自动化仪表及过程控制第一章绪论

1、PAGE 第一章 绪 论本章提要过程操纵系统的差不多概念过程操纵的进展概况过程操纵系统的组成过程操纵的特点及分类衡量过程操纵系统的质量指标授课内容第一节 过程操纵的进展概况差不多概念过程操纵系统指自动操纵系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等如此一些过程变量时的系统。(P3)过程操纵指工业部门生产过程的自动化。(P3)过程操纵的重要性进入90年代以来自动化技术进展专门快，是重要的高科技技术。过程操纵是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程操纵技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、爱护环境

2、卫生等方面起着越来越大的作用。过程操纵的进展概况19世纪40年代前后(手工时期)：手工操作状态，凭经验人工操纵生产过程，劳动生产率专门低。19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化时期)：过程操纵进展的第一个时期，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。要紧特点：检测和操纵仪表采纳基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程操纵系统结构单输入、单输出系统；被控参数温度、压力、流量和液位参数；操纵目的保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的要紧扰动；理论频率法和根轨迹法的经典操纵理论，解决单输入单输出的定值操纵系统的分析和综合问题。19世纪60年代(综合自动化时期)：过程操纵进展的第二个

3、时期，工厂企业实现车间或大型装置的集中操纵。要紧特点：检测和操纵仪表采纳单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机操纵系统的应用，实现直接数字操纵(DDC)和设定值操纵(SPC)；过程操纵系统结构多变量系统，各种复杂操纵系统，如串级、比值、均匀操纵、前馈、选择性操纵系统；操纵目的提高操纵质量或实现专门要求；理论除经典操纵理论，现代操纵理论开始应用。前馈操纵按扰动来操纵，在扰动可测的情况下，能够地提高操纵质量。选择性操纵在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的爱护性操纵。19世纪70年代以来(全盘自动化时期)：进展到现代过程操纵的新时期，这是过程操纵进展的第三个时期。要紧特点

4、：检测和操纵仪表新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程操纵系统结构由单 多变量系统，由PID操纵规律 专门操纵规律，由定值操纵 最优操纵、自适应操纵，由仪表操纵系统 智能化计算机分布式操纵系统；理论现代操纵理论 过程操纵领域，如状态空间分析，系统辨识与状态可能，最优滤波与预报。集散操纵系统(DCS)集散操纵系统是集计算机技术、操纵技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程操纵的监视、治理是集中的。优点：将计算机分布到车间或装置。使系统的危险分散，提高了系统的可靠性，能方便灵活地实现各种新型的操纵规律与算法，实现最佳治理。集散操纵系统的结构原理框

5、图：集散操纵系统的结构组成：过程输入-输出接口：又叫数据采集站，数据采集与预处理，对实时数据进一步的加工，操作站的显示与打印。过程操纵单元：又称差不多操纵器，是集散操纵系统的核心。不同的集散操纵系统其差不较大。CRT操作站：是集散操纵系统的人-机接口装置。执行监控操作、系统组态、编程、动态流程图显示以及部分生产治理。高速数据通路：实现集散操纵系统各处理机之间数据传送。治理(上位)计算机：进行集中治理与最佳操纵，实现信息-操纵-治理一体化。第二节 过程操纵系统及其组成过程操纵系统组成由测量元件、变送器、调节器、调节阀、被控过程等环节构成。一个简单的过程操纵系统被控过程过程检测操纵仪表（测量元件、

6、变送器、调节器和调节阀）过程操纵系统实例1（发电厂锅炉过热蒸汽温度操纵系统）过热蒸汽的温度是生产工艺的重要参数过程操纵系统实例2（PH操纵系统）过程操纵系统实例3（液位操纵系统）第三节 过程操纵的特点及系统分类1. 过程操纵系统特点系统由过程检测操纵仪表组成被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样。操纵方案的多样性通常有单变量操纵系统、多变量操纵系统、常规仪表操纵系统、计算机集散操纵系统、提高操纵品质的操纵系统、实现特定要求的操纵系统。本书将要介绍单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还要介绍高级新型系统(自适应操纵、预测操纵)以及极可能成为系统主流

7、的集散操纵系统(DCS)。过程操纵的操纵过程多属慢过程，而又多半属参量操纵被控过程具有大惯性、大时延(滞后)等特点。对表征其生产过程的温度、压力、流量、液位(物位)、成分、PH等过程参量进行自动检测和自动操纵。定值操纵是过程操纵的一种要紧操纵形式如何减小或消除外界扰动对被控量的阻碍，使被控量能操纵在给定值上，使生产稳定。2. 过程操纵系统分类按系统的结构特点分类：反馈操纵系统反馈操纵系统反馈操纵系统是依照系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是操纵的依据。前面的液位操纵系统，确实是一反馈操纵系统。又称闭环操纵系统。是过程操纵系统中最差不多的一种。多回路反馈操纵

