化工仪表及自动化原理第一章自动控制系统基本概念

1、内容提要 化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及表示形式基本组成方块图 工艺管道及控制流程图图形符号字母代号仪表位号 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的静态与动态控制系统的过渡过程控制系统的品质指标影响控制系统过渡过程品质的主要因素1第一节 化工自动化的主要内容1. 自动检测系统2. 自动信号和联锁保护系统3. 自动操纵及自动开停车系统4. 自动控制系统3第一节 化工自动化的主要内容1. 自动检测系统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录，起到人的眼睛的作用。图1-1 热交换器自动检

2、测系统示意图2. 自动信号和联锁保护系统 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。 3. 自动操纵及自动开停车系统 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。自动开停车系统可以按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。 4. 自动控制系统 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内。

3、第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式 4图1-2 人工操作图图1-3 液位自动控制系统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现代化生产的需要第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式 一、自动控制系统的组成5组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式二、自动控制系统的表示形式1、方块图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。下页图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输

4、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。6方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；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。第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式液位自动控制的方块图图1-5 液位自动控制系统方块图7几个常用术语 ：（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。（3）控制变量（操纵变量） 受执行器控制，

5、用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。 （4）干扰（扰动） 除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。（5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）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。第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式其他控制系统 用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统图1-6 蒸汽加热器温度控制系统 当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出

6、送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。 这个控制系统同样可以用上页中的方块图表示8P6图1-6 蒸汽加热器温度控制系统：（1）被控对象-蒸汽加热器（2）被控变量-出口物料的温度（3）控制变量（操纵变量）-加热蒸汽量（4）干扰（扰动）作用 -进料流量、进料温度的变化 、加热蒸汽压力的变化、加热器内部传热系数的变化、环境温度的变化（5）操纵介质（操纵剂）-加热蒸汽1.方块图注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。9方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，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，与工艺流程图上的物料线是不同的。工艺

7、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，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统是一个闭环系统1.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举例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对象操纵作用工艺参数操纵指令1.方块图小结开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。比较闭环系统：有

8、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。11设定器控制器被控对象扰动被控量设定器被控过程传感器控制器开环控制系统：闭环控制系统 :2.管道及仪表流程图 工艺流程和控制方案的确定后，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、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图 （PID图）。 Piping and Instrumention Diagram,P&ID 管道及仪表流程图3334图1-8脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图 举例2.管道

9、及仪表流程图(1)、图形符号a. 测量点（包括检出元件、取样点）35 测量点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，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。图1-13 测试点的一般表示方法2.管道及仪表流程图(1)、图形符号b. 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、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 联接线的表示法(1)、图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置

10、的图形符号如下表所示。 37c. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号第五节 工艺管道及控制流程图38序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表2集中仪表盘面安装仪表 5就地仪表盘后安装仪表3就地仪表盘面安装仪表表1-1 仪表安装位置的图形符号表示2.管道及仪表流程图第五节 工艺管道及控制流程图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一图纸上），如下图所示。图1-11 复式仪表的表示法2.管道及仪表流程图第五节 工艺管道及控制流程

11、图(2) 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，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，常用字母代号见下表。402.管道及仪表流程图字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置差比（分数）积分、累积安全报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器积分、累积记录或打印开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、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4142举例以

12、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。 塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC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持塔压稳定的。 (2) 字母代号 回流罐液位控制系统中的LIC-201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持回流罐中液位稳定的。 塔下部的温度控制系统中的TRC-210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汽量来维持塔底温度恒定的。 塔底的液位控制

13、系统中的LICA-202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塔釜液位稳定的。 43(2) 字母代号(3) 仪表位号44 仪表位号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，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。 举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示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2，仪表序号为06。 2.管道及仪表流程图第三节 自动控制系统的分类几种分类方法（一）按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；（二）按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例

14、积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；（三）将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值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控制系统。12其中第三种分类方法最普遍第三节 自动控制系统的分类 “定值” 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，就需要采用定值控制系统。131.定值控制方法2.随动控制系统（自动跟踪系统） 给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。第三节 自动控制系统的分类3.程序控制系统（顺

15、序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。14第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标 一、控制系统的静态与动态15自动控制目的：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）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。第四节 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、控制阀都不改变其原先的状

16、态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。 16第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标17动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，经过控制，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信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。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 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系统由一个平衡

17、状态过渡到另一个平衡状态的过程。 18当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例图1-7 控制系统方块图 动态被控变量随时间变化的不平衡状态。 如果系统原来处于相对平衡状态（静态），当出现干扰使被控变量发生变化，此时控制系统发生作用，调节器根据偏差及其偏差的变化情况，改变调节器输出，再经执行器改变操纵变量，使被控变量重新回到设定值来，这么一个从干扰发生、系统控制、直到重新建立平衡的过程称为“动态”过程。 工艺设计主要围绕系统“静态”特性开展工作，自动控制是在“静态”特性基础上研究其“动态”特性当系统失去平衡以后，如何使系统重新回到平衡状态。

18、如何来评价自控系统的质量？ 必须分析“系统失稳以后能否重新回到平衡状态”、“从系统失稳到重新回到平衡状态”这个过程的各种指标。 第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标系统在过渡过程中，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形式。在生产中，出现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，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。 19第四节 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： 这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克

19、服比较缓和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。图1-8 阶跃干扰作用20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非周期衰减过程衰减震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程X？对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。 第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标三、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。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

20、荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。第四节 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一1. 最大偏差A或超调量B 最大偏差A 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B 也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。 B=A-C第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标2. 衰减比 B/B 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为410之间为宜。五种重要品质

21、指标之二24第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标3. 余差 C 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，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。 25五种重要品质指标之三第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标4. 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）。 2

22、6五种重要品质指标之四第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标5.震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，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。27五种重要品质指标之五自动控制系统希望的结果：最大偏差（超调量）？衰减比？余差？过渡时间？振荡周期？答：越小越好n1等幅振荡 n1发散振荡 n1衰减振荡 不振荡 为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；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振荡：不便于操作人员掌握。 答：越小越好答：越小越好答：短好自动控制系统性能要求五个字：稳、准、快、壮、省稳： 扰动下不发散准： 与设定值的偏差小快： 用最少的时间达到要求壮： 适应宽范围工况省： 控制能量最省，波动小，效率高第四节 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、振荡周期和过渡时间（给定值为200）。举例图1-11 温度控