《化工仪表及自动化》第1章

1、第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 l 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容l 自动控制系统的基本组成及表示形式自动控制系统的基本组成及表示形式l 自动控制系统的分类自动控制系统的分类l 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主要内容主要内容第一节第一节 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容1. 自动检测系统自动检测系统 利用各种检测仪表对主要工利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与作人员对工艺参数的不断观察与记

2、录，起到人的眼睛的作用。记录，起到人的眼睛的作用。图图1-1 1-1 热交换器自动检测系统示意图热交换器自动检测系统示意图 当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全

3、装置。和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。 2. 自动信号和联锁保护系统自动信号和联锁保护系统4. 自动控制系统自动控制系统 在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。回到规定的数值范围内。 3. 自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产

4、过程自动地投入运行或自动停车。将生产过程自动地投入运行或自动停车。 第二节第二节 自动控制系统的基本组成及方块图自动控制系统的基本组成及方块图 图图1-2 人工操作图人工操作图图图1-3 液位自动控制系统图液位自动控制系统图n人工操作与自动控制比较图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要一、自动控制系统的基本组成一、自动控制系统的基本组成l自动控制系统的组成自动控制系统的组成组组成成自动化装置自动化装置被控对象被控对象测量元件与变送器测量元件与变送器自动控制器自动控制器执行器执行器图图1-5 蒸汽加热器温度控制系统蒸汽加热器

5、温度控制系统 当进料流量或温度变化当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器量后送至温度控制器TCTC。温。温度控制器的输出送至控制阀，度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。口物料的温度不变。 1、自动控制的方块图、自动控制的方块图l在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。般都用方块图来表示控制系统的组成。l下页图为液位自动控制系统地方块图，每个环节表示组下页图

6、为液位自动控制系统地方块图，每个环节表示组成系统的一个部分，称为成系统的一个部分，称为“环节环节”。两个方块之间用一。两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。二、自动控制系统的表示形式二、自动控制系统的表示形式l注意！注意！方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。n方块与方块之间的连接线，只是代表方块之

7、间的信号联系，方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。n自动控制系统是一个闭环系统。自动控制系统是一个闭环系统。带有输入输出信号的方框带有输入输出信号的方框比

8、较点比较点分支点分支点图图1.4 方框的组成单元示意图方框的组成单元示意图l小结小结l自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 l与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。变量是不反馈到输入端的。举例举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子自动操纵装置自动操纵装置对象对象操纵作用操纵作用工艺参数工艺参数操纵指令操纵指

9、令开环系统：开环系统：自动机在操作时，自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。来改变自己的操作。比较比较闭环系统：闭环系统：有针对性地有针对性地根据被控变量的变化情根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。接近于所希望的状态。2、工艺管道及控制流程

10、图、工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺工艺管道及控制流程图管道及控制流程图 。乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图 举例举例l 图形符号图形符号l 测试点（包括检出元件、取样点）测试点（包括检出元件、取样点） 测试点测试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈是由工艺设备轮廓线或工

11、艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。图图1-9 测试点的一般表示方法测试点的一般表示方法 连接线连接线 通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式

12、以示区别。号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。图图1-10 1-10 联系线的表示法联系线的表示法 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。序序号号安装位安装位置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图形符号号备注备注1就地安就地安装仪表装仪表嵌在管嵌在管道中道中4集中仪集中仪表盘后表盘后安装仪安装仪表表2集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 5就

13、地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表3就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表表表1-1 1-1 仪表安装位置的图形符号表示仪表安装位置的图形符号表示 对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。一图纸上），如下图所示。图图1-11 复式仪表的表示法复式仪表的表示法l 字母代号字母代号 在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的

14、上半圆内，在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比

15、（分数）比（分数）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、执行或未分类的终端执行机构表表1-2 1-2 被测变量和仪表功能的字母代号被测变量和仪表功能的字母代号举例举例 以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。示被测变量和仪表功能。 塔顶的压力控制系塔顶的压力控制系

