化工仪表及自动化电子.doc

绪 论一 现代工业生产与自动化modern industry manufacture and automation自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。自20世纪90年代以来，作为信息科学的重要分支，自动化技术本身及其应用领域得到了迅速的提高和发展。自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。在工业生产中，任何生产过程都是一定的工艺条件下进行，例如要求一定温度、压力等。为了正确地指导生产操作，确保生产安全，保证产品质量，一项必不可少的工作是准确、及时地检测生产过程中各个有关参数的量值，并实行控制。例如，在石油、化工等石化生产中，需要对压力、温度、物位、流量等一些重要参数进行测量和控制。在现代化生产中，由于学技的发展，生产操作和控制调节不再单纯依靠工人的经验和体力，而是更多地通过自动化仪表和装置对整个生产过程进行全面的监视、控制和管理，用自动化仪表和装置代替工人的部分直接劳动，使生产不同程度地自动进行，实现生产过程自动化。化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化简称化工自动化。即在化工设备上，配备一些自动化装置，自动测量生产过程中的重要工艺参数，并与计算机（或自动控制装置）、执行机构相配合实现对生产过程的自动控制。这种用自动化装置来管理化工生产过程叫化工自动化。 实现化工生产自动化目的（重要意义）1 加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。因为人的操作和控制的精度和速度是有限的，如果用自动化仪表和装置去代替人的操作、检测和自动控制，使生产过程在最佳条件下进行，可大大加快生产速度，降低能耗，实现优质高产。2 减轻劳动强度，改善劳动条件，使工人从繁重的劳动中解脱出来。多数化工生产过程是在高温高压或低温低压下进行，有的物质易燃易爆或有毒、有腐蚀性，采用自动化仪表进行自动监控，这样可以使操作人员不再直接从事大量而危险的操作。3 保证安全生产，防止事故发生与扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力。4 改变劳动方式，使工人逐步由体力劳动转向脑力劳动。二 化工生产自动化的发展过程（经历了三个阶段）组成一个完整的生产过程控制系统一般有控制器、执行器、被控过程（或被控对象）和测量变送器四个环节，其中控制器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表。所以，一般认为自动控制系统由检测控制仪表和被控过程（被控对象）两部分组成。 19世纪世界工业革命以来，工业生产过程经过了由简单到复杂、规模由小到大的不断发展，出现了许多大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统，提供各种产品以满足人们的生活需要。生产过程的发展对控制系统的功能、效率和可靠性的要求也越来越高，促使人们对生产过程理论研究不断发展，不断开发出控制系统产品，用于控制生产过程。如果没有高性能的生产过程控制系统，则大型的生产过程根本无法正常运行。根据生产过程控制所使用的检测控制仪表及控制系统的不同，生产自动化的发展过程可分为三个阶段。 第一阶段：20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，采用一些自动检测仪表检测主要工艺参数，由工人根据仪表反映出的工艺参数数值，凭借经验，进行手工操作调整生产过程，改变操作条件，生产效率低。40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术的带动下，生产过程控制技术发展十分迅猛。第二阶段：20世纪50年代60年代。50年代初期，采用先进的自动检测仪表和控制系统，对生产过程中的压力、流量、液位、温度四大参数进行自动检测和控制，控制的目的是使这些工艺参数保持稳定，确保生产安全。当时生产规模比较小，大多用以压缩空气为动力的气动仪表实现就地的简单控制，使工艺参数保持在工艺要求的设定值，使生产过程较为正常的进行。当时采用的仪表是基地式气动、电动仪表。50年代后期60年代，先后出现了气动、电动单元组合式仪表，对生产实行集中操作、集中控制，实现了生产仪表化和局部自动化。这对当时迫切希望提高设备效率和扩大生产规模起到了有利的促进作用，适应了工业生产设备日益大型化与连续化的客观要求。60年代，工业生产规模不断扩大，生产过程越来越复杂，产品质量要求越来越高，对控制技术提出了新的要求，迫切需要生产过程集中控制与管理。在控制产品方面，随着电子技术的迅速发展，半导体产品取代了电子真空管，随后，集成电路取代了分立元件，电子仪表的可靠性大为提高，逐步代替了气动仪表。生产过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。为了提高控制质量和满足特殊工艺的控制要求，还开发使用了多种复杂控制系统方案，如串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制等。