化工仪表自动化-第1章全

1、化工仪表自动化四川理工学院电信系自动化教研室 课程介绍绍课程名称称：化工工仪表自自动化学时（学学分）：40（3/2.5）类型：专专业选修修课、考考查课教材：厉玉鸣.化工仪表表及自动动化（第四版版）M.北京:化学工业业出版社社，20062课程特点点课程内容容涵盖面面广化工原理理自动控制制原理检测技术术控制仪表表及装置置过程计算算机控制制集散控制制系统现场总线线控制系系统内容以叙叙述性为为主，理理论推导导较少3课程任务化工仪表自动动化是综合性较较强、跨跨多门学学科的一门专业业课程，通过本本课程的的学习，使学生掌掌握最基基本的过过程控制制方面的的知识，对常见见过程参参数的测测量原理理、常规规仪表的的

2、基本功功能、自自动控制制系统基基于微分分方程的的基本分分析方法法等有一一个基本本性的及及系统性性的了解解。便于在生生产实践践中能根根据生产产工艺及及自动控控制两个个方面的的要求，为自动动控制系系统的设设计提供供合理的的、准确确的工艺艺条件及及数据。选用适当当的自动动化仪表表和计算算机等装装置组成成实用型型过程控控制系统统。4学习及考考核学习方式式：课堂堂讲授+同学自学学总评成绩绩=平时40%+期末测试试60%平时成绩绩=课堂回答答问题10%+作业及小小测验30%答疑安排排每周二晚晚19:00-21:00实验楼5415参考书目目侯志林.过程控制制与自动动化仪表表M.北京:机械工业业出版社社，20

3、03杨丽明，张光新新.化工自动动化及仪仪表M.北京:化学工业业出版社社，2004王化祥.自动检测测技术M.北京:化学工业业出版社社，2004张毅.自动检测测技术及及仪表控控制系统统M.北京:化学工业业出版社社，20056绪论目的2发展历程程33化工自动动化的定定义31学习目的的47化工自动动化的定定义在化工等等连续性性生产设设备上，配备一一些自动动化装置置，代替替操作人人员的部部分直接接劳动，使生产产在不同同程度上上自动地地进行，称为化工自动动化。8实现化工工自动化化的目的的加快生产产速度，降低生生产成本本，提高高产品产产量和质质量。减轻劳动动强度，改善劳劳动条件件。能够保证证生产安安全，防防

4、止事故故发生或或扩大，达到延延长设备备使用寿寿命，提提高设备备利用能能力的目目的。生产过程程自动化化的实现现，能根根本改变变劳动方方式，提提高工人人文化技技术水平平，为逐逐步地消消灭体力力劳动和和脑力劳劳动之间间的差别别创造条条件。9实现化工工自动化化的目的的（续）高岭土在在不同温温度下煅煅烧时，其化学学反应式式如下：10化工自动动化的发发展历程程20世纪40年代手工操作作状态，只有少少量的检检测仪表表用于生生产过程程。20世纪40年代末50年代自动化仪仪表：采用基地地式仪表表和部分分单元组组合仪表表（气动动型和电动动型）控制理论论：以反馈为为中心的的经典控控制理论论控制系统统：多为单输输入、

5、单单输出简简单控制制系统11化工自动动化的发发展历程程（续）20世纪50年代70年代自动化仪仪表：单元组合合仪表（气动型和电动动型）成为为主流产产品。60年代后期期，出现现了专门门用于过过程控制制的小型型计算机机，直接接数字控控制系统统和监督督计算机机控制系系统开始始应用于于过程控控制领域域。控制理论论：出现了以以状态空空间方法法为基础础，以极极小值原原理和动动态规划划等最优优控制理理论为基基本特征征的现代代控制理理论，传传统的单单输入单单输出系系统发展展到多输输入多输输出系统统领域。控制系统统：串级、比比值、均均匀、前前馈和选选择性等等多种复复杂控制制系统。12气动基地地式仪表表KFL现场型

