化工自动化及仪表

1、上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录1 第第0 0章章 引言引言 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录20.1 何为何为(过程过程)自动化自动化所谓自动化是在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们所谓自动化是在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：按照规定的要求自动地进行，也即：上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录3所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者状态上，所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者状态上，

2、或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行 保证生产过程运行在保证生产过程运行在最佳状态最佳状态上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录4所谓所谓“自动控制自动控制”是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。的性能要求。随着现代科学技术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生随着现代科学技

3、术的蓬勃发展，炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种物、制药等工业过程的生产规模越来越大型化、复杂化，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证优质、低耗的基本条件和重要保证 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录5iqh0q测量仪表设定值控制器进进料料口口出出料料口口H玻璃管液位计玻璃管液位计人工操作 自动控制()上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录60.2应用应用“仪表、控制和自动化技术仪表、控制和自动化技术”的原始动力

4、的原始动力 加快生产速度、减低成本、提高产量和质量、增加产品的附加值 例如：聚合反应釜控制不当极易发生爆炸。 生产过程趋向于大型化、复杂化，没有自控系统将无法生产； 先进生产工艺、环保等对自动化的要求日益提高。 自动化生产可以避免操作人员大量、繁重、危险的操作，特别是在易燃、易爆、有毒、腐蚀性、刺激性的生产过程更是如此。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录7。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录80.3自动化与生产工艺的关系自动化与生产工艺的关系了解生产对象的基本特性及其对控制的影响；根据工艺要求选择合理的自控方案；综合考虑工艺与自控双方面的因素，掌握准确的

5、工艺条件和数据了解基本测控参数的测量原理、要求，便于确定合适的测控参数、选择合适的测控点等。上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录90.4自动化技术的简要发展过程自动化技术的简要发展过程上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录10 控制理论的简要发展过程自动控制的本质：是指应用自动化仪器仪表、自动控制装置代替人，自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。控制问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质和规律，运用适当的数学工具求取问题的解。 “控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望

6、，作为自动控制科学的核心的控制理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中发展起来。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录11经典控制理论经典控制理论 在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁着控制理论智慧火花的杰作。例如,我国北宋时期(10861089年)天文学家苏颂、韩公廉苏颂、韩公廉建造的水运仪象台水运仪象台,就是一个按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统;1681年法国物理学家、发明家巴本(D. Papin),发明了用作安全调节装置的锅炉压力调节器锅炉压力调节器;1765年,俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov

7、)发明了蒸汽锅炉水位调节器蒸汽锅炉水位调节器等。 到了1788年,英国人瓦特(J. Watt)在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器离心调速器,解决了蒸汽机的速度控制问题。这项发明引起了人们对控制技术的重视,此后人们曾经试图改善调速器的准确性,却常常导致系统产生振荡。 实践中出现的问题,促使科学家们从理论上进行探索研究。1868年,英国物理学家麦克斯韦麦克斯韦(J.C. Maxwell)通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析,解释了瓦特速度控制系统不稳定的原因,开辟了用数学方法研究控制系统的途径。此后,英国数学家劳斯劳斯(E.J. Routh)和德国数学家胡尔维茨胡尔维茨(A. Hurwitz)

8、分别在1877年和1895年独立建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。这些方法奠定了经典控制理论中时域分析法的基础。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录121932年,美国物理学家奈奎斯特奈奎斯特(H. Nyquist)研究了长距离电话线信号传输中出现的失真问题,运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据,奠定了频域法的基础。随后,伯德(H.W. Bode)和尼科尔斯(N.B. Nichols)在20世纪30年代末和40年代初进一步发展了频域法,形成了经典控制理论的频域分析法经典控制理论的频域分析法,为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。 第

9、二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛应用于设计、研制飞机自动驾驶仪飞机自动驾驶仪、火炮定位系统火炮定位系统、雷达天线控制系统雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技术,促成许多新的见解和方法的产生。同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。 1948年,美国科学家伊万斯伊万斯(W.R. Evans)创立了根轨迹分析方法,为分析系统性能随系统参数变化的规律提供了有力工具,被广泛应用于反馈控制系统的分析、设计中。 以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析、设计工具,构成了经