第三阶段：20世纪70年代至今，开始采用电子计算机控制，出现了计算机控制系统。最初是用计算机代替常规控制仪表，实现集中控制，这就是直接数字控制系统（DDC）。由于集中控制，危险集中的固有缺陷，很快被集散控制系统（DCS）所代替，DCS集中管理、分散控制，危险分散，因此在20世纪80年代得到了很快的发展和广泛的应用。20世纪80年代末至90年代，随着大规模集成电路出现及微处理器的问世，计算机的性价比和可靠性大为提高。把专用微处理器嵌入传统测量控制仪表，使它们具有数字计算和数字通讯能力；还把现场的多个测量控制仪表连接成网络系统，在多个现场智能测量控制设备之间以及与远程监控计算机之间通过数据传输与信息交换，组成各种适合实际需要的现场总线控制系统（FCS），实现集中控制。FCS更好地体现了信息集中控制分散的特点，应用更加广泛。生产过程控制的发展由原来车间集中控制转向工厂综合自动化发展（平面化管理），这是目前自动化发展的一个重要方向。在发展过程中，仪表不断更新，各种新型控制系统相继出现，各种智能仪表不断出现，日益提高自动化过程的智能化程度，使控制的精度越高，控制的方式日益多样化，不仅减轻和代替了人们的体力劳动，而且在很大程度上代替了人们的脑力劳动。（随着微处理器技术的进步，传感器技术正在向智能化方向发展，即将传感器获取信息的功能与微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起的传感器。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等；同时实现必要的自诊断、自检测，以及通信与控制等功能。） 1970 s1980 s 单元组合型仪表：QDZ，DDZ 1990 s 单元组合型仪表：QDZ ，DDZ 本课程重点介绍两部分内容： 自动检测系统：介绍获得化工生产过程中各种“信息”的仪表化工检侧仪表自动控制系统：研究如何对化工生产过程进行有效的“控制” 检测仪表包括：压力、流量、物位、温度检测仪表显示仪表控制仪表执行器 化工自动化的初步知识及基本控制规律 各种类型控制系统学习本课程的意义在于：扩大知识面，适应生产现代化需要；扩大就业途径。第一章 自动控制系统的基本概念automatic control system 1.1 化工自动化的主要内容实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。1 自动检测系统automatic check system 化工生产过程往往是连续的生产过程，在生产中，有的地方需要用管道输送物料、储罐储存物料，有的物料需要在密闭的塔器、容器或管道中不停地进行物理、化学反应。为了控制生产，必须随时掌握各种工艺参数的变化情况，以便随时进行控制。自动检测系统就是采用各种检测仪表自动地连续地测量各种参数，并自动地指示或记录出结果，以代替操作者对各参数不断观察与记录，故常称为工业生产的“眼睛”。自动检测系统:利用各种检测仪表对主要工艺参数进行自动检测、指示或记录，“了解”生产进行的情况。自动检测系统中的主要自动化装置为敏感元件、传感器与显示仪表。传感器（变送器）敏感元件（检测元件）显示仪表被测量 适合测量的 转换成标准信号010mA 物理量 （420mA）或0.0201MPa （指针位移、数字、图形等形式指示记录）2 自动信号和连锁保护系统automatic signal and united protective system：是生产中的一种安全装置。在生产过程中，由于有时会有一些偶然因素的影响或操作不当，使工艺参数超出允许范围而出现不正常的情况，甚至引起燃烧、爆炸或发生其他危险事故，为了保证安全生产和产品质量，常对某些关键性的参数设有信号自动连锁装置。当检测的工艺参数刚刚超过允许范围或发现有超出允许范围的趋势时，信号系统立即自动发出声、光报警信号，以告诫人们，连锁系统立即采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路甚至停车，以防止事故的发生和扩大，是一种安全装置，如果用人工去观察，去操作就会来不及。自动信号和连锁保护系统:对某此关键性参数设有自动信号联锁装置，当工艺参数超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。3 自动操纵及自动开停车系统 automatic operation system例如：有些生产过程中是周期性加料、通空气、水蒸气等，需要进行自动操纵。自动操纵系统:根据预先规定的步骤自动地对生产设备或生产过程进行某种周期性的操作。自动开停车系统：按照预先规定的步骤，使生产过程自动投入运行或自动停车。4 自动控制系统 automatic control system 在化工生产中，大多数生产都是在连续生产中，各种设备的工作都是相互关联着，当某一设备的工艺条件发生变化，可能引起其他设备中的某些参数波动，偏离正常状态。为了保证正常稳定生产，必须对生产中某些重要参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰偏离正常状态时，能自动控制阀门开度，使其回到规定的数值范围内，能起到自动控制的装置叫自动控制装置。 