16、统统中的中的PIC-207PIC-207，其中第，其中第一位字母一位字母P P表示被测变量表示被测变量为压力，第二位字母为压力，第二位字母I I表表示具有指示功能，第三示具有指示功能，第三位字母位字母C C表示具有控制功表示具有控制功能，因此，能，因此，PICPIC的组合就的组合就表示一台具有指示功能表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。出量来维持塔压稳定的。 回流罐液位控制系统回流罐液位控制系统中的中的LIC-201LIC-201是一台具有指示功是一台具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来

17、维能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。持回流罐中液位稳定的。 塔下部的温度控制系统塔下部的温度控制系统中的中的TRC-210TRC-210表示一台具有记表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。汽量来维持塔底温度恒定的。 塔底的液位控制系统塔底的液位控制系统中的中的LICA-202LICA-202代表一台具有指示、代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。塔釜液位稳定的。

18、 l 仪表位号仪表位号 仪表位号仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。表序号。 举例举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装，工段号为仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为，仪表序号为06。 第三节第三节

19、自动控制系统的分类自动控制系统的分类l几种分类方法几种分类方法l按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；l按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；分、比例微分、比例积分微分等控制系统；l将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。和程

20、序控制系统。其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍 “ “定值定值” ” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。控制系统。 给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参给定值随机变化，该系统的目的就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。数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。 给定值变化，但它是一个已知的时间

21、函数，即生产技术给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。应用比较普通。第四节第四节 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 l一、控制系统的静态与动态一、控制系统的静态与动态自动控制目的：自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对上，这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。象的物料量（或能量）相等时才有可能。

22、静态静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率 为为0，不是静止）。，不是静止）。 当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是这种状态就是静态静态。动态动态被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随

23、时间变化的不平衡状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建从干扰作用破坏静态平衡，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信号都处立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做于变动状态之中，这种状态叫做动态动态。结论：结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施

24、加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。在工艺生产所要求控制的技术指标上。l二、控制系统的过渡过程二、控制系统的过渡过程l系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 当干扰作用于对象，系统输出当干扰作用于对象，系统输出y y发生变化，在系统负反发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例举例图图1-12 1-12 控制系统方块图控制系统方块图采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点：

25、 这种形式的干扰比较突然、这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。服比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，容易这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计实现，便于分析、实验和计算。算。图图1-13 阶跃干扰作用阶跃干扰作用n在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，随机性质。在分析和设计控制系统

26、时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。 l自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程非周期衰减过程衰减震荡过程衰减震荡过程等幅震荡过程等幅震荡过程 发散震荡过程发散震荡过程X X？对于控制质量要求不对于控制质量要求不高的场合，如果被控高的场合，如果被控变量允许在工艺许可变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要的范围内振荡（主要指在位式控制时），指在位式控制时），才可采用。才可采用。 l三、控制系统的品质指标三、控制系统的品质指标l控制系统的过渡过程是衡量品质

27、的依据。控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。图图1-15 1-15 过渡过程品质指标示意图过渡过程品质指标示意图 假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程。变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程。 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。过程形式讨论控制系统的品质指标。五种重要品质指标：五种重要品质指标：1. 最大偏差或超调量最大偏差或超调量 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是指在过渡过程中，

28、被控变量偏离给定值的最大数值最大数值,A,A。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。偏差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度,B,B。2. 2. 衰减比衰减比 衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比比,B:B。

29、习惯表示为。习惯表示为 n:1，一般，一般 n 取为取为410之间为宜。之间为宜。3. 余差余差 当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做值与给定值之间的偏差叫做余差余差，或者说余差就是过渡，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差，过程终了时的残余偏差，C。有余差的控制过程称为有。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。和无差系统。 4. 过渡时间过渡时间 从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡从干扰作用发生的时刻起，直到系统重

30、新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间过渡时间。一般在稳态值的。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的结束这个范围一般定为稳态值的（也有的规定为（也有的规定为）。）。 5.5.震荡周期或频率震荡周期或频率 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫间隔时间叫振荡周期振荡周期或工作周期，其倒数称或工作周期，其倒数称为为振荡