8、系统。前馈操纵系统前馈操纵系统直接依照扰动量的大小进行工作的，扰动是操纵的依据。不构成闭合回路，故也称为开环操纵系统。由于前馈操纵是一种开环操纵，无法检查操纵的效果，因此在实际生产过程中是不能单独应用的。前馈反馈操纵系统(复合操纵系统) 前馈开环操纵的要紧优点：能针对要紧扰动迅速及时克服对被控量的阻碍。反馈操纵的要紧优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量操纵在给定值上。构成的前馈反馈操纵系统能够提高操纵质量。按给定值信号的特点分类：定值操纵系统 系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一专门小范围内不变)中。例如前述的例子确实是定值操纵系统。系统的

9、输入信号是扰动信号。随动操纵系统随动操纵系统被控量的给定值随时刻任意地变化的操纵系统。作用：克服一切扰动，使被控量及时跟踪给定值变化。例如在加热炉燃烧过程操纵，操纵系统就要使空气量跟随燃料虽的变化自动操纵空气量的大小从而保证达到最佳燃烧。程序操纵系统程序操纵系统被控量的给定值是按预定的时刻程序而变化的。操纵的目的：使被控量按规定的程序自动变化。例如机械工业中的退火炉的温度操纵系统。第四节 衡量过程操纵系统的质量指标操纵性能良好：在受到外来干扰作用或给定值发生变化后，应平稳、迅速、准确地回复(或趋近)到给定值上。评价操纵性能好坏的质量指标。依照工业生产过程对操纵的实际要求来确定。通常采纳的两种质

10、量指标：1. 系统过渡过程的质量指标余差(静态偏差)c 系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳定值之差。它是一个准确性的重要指标，是一个静态指标。一般要求余差不超过预定值或为零。衰减比n或衰减率 衰减比n指振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即 SKIPIF 1 0 ，衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标，反映了振荡的衰减程度。nl表示系统是不稳定的，振幅愈来愈大。n1表示为等幅振荡。n4表示系统为4：1的衰减振荡。 有时亦用衰减率( SKIPIF 1 0 )来表示系统的稳定程度。在工程上，应依照生产过程的特点来确定合适的。一般取衰减率g0.75O.9最大偏差A(或超调量)定值操纵系统

11、:用最大偏差A来衡量被控参数偏离给定值的程度。最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。A=B+C随动操纵系统：常用超调量那个指标来衡量被控参数偏离给定值的程度。超调量定义为： SKIPIF 1 0 A、差不多上衡量系统质量的一个重要指标。若A、愈大则表示被控量偏离生产规定的状态越远。规定同意最大偏差。过渡过程时刻ts过渡过程时刻ts：表示系统过渡过程曲线进入新的稳态值的5或 2范围内所需的时刻。ts愈小表示过渡过程进行得愈快。它是反映系统过渡过程快慢的指标。峰值时刻tp峰值时刻tp：是指系统过渡过程曲线达到第一个峰值所需要的时刻。其大小反映系统响应的灵敏程度。2. 误差（偏移）性能指标

12、单项指标来表示操纵系统的质量以外，还能够用综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。一个过程操纵系统的质量要紧看偏差的变化情况。可采纳偏差与时刻的某种积分关系作为衡量系统质量的准则，这确实是积分指标。常用有：平方误差积分指标(ISE)； SKIPIF 1 0 时刻乘误差的平方积分指标(ITSE)； SKIPIF 1 0 误差绝对值积分指标(IAE)； SKIPIF 1 0 时刻乘误差绝对值的积分指标(ITAE) SKIPIF 1 0 这些值达到最小的系统确实是最优的系统。补充内容过程操纵仪表是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动操纵系统中，过程检测仪表将

13、被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到操纵仪表进行自动操纵，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。由单元组合仪表构成的简单操纵系统过程操纵仪表的分类按能源形式分类：液动操纵仪表、气动操纵仪表和电动操纵仪表。按结构形式分类：基地式操纵仪表、单元组合式操纵仪表、组件组装式操纵仪表等。基地式操纵仪表以指示、记录仪表为主体，附加某些操纵机构而组成。基地式操纵仪表特点：般结构比较简单、价格廉价它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有操纵功能，因此它比较适用于单变量的就地操纵系统。目前常使用的XCT系列动圈式操纵仪表和TA系列简易式调节器即属此类

14、仪表。单元组合式操纵仪表 将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采纳统一信号进行联系。使用时可依照操纵系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和操纵系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也专门方便。它适用于各种企业的自动操纵。广泛使用的单元组合式操纵仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。组件组装式操纵仪表是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由操纵柜和操作台组成，操纵柜内安装的是具有各种功能的组件板，采纳高密度安装，结构紧凑。这种操纵仪表(或装置)特不适用于要求组成各种复杂操纵和集中显示操作的大、中型企业的自动操纵系统。其中国产的TF型、MZ型以及SPEC200等组装仪表即属此类操纵仪表。按信号形式分类：模拟操纵仪表和数字操纵仪表两大类。其中