自动控制系统:对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。 自动控制系统是自动化生产的核心部分，只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态.所以在生产过程中进行必要的自动测量和控制，可以加快生产速度，使生产在较优的条件下进行，它对提高劳动生产率、产品质量、降低成本和安全生产起着重要作用。1.2自动控制系统的基本组成及方块图 在生产过程中，各个生产过程都必须在一定的温度、压力、流量、浓度等工艺参数条件下进行。由于各种干扰因素的影响，工艺参数会产生波动，偏离规定值产生偏差。生产操作的任务就是要克服种种干扰把工艺参数拉回到给定值，即对某些工艺参数加以控制，这种控制叫生产过程控制。 不论控制和调节的自动化程度有多高，最终还需人工操作 人工控制 自动控制自动控制系统是在人工控制的基础上发展起来的，在分析自动控制之前先分析人工操作。一.人工控制示图 检测：用眼睛观察玻璃管计中液位的高低。（液位变送器） 大脑思考、比较和判断偏差。 （控制器） 人工控制。 （执行器） 大脑储槽手眼睛水位高度输入信号水位高度输出量 液位人工控制控制速度和精度尚不能满足大型现代化生产的需要。二.自动控制工艺流程图 process flow diagram（PFD）自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的，其主要装置包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器，分别代替了人的眼、脑、手三个器官。人工操作往往是紧张而繁忙，不可疏忽大意，如果用自动化仪表和装置去模拟人的上述操作。如果用液位变送器代替人的眼睛测量液位的高度，并将测得的液位信号送到控制器，用一个控制器代替大脑，它将测得数值与规定值相比较，根据二者的偏差大小、正负和预定的控制规律发出控制信号，用气动或电动执行器代替人工手控对阀门进行自动改变阀门开度，把工人从繁忙的劳动中解脱出来。 三自动控制系统的方块图 block diagram1.自动控制系统的组成（1） 被控对象:在自动控制系统中，我们将需要控制其工艺参数的生产设备或机器。Controlled object常见的被控对象有锅炉、加热炉、分馏塔、反应釜、干燥炉、旋转窑等生产设备，或储存物料的槽、罐以及泵、风机及传送物料的管段等等。（2） 自动控制装置automatic control device：起控制作用。 测量元件与变送器 measurement unit and transmitter：检测工艺参数（或再转换成某一特定信号如电流、电压、气压信号） 自动控制器 automatic controller：根据变送器送来的信号与工艺上要求的参数进行比较运算，并发出信号到控制阀。 执行器：根据控制器送来的信号对阀门的开度进行调解。2.信号和变量signal and variable 控制系统实现控制作用，首先必须接受信息，加以判断，再发出信息，进行控制，对于其他环节也是一样。这个信息就是信号（电压、电流、压力、位移等等）也叫变量。 U 系统或环节 Y 指向方框的信号U表示施加到系统或环节上的独立变量，称为输入变量input variable，离开方框的信号表示系统或环节送出的变量，称为输出变量output variable。信号传送不是物料或能量流动。有时一个信号同时送给两个或更多个环节，信号分叉之后各个支路的信号大小相等并等于分叉之前的信号。例如将一个压力信号p送往几个压力表，各个压力表应该有相同的压力读数。ABu（3）方块图对于一个自动控制系统，一般用方块图来表示控制系统的组成。控制器执行器被控对象测量元件及变送器干扰f被控变量y输出信号测量值控制信号控制作用偏差给定值XZepq-+从方块图上看a) 每一个方块表示一个实物（称为环节）。b) 方块之间用箭头的直线表示信号的相互联系，若箭头指向方块表示此方块的输入，箭头离开表示此方块的输出。c) 箭头指向表示信号作用的方向，不表示物料或能量流动的方向，线旁的字母表示相互间的作用信号。d) 四个方块构成一个闭环。被控变量：对象内要求保持设定值（接近恒定值或按预定规律变化）的物理量，称为被控变量。Controlled variable在储水槽，水槽可以看成是被控对象，水位高度h要求保持恒定值称为被控变量（被控参数）Y。在方块图中，被控变量就是对象的输出。设定值（给定值）：被控变量的目标值（预定值），称为设定值 set point进水量Q1会引起水位变化，这种引起被控变量波动的外来因素，在自动控制系统中称为干扰（或扰动）f interference引起水位变化的出水量Q2，它是执行器控制阀动作的结果，是控制系统来以补偿干扰的作用，Q2具有实现控制作用的参数叫操纵变量，即受控制器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料量或能量，称为操纵变量。控制阀输出的q的变化称为控制作用，控制作用和干扰都是作用于对象的输入信号，它们对对象的作用方向是相反的。Q2的流体叫操纵介质，可以是流入对象的，也可以是对象流出的。