第一章 仪表及自动化介绍

1、储运仪表及自动化 （适用于储运专业） 目的和意义 在储运等生产设备上，配备一些自动化装置，代在储运等生产设备上，配备一些自动化装置，代 替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度 上自动地进行，称为上自动地进行，称为储运自动化储运自动化。 实现化工自动化的目的是：实现化工自动化的目的是： 1.加快生产速度，降低生产成本，加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和提高产品数量和 质量。质量。 2.降低劳动强度，改善劳动成本。降低劳动强度，改善劳动成本。 3.确保生产安全确保生产安全 学习本课程的意义在于：扩大知识面，适应生产学习本课程的意义在于：扩大知识

2、面，适应生产 现代化需要；扩大就业途径。现代化需要；扩大就业途径。 化工自动化的发展历程 1950s1960 s 基地式气动单元仪表，基地式电动单元 仪表，膜片式仪表。为储运单元操作的 发展提供了技术支撑。 1970 s1980 s 单元组合型仪表：QDZ，DDZ 1990 s 单元组合型仪表：QDZ ，DDZ 本课程主要内容 基本概念 控制系统 控制对象 仪器仪表 测量 显示 调节 执行 控制系统（简单系统、复杂系统） 计算机控制系统（系统构成、接口与转换） 第一章 自动调节系统基本概念 第一节 自动化的主要内容 第二节 自动调节系统的组成 第三节 自动调节系统的表示方法 第四节 自动调节系

3、统的分类 第五节 自动调节的过渡过程和系统品质指 标 第一节 自动化的主要内容 自动检测 自动保护与报警 自动操纵与启停 自动调节 自动调节系统的组成 要求 观察 思考 调节 变换 显示 记录 调节 给定值 执行 机构 检测 仪表 记录仪 显示器 调节器 四四部分：测量仪表、显示记录仪表、调节器、执行机构部分：测量仪表、显示记录仪表、调节器、执行机构 + 给定值 x 测量值 -z 变送器 e p 调节 作用 调节器 q 被调参数 y 干扰作用 f 调节对象控制器 控制器 输出 第三节 自动调节系统的表示方法 方块图表示方式 流程图表示方式 进料出料 TC TT 凝液 蒸汽 自动控制的基本概念

4、1.1自动控制系统自动控制系统 飞球调节器的发飞球调节器的发 明进一步推动了明进一步推动了 蒸汽机的应用，蒸汽机的应用， 促进了工业生产促进了工业生产 的发展。的发展。 图 1.1 飞球调节器原理图 关 汽阀联结器 开 调节器轴 套环 汽轮机轴 控制流程图符号意义 序序 号号 安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注 序序 号号 安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注 1 1 就地安装就地安装 仪表仪表 4 4 集中仪表集中仪表 盘后安装盘后安装 仪表仪表 嵌在嵌在管管 道中道中 2 2 集中仪表集中仪表 盘面安装盘面安装 仪表仪表 5 5 就地仪表就地仪表 盘后安装盘后安装 仪表仪表 3

5、3 就地仪表就地仪表 盘面安装盘面安装 仪表仪表 控制流程图字母意义 字 母 第一位字母后继字母 字 母 第一位字母后继字母 被测变量修饰词功能被测变量修饰词功能 A分析报警P压力 C电导率控制Q数量积分累积 D密度差R放射性记录 E电压S速度安全开关 F流量比T温度传送 I电流指示V粘度阀 K时间W力 L物位Y M水分Z位置执行机构 第四节 自动调节系统的分类 按被调参数分类： 流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等； 按调节规律分类： 比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调 节 按被调参数的变化规律分类： 定值调节系统：给定值为常数； 随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变

6、化； 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。 按信号种类分类： 气动调节系统，电动调节系统 第五节 自动调节的过度过程和系统品质指标 1. 控制系统的过渡过程 控制系统的过渡过程： 在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值 和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变 化的过程。 控制系统的动态特性 被控参数向给定值变化过程的特性。 控制系统的静态特性 经过调节作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。 第五节 自动调节的过度过程和系统品质指标 飞升曲线： 在单位阶跃输入（因扰动或设定值变化，使 被控参数和设定值之间出现阶跃性变化）下， 过度参数的变化曲线。 输 入 量 时间t 0 t0

7、飞升曲线的四种形式 3. 等幅振荡过程 1. 非周期衰减过程 0 t0 y y 0 t0 0 4. 发散振荡过程 tt0t 2. 衰减振荡过程 y t y 0 t0t 控制系统的品质指标 1.最大偏差A； 2.衰减比(A-C)/(B-C)；4:110:1 3.余差C； 4.过渡时间t； 5.振荡周期T。 y t A B C T 误差范围 例例1.1 1.1 热力系统热力系统 如图如图1.21.2所示为一个热力系统。所示为一个热力系统。 通过调节蒸汽阀门，使流出的热通过调节蒸汽阀门，使流出的热 水保持一定的温度。如果由手工水保持一定的温度。如果由手工 控制，就要求控制者观测温度计控制，就要求控制

