化工自动化及仪表概述

化工自动化及仪表华东理工大学信息学院自动化系学习这门课的必要性：1、自动控制系统应用非常普遍用在国民生活的各个方面，化工领域的应用更加普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程、涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。2、工艺人员应该掌握一定的控制系统的知识

才能设计合理的工艺，充分了解所用的控制系统，以及控制系统的特性，便于使用与维护。早期使用模拟仪表的中央控制室早期的DCS控制系统现在的DCS控制系统该课程的内容1、自动控制系统概述2、过程特性3、检测变送4、显示仪表5、执行器6、控制器7、自动控制系统的设计8、复杂控制系统9、计算机控制系统1自动控制系统概述本章的主要内容：1.1自动化及仪表发展概述1.2自动控制系统1.3控制系统过渡过程及品质指标1.1自动化及仪表发展概述控制理论的发展经典控制理论:20世纪40年代～20世纪50年代Nyquist(1932)频域分析技术Bode(1945)图根轨迹分析方法(1948)特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究问题。适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展其主要内容为：（基础）线性系统理论，最优控制理论，最佳估计理论，系统辨识等。特点：从输入-状态-输出的关系全面地分析与研究系统。适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线形时变，非线性及离散系统，多输入、多输出的情况。大系统理理论: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智能控制制理论:不需要建建立被控控对象的的数学模模型核心思想想：系统的分分解与协协调适用范围围：高维线性性系统控制系统统结构及及仪表的的发展控制系统统结构的的发展基地式：20世世纪50年代，，适用于于单回路路（就地地式液位位控制器器及自力力式温度度控制器器）单元组合合式（按功能能划分，，然后组组合）：：有DDZ,QDZ，20世纪60年代，，仪表之之间用标准统一一信号联系系计算机：DDC,20世纪纪70年年代DCS（集散控控制系统统）先进控制制和优化化控制：CIPS、FCS，20世纪80年代以以后自动化仪仪表的发发展模拟仪表表数字仪表表智能仪表表当前自动动控制系系统发展展的一些些主要特特点过程优化化受到普普遍关注注传统的DCS在走向国国际统一一标准的的开放式式系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自动动控制系系统自动控制制的必要要性蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图锅炉设备备的控制制任务主主要是：：根据生产产负荷的的需要，，供应一定定规格（（压力、、温度））的蒸汽汽，同时使锅炉在在安全、、经济的的条件下下运行。。锅炉设备备的主要要控制系系统有：：（1）锅炉汽包水位位的控制（3）过热蒸蒸汽系统统的控制制（2）锅炉燃燃烧的控控制汽包水位位是锅炉炉运行的的主要指指标，维持水位位在一定定范围内内是锅炉安安全运行行的首要要条件。。蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图水位过高高：影响汽包包内的汽汽水分离离，饱和和水蒸汽汽带水过过多，会会使过热热器管壁壁结垢导导致损坏坏，同时时过热蒸蒸汽温度度急剧下下降，作作为汽轮轮机动力力的话会会损坏叶叶片，影影响运行行的安全全及经济济性。蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图水位过低低：汽包内水水较少，，负荷很很大时，，水的汽汽化速度度加快，，汽包内内水量急急速减少少，如不不能及时时得到控控制，则则会烧干干，烧坏坏水冷壁壁，甚至至爆炸。。手动控制制的步骤骤：蒸汽汽包省煤器给水图1-1锅炉汽包示意图(2)把把观察到到的实际数值值与设定值加以比较较，根据据偏差的大小及及变化情情况做出出判断，，并发布布命令。。(3)根根据命令令操作给给水阀，，使液位位回到设设定值。。(1)观观察液位位数值；；蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包包液位自自动控制制系统LT：LevelTransmitterLC：LevelController加热炉温温度自动动控制系系统TT：TemperatureTransmitterTC：TemperatureController管式加热热炉较为为常见，，温度的的高低直直接影响响产品质质量，温温度过高高物料在在加热炉炉中会分分解，甚甚至会结结焦，会会烧坏炉炉管蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图术语过程（被被控对象象）：自动控制制系统中中，工艺艺参数要要满足要要求需要要控制的生产过过程、设设备或机机器。