（例如加热器的蒸汽即流入）+ 表示比较机构，它往往是控制器的一个组成部分，不是独立元件，给定值x是被控变量y必须维持的规定值，它往往通过定制器转换为相应的统一信号（气压或电流），被控变量y经测量变送装置（测量元件和变送器）转换成仪表统一信号称为测量值z measured value，送入比较机构与给定值x进行比较，得到偏差信号e(e=x-z) deviation，控制器根据偏差信号e的大小，发出控制信号p送入执行器，执行器有气动和电动两类，气动的常有气动薄膜控制阀，电动的多用伺服电机和控制阀，它执行控制命令，改变阀门开启度，以克服干扰的影响。对于任何一个简单的自动控制系统都可以做出这样的方块图。各个组成部分通过信号联系形成一个闭合的环路，任何一个信号，只要沿箭头方向前进，通过若干环节后，最终又会回到原来的起点，故自动控制系统是一个闭环系统。闭环系统closed-lop system:自动控制系统的方块图中信号沿箭头方向前进,通过若干环节后,最后又返回到起始点。系统的输出（被控变量）通过测量变送环节，又返回到系统的输入端，与给定信号比较，以偏差的形式进入调节器，对系统起控制作用，被控变量对控制作用产生影响，整个系统构成了一个封闭的反馈回路。自动操纵装置对象操纵指令操纵作用工艺参数(开环系统)自动操纵系统开环系统 open-lop system: 自动控制系统的方块图中信号沿箭头方向前进,最后返回不到起始点。 控制系统的输出信号(被控变量)不反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统，称为开环控制系统。四 负反馈在闭环控制系统中，把输出信号（被控变量）经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种系统的输出信号直接或经过一些环节返回到系统的输入端的做法叫反馈。负反馈negative feedback：反馈信号能使原来的信号减弱。Z取负值，e=x-z,使e减小，与原来信号方向相反。yzepqy正反馈positive feedback：反馈信号能使原来信号加强。Z取正值，e=x+z。自动控制系统控制方法基本上是采用负反馈的方法。yzepqy因为只有负反馈，才能使被控变量y受到干扰的影响而升高时，反馈信号z输出经过比较而到控制器去的偏差信号e将降低，此时控制器将发出信号，而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，y高于给定值越远，z越大，e越小，控制阀向负方向开度变化越大，从而使被控参数下降回给定值，这样就达到了控制的目的。如果用正反馈，当被控变量y受到干扰升高时，z也升高，e=x+z，控制器发出的控制信号使控制阀的开度向正方向变化越来越大，使被控变量进一步升高，因此只要有一点微小的e，控制作用会使e越来越大，直到被控变量越出安全范围而破坏生产。在反馈控制系统中，通常测量值正好等于被控变量的真实值（测量无误差），当稳定时，反馈信号等于被控变量的给定值。因此自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，因为开环系统被控变量不返回到输入端，无反馈现象。不能随时了解操作的结果怎样，所以绝对不能单独采用正反馈做法。复杂的控制系统也有开环系统。1.3自动控制系统的分类分类方法很多，常见分类方法1. 按被控参数分类：温度、流量、压力、液位等控制系统。 2. 按控制系统所处理的信号方式来分：有模拟控制系统与数字控制系统。模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号，可转换为电信号。在生产过程中任何连续变化的物理量和物理量都属于模拟信号。数字信号：以离散形式出现的不连续的信号，数字量的增减只能一个一个单位增加或减小。模拟信号和数字信号可以互相转换。开关信号：用两种状态或两个数值范围表示的不连续信号。模拟信号可通过电接点继电器转换成开关信号3.按照控制器类型来分：有常规仪表控制系统与计算机控制系统。4.按控制器具有的控制规律分类：位式自动控制系统、比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)等控制系统。 5. 按控制系统的复杂程度 简单控制 复杂控制：均匀控制、串级控制、前馈控制 6.按控制系统组成回路的情况来分：有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统。7. 按被控参数的数量可分为：单变量和多变量控制系统等。8.按被控变量的给定值是否变化及如何变化分类(最常见)：（1）定值控制系统：被控变量的给定值恒定不变。例如液位储槽。是过程控制中最常见的一种控制系统。如蒸汽加热器在工艺上要求出口温度按给定值保持不变，因而它是一个定值控制系统。定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，即在干扰作用下仍能使被控变量保持在设定值（给定值）或在允许范围内。化工生产中大多是此种，大多数场合要求被控变量保持恒定或在给定值附近小范围内，以保持生产过程平稳进行，只要被控变量在给定值范围内波动，生产过程及控制系统的工作就是正常的。