安工大-化工仪表及自动化-第1章

1、1 仪表与自动化控制 刘 升 E-mail: 2 教材和主要参考书目 l化工仪表及自动化（第五版）化工仪表及自动化（第五版） 厉玉鸣厉玉鸣 主编，化学工业出版社。主编，化学工业出版社。 l化工仪表及自动化习题集化工仪表及自动化习题集 厉玉鸣厉玉鸣 主编，化学工业出版社。主编，化学工业出版社。 l过程检测技术及仪表过程检测技术及仪表 杜维主编，化学工业出版社。杜维主编，化学工业出版社。 l自动检测技术及仪表控制系统自动检测技术及仪表控制系统 l 张毅主编，化学工业出版社。张毅主编，化学工业出版社。 3 4 v生产过程自动化生产过程自动化：在化工化工、炼油炼油、食品食品、轻工轻工等连续 性生产设备

2、上，配备一些自动化装置装置，代替操作人员的部 分直接手工劳动，使生产过程在不同程度上自动地进行生产过程在不同程度上自动地进行， 称为“生产过程自动化生产过程自动化”。所谓化工自动化 v自动化技术自动化技术的的重要性重要性(工、农、军等工、农、军等) 5 v 生产过程生产过程自动化自动化的的目的目的： 加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和 质量； 降低劳动强度，改善劳动条件； 确保生产安全。 改善劳动条件 6 本课程本课程主要内容主要内容 基本概念基本概念 控制系统控制系统 控制对象的数学模型控制对象的数学模型 仪器仪表仪器仪表 检检 测测 显显 示示 调调 节节 执执 行行 自动控制系统

3、自动控制系统（简单系统、复杂系统）（简单系统、复杂系统） 计算机等新型控制系统计算机等新型控制系统 7 生产过程自动化技术生产过程自动化技术的的发展历程发展历程简介简介 利用自动检测仪表自动检测仪表监视生产，根据仪表指示和经验，手 工操作控制生产过程。(20世纪40年代以前) 生产过程自动控制系统自动控制系统的的产生，实现温度、压力、流量、 物位等参数的简单控制；同时串级、比值、等复杂控制 系统也得到了一定程度的发展。 (20世纪50至60年代) 计算机技术、网络技术和控制理论的发展推动了常规仪 表的不断变革，各种新型测控系统新型测控系统相继出现。(20世纪70 年代以来) 现代自动化技术发展

4、为综合自动化综合自动化，控制与管理控制与管理一体化一体化， 是信息技术、自动化技术和管理科学相结合的现代高新 技术。(近10年来) 现场总线控制系统 8 第一章第一章 自动控制系统自动控制系统基本概念基本概念 1.1 工业自动化的主要内容工业自动化的主要内容 1.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 1.3 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 1.4 自动控制系统方块图自动控制系统方块图 1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.6 自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制系统的过渡过程和品质指标 本章小结 9 1.1 工业自动化的主要内容工业自动化的主要内容 q主要有主要有

5、：自动检测；自动报警与联锁保护；自动操纵和 自动启停；自动控制。 自动检测：利用各种检测仪表对生产过程主要工艺参数 (温度、压力、流量、物位等)进行测量、指示或记录。 测温元件 热液 蒸汽 流量计 压力表 冷液冷液 冷凝水 温度计 换热器重要换热器重要 参数的自动参数的自动 检测示意图。检测示意图。 10 生产过程自动化生产过程自动化的的主要内容主要内容2-3-4 自动报警与联锁保护自动报警与联锁保护：对生产过程中某些关键性的工艺参 数设置自动报警、联锁保护装置，当参数超出设定范围时， 系统自动发出声光信号，工况达到危险状态时联锁保护系统 立即自动采取紧急措施。 自动操纵和自动启停自动操纵和自