过程：锅炉汽包包被控变量量：被控过程程内要求求保持设设定值的工艺参参数被控变量量：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素操纵变量量：进水流量量蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图扰动：进水压力力、蒸汽汽流量设定值：：工艺参数数所要求求保持的的数值偏差：被控变量量实际值值与设定定值之差差负反馈：：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温温度控制制系统过程：被控变量量：操纵变量量：扰动：加热炉物料出口口温度燃料油流流量被加热原原料油温温度、燃燃料油热热值等闭环控制制：在反馈控控制系统统中，被被控变量量的值被被送回输输入端，，与设定定值进行行比较，，根据偏偏差去控控制被控控变量，，这样，，整个系系统构成成了一个个闭环。。1.2.2闭环环控制与与开环控控制蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制制的特点点（优点点）：按偏差进行控制制，使偏偏差减小小或消除除，达到到被控变变量与设设定值一一致的目目的。闭环控制制的缺点点：控制不够够及时；；如果系系统内部部各环节节配合不不当，系系统会引引起剧烈烈震荡，，甚至会会使系统统失去控控制。蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图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，，控制很及及时。开环控制制：根据扰动信号的变变化来进进行控制制。1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器给水开环的液液位控制制系统又又称前馈馈控制。。由于不测测量被控控变量，，也不与与设定值值相比较较，所以以系统受受到其他他扰动作作用后，，被控变变量偏离离设定值值，无法法消除偏偏差，这这是开环环控制的的缺点。1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器给水开环控制制的缺点点：开环控制制与闭环环控制实实例比较较1Ff

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闭环控制开环控制1.2.3自动动控制系系统的组组成及方方框图在研究自自动控制制系统时时，为了了更清楚楚地表示示控制系系统各环环节之间间的关系系，也可可采用方框图（方块图）。每个个方框表示组成成系统的的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段段表示信号联系；进入方方框的信号为为环节输入，离开方框的为为环节输出。闭环控制系统统组成检测元件和变变送器的作用是把被被控变量c(t)转化为测量值值y(t)。比较机构的作用是比较较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值值。闭环控制系统统组成控制装置的作用是根据据偏差的正负负、大小及变变化情况，按按某种预定的的控制规律给给出控制作用用u(t)。比较机构和控控制装置通常常组合在一起起，称为控制制器。执行器的作用是接收收控制器送来来的u(t)，相应地去改变变操纵变量q(t)。通常将过程、执行器器、检测元件件与变送器的组合称为广义对象。闭环控制系统统组成几个重要概念念：（1）信息：：图中的r(t)、y(t)、f(t)等既是实际的的物理量，又又作为信息来来转换和作用用。前一环节节的输出是后后一环节的输输入信号。每每一环节的输输出信号与输输入信号之间间的关系仅仅仅取决于该环环节的特性。。从整个系统来来看，输入信信号：设定值和扰动动输出信号：被控变量（或或测量值）闭环控制系统统组成（2）闭环：：按信息的流向向来说（3）动态：：物理量是时间间的函数、是是不断变化的的。扰动作用使被控变量偏偏离设定值，，控制作用又使它回到设设定值。闭环控制系统统组成自自动控制系系统的分类按设定值的不不同情况，将将自动控制系系统分为三类类:定值控制系统统、随动控制制系统、程序序控制系统。定值控制系统统设定值保持不不变（为一恒恒定值）的反反馈控制系统统称为定值控控制系统。自自动控制系系统的分类随动控制系统统设定值不断变变化，且事先先是不知道的的，并要求系系统的输出（（被控变量））随之而变化化。程序控制系统统设定值也是变变化的，但它它是一个已知知的时间函数数，即根据需需要按一定时时间程序变化化。例题：下图为直接蒸蒸汽加热器的的工艺流程图图，要求画出出以热物料的的出口温度为为被控变量，，蒸汽流量为为操纵变量的的控制系统带带检测控制点点的工艺流程程图，指明该该控制系统中中的被控变量量、操纵变量量、过程以及及主要扰动，，画出控制方方案的方块图图。蒸汽加热器解：蒸汽加热器控控制系统带检测控制点点的工艺流程图图如下：蒸汽加热器控控制系统的方块图如下：1.3自动控控制系统的过过渡过程及品品质指标蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图静静态与动态控制系统的输输入有设定作用和扰动作用。静态（定态））：当输入恒定定不变时，整整个系统若能能建立平衡，，系统中各个个环节将暂不不动作，它们们的输出都处处于相对静止状态。此时输输入与输出之之间的关系称称为系统的静静态特性。环节的静态特性动态：由于输入的变变化，输出随随时间变化，，其间的关系系称为系统的的动态特性。。也就是说，，从输入变化化开始，经过过控制直到再再建立静态，，在这段时间间中，整个系系统的各个环环节和变量都都处于变化的的过程之中，，这种状态称称为动态。蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图环节的动态特性自自动控制系统统的过渡过程程当自动控制系系统的输入发发生变化后，，被控变量（（即输出）随随时间不断变变化，它随时时间变化的过过程称为系统统的过渡过程程。也就是系统从从一个平衡状状态(静态)过渡到另一个个平衡状态（（静态）的过程。蒸汽汽包省煤器给水