液位控制系统LTLChTTTC凝液蒸汽进料出料蒸汽加热器温度控制系统（2）随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值是不断变化的且无规律，是随机变化的。随动控制系统控制的目的，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。例如在加热炉燃料与空气的混合比控制中，燃料量按工艺要求、随生产负荷变化或其他因素的干扰而改变；在燃料量变化时，控制系统就要使助燃空气的输入量跟随燃料量的变化，按预先规定的比例自动地增减空气量，以保证燃料的经济燃烧，这就是随动控制系统。再比如导航雷达系统，电视台的天线接收系统。化工厂中，有些比值控制系统属于随动控制。FCQ1Q2（3）程序控制系统（顺序控制系统）：工艺参数的给定值按一定的规律变化，是已知的时间函数。即设定值按一定的时间程序变化。此控制系统使被控变量自动跟踪给定值。这类控制系统在间歇生产过程中比较多见。在化工生产中，如间歇反应器的升温控制系统就是程序控制系统、食品工业中的罐头杀菌温度控制、造纸中制浆蒸煮的温度控制、机械工业中的退火炉温度控制以及工业炉、干燥窑等周期作业的加热设备控制等。在这类生产过程中，不是要求温度为恒定值，而是按工艺规程规定、随时间变化的函数，如 具有一定的升温时间、保温时间和降温时间等。程序控制系统的给定值按程序自动改变，系统按设定程序自动运行，直到整个程序运行完为止。 还有啤酒厂的糖化、糊化工艺等升温过程。9. 按信号种类分类：气动控制系统，电动控制系统日常生活中有很多自动控制系统，例如：空调就是一个典型的自动控制系统，夏天，当室温高于用户所设定或期望的温度时，启动空调制冷装置，就可使室内温度下降；当室温低于用户所设定或期望的温度时，空调就关闭制冷装置。冬天，当室内温度低于用户所设定或期望的温度时，启动空调加热装置，可使室内温度上升；当室温高于用户所设定或期望的温度时，空调就关闭加热装置。如此，使室温保持恒定。还有电冰箱、电饭煲（按人工设定的程序自动控制温度）、洗衣机、电梯。随着生活水平的提高，人们投入到自动化上的费用越来越多，自动化系统也日益随处可见，如自动门、自动路灯、自动洁具、保安系统等等。生物个体特别是高级生物中存在许多比计算机还要复杂得多的综合智能自动化系统。例如，人的体温就被比较精确地控制在37左右；人体运动时保持平衡；可以认为人体的所有活动都存在着相应的自动控制系统。1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标 在实际生产过程中，对工艺参数都有一定要求，根据生产中工艺参数所起的作用，分为集中类型。 有些工艺参数直接表征生产过程，对产品的产量和质量起着决定性作用。如在分馏过程中，在操作压力不变的情况下，精馏塔的塔顶或塔底温度必须保持一定，才能得到合格的产品；在冶金生产中，加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一工序的加工效果；在化工生产中，化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使反应效率与质量达到规定指标。 有些工艺参数虽不直接影响产品的数量和质量，而保持其平稳确是使生产过程顺利进行的前提。例如，两设备间的中间储槽的液位高度维持在允许的范围内，才能使压力稳定使后面设备的进料稳定，保持连续的均衡生产。 有些工艺参数是决定安全生产的重要因素。如受压容器的压力不允许超出规定的限度，否则将危及设备及人员安全。因此在生产过程中，对于以上各种类型的参数都必须进行严格的控制。塔底产品XW塔顶产品XD回流冷却水进料蒸汽精馏过程示意图P TD 一. 静态与动态 static and dynamic 在自动化领域内要研究两种状态：静态和动态。1 自动控制系统的静态当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）不变时，系统中各个组成环节暂时不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，整个系统处于相对平衡状态，这种被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态。例如在锅炉汽包液位控制系统中，当给水量与出气量平衡时，液位保持不变，此时系统达到（动态）平衡，亦即处于静态。锅炉汽包液位控制系统LC给水蒸汽汽包加热室所谓静态并不是静止不动，信号为0，而是指各参数（或信号）变化率为0，此时系统中各信号保持在某一常数不变化，测量值等于给定值，偏差为0，控制器输出不变，控制阀保持原开度，物料仍有进有出或能量仍交换，只是非常平衡不改变。例如贮槽液位，Q2=Q1，h稳定。对于温度控制系统，只有当进入被控过程的热量与输出的热量相等时，被控过程内部的热量达到平衡，被控过程的温度才有可能恒定，使温度控制系统处于稳态。所以静态是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）相等时才有可能存在，流过阀门的物料量无变化，被控变量稳定，保持在一个不变的给定值上，生产过程正常平稳地进行，是一种平衡态，暂时的。在生产过程中，干扰是客观存在的，不可避免的（例如化学反应器，需要控制温度来控制反应速度，干扰有很多）。