y)(%2ystt 52),(%| )()(|或yyty1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 4 4）余差）余差 当过渡过程结束时，被控变量所达到的新稳态值与给当过渡过程结束时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之间的偏差叫余定值之间的偏差叫余差，用差，用C C表示，可正可负。即：表示，可正可负。即：)(0ty)()(0tyyC1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 5 5）

22、振荡周期或频率）振荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振振荡周期或工作荡周期或工作周期周期T T，其倒数称为振荡频率。其倒数称为振荡频率。过渡过程的品质指标主要有：过渡过程的品质指标主要有：1.5 1.5 自动控制系统的过渡过程与品质指标自动控制系统的过渡过程与品质指标 l最大偏差最大偏差A A（超调量（超调量B B）l衰减比衰减比B:BB:Bl调节时间调节时间tsts （过渡时间）（过渡时间）l余差余差C Cl振荡周期振荡周期T T 问答题问答题 问答题问答题 问答题问答题解：解：1 1、最大偏差：、最大偏差：A A23020

23、023020030 30 2 2、余差、余差C C20520020520055 3 3、第一个波峰值、第一个波峰值B B2302052302052525 第二个波峰值第二个波峰值BB21020521020555 衰减比衰减比n n2525：5 55 5：l l。 4 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T T20520515(min)15(min) 5 5、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、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 2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为就

24、可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200200( (2 2) )44，这时，可，这时，可在新稳态值在新稳态值(205)(205)两侧以宽度为两侧以宽度为44画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，画一区域，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，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为图上可以看出，过渡时间为22min22min。 49 基地式仪表基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相

25、互沟通，操作人员只能通过，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰）巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰） 单元组合仪表单元组合仪表智智 能能 仪仪 表表仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。输和模拟信号传输两种功能。 现场总线仪表现场总线仪表 简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。 随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统仪表，出现了集中控制室。生产现