化工自动化及仪表培训课程

1、化工自动化及仪表课程的重重要性：控制系统统在石油油、化工工、制药药、冶金金、造纸纸等工业业领域的的应用非非常普遍遍。生产产过程中中，对工工艺变量量，有着着一定的的控制要要求。如如：1）精馏塔塔的塔顶顶或塔釜釜温度，在操作作压力不不变的情情况下必必须保持持一定，才能得得到合格格的产品品。2）化学反反应器的的反应温温度必须须保持平平稳，才才能使效效率达到到指标。因此，工工艺技术术人员必必须充分分了解所所用的控控制系统统，以及及控制系系统的特特性。这这样才能能设计出出合理、高效的的生产工工艺。使用常规规仪表的的中央控控制室DCS控制系统统1 自动动控制系系统概述述本章的主主要内容容：1.1自自动化化

2、及仪表表发展概概述1.2自自动控控制系统统1.3控控制系系统过渡渡过程及及品质指指标1.1自自动化化及仪表表发展概概述1.1.1控制理论论的发展展1）经典控控制理论论:20世纪4050年代Nyquist(1932)频域分析析方法Bode图(1945)分析方法法根轨迹(1948)分分析方法法特点：主要从输出与输入量的关系来来分析与与研究问问题。适用范围围：线性定常常的单输输入、单单输出控控制系统统。它是以传传递函数数为基础础，在频频率域对对单输入入单输出出控制系系统进行行分析与与设计。PID控制规律律是经典典控制理理论最辉辉煌的成成果。2）现代控控制理论论:20世纪纪60年年代得到到迅猛发发展。

3、其主要内内容为：线性系统统理论，最优控控制理论论，最佳佳估计理理论，系系统辨识识。特点：从从输入-状状态-输输出的关系，全面地地分析与与研究系系统。适用范围围：不限限于线性性定常系系统，也也适用于于线性时时变，非非线性及及离散系系统，多多输入、多输出出系统。3）大系统统理论:20世纪纪70年年代开始始将现代控控制理论论与系统统理论相相结合形形成大系系统理论论核心思想想：系统的分分解与协协调适用范围围：高维线性性系统1.1.2控制仪表表的发展展1）基地式式：20世纪50年代代，适用用于单回回路2）单元组组合式（按功能能）：DDZ（电动）, QDZ（气动）20世世纪60年代，单元之之间用标准统一一

4、信号联系系3）计算机机：DDC, DCS（20世纪70年代）自动化仪仪表的发发展经历历了如下下过程：模拟仪表表-数字仪表表-智能仪表表。1.1.3当前自动动控制系系统发展展的主要要特点生产装置置实施先先进控制制成为发发展主流流过程优化化受到普普遍关注注DCS正在走向向国际统统一标准准的开放放式系统统综合自动动化系统统（CIPS）是发展方方向1.2自自动控控制系统统1.2.1自动动控制系系统蒸汽汽包省煤器给水图1-1 锅炉汽包示意图手动控制制的步骤骤：(1)观观察液位位数值；(2)把把观察到到的实际际数值与与设定值值加以比比较，根根据偏差差的大小小及变化化情况做做出判断断，并发发布命令令。(3)

5、根根据命令令操作给给水阀，使液位位回到设设定值。蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包包自动控控制系统统加热炉的的温度自自动控制制系统蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图术语被控过程程（被控控对象）：自动控制制系统中中，针对对需要控控制的工工艺参数数的生产产过程（设备或或机器特特性）。被控变量量：被控过程程内需要要控制的的工艺参参数。被控过程程：汽包被控变量量：汽包液位位操纵变量量：受控制器器操纵的的用以克克服干扰扰的影响响，使被被控变量量保持设设定值的的物料量量或能量量。扰动：除操纵变变量外，作用于于被控过过程并引引起被控控变量变变化的因因素。操纵变量量：水的流量量扰动：水压力、蒸汽压压力等

6、蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：工艺参数数所要求求保持的的数值。偏差：被控变量量设定值值与实际际值之差差。负反馈：将被控变变量送回回输入端端并与输输入变量量相减（负反馈馈闭环的的才可以以独立工工作）。蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图加热炉的的温度控控制系统统被控过程程：加热炉被控变量量：物料出口口温度操纵变量量：燃料油流流量扰动：被加热原原料油温温度、燃燃料油热热值等1.2.2闭环环控制与与开环控控制闭环控制制：在反馈控控制系统统中，被被控变量量送回输输入端，与设定定值进行行比较，根据偏偏差控制制被控变变量，这这样，整整个系统统构成了了一个闭闭环。闭环控制制