8、者观测温度计 的指示值，调节阀门开关的开度。的指示值，调节阀门开关的开度。 调节方法为：如果温度调节方法为：如果温度 计的指计的指 值高于期望值，则关小阀门，降值高于期望值，则关小阀门，降 低热水温度；否则，开大阀门，低热水温度；否则，开大阀门， 升高热水温度，从而使流出的热升高热水温度，从而使流出的热 水保持设定的温度。水保持设定的温度。 图 1.2 热 力 系 统 温 度 计 热 水 排 水 蒸 汽 冷 水 例例1.2 1.2 直流电动机速度控制系统直流电动机速度控制系统 如图如图1.31.3所示直流电动机速度控制系统。控制目标是所示直流电动机速度控制系统。控制目标是 使电动机稳定在要求的

9、转速上运行。从图中可见，使电动机稳定在要求的转速上运行。从图中可见， 对应滑动电阻器的触点的某一位置，有一给定电压，对应滑动电阻器的触点的某一位置，有一给定电压， 经过放大器放大为，即为电动机电枢电压。在没有经过放大器放大为，即为电动机电枢电压。在没有 任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触点的某一任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触点的某一 位置，则有一电机转速与之对应。位置，则有一电机转速与之对应。 图 1.3 直 流 电 动 机 速 度 控 制 系 统 转 速 表 放 大 器 U g U d U D 常 数 f I 上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在 控制过程中起三个作用： （1

10、）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数 据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控 制量；制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门 开度、改变触点位置。开度、改变触点位置。 在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述 功能。例如，自动控制热力系统如图1.4所示。 图1.4 自动控制热力系统 温度检测 热水 排水 蒸汽 放大器 给定水温实际水温 电动阀门 冷

11、水 直流电动机自动调速系统如图1.5所示。 因此所谓自动控制是在没有人参与的情况下，系自动控制是在没有人参与的情况下，系 统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备 或过程，使之具有一定的状态和性能。具有自或过程，使之具有一定的状态和性能。具有自 动控制功能的系统称为自动控制系统。动控制功能的系统称为自动控制系统。 图1.5 直流电动机速度自动控制系统 测速发电机 放大器 U g U d UD 常数 f I U f U+ 1.2 自动控制系统的类型 1.2.11.2.1开环、闭环与复合控制系统开环、闭环与复合控制系统 1.开环控制系统 如果控制系统的被控量

12、对系统没有控制作用，这种控 制系统称为开环控制系统。开环控制系统的控制原理 如图1.6所示。 图1.6 开环控制系统 控制器 被控 对象 扰动 被控量 参考输入 控制量 2. 闭环控制系统或反馈控制系统 定义定义 如果系统的被控量直接或间接地参与控 制，这种系统称为闭环控制系统或更直接地称 为反馈控制系统。 反馈控制系统的控制原理如图1.7所示。 图1.7 反馈控制系统 控制器 被控 对象 反馈 环节 扰动 被控量 控制量 参考输入 系统中存在采样、保持、数字处理等过程，具有一些独 特的性能。随计算机的发展自动化系统得到越来越广泛 的应用。 图1.9 计算机控制系统 反馈信号 A/D 数字 计

13、算机 被控 对象 反馈 环节 输入 信号 误差 信号 被控量 D/A 离散信号 控制 信号 )(tr)(te)(tc)( 1 tu)(kTu)(kTe )(tf 第二章 自动控制的基本概念 自动控制系统组成及常用术语 自动控制系统的方框图 过渡过程及其品质指标 2-1自动控制系统组成 及常用术语 组成 受控对象（过程） ：工作的机器、装备等，从传 感器到执行器之间 被控量：表征其工作状态的物理量如T,P 测量变送：对被控量进行测量（转换成标准信号） 的装置 调节器：把测定值和设定值进行比较的装置 执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转 换为直线或角位移地装置 自动控制系统：受控对象和控制装

14、置的总体 一、人工控制和自动控制 人工控制：在人的直接参与下，使被控 量等于给定值 反应不及时，可以处理复杂问题 自动控制：在没有人的直接参与下，利 用控制装置操纵受控对象，使被控量等 于给定值 反应快，按设定的程序控制，必须有模型 人工控制 人在完成一项有目的的任务所经历的过程 眼睛观察 大脑分析决策、预期目标 油门执行 汽车受控对象 分析决策 观察 执行 观察 工作对象 预期 目标 干 扰 被控量 分析决策 观察 执行 观察 受控对象 预期 目标 干 扰 调节器 测量 执行 测量 受控对象 设定 速度 干 扰 人工控制和自动控制的类比 比较计算 测量 执行 测量 受控对象 给定值 干 扰

