自动化仪表及过程控制1

第一章绪论■本章提要.过程掌握系统的基本概念.过程掌握的进展概况.过程掌握系统的组成.过程掌握的特点及分类.衡量过程掌握系统的质量指标■授课内容第一节过程掌握的进展概况.基本概念令过程掌握系统-----指自动掌握系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值（氢离子浓度）等这样一些过程变量时的系统。（P3）令过程掌握-----指工业部门生产过程的自动化。（P3）.过程掌握的重要性•进入90年月以来自动化技术进展很快，是重要的高科技技术。过程掌握是自动化技术的重要组成局部。在现代工业生产过程自动化电过程掌握技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节省能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。.过程掌握的进展概况19世纪40年月前后（手工阶段）:手工操作状态，凭阅历人工掌握生产过程,劳动生产率很低。19世纪50年月前后（仪表化与局部自动化阶段）:过程掌握进展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和掌握仪表采纳基地式仪表和局部单元组合仪表（多数是气动仪表）；过程掌握系统结构-—一一单输入、单输出系统；被控参数—温度、压力、流量和液位参数；掌握目的——保持这些参数的稳定，消退或者削减对生产过程的主要扰动；理论一--频率法和根轨迹法的经典掌握理论，解决单输入单输出的定值掌握系统的分析和综合问题。19世纪60年月（综合自动化阶段）：过程掌握进展的其次个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中掌握。主要特点：检测和掌握仪表--采纳单元组合仪表（气动、电动）和组装仪表，计算机掌握系统的应用，实现直接数字掌握（DDC）和设定值掌握（SPC）；过程掌握系统结构------多变量系统，各种简单掌握系统，如串级、比值、匀称掌握、前馈、选择性掌握系统；掌握目的……提高掌握质量或实现特殊要求；理论-一除经典掌握理论，现代掌握理论开头应用。。前馈掌握---按扰动来掌握，在扰动可测的状况下，可以地提高掌握质量。令选择性掌握一--在生产过程遇到不正常工况或被控量到达平安极限事，自动实现的保护性掌握。19世纪70年月以来（全盘自动化阶段）：进展到现代过程掌握的新阶段，这是过程掌握进展的第三个阶段。主要特点：检测和掌握仪表--新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程掌握系统结构——由单一多变量系统，由PID掌握规律一►特殊掌握规律，由定值掌握一►最优掌握、自适应掌握，由仪表掌握系统—智能化计算机分布式掌握系统；理论--现代掌握理论—过程掌握领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估量，最优滤波与预报。.集散掌握系统（DCS）。集散掌握系统---是集计算机技术、掌握技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的（生产过程是分散系统），但过程掌握的监视、管理是集中的。优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危急分散，提高了系统的牢靠性，能便利敏捷地实现各种新型的掌握规律与算法，实现最正确管理。集散掌握系统的结构原理框图：集散掌握系统的结构组成：1）过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。2）过程掌握单元：又称基本掌握器，是集散掌握系统的核心。不同的集散掌握系统其差异较大。3）CRT操作站：是集散掌握系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及局部生产管理。4）高速数据通路：实现集散掌握系统各处理机之间数据传送。5）管理（上位）计算机：进行集中管理与最正确掌握，实现信息-掌握-管理一体化。其次节过程掌握系统及其组成.过程掌握系统组成由测量元件、变送器、调整器、调整阀、被控过程等环节构成。一个简洁的过程掌握系统=被控过程+过程检测掌握仪表（测量元件、变送器、调整器和调整阀）.过程掌握系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度掌握系统）过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数.过程掌握系统实例2（PH掌握系统）.过程掌握系统实例3（液位掌握系统）第三节过程掌握的特点及系统分类.过程掌握系统特点系统由过程检测掌握仪表组成被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。掌握方案的多样性通常有单变量掌握系统、多变量掌握系统、常规仪表掌握系统、计算机集散掌握系统、提高掌握品质的掌握系统、实现特定要求的掌握系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、匀称、分程、选择性、大时延、多变量系统，还要介绍高级新型系统（自适应掌握、猜想掌握）以及极可能成为系统主流的集散掌握系统（DCS）o过程掌握的掌握过程多属慢过程，而又多半属参量掌握被控过程具有大惯性、大时延（滞后）等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位（物位）、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动掌握。>定值掌握是过程掌握的一种主要掌握形式如何减小或消退外界扰动对被控量的影响，使被控量能掌握在给定值上，使生产稳定。.过程掌握系统分类>按系统的结构特点分类：反应掌握系统令反应掌握系统---反应掌握系统是依据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最终到达消退或减小偏差的目的，偏差值是掌握的依据。前面的液位掌握系统，就是一反应掌握系统。又称闭环掌握系统。是过程掌握系统中最基本的一种。多回路反应掌握系统。前馈掌握系统令前馈掌握系统••…直接依据扰动量的大小进行工作的，扰动是掌握的依据。