7、的特点点（优点点）：按偏差差进行控控制，使使偏差减减小或消消除，达达到被控控变量与与设定值值一致的的目的。闭环控制制的缺点点：控制不不够及时时；如果果系统内内部各环环节配合合不当，系统会会引起剧剧烈震荡荡，甚至至会使系系统失去去控制。开环控制制：开环控制制的特点点（优点点）：不需要对对被控变变量进行行测量，只根据据输入信信号进行行控制，控制及时时。开环控制制的缺点点：由于不测测量被控控变量，也不与与设定值值相比较较，所以以系统受受到扰动动作用后后，被控控变量偏偏离设定定值，并并无法消消除偏差差，这是是开环控控制的缺点。开环的液液位控制制系统（按扰扰动控制制，又称称前馈控控制）开环控制制举例1F

8、f FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器给水蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包包开环控控制1.2.3自动动控制系系统的组组成及方方框图（第二二次课）在研究自自动控制制系统时时，为了了更清楚楚的表示示控制系系统各环环节的组组成、特特性和相相互间的的信号联联系，一一般都采采用方框框图。每每个方框框表示组组成系统统的一个个环节，两个方方框之间间用带箭箭头的线线段表示示信号联系；进进入方框框的信号号为环节输入入，离开方框框的为环节输出出。闭环控制制系统组组成检测元件件和变送送器的作用是是把被控控变量c(t)转化为测测量值y(t)。比较机构构的作用是是比较设设定值r(t)与测量值值y(

9、t)并输出其其差值。控制装置置的作用是是根据偏偏差的正正负、大大小及变变化情况况，按某某种预定定的控制制规律给给出控制制作用u(t)。比较机构构和控制制装置通通常组合合在一起起，称为为控制器器。执行器的作用是是接受控控制器送送来的u(t)，相应地去去改变操操纵变量量q(t)。 系统中控控制器以以外的各各部分组组合在一一起，即即过程、执执行器、检测元元件与变变送器的组合称称为广义对象象。闭环控制制系统组组成在分析控控制系统统的工作作过程时时，有几几个很重重要的概概念：（1）信信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等尽管是是实际的的物理量量，但它它们是作作为信息息来转换换和作用用的。图图中的每每

10、一部分分称为一一个环节节，作用用于它的的信息称称为该环环节的输输入信号号，它送送出的信信息称为为输出信信号。前前一环节节的输出出就是后后一环节节的输入入信号。每一环环节的输输出信号号与输入入信号之之间的关关系仅仅仅取决于于该环节节的特性性。从整个系系统来看看，输入入信号：设定值值和扰动动输出信号号：被控控变量、测量值值（2）闭闭环：按信息的的流向来来说（3）动动态：物理量是是时间的的函数、是不断断变化的的。扰动动作用使使被控变变量偏离离设定值值，控制制作用又又使它回回到设定定值。闭环控制制系统组组成1.2.4自自动控制制系统的的分类按设定值值的不同同情况，将自动动控制系系统分为为三类:定值控制

11、制系统、随动控控制系统统、程序序控制系系统。定值控制制系统设定值保保持不变变（为一一恒定值值）的反反馈控制制系统称称为定值值控制系系统。随动控制制系统设定值不不断变化化，且事事先是不不知道的的，并要要求系统统的输出出（被控控变量）随之而而变化。程序控制制系统设定值也也是变化化的，但但它是一一个已知知的时间间函数，即根据据需要按按一定时时间程序序变化1.3自自动控制制系统的的过渡过过程及品品质指标标1.3.1静态态与动态态控制系统统的输入入有设定定作用和和扰动作作用。静态（稳稳态、定定态、平平衡状态态）：当输入入恒定不不变时，整个系系统若能能建立平平衡，系系统中各各个环节节将暂不不动作，它们的的

12、输出都都处于相相对静止止状态。此时输输入与输输出之间间的关系系称为系系统的静静态特性性。动态：由于输入入的变化化，输出出随时间间变化，其间的的关系称称为系统统的动态态特性。从输入入开始，经过控控制直到到再建立立静态，在这段段时间中中，整个个系统的的各个环环节和变变量都处处于变化化的过程程之中，这种状状态称为为动态。1.3.2自动动控制系系统的过过渡过程程当自动控控制系统统的输入入发生变变化后，被控变变量（即即输出）随时间间不断变变化，它它随时间间而变化化的过程程称为系系统的过过渡过程程。也就是系系统从一一个平衡衡状态过过渡到另另一个平平衡状态态的过程程。对于一个个稳定的的系统（所有正正常工作作