6、动启停：按照预先规定的步骤自动对生产设 备进行某种周期性操作；自动投入运行或停车。 自动控制自动控制：对影响产品产量、质量或安全生产的一些关键 工艺参数进行自动控制，当其受到外界扰动的影响偏离正常 状况时，系统能自动调节使工艺参数值回到规定的范围之内， 克服干扰影响。 11 Q0 h Q1 1.2 自动控制系统的自动控制系统的组成组成 q自动控制是由人工手动控制发展而来， q下面以水槽液位控制为例来比较自动控制和手工控制， 从而分析和了解自动控制系统的基本组成。 12 水槽水槽液位控制液位控制 手工控制手工控制 眼看眼看脑想脑想手动手动。 检测检测、运算运算和和执行执行 手工完成测量测量、求偏

7、差求偏差和 操纵阀门纠正偏差操纵阀门纠正偏差的全过程。 可用一套自动化装置代替 人眼、脑、手的作用，完 成水槽中液位高低的自动 控制任务。 自动控制自动控制 Q0 h Q1 设定值 变送器控制器 Q0 h Q1 13 设定值 变送器控制器 Q0 h Q1 自动控制系统的自动控制系统的组成部分组成部分 自动控制自动控制 p 测量元件与变送器测量元件与变送器：测量液位并 将其高度转化为统一标准信号； 电信号: 420mADC; 010mADC等 气压信号: 20100KPa。 p 自动控制器自动控制器：计算变送器输出信号与液位设定值之间偏 差，按某种运算规律进行计算并输出统一信号； p 被控对象被

8、控对象：水槽 需要控制其工艺参数的生产设备或机器，需要控制其工艺参数的生产设备或机器，简称简称对象对象。 自动化装置自动化装置 p 执行器执行器：自动根据控制器的输出改变阀门开度。 14 第三节第三节 工艺管道及控制流程图工艺管道及控制流程图 管道及仪表流程图（管道及仪表流程图（Piping and Instrumetion Diagram） 概念：概念：工艺流程及自动控制方案确定后，在工艺设计 给出的流程图上，按其流程顺序标注出相应的测量点、 控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，从 而构成工艺管道及控制流程图。 工艺管道及控制流程图主要由图形符号、字母代号 和仪表位号组成，下面以脱乙

9、烷塔工艺管道及控制流 程图为例来作一简要介绍。 15 脱乙烷塔工艺管道及控制流程图 工艺介绍、图形符号工艺介绍、图形符号 字母代号、仪表位号字母代号、仪表位号 1、工艺介绍、工艺介绍 q从脱甲烷塔出来的釜液 进入脱乙烷塔脱除乙烷。 q从脱乙烷塔塔顶出来的 碳二馏分经塔顶冷凝器冷 凝后，部分作为回流，其 余去乙炔加氢反应器进行 加氢反应。 q从脱乙烷塔底出来的釜 液部分经再沸器后返回塔 底，其余去脱丙烷塔脱除 丙烷。 脱 乙 烷 塔 加热蒸汽 脱甲烷塔 来的原料 FR 212 TRC 210 PI 206 LICA 202 再沸器 至脱丙烷塔 PIC 207 回流罐 LIC 201 气相 采出

10、H L 冷凝器 16 2、图形符号图形符号 p测量点测量点：包括检测元 件、取样点，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。检测元件可用 象形或图形符号表示。 p连接线连接线：以细实线表 示，加箭头表示信号方 向，可交叉或相接。 p仪表图形符号仪表图形符号：细实 线圆圈，用字母表示检 测、显示、控制等功能， 并表示出所在的安装位 置。 PIC 207 例如： 17 字母代号、 仪表位号 控制流程图中仪表图形符控制流程图中仪表图形符 号号圆圈的上半圆内，一般圆圈的上半圆内，一般 写有两位或以上字母，写有两位或以上字母，第第 一位字母一位字母表示表示被测变量被测变量， 后继字