10、典控制理论的基本框架。到20世纪50年代,经典控制理论发展到相当成熟的地步,形成了相对完整的理论体系,为指导当时的控制工程实践发挥了极大的作用。上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录13经典控制理论虽然具有很大的实用价值,但也有着明显的局限性,主要表现如下。 1) 经典控制理论只适用于SISO线性定常系统的研究,难以推广到多输入多输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)线性定常系统,对时变系统和非线性系统更无能为力; 2) 经典控制理论在进行控制系统设计和综合时,需要借助丰富的经验进行试凑以及大量的手工计算。3) 用经典控制理论分析、设计控制系统,一般

11、根据幅值裕度、相位裕度、超调量、调节时间等频域里讨论的指标来进行,这些指标并不直观且难以接受,与通常所讨论的性能指标,如最快、最小能量等,难以建立直接对应关系; 4) 经典控制理论在系统设计、分析时无法考虑系统的初始条件,因此,难以达到高精度的位置、速度等控制系统设计要求; 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录14由于工业生产过程也向着大型化、连续化的方向发展。 导致（a）控制系统渐趋复杂： 在整体结构上，表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等； 在被处理的信息上，表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。（b）控制要求越来越高，除了实现单纯的稳定控制以外，控制器的设计往往还

12、要追求最佳的性能要求 现代控制理论现代控制理论 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录15现代控制理论现代控制理论 Pontryagin提出的“极大值原理”Bellman提出的动态规划理论Kalman滤波及其能控、能观和反馈镇定理论Lyapunov稳定性理论现代控制理论发展的基础现代控制理论主要研究分支有：自适应控制现代控制理论主要研究分支有：自适应控制 鲁棒控制鲁棒控制 非线性控制非线性控制 大系统理论大系统理论 模糊控制模糊控制 神经网络控制神经网络控制 预测控制预测控制 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录16与经典控制理论相比较,现代控制理论有如下优点。

13、1)现代控制理论不仅适用于SISO线性定常系统,而且易于推广到MIMO系统、时变系统和非线性系统等,显示了有更强的描述系统的动态行为特性的能力,能够处理的系统的范围更大; 2) 现代控制理论易于用计算机进行系统分析、计算和实现计算机控制,所设计的控制系统的实现具有极大的可行性、优越性、先进性。 3) 现代控制理论利用时域法容易给人以时间上清晰的性能指标,如最快速度、最小能量等,易于理解、接受和优化设计; 4) 现代控制理论易于考虑系统的初始条件,使得所设计的控制系统有更高的精度和更佳的性能指标; 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录17经典控制理论和现代控制理论的关系经典控制理

14、论和现代控制理论的关系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录18 仪表的简要发展过程常见的测控参数：常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数） 测控仪表的分类：测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类 *TPPLFA温度 ：温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器）压力 ：压力变送器差压：差压变送器变送器液位 ：差压变送器流量 ：流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计）成份 ：成份分析仪（在线、离线）0 1 0 0 %/O nO ff电 动 调 节 阀能 源 （ 动 力 ）气 动 调 节 阀执 行 器连 续： 调 节 阀工 作 方 式通 断： 开 关

15、阀控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录19 基地式仪表基地式仪表只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰） 单元组合仪表单元组合仪表随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往集中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况。 QDZ：气动单元组合仪表，气

16、源(140kPa)，信号(20100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型两类，气动单元组合仪表已基本淘汰。DDZ：电动单元组合仪表。 DDZII型：电源220VAC，信号010mA DDZIII型：电源24VDC，信号420mA、15VDC 智智 能能 仪仪 表表仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。 现场总线仪表现场总线仪表简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。 上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录20自动化装置的简要发展过程基地式系统基地式仪表第0代常规仪表控制系统单元组合仪表：调、变、执、算(DDZ-II、III、QDZ)第1代 DDC控制变、执(DDZ-II、III) 集中型计算机控制系统变、执(DDZ-II、III) 第2代DCSOS：小型机、IPCCS：IPC、PLC、智能调节器现场仪表：DDZ-III为主 第3代*FCS将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。现场仪表：总线仪表 第4代*分布式IO DCS现场信号根据传输距离或功能不同连接到现