6、基基地式气气动液位位指示调调节仪13电动基地地式仪表表LD301压力力差压变变送器14气动单元元组合仪仪表气动指示示记录仪仪气动调节节仪15电动单元元组合仪仪表16使用常规规仪表的的中央控控制室17化工自动动化的发发展历程程（续）20世纪7080年代自动化仪仪表：气动型和电动动型，以微微处理器器为主要要构成单单元的智智能控制制装置。集散控控制系统统（DCS）、可编编程逻辑辑控制器器(PLC)、工业PC机（工控控机）和和数字控控制器等等，已成成为控制制装置的的主流。控制理论论：出现了以以状态空空间方法法为基础础，以极极小值原原理和动动态规划划等最优优控制理理论为基基本特征征的现代代控制理理论，传

7、传统的单单输入单单输出系系统发展展到多输输入多输输出系统统领域。控制系统统：串级、比比值、均均匀、前前馈和选选择性等等多种复复杂控制制系统。18化工自动动化的发发展历程程（续）20世纪90年代至今今自动化仪仪表：信息技术术飞速发发展，现现场总线线控制系系统（FCS）的出现现，引起起过程控控制系统统体系结结构和功功能结构构上的重重大变革革。现场场仪表的的数字化化和智能能化，形形成了真真正意义义上的全全数字过过程控制制系统。出现各各种智能能仪表、变送器器、无纸纸纪录仪仪。控制理论论：人工智能能、神经经网络控控制。控制系统统：管控一体体化现场场，综合合自动化化是当今今生产过过程控制制的发展展方向。1

8、9早期的DCS控制系统统20现代的DCS控制系统统21现代FCS操作室22学习目的的应能了解解化工自自动化的的基本知知识、理理解自动动控制系系统的组组成、基基本原理理及各环环节的作作用；能根据工工艺要求求、与自自控设计计人员共共同讨论论和提出出合理的的自动控控制方案案；能在工艺艺设计或或技术改改造中、与自控控设计人人员密切切合作，综合考考虑工艺艺与控制制两个方方面，并并为自控控设计人人员提供供正确的的工艺条条件与数数据，能能了解化化工对象象的基本本特性及及其对控控制过程程的影响响；能了解基基本控制制规律及及其控制制器参数数与被控控过程的的控制质质量之间间的关系系，能了了解主要要工艺参参数(温度

9、、压压力、流流量及物物位)的基本测测量方法法和仪表表的工作作原理及及其特点点；23学习目的的（续）在生产控控制、管管理和调调度中、能正确确地选用用和使用用常见的的测量仪仪表和控控制装置置，使它它们充分分发挥作作用；能在生产产开停车车过程中中，初步步掌握自自动控制制系统的的投运及及控制器器的参数数整定；能在自动动控制系系统运行行过程中中，发现现和分析析出现的的一些问问题和现现象，以以便提出出正确的的解决办办法；能在处理理各类技技术问题题时，应应用一些些控制论论、系统统论、信信息论的的观点来来分析思思考，寻寻求考虑虑整体条条件、考考虑事物物间相互互关联的的综合解解决方法法。24第一章自自动动控制系

10、系统基本本概念自动控制制系统的的组成2自动控制制系统的的分类33化工自动动化的主主要内容容31过渡过程程和品质质指标4工艺管道道及控制制流程图图35251.1化工自动动化的主主要内容容自动检测测系统利用各种种检测仪仪表对主主要工艺艺参数进进行测量量、指示示或记录录的，称称为自动动检测系系统。它它代替了了操作人人员对工工艺参数数的不断断观察与与记录、因此起起到人的的眼睛的的作用。261.1化工自动动化的主主要内容容自动信号号和联锁锁保护系系统生产过程程中，有有时由于于一些偶偶然因素素的影响响，导致致工艺参参数超出出允许的的变化范范围而出出现不正正常情况况时，就就有引起起事故的的可能。为此，常对某