15、被控量 分析决策 观察 执行 观察 工作对象 预期 目标 干 扰 自动控制的基本方式 开式控制之一：按给定值的操纵 给定值 计算执行受控对象 被控量 干扰 闭式（反馈）控制：按偏差调节 计算 测量 执行受控对象 干 扰 被控量 开式控制之二：抗干扰补偿 比较计算执行 测量 受控对象 给定值被控量 干扰 二、自控系统的组成 过程控制：石油、化工、冶金、机械、 电力、轻工、纺织、建材、原子能等工 业部门的自动化 过程控制系统：自动控制系统的被控制 量是温度、压力、流量、液位成分、粘 度、湿度以及PH值等的系统 三、常用术语 被控过程（简称过程或称被控对象）： 在自动控制系统中，工艺变量需要控制的

16、生产过程、设备或机械等，如锅炉汽包。 被控变量：被控过程内要求保持设定数 值的工艺变量称为被控变量，例如锅炉汽 包内的水位。 操纵变量：指受控于调节阀，用以克服 扰动的影响，使被控变量保持设定值的物 料量或能量，称为操纵变量。例如锅炉给 水。 扰动（干扰）：除操纵变量外，作用于 被控过程并引起被控变量变化的因素，称 为扰动。例如蒸汽负荷的变化。 设定值：被控变量的预定值称为设定值。 例如锅炉汽包中预先设定的水位值。 偏差：是被控变量的设定值与实际值之 差。但是，能够直接获取的信息是被控变 量的测量值而不是实际值。因此，在控制 系统中通常把设定值与测量值之差作为偏 差。 2-2自动控制系统的方框

17、图 调节器： 调节阀： 过程：从传感器到调节阀之间的管道设备 测量变送： 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 一、方框图的画法 每个方框表示组成该系统的一个环节 两个方框之间一条带有箭头的连线表示其 相互关系，不表示方框之间的物料联系 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 过热蒸汽温度控制系统 TC TT 减 温 器 温度 测量 冷 水 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 液位控制器 储罐 HT HC 差压变送器 液位调节器 执行

18、器 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 干扰 烤炉温度控制示意图 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 位置随动系统原理图 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 调速系统图 调节器执行器过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z (t) 二、自控系统的分类 按系统的结构特点分类 反馈控制系统 前馈控制系统 前馈反馈控制系统 调节器调节阀过程 测量变送 x (t)e (t)u (t)q (t)y (t) z

19、 (t) 反馈调节器执行器过程 测量变送 + x (t) e (t) u (t) q (t)y (t) - z (t) 前馈调节器扰动通道 f (t) 前馈调节器执行器过程 f (t) u (t)q (t)y (t) z (t) 测量仪表 按给定值信号的特点分类 定值控制系统：将被控制量保持在某一定值 或很小的范围中的控制系统 随动控制系统：被控量的给定值随时间任意 地变化的控制系统 程序控制系统：被控量的给定值按预定的时 间程序而变化的控制系数 一、系统的静态和动态 二、过渡过程基本形式 三、品质指标 2-3过渡过程及其品质指标 一、系统的静态和动态 静态：输入不变，调节系统在调节器的 自动

20、调节作用下，被调量不再随时间变 化的平衡状态 动态：被调量随时间变化，系统处于不 平衡状态 一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作 用于对象，被调量偏离设定值，重点应 研究系统和环节的动态特性上。 二、过渡过程基本形式 发散振荡 等幅振荡 衰减振荡 发散振荡 01234 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t 等幅振荡 0246810121416 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t F1 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 最大偏差 给定值 余差 tp ts

21、 衰减振荡(1) 衰减振荡(2) 0510 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 h(t) t （单调过程）无振荡过程 024681012 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 h(t) t 三、品质指标 余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与被控参 数稳定值之差 最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给 定值的差 衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二 个波的振幅之比 衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的 百分比 过渡过程时间（ts）：系统过渡过程曲线进入新的 稳定值的5%或2%范围内所需的时间 峰值时间（tp）：

22、系统过渡过程曲线到达第一个峰 值所需的时间，反映系统响应的灵敏程度 典型的单位阶跃响应曲线（衰减振荡形式） 动态性能指标 主要有： a. 上升时间 b. 超调量 c. 超调时间 d. 调节时间。 不同的控制系统对于性能指标的要求不同。 Step Response 0 0.5 1 1.5 012345678 超调时间tp 上升时间tr调节时间ts Time(sec) Amplitude 响应稳态值 5%的稳态值 超调量 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 最大偏差 给定值 余差 衰减振荡的品质指标 0510152025 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 h(t) t 给定值 衰减振荡的品质指标 y2 y1 y1 衰减比 y2 y1-y2 衰减率 y1 过渡过程时间（ts）：系统过渡过程曲线 进入新的稳定值的5%或2%范围内所需 的时间 峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达 第一个峰值所需的时间，反映系统响应 的灵敏程度 0510152025 0.0 0.2 0.