11、母后继字母表示表示仪表功能仪表功能。 p首位字母：首位字母：FF流量流量； LL物位物位；PP压力压力； TT温度温度。等。等 p后继字母：后继字母：AA报警报警； CC控制控制；II指示指示； RR记录或打印记录或打印； TT传送传送。等。等 v在检测和控制系统中， 每台仪表都有自己的仪表 位号位号，是由，是由字母代号字母代号和和数数 字编号字编号两部分组成。两部分组成。 p数字编号数字编号写在仪表图形 符号圆圈的下半圆内下半圆内，首 位数字表示工段号工段号，后续 数字表示仪表序号仪表序号。 PIC 207 具有指示功能 的压力控制器。 工段号：2； 仪表序号：7； 18 控制流程图仪表安装

12、位置符号意义 序号序号安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注序号序号安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注 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 19 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分析报警报警P压力压力 C电导率控制控制Q数量积分累积 D密度差R放射性记录记录 E电压S速度安全开关 F流量流量比T温度传送传送 I电流指示指示V粘度阀 K时间W力 L物位物位Y M水分Z位置执行机构 20 符号意义

13、符号意义例子例子 脱 乙 烷 塔 加热蒸汽 脱甲烷塔 来的原料 FR 212 TRC 210 PI 206 LICA 202 再沸器 至脱丙烷塔 PIC 207 回流罐 LIC 201 气相 采出 H L 冷凝器 PIC 207 LICA 202 H L TRC 210 PI 206 具有指示功能的 压力控制器。 具有指示、高低 限报警功能的液 位控制器。 具有记录功能的 温度控制器。 就地安装的压 力指示仪。 工段号：2； 仪表序号：6； 集中仪表 盘面安装。 21 第四节第四节 自动控制系统方块图自动控制系统方块图 p为清楚表示出自动控制系统各组成环节之间的相互影响和为清楚表示出自动控制系

14、统各组成环节之间的相互影响和 信号联系，信号联系，可用方块图来表示控制系统的组成可用方块图来表示控制系统的组成。每个。每个方块表方块表 示示组成系统的一个部分，称为组成系统的一个部分，称为环节环节。两个方块之间用带箭头。两个方块之间用带箭头 的线条表示的线条表示信号信号的输入、输出关系的输入、输出关系 ( (并不表示物料并不表示物料联系联系) )。 线旁的字母表示相互间的作用信号。线旁的字母表示相互间的作用信号。以以蒸汽加热器自动控制蒸汽加热器自动控制 系统系统为例为例来说明系统各环节功能。来说明系统各环节功能。 进料 T T TC 出料 蒸汽 设定值 冷凝水 22 蒸汽加热器自动控制系统方块

15、图 进料 T T TC 出料 蒸汽 设定值 冷凝水 被控对象(对象)：蒸汽加热器； 执行器 测量元件变送器 - - 偏差 e z 测量值 给定值 x 控制器 控制器输出 p 操纵变量 q 被控变量 y f干扰作用 被控变量：出料温度； 操纵变量：蒸汽流量； 干扰作用：如进料 流量、温度变化或 蒸汽压力变化等。 操纵介质：蒸汽； 对象 23 反馈与负反馈 p自动控制系统是具有自动控制系统是具有被控变量被控变量负反馈负反馈的的闭环闭环系统。系统。 p反馈：系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新返 回到输入端。在反馈信号z旁有一个负号“-”，而在设定值x 旁有一个正号“+” (可省略)，所得

16、偏差 e=x-z。反馈信号 z 取负值，所以叫负反馈，负反馈能使原来信号减弱负反馈能使原来信号减弱。反馈信 号取正值使原来信号加强，就叫做正反馈正反馈。 p为什么在自动控制系统中一般采用负反馈为什么在自动控制系统中一般采用负反馈？ p闭环系统的优点：有负反馈。闭环系统可以随时了解被控 对象的情况，有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控 制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接 近于所希望的状态。 24 第五节 自动控制系统的分类 l按被调参数分类： 流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等； l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； l按信号