11、某些关键键性参数数设有自自动信号号联锁装装置。自动操纵纵及自动动开停车车系统自动操纵纵系统可可以根据据预先规规定的步步骤自动动地对生生产设备备进行某某种周期期性操作作。271.1化工自动动化的主主要内容容自动控制制系统生产过程程中各种种工艺条条件不可可能是一一成不变变的。特特别是化化工生产产，大多多数是连连续性生生产，各各设备相相互关联联着，当当其中某某一设备备的工艺艺条件发发生变化化时，都都可能引引起其他他设备中中某些参参数或多多或少地地波动，偏离了了正常的的工艺条条件，为为此。就就需要用用一些自自动控制制装置，对生产产中某些些关键性性参数进进行自动动控制、使它们们在受到到外界干干扰(扰动)

12、的影响而而偏离正正常状态态时，能能自动地地控制而而回到规规定的数数值范围围内，为为此目的的而设置置的系统统就是自自动控制制系统。281.2自控系统统的基本本组成及及方块图图人工控制制：自动动控制的的基础检测运算(思考)执行291.2自控系统统的基本本组成及及方块图图人工控制制系统的的组成：眼睛观察玻璃璃管液位位计(测量元件件)指示的高高度。头脑将液位高高度与期期望高度度进行比比较，经经过思考考估算出出需要改改变的流流出量，然后发发出控制制命令。手根据命令令改变出出口阀门门开度，相应地地增减流流量，使液位位保持在在合理的的范围内内。阀门、对对象。301.2自控系统统的基本本组成及及方块图图机械化

13、人工控制制向自动动控制转转变人脑眼睛四肢控制器检测装置置执行器311.2自控系统统的基本本组成及及方块图图自动控制制以液体贮贮槽的液液位控制制为例，来说明明工业过过程控制制系统的的基本构构成。321.2自控系统统的基本本组成及及方块图图该系统是是由两部部分构成成的：控制装置置：起到到控制作作用的全全套仪表表、自动动装置。通常包包括测量量元件、变送器器、控制制器和执执行器等等。被控对象象：控制制装置所所要控制制的生产产设备。该系统的的任务：当被控对对象受到到干扰使使被控参参数产生生偏差时时，能够够及时检检测并反反馈到控控制器，通过控控制器产产生控制制信号，调节阀阀门开度度使被控控参数回回到给定定

14、值。331.2自控系统统的基本本组成及及方块图图变送器检测并变变换成统统一标准准信号送送到控控制器（相当于于人的眼眼睛）控制器接收变送送器信号号与液位位期望值值进行比比较，根根据偏差差按某种种规律运运算，结结果送送给执行行器（相相当于人人的大脑脑）执行器将控制器器指令信信号转换换成相应应的位移移信号，驱动阀阀门动作作，改变变液体流流出量，实现液液位的自自动控制制（相当当于人的的手）。341.2自控系统统的基本本组成及及方块图图方框图方框图是是从信号号流的角角度出发发，依据据信号的的流向将将组成控控制系统统的各个个环节相相互连接接起来的的一种图图解表达达方式。对自动控控制系统统进行分分析研究究时

15、，经经常用方方框图来来表示一一个自动动控制系系统的组组成。351.2自控系统统的基本本组成及及方块图图环节在方框图图中，每每个组成成部分用用一个方方框表示示并标上上该组成成部分的的名称，称之为为环节。一个方框框可以对对应于一一个元件件、一个个设备或或几个设设备的组组合，或或一个局局部的生生产过程程。环节361.2自控系统统的基本本组成及及方块图图输入和输输出箭头指向向方框的的信号X表示该环环节的输输入，称称为输入变量量。箭头离开开方框的的信号Y表示该环环节的输输出，称称为输出变量量。箭头所指指的方向向就是信信号的流流向，它它表明信信号的作作用方向向。环节XY371.2自控系统统的基本本组成及及

