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：扩大知识面，适应生产现代化需要

2、；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

3、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ep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TCTT凝液蒸汽自动控制的基本概念 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

4、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 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

5、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YM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

6、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t0t0飞升曲线的四种形式3. 等幅振荡过程1. 非周期衰减过程0t0yy0t004. 发散振荡过程tt0t2. 衰减振荡过程yty0t0t控制系统的品质指标1.最大偏差A；2.衰减比(A-C)/(B-C)；4:110:13.余差C；4.过渡时间t；5.振荡周期T。ytABCT误差范围 例例1.1 1.1 热力系统热力系统 如图如图1.

7、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

8、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

9、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）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

10、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UgUdUD常数fIUfU+1.2 自动控制系统的类型1

11、.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

12、广泛的应用。 图1.9 计算机控制系统反馈信号A/D 数字计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)(1tu)(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：受控对象和控制装置的总

13、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

14、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

15、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

16、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TCTT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HTHC差压变送器液位调节器执行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 (

17、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 (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

18、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012340.00.51.01.52.0t等幅振荡02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t F1051015

19、20250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t最大偏差给定值余差tpts衰减振荡(1)衰减振荡(2)05100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t（单调过程）无振荡过程0246810120.00.20.40.60.81.0 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

20、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 Response00.511.5012345678超调时间tp上升时间tr调节时间tsTime(sec)Amplitude响应稳态值5%的稳态值超调量05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t最大偏差给定值余差衰减振荡的品质指标05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t给定值衰减振荡的品质指标y2y1y1衰减比y2y1-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