17、种类分类： 气动调节系统，电动调节系统。 分类分类方法有多种方法有多种！ 25 自动控制系统按被控变量的设定值分类 自动控制系统按被控变量的设定值形式不同分为三大类： 自动控制系统 定值控制系统随动控制系统程序控制系统 p定值定值控制系统：设定值恒定。大多数自动控制系统采用。 p随动随动控制系统：设定值不断随机变化，被控变量准确而快 速跟随设定值的变化而变化。导航雷达系统、天线接收系 统、比值控制系统等。 p程序程序控制系统：设定值是一个已知的时间函数，按生产工 艺要求规律变化，控制系统按设定程序自动进行。 26 随动控制系统举例 以一定的精度跟随设定值的变化而变化。 自动平衡电位差计的方框图

18、 放大器 被测电压 可逆电机 指示记录仪 滑线电阻 E up ut 27 第六节第六节 系统过渡过程系统过渡过程、品质指标品质指标 p控制系统的控制系统的静态静态与与动态动态；研究自动控制系统的重点研究自动控制系统的重点。 l系统的静态系统的静态是指被控量不随时间而变化的平衡状态；是指被控量不随时间而变化的平衡状态；系系 统的动态统的动态是指被控量随时间变化的不平衡状态。是指被控量随时间变化的不平衡状态。 l当系统输入当系统输入( (设定和干扰设定和干扰) )和输出均恒定不变时，系统处和输出均恒定不变时，系统处 于于相对稳定相对稳定的平衡状态，系统各环节如变送器、控制器、的平衡状态，系统各环节

19、如变送器、控制器、 控制阀都不改变其原来状态，系统中各信号变化率为零。控制阀都不改变其原来状态，系统中各信号变化率为零。 l系统处于静态，受干扰作用破坏了这种平衡时，被控变系统处于静态，受干扰作用破坏了这种平衡时，被控变 量发生变化，使控制器、控制阀改变原来平衡状态并产生量发生变化，使控制器、控制阀改变原来平衡状态并产生 一定控制作用来克服干扰的影响，使系统恢复平衡状态。一定控制作用来克服干扰的影响，使系统恢复平衡状态。 从干扰发生开始，直到系统重新建立平衡，系统各环节和从干扰发生开始，直到系统重新建立平衡，系统各环节和 信号都处于变动状态之中，称为动态信号都处于变动状态之中，称为动态。 28

20、 控制系统的控制系统的静态静态与与动态动态 自动控制系统处于静态时，生产还在进行，物料和能量 仍然有进有出，只是平稳进行没有改变。 研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。在生产过 程中，干扰是客观存在不可避免的，当一个自动控制系 统投入运行时，时时刻刻都有干扰作用于控制系统，需 要通过自动化装置不断的施加控制作用来消除干扰作用 的影响，使被控变量保持在正常的生产状态。所以，一一 个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一 波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。波又起，波动不止，往复不息的动态过程中。 29 30 阶跃干扰阶跃干扰 系统原

21、先处于平衡状态，受干扰 作用，系统进入动态过程。由于自 动控制系统负反馈作用，一段时间 后系统重新恢复平衡状态。 被控量随时间的变化规律首先取决于系统的干扰形式，在 分析和设计控制系统时常选用阶跃干扰，在某一瞬间干扰突 然的阶跃式的加到系统上，并继续保持幅度。由于阶跃干扰阶跃干扰 比较突然、比较危险，对被控量的影响也最大比较突然、比较危险，对被控量的影响也最大，如果一个控 制系统能有效的克服阶跃干扰，那么对其它比较缓和的干扰 也一定能很好的克服。同时，阶跃干扰形式简单，便于分析、阶跃干扰形式简单，便于分析、 实验和计算实验和计算。 输 入 量 时间tt00 31 二、二、控制系统的控制系统的品