锅炉汽包自动控制系统示意图自自动控制系统统的过渡过程程所有正常工作作的反馈系统统都是稳定系系统,对于一个稳定定的系统,要分析其稳定性、准确确性和快速性性，常以阶跃作用为输输入时的被控变量量的过渡过程程为例，因为为阶跃作用很很典型，实际际上也经常遇遇到，其他类类型的干扰都都是阶跃信号号的变种。定值控制系统统过渡过程的的形式(阶跃扰动)发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减稳定的过渡过程最常用单项控制指标标（仅适用于于衰减振荡过过程）稳定性、准确确性和快速性性自自动控制系系统的品质指指标综合控制指标标最大动态偏差差或超调量是是描述被控变量偏离离设定值最大程度的物物理量，是衡衡量过渡过程程稳定性的一个动态指标。对于定值控制制系统，过渡渡过程的最大大动态偏差是是指被控变量量第一个振荡波的峰值与设定值值之差。在上图中，最最大偏差就是是第一个波的的峰值。为A（1）最大动动态偏差（emax）或超调量（））稳态特性CtyBB’A0y(∞)R(0)最大偏差表示系统的被被控变量瞬间间偏离给定值值的最大程度度。若偏差越越大，偏离的的时间越长，，对稳定正常常生产越不利利。要求小。特别是对于一一些有约束条条件的系统，，如化学反应应器的化合物物爆炸极限、、触媒烧结温温度极限等，，都会对最大偏偏差的允许值值有所限制。。同时考虑到干干扰的连续出出现，即当第第一个干扰还还未清除时，，第二个干扰扰可能又出现现了，偏差有可能是是叠加的，所所以在决定最大偏偏差的允许值值时，要根据据工艺情况慎慎重选择。在设定作用下的控制系统（（随动控制系系统）中，通通常采用超调量这个指标来表表示被控变量量偏离设定值值的程度。A超调量定义：第一个波的峰峰值与最终稳稳态值之差，，即B=A-C,如果系统的新新稳态值等于于设定值，那那么最大偏差差就等于超调调量。一般超超调量以百分分数给出。ytBB’C0衰减比是衡量量过渡过程稳定性的动态指标。。定义：第一个个波的振幅与同方向第二二个波的振幅之比。（2）衰减比比n衰减比n稳态特性CtyBB’A0y(∞)衰减比nn>1:衰减振荡。n越大，则控制制系统的稳定定度越高，当当n趋于无穷大时时，控制系统统的过渡过程程接近于非振振荡过程。CtyBB’A0n=1:等幅振荡。n<1:发散振荡。n越小，意味着着控制系统的的振荡过程越越剧烈，稳定定度也越低，，根据实际操作作经验，为保持足够的的稳定裕度，，一般希望过过渡过程有两两个波左右，与此对应的的衰减比在4:1到10:1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0.90CtyBB’A0稳态特性（3）余差定义：控制系统过渡渡过程终了时时设定值与被控变量稳态态值之差。余差是反映控控制准确性的一个重要稳态指标，理论上希望望其为零，实实际上不超过过预定的范围围即可。上图中，在控制系统中中，对余差的要求求取决于生产产过程的要求求，并不是越越小越好。例如储槽液液位，余差可可大一些；化化学反应器的的温度控制要要求高，余差差就要小一些些。稳态特性CtyBB’A0y(∞)（4）回复时时间（过渡时时间）回复时间表示示控制系统过过渡过程的长长短。稳态特性CtyBB’A0y(∞)定义：控制系系统在受到阶阶跃外作用后后，被控变量量从原有稳态态值达到新的的稳态值所需需要的时间。理论上讲，控控制系统要完完全达到新的的平衡状态需需要无限长的的时间。实际上，被控变量接近近于新稳态值值的某一范围围（）内且不再越越出时为止所所经历的时间间，可计为过过渡时间。一一般希望过渡时间间长or短？ytBB’2%A0Ts短一些！（5）振荡频频率（或振荡荡周期）在衰减比相同同条件下，振荡周期与回复时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过过程同向两波波峰之间的时时间间隔称为为振荡周期或工工作周期。其倒数称为为振荡频率。其它一些次要要指标：振荡次数：是指在过渡过过程内被控变变量振荡的次次数。“理想过渡过程程两个波”：是指过渡过程程振荡两次就就能稳定下来来。上升时间：是指干扰开始始作用起到第第一个波峰所所需要的时间间。稳态特性CtyBB’A0y(∞)小结：主要指标有：：最大偏差、衰衰减比、余差差、过渡时间间。在实际的系统统中如何确定定这些指标，，要根据实际际情况来定。。原则：对生产产过程有决定定性意义的主主要品质指标标应该优先保保证。例题：某换热器的温温度调节系统统在单位阶跃跃干扰下的过过渡过程曲线线如下图所示示。试分别求求出最大偏差差、衰减比、、余差、过渡渡时间（设定值为200℃）。(℃)解：(1)最大