16、方块图图相加点C=A+BC=A-B分支点B=C=AACBACBABC381.2自控系统统的基本本组成及及方块图图给定值（设定值值）按照生产产工艺的的要求为为被控变变量规定定的所要要求达到到或保持持的数值值称为给定值。被控变量量对象中需需要进行行控制（保持数数值在某某一范围围内或按按预定规规律变化化）的物物理量称称为被控变量量。操纵变量量受到控制制装置的的操纵，用以使使被控变变量保持持在设定定数值的的物料或或能量的的表示参参数称为为操纵变量量。391.2自控系统统的基本本组成及及方块图图操纵介质质具体实现现控制作作用的物物料叫操纵介质。干扰（扰扰动）除操纵变变量外，作用于于对象并并使被控控变量发

17、发生变化化的因素素称为干扰。偏差在理论上上偏差应应该是给给定值与与被控变变量的实实际之差差。但是是我们只只能获得得测量值值，所以以通常把把给定值值与测量量值之差差作为偏差。40例题下图为一一换热器器的控制制系统流流程图。问：被控控变量？操纵变变量？被被控对象象？画出控制制系统方方框图。41例题被控变量量：物料料出口温温度操纵变量量：蒸汽汽流量被控对象象：换热热器换热器控控制系统统方框图图：421.2自控系统统的基本本组成及及方块图图同一形式式的方框框图可以以代表不不同的控控制系统统。431.2自控系统统的基本本组成及及方块图图表示方法法：方块图表表示流程图表表示区别？441.2自控系统统的基本

18、本组成及及方块图图闭环负反反馈把系统或或环节的的输出信信号或经经过一些些环节重重新返回回输入端端的做法法叫做反反馈。如何区别别正反馈馈和负反反馈？45练习题A、B两种物料料进入反反应器进进行反应应，通过过改变进进入夹套套的冷却却水流量量来控制制反应器器内的温温度。试分别指指出控制制对象、被控变变量、操操作变量量及可能能影响被被控变量量的干扰扰是什么么？画出该温温度控制制系统的的方块图图。46练习题在下面一一段文章章中，试试分别指指出被控控变量、操作变变量、干干扰、控控制对象象、控制制方式。“发动机内内的燃烧烧是由空空气燃料料比(空气量燃料喷喷射量)来控制。通过控控制燃料料喷射量量，使空空气与燃

19、燃料的比比值保持持一定，不受空气量变化影响响，特别是是消除外外部干扰扰的影响响。”471.3自动控制制系统的的分类多种分类类方法：按被控变变量分类类：温度度、压力力、流量量、液位位等按控制规规律分类类：比例例P (Propotional)、比例积积分PI(PropotionalIntegral)、比例积积分微分分PID(PropotionalIntegralDerivative)等483.按被控对对象的特特征分类类在石油、化工、冶金等等行业，生产过过程具有有水流一一样的连连续特征征，称之之为流程程工业，其自动动化系统统称之为为连续生产产过程自自动化或过程自动动化。在机械、汽车、电子等等行业，工

20、业生生产具有有间断的的、按件件料加工工的特征征，其自自动化系系统称之之为断续生产产过程自自动化或制造工业业自动化化。在食品、制药、选矿等等行业，生产同同时具有有连续和和间断的的待征，称之为为混合型工工业自动动化。494.按控制的的设定值值分类(1)定值控制制系统是指设定定值恒定定的控制制系统。其基本本任务是是克服扰扰动对被被控变量量的影响响，使被被控变量量保持在在设定值值。如常见的的热水器器的温度度控制就就是定值值控制系系统的一一个例子子。工业业生产大大部分控控制系统统都属于于这种类类型。504.按控制的的设定值值分类(2)随动控制制系统这类系统统的特点点是设定定值不断断地变化化，而且且这种变