不构成闭合回路，故也称为开环掌握系统。由于前馈掌握是一种开环掌握，无法检查掌握的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。前馈一反应掌握系统（复合掌握系统）前馈开环掌握的主要优点:能针对主要扰动快速准时克服对被控量的影响。反应掌握的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能精确地使被控量掌握在给定值上。构成的前馈一反应掌握系统可以提高掌握质量。>按给定值信号的特点分类：定值掌握系统系统被控量（温度、压力、流量、液位、成分等）的给定值保持在某肯定值（或在某一很小范围内不变）中。例如前述的例子就是定值掌握系统。系统的输入信号是扰动信号。随动掌握系统令随动掌握系统.•…被控量的给定值随时间任意地变化的掌握系统。作用：克服一切扰动，使被控量准时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程掌握，掌握系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动掌握空气量的大小从而保证到达最正确燃烧。程序掌握系统令程序掌握系统-----被控量的给定值是按预定的时间程序而变化的。掌握的目的：使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度掌握系统。第四节衡量过程掌握系统的质量指标掌握性能良好：在受到外来干扰作用或给定值发生变化后，应平稳、快速、精确地回复（或趋近）到给定值上。评价掌握性能好坏的质量指标。依据工业生产过程对掌握的实际要求来确定。通常采纳的两种质量指标：1.系统过渡过程的质量指标>余差（静态偏差）C系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个精确性的重要指标，是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。衰减比n或衰减率力衰减比n一一指振荡过程的第一个波的振幅与其次个波的振幅之比，即孔=0,衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。n<lB表示系统是不稳定的，振幅愈来愈大。n=l表示为等幅振荡。n=4表示系统为4：1的衰减振荡。B-B有时亦用衰减率力（〃=）来表示系统的稳定程度。在工程上，应依据B生产过程的特点来确定合适的力。一般取衰减率g=0.75~0.9»最大偏差A（或超调量。）定值掌握系统:用最大偏差A来衡量被控参数偏离给定值的程度。最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。A=B+C随动掌握系统：常用超调量这个指标来衡量被控参数偏离给定值的程度。超调y（t）—y（oo）量定义为：’—100%y（oo）A、。都是衡量系统质量的一个重要指标。假设A、。愈大那么表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定允许最大偏差。过渡过程时间tS过渡过程时间ts：表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的±5%或土2%范围内所需的时间。&愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。峰值时间tP峰值时间库是指系统过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间。其大小反映系统响应的灵敏程度。2.误差（偏移）性能指标单项指标来表示掌握系统的质量以外，还可以用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程掌握系统的质量主要看偏差的变化状况。可采纳偏差与时间的某种积分关系作为衡量系统质量的准那么，这就是积分指标。常用有：平方误差积分指标（ISE）；时间乘误差的平方积分指标（ITSE）；误差肯定值积分指标（IAE）；时间乘误差肯定值的积分指标（ITAE）这些值到达最小的系统就是最优的系统。补充内容令过程掌握仪表是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动掌握系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和纪录外，还需送到掌握仪表进行自动掌握，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。由单元组合仪表构成的简洁掌握系统过程掌握仪表的分类按能源形式分类：液动掌握仪表、气动掌握仪表和电动掌握仪表。按结构形式分类：基地式掌握仪表、单元组合式掌握仪表、组件组装式掌握仪表等。［基地式掌握仪表］以指示、纪录仪表为主体，附加某些掌握机构而组成。基地式掌握仪表特点：一般结构比拟简洁、价格廉价.它不仅能对某些工艺变量进行指示或纪录，而已还具有掌握功能，因此它比拟适用于单变量的就地掌握系统。目前常使用的XCT系列动圈式掌握仪表和TA系列简易式调整器即属此类仪表。［单元组合式掌握仪表］将整套仪表划分成能独立实现肯定功能的假设干单元，各单元之间采纳统一信号进行联系。使用时可依据掌握系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、简单程度各异的自动检测和掌握系统。特点：使用敏捷，通用性强，同时，使用、维护更作也很便利。它适用于各种企业的自动掌握。广泛使用的单元组合式掌握仪表有电动单元组合仪表（DDZ型）和气动单元组合仪表（QD2型）。［组件组装式掌握仪表］是一种功能分别、结构组件化的成套仪表（或装置）。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表（或装置）在结构上由掌握柜和操作台组成，掌握柜内安装的是具有各种功能的组件板，采纳高密度安装，结构紧凑。这种掌握仪表（或装置）特殊适用于要求组成各种简单掌握和集中显示操作的大、中型企业的自动掌握系统。其中国产的TF型、MZ—III型以及SPEC200等组装仪表即属此类掌握仪表。按信号形式分类：模拟掌握仪表和数字掌握仪表两大类。其中DDZ型仪表和Q