22、质指标品质指标 在大多数情况下，系统的过渡过程都希望得到衰减振荡 过程，取衰减振荡过渡过程形式来讨论控制系统品质指标。 0 t y A B B C 过渡过程品质指标示 意图 习惯采用下列品质指标来评价控制系统质量： 最大偏差或超调量最大偏差或超调量, 衰减比衰减比, 余差余差 ,过渡时间过渡时间, 振荡周期或频率振荡周期或频率 32 1.最大偏差最大偏差 或或超调量超调量 p最大偏差最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数 值。在衰减振荡过程中，最大偏差为第一个波的峰值，图中以值。在衰减振荡过程中，最大偏差为第一个波的峰值，图中以 A A

23、表示。表示。超调量超调量是第一峰值是第一峰值A A与新稳态值与新稳态值C C之差，图中以之差，图中以B B表示，表示， 即即B=A-CB=A-C。 p最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。一般最大偏最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。一般最大偏 差小一些为好，差小一些为好，若偏离越大若偏离越大，偏离的时间越长，表明被控变量，偏离的时间越长，表明被控变量 离开正常的工艺指标就越远离开正常的工艺指标就越远，不利于生产的正常进行。若干扰，不利于生产的正常进行。若干扰 比较频繁，第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，比较频繁，第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了， 引起引起偏

24、差偏差产生产生叠加叠加，因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许，因此需要根据工艺来限制最大偏差的允许 值。值。 0 t y A B B C 33 2.衰减比衰减比 p衰减比衰减比：前后相邻两个峰值之比，图中以：前后相邻两个峰值之比，图中以B:B表示，习惯上表示，习惯上 表示为表示为 n:1的形式。的形式。 p衰减比表明过渡过程的衰减程度。若衰减比较小衰减比表明过渡过程的衰减程度。若衰减比较小( (n1) )，则，则 过渡过程接近于等幅振荡过程，不稳定；若过渡过程接近于等幅振荡过程，不稳定；若 n 很大，则又太很大，则又太 接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢。接近于非振荡过程，过渡过程过于缓慢。

25、pn 一般一般取取4 10之间，是操作人员多年的操作经验总结。衰减之间，是操作人员多年的操作经验总结。衰减 比比在在4:1到到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度较快，之间时，过渡过程开始阶段的变化速度较快， 被控变量较快达到第一个峰值，然后马上下降，又较快达到一被控变量较快达到第一个峰值，然后马上下降，又较快达到一 个低峰值，且第二个峰值远远低于第一个峰值。这种现象表明个低峰值，且第二个峰值远远低于第一个峰值。这种现象表明 被控变量再振荡数次后很快会稳定下来，被控变量再振荡数次后很快会稳定下来，防止操作人员误操作防止操作人员误操作 使系统处于难以控制的状态。使系统处于难以控制的状态。

26、0 t y A B B C 34 3.余差余差 p余差余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与设定：过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与设定 值之间的偏差，又叫值之间的偏差，又叫残余偏差残余偏差，图中以，图中以C表示，偏差的数值表示，偏差的数值可可 正可负正可负。 p一般控制系统被控变量越接近设定值越好，所以一般控制系统被控变量越接近设定值越好，所以余差越小越余差越小越 好好。但在实际生产中，也不是要求任何系统的余差都很小，。但在实际生产中，也不是要求任何系统的余差都很小，一一 般余差越小控制系统就越复杂般余差越小控制系统就越复杂。对余差大小的要求须结合具体。对余差大小的要求须结

27、合具体 系统分析，如贮液槽液位控制系统往往允许液位有较大的变化系统分析，如贮液槽液位控制系统往往允许液位有较大的变化 范围，余差可以大一些；而化学反应器的温度控制要求较高，范围，余差可以大一些；而化学反应器的温度控制要求较高， 应尽量消除余差。应尽量消除余差。 p根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统。根据有无余差可将系统分为有差系统和无差系统。 0 t y A B B C 35 4.过渡时间过渡时间; 5.振荡周期振荡周期 或频率或频率 p过渡时间过渡时间：从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平：从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平 衡时止，过渡过程所经历的时间。一般认为被控变量衡时止，过渡过程所经历的时间。一般认为被控变量进入新稳