在一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都有干扰作用于被控对象上，以致破坏正常的工艺生产状态，使被控变量随时间而变化，从而使控制器、控制阀等自动装置改变原来的状态，产生一定的控制作用，以克服干扰的影响，使系统恢复平衡。从干扰的发生，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参数都处于变动状态，这种状态叫动态。动态:被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。 干扰作用于系统上，系统会进入动态。另外，在系统给定值变化时，也引起动态过程，控制装置同样使被控参数建立新的平衡。由于被控过程常常受到各种扰动的影响，一个实际运行的生产过程不可能一直工作在稳态，控制系统的目的就是要使进入动态的生产过程尽快地回复到稳态。所以平衡（静态）是暂时的、相对的、有条件的，不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的。研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。因为在干扰引起系统变动以后，需要知道动态情况，搞清系统能否建立新的平衡和怎样去建立。二. 控制系统的过渡过程 transition process假定系统原先处于平衡状态，系统中的参数不随时间变化，在某一时刻t0，有一阶跃干扰作用f突然施加到对象上，于是系统的输出y就要发生变化，系统进入动态过程，由于自动控制系统的负反馈作用，经过一定时间后，系统应重新恢复平衡。系统从一个平衡态过渡到另一个平衡状态的整个过程叫系统的过渡过程。评价一个生产过程控制系统的性能，主要看它在受到干扰影响偏离给定值后，被控参数能否迅速、准确且平稳地（而不是剧烈振荡地）回到给定值；或者给定值发生变化后，被控参数能否迅速、准确而且平稳地达到并稳定在新的给定值或其附近，即系统克服干扰造成的偏差而回到给定值的快速性、准确性和平稳性如何。对于一个稳定的控制系统（所有正常工作的反馈控制系统都是稳定系统），要分析它对生产过程控制的稳定性、准确性和快速性，就需要对系统的过渡过程进行分析研究。在过渡过程中，被控参数随时间的变化情况主要取决于干扰的形式和控制系统的动态特性。在生产过程中，干扰的出现多半属于随机性质且没有固定形式，在分析和设计时，为了安全和设计方便常选择一些定型的干扰形式，其中最常用的是阶跃干扰，就是在某一瞬间，输入量突然阶跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅度上，所以取阶跃干扰，是考虑这种形式的干扰比较突然，比较危险，它对被控变量影响最大，如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么对其它比较缓和的干扰也一定能很快地克服。而且阶跃输入是在某一瞬间一下增大到某一数值，并继续保持在这个数值上。所以阶跃输入形式简单、容易产生、便于分析、计算和进行实验。例如输入量是流量，只要将阀门的开度突然的改变，不需要特殊的信号发生器，在装置上进行极为容易。例如水槽液位控制，Q1突然阶跃变化，h变化，进入动态过程，通过控制，使h重新稳定，在整个过程中。h变化的快慢，是否剧烈振荡，偏离给定值远不远。输入量 0 时间t自动控制系统的过渡过程实质上是控制作用不断克服干扰作用影响的过程。衡量系统的控制质量的依据是系统的过渡过程，在过渡过程中，被控变量是随时间变化的，不同的过渡过程，被控变量随时间的变化情况不一样。了解被控变量的变化规律对研究自动控制系统是十分重要的。当系统受到阶跃作用时，系统的过渡过程分几种基本形式。1.非周期衰减过程aperiodic damping process：被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。这种形式变化较缓慢，需很长时间才能回到给定值，多不采用，但在要求y没有波动时用。 y t2.衰减振荡过程Damped oscillation process：被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式叫衰减振荡过程。能使系统较快地稳定下来，希望是这种过程。（1、2都是衰减过程，称为稳定过程。）稳定系统的被控参数偏离给定值后，在控制环节的作用下，经过一段时间的调整后，被控参数逐渐回到原来的给定值或其附近，重新进入稳态。 y t3.等副振荡过程Undamped oscillation：被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变，永久不会稳定下来。属于不稳定过程，在要求y稳定的系统不采用，调节质量要求不高时用。 y t4.发散振荡过程diverding oscillation process：被控变量来回波动，且波动幅度越来越大，即偏离给定值越来越远。在自动控制系统应避免，以免出现危险事故。（3、4不稳定过程） t发散振荡过程不稳定系统的被控参数偏离给定值后，系统的控制作用并不能使被控参数回到原来的给定值，反而远离给定值。这将导致工艺参数超越允许范围，生产过程状况恶化，严重时会导致重大的事故甚至设备的损坏，这是生产上绝对不允许的，应尽力避免。