13、的反馈馈系统都都是稳定定系统）要分析析其稳定性、准确性性和快速速性，常以阶阶跃作用用为输入入时的被被控变量量的过渡渡过程为为例，因因为阶跃跃作用很很典型，实际上上也经常常遇到，且这类类输入变变化对系系统的影影响是最最严重的的。定值控制制系统过过渡过程程的几种种形式(阶跃扰扰动)发散振荡荡单调发散散等幅振荡荡衰减振荡荡单调衰减减单项控制制指标（仅适用用于衰减减振荡过过程）稳定性、准确性性和快速速性1.3.3自自动控制制系统的的品质指指标综合控制制指标最大动态态偏差或或超调量量是描述述被控变量量偏离设设定值最大程度度的物理理量，是是衡量过过渡过程程稳定性的一个动动态指标标。对于定值值控制系系统，过

14、过渡过程程的最大大动态偏偏差是指指被控变变量第一一个波的的峰值与设设定值之差。在在上图中中，最大大偏差就就是第一一个波的的峰值。为A（1）最最大动态态偏差（emax）或超调量量（）CtyBBA0稳态特性性最大偏差差表示系系统瞬间间偏离给给定值的的最大程程度。若若偏差越越大，偏偏离的时时间越长长，对稳稳定正常常生产越越不利。要求小。特别是对对于一些些有约束束条件的的系统，如化学学反应器器的化合合物爆炸炸极限、触媒烧烧结温度度极限等等，都会对最最大偏差差的允许许值有所所限制。同时考虑虑到干扰扰会不断断出现，当第一一个干扰扰还未清清除时，第二个个干扰可可能又出出现了，偏差有可可能是叠叠加的，所以要要

15、限制最最大偏差差的允许许值。因因此，在决定最最大偏差差的允许许值时，要根据据工艺情情况慎重重选择。在设定作作用下的的控制系系统（随随动控制制系统）中，通通常采用用超调量这个指标标来表示示被控变变量偏离离设定值值的程度度，一般般超调量量以百分分数给出出。A超调量定定义：第一个波波的峰值值与最终终稳态值值之差（即B=A-C）与稳态态值C之比。ytBBC0衰减比是是衡量过过渡过程程稳定性性的动态态指标。定义：第第一个波波的振幅幅与同方方向第二二个波的的振幅之之比。（2）衰衰减比n衰减比nCtyBBA0稳态特性性衰减比nn1:衰减振荡荡。n越大，则则控制系系统的稳稳定度也也越高，当n趋于无穷穷大时，控

16、制系系统的过过渡过程程接近于于非振荡荡过程。n=1:等幅振荡荡。n1:发散振荡荡。n越小，意意味着控控制系统统的振荡荡过程越越剧烈，稳定度度也越低低，根据实际际操作经经验，为保持足足够的稳稳定裕度度，一般般希望过过渡过程程有两个个波左右右，与此对对应的衰减比在在4:1到10:1的的范围内。衰减率：衰减比4:1衰减率0.75衰减比10:1衰减率0.90CtyBBA0稳态特性性（3）余余差定义：控控制系统统过渡过过程终了了时设定定值与被被控变量量稳态值值之差。余差是反反映控制制准确性的一个重重要稳态态指标，一般希希望其为为零，或或不超过过预定的的范围。上图中，在控制系系统中，对余差的的要求取取决于

17、生生产过程程的要求求，并不不是越小小越好。例如储储槽液位位，余差差可大一一些；化化学反应应器的温温度控制制要求高高，余差差就要小小一些。CtyBBA0稳态特性性（4）回回复时间间（过渡渡时间）回复时间间表示控控制系统统过渡过过程的长长短。定义：控控制系统统在受到到阶跃外外作用后后，被控控变量从从原有稳稳态值达达到新的的稳态值值所需要要的时间间。理论上讲讲，控制制系统要要完全达达到新的的平衡状状态需要要无限长长的时间间。CtyBBA0稳态特性性实际上，被控变量量接近于于新稳态态值的或或或或的的范范围内且且不再越越出时为为止所经经历的时时间，可可计为过过渡时间间。一般般希望过渡渡时间短短一些。yt

18、BB5%A0Ts（5）振振荡频率率（或振振荡周期期）在衰减比比相同条条件下，周期与与过渡时时间成正正比；振振荡频率率与回复复时间成成反比。定义：过过渡过程程同向两两波峰之之间的时时间间隔隔称为振振荡周期期或工作作周期。其倒数数称为振振荡频率率。其它一些些次要指指标：振荡次数数：是指在过过渡过程程内被控控变量振振荡的次次数。“理想过渡渡过程两两个波”：是指过渡渡过程振振荡两次次就能稳稳定下来来。上升时间间：是指干扰扰开始作作用起到到第一个个波峰所所需要的的时间。CtyBBA0稳态特性性总结：主要指标标有：最大偏差差、衰减减比、余余差、过过渡时间间。在实际的的系统中中如何确确定这些些指标，要根据据实际情情况来定定。原则：对对生产过过程有决决定性意意义的主主要品质质指标