三. 控制系统的品质指标 控制系统的作用是对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。衡量系统控制的质量就是要依据过渡过程的品质指标。自动控制系统在阶跃干扰作用下，一般都希望得到衰减振荡过程。我们假设在阶跃干扰作用下，取自动控制系统的衰减振荡过程的形式来讨论控制系统的品质指标。（外部扰动阶跃变化时被控参数响应曲线与给定值阶跃变化时的特征是相同的）1. 最大偏差或超调量：最大偏差（动态偏差）是指在过渡过程中，被控参数偏离给定值的最大数值A(最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度)。偏离越大，偏离的时间越长，系统离开规定的工艺参数指标就越远，甚至会造成一波未平一波又起，波峰叠加，使被控变量振荡加剧，对稳定正常生产不利，有的甚至会超过危险极限造成事故，故要加以限制，越小越好。偏离规定值也可用超调量来表示超调量：超调量(B)是第一个峰值 A 与新稳定值 C 之差, 即 B=A-C）若新的稳定值=给定值，则B=A A大对系统不利。最大动态偏差或超调量是描述被控参数偏离给定值的最大程度。最大动态偏差是反映控制系统动态准确性的指标，也是衡量过渡过程稳定性的动态指标。对于工艺要求较高的生产过程，需要限制最大动态偏差的允许值；考虑到干扰会不断出现，偏差有可能叠加，这就更需要限制最大动态偏差的允许值。因此，必须根据工艺条件严格确定最大偏差或超调量的允许值。2. 衰减比：衰减比是相邻两个峰值的比，即 B:B,习惯上表示为 n:1 。一般 n 取 410 之间为宜。n1时系统不稳定（发散振荡和等副振荡过程） ；n1时系统可以稳定（衰减振荡过程）。n只比1稍大一点时，过渡过程衰减很慢与等幅振荡接近，振荡过于频繁，不采用。当n过大，接近非周期衰减过程，衰减过于缓慢，会加入人为的干扰。衰减比究竟多大才合适，没有统一的定论。根据实际经验，为保持系统足够的稳定度，一般希望过渡过程经过两次左右的波动后趋于新的稳态值，故衰减比一般取410，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被控变量在同时受到干扰作用和控制作用的影响后，能比较快地达到一个峰值，然后马上下降，又马上达到另一个峰值，而第二个峰值远低于第一个峰值，这样使系统很快地稳定下来。对于少数不希望有振荡的控制过程，过渡过程需要采用非周期衰减的形式。衰减比是表示振荡过程衰减的程度，是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 3. 余差：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（C），或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有正有负。 余差是衡量控制系统静态稳定性的指标。被控参数越接近给定值越好，亦即残差越小越好。在实际生产中，也并不是要求所有被控参数的余差都很小，如一般储槽的液位控制要求不高，允许液位有较大的变化范围，残差就可以大一些。而化学反应器的温度控制，一般要求比较高，应当尽量消除余差。对残差大小的要求，必须结合具体系统分析，不能一概而论。有余差的控制过程称为有差控制，相应的系统称为有差系统。控制要求不高时，可以存在。没有余差的控制过程称为无差控制，相应的系统称为无差系统。（余差越小越好），要求高时，c要消除。4. 过渡时间 Ts ：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做过渡时间或控制时间. 理论上被控变量要达到新的稳态需无限长时间，也就是过渡时间无限长，但由于仪表对微小变化测不出来，就被认为达到平衡态，所以规定过渡时间是从干扰开始作用之时起，直到被控参数进入新稳定值的5%（或2%）的范围内且不再越出时为止所经历的时间，过渡时间是一个常数，过渡时间越短，表示过渡过程进行得比较迅速，即使干扰频繁出现，系统也能适应，系统质量就高，反之过渡时间太长，会造成前波未平后波又起的局面，被控参数就很难稳定下来，Ts长短反映了过渡过程快速性的品质指标，Ts尽量小一些好。5. 振荡周期 （或 频率）T：过渡过程两个相邻的同向波峰(或波谷)之间经历的时间叫振荡周期或工作周期. 振荡周期的倒数称为振荡频率. 频率=1/周期衰减比相同的情况下，振荡周期与过渡时间成正比，希望周期短一些好。另外还有一些次要的品质指标，如振荡次数，在过渡过程内被控变量振荡的次数。在一般情况下过渡过程振荡两次就能稳定下来是较为理想的。衰减比（反映被控变量振荡的程度）、最大偏差、超调量（稳定性）是表示系统的稳定性，过渡时间表示系统的快慢性能，余差表示系统静态特性的好坏，也反映了系统的精度。n:1、A、B、C、Ts等指标在不同系统中的重要性是不同的，各指标之间既互有矛盾，又互相联系。当一个系统的稳态精度要求很高时，可能会引起动态不稳定；解决了稳定问题之后，有可能因反应迟钝而失去快速性。在实际工程中，对于不同的控制系统，每个品质指标的重要性不同，应根据具体情况分清主次，区别对待。对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证，但要高标准地同时满足几个指标是很难做到。对一个控制系统控制质量的要求，应该从实际需要出发，品质指标要求合理适当，不应过分偏高、偏严，否则就会造成人力物力的巨大浪费，甚至根本无法实现。关于系统品质指标还有两点说明，首先要按控制过程的具体工艺和整体情况统筹兼顾，提出合理的控制要求。并不是对所有的回路都有很高的控制要求。例如，中间储槽的液位控制只要求不跃出工艺规定的上、下限就完全可以了，没有必要精益求精；品质指标之间相互矛盾时，需要在它们之间折衷处理，首先保证关键的指标。在控制系统必须稳定的前提下，对于定值控制系统，一般要求被控参数最大偏差小，尽可能快地回复到给定值，克服干扰要求稳、块、准；对于随动控制系统，要求被控参数以一定精读快速跟踪给定值的变化，希望超调量小、调节时间尽可能短。例题：某换热器的温度控制系统在单位阶越干扰作用下的过渡过程曲线如图所示，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）。 230 210 205 200 5 20 22 t/min解：最大偏差A=230-200=30余差C=205-200=5第一个峰值B=230-205=25,第二个峰值B=210-205=5衰减比B/B=25:5=5:1振荡周期T=20-5=15min过渡时间Ts=22min控制系统的品质指标是过程控制系统研究的核心标准问题。大多数过程控制问题都是围绕着这些性能指标进行讨论的。过程控制系统的原理分析、设计、选型安装和调试都必须紧紧围绕过程控制系统的性能指标，以其取得最优的控制效果。四.影响控制系统过渡过程品质的主要因素自动控制系统由两大部分组成: 工艺过程部分（被控过程）和自动化装置部分。工艺过程部分：并不是泛指整个工艺流程，是只与自动控制相关的工艺部分。（被控对象，包括结构、材质等。）例如换热器的结构、尺寸、材质、热负荷大小、换热情况、散热情况等等，都会影响控制质量。 自动装置部分：实现自动控制必备的自动化仪表、设备。包括测量与变送装置、控制器和执行器三部分。 对一个自动控制系统来说，过渡过程品质的好坏，很大程度上决定于对象的性质。自动化装置应按对象性质加以合理的选择和调整， 两者要很好地配合。如果选择和调整不当，也会直接影响控制质量。此外，在自动控制系统运行过程中，自动化装置的性能一旦发生变化，如阀门失灵、测量失真，也要影响控制质量。总之，影响过程控制系统控制质量的因素很多，在过程控制系统设计和运行过程中都应予以充分注意。为了更好地分析和设计自动控制系统，提高过渡过程的品质指标，从下一章开始，对组成自动控制系统的各个环节：测量与变送装置、控制器、执行器、被控对象的建模进行讨论，要充分了解这些环节的作用、功能和特性。1.5 工艺管道及控制流程图设计出工艺流程后，还要为生产过程制定控制方案，包括工艺流程中各测量点的选择，控制系统的确定，及有关自动信号、连锁保护系统的设计等，并按其流程顺序标注出来，即为工艺管道及控制流程图（PID）。例如脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图。LICA202PI206TRC210FR212PIC207LIC201再沸器加热蒸汽回流罐气相采出至脱丙烷塔冷凝器由脱甲烷塔来的原料脱乙烷塔HL一 图形符号1 测量点（包括检测元件、取样点）是测量工艺参数的地点，在图上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，无特定的图形符号。一般表示方法 检测元件可以用象形或图形符号表示 如流量检测采用孔板时2 连接线仪表信号均以细实线表示 交叉： 相接：信号的方向也可以用 表示，表示信号作用方向，需要时，也可以用不同的方式表示气压信号、电信号、导压毛细管等。3 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号用细实线的 表示，约10mm 如表控制流程图符号意义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4集中仪表盘后安装仪表嵌在管道中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处理两个或两个以上被测参数时，采用相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的 或二 字母代号仪表图形的 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量，后继字母表示仪表的功能。如表例PIC207 P压力 I指示 C控制，即一台具有指示功能的压力控制器，同时具有指示记录功能时只用“R”，不用“I”，H、L具有高低限报警。三 仪表位号在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表或元件都应有自己的仪表位号。组成：字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。 PI 206阿拉伯数字编号写在 的下半圆内，第一位数字表示工段号，后续二位或三位数字表示仪表序号