21、变化是随随机的、不可预预知的。随动系系统的主主要目的的是使被被控变量量能尽快快地、准准确地跟跟踪设定定值的变变化。也也称自动动跟踪系系统。例如航空空上的导导航雷达达系统、电视台台的天线线接收系系统都均均属于随随动控制制系统。514.按控制的的设定值值分类(2)随动控制制系统放大器被测电压ut可逆电机指示记录仪滑线电阻Eup自动平衡衡电位差差计的方方框图524.按控制的的设定值值分类(3)程序控制制系统其设定值值也是变变化的，但它是是时间和和条件的的已知函函数，即即设定值值按规定定的时间间和条件件(按照设定定的程序序)变化。这类系统统在断续续生产过过程中应应用比较较普遍。如自动动洗衣机机控制就就

22、属于此此类。535.按控制系系统的结结构分类类(1)开环控制制系统若系统的的输出信信号不反反馈到输输入端，也就不不能形成成闭合回回路，这这样的系系统就称称为开环环控制系系统。开环系统统的构成成特点是是简单、实用，但由于于无反馈馈信息，控制的的效果取取决于控控制模型型是否准准确适当当、组成成开环系系统的各各个环节节是否稳稳定，系系统任何何部分的的变化都都可能影影响控制制的最终终结果。545.按控制系系统的结结构分类类(2)闭环控制制系统系统的输输出(被控变量量)通过某种种方式一一般为测测量传感感器送回回到控制制系统的的输入端端。这样样控制系系统就形形成了一一个闭合合的环路路，称闭闭环控制制系统。

23、在电子学学中，将将输出信信号引回回到输入入端叫做做反馈。同理，闭环控控制系统统也是反反馈控制制系统，而且常常用的是是负反馈馈，负反反馈可以以使控制制系统稳稳定。多多数控制制系统都都是闭环环负反馈馈控制系系统。55习题试列举几几个生活活中开环环控制系系统和闭闭环控制制系统的的实例，并分析析它们的的工作原原理。家用电冰冰箱的控控制方式式是开环环还是闭闭环控制制方式，试分析析冰箱控控制系统统的工作作原理。并画出出系统方方框图。561.4自控系统统的过渡过程程和品质质指标控制系统统的静态态与动态态在自动化化领域中中，把被被控变量量不随时时间而变变化的平平衡状态态称为系系统的静静态，而而把被控控变量随随

24、时间变变化的不不平衡状状态称为为系统的的动态。静态的特特点：系系统输入入x、f不变，系系统输出出y不变，其其他量如如z、e、p、q均不变，但生产产照常进进行。静静态是相相对而暂暂时的。动态的特特点：输输入变化化引起输输出变化化，其他他量也跟跟着变化化，以求求系统建建立新平平衡。动动态是经经常和绝绝对的。571.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标控制系统统的过渡渡过程自动控制制系统的的过渡过过程：自自动控制制系统在在动态过过程中，被控变变量是不不断变化化的，它它随时间间而变化化的过程程称为自自动控制制系统的的过渡过过程，也也就是说说，系统统从一个个平衡状状态（静静态）经经过动态态过渡到到另一

25、个个新的平平衡状态态的过程程。系统在过过渡过程程中，被被控变量量随时间间的变化化规律首首先取决决于作用用于系统统的干扰扰形式。在生产产中，出出现的干干扰是没没有固定定形式的的，且多多半属于于随机性性质。在在分析和和设计控控制系统统时，为为了安全全和方便便，常选选择一些些定型的的干扰形形式，其其中常用用的是阶阶跃干扰扰。581.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标常见典型型信号：阶跃信号号、斜坡坡信号、脉冲信信号、加加速度信信号和正正弦信号号等。当A=1时称为单单位阶跃跃信号。阶跃干扰扰（阶跃跃输入）的特点点：比较突然然、比较较危险、对被控控变量的的影响最最大，如如果一个个系统，能有效效地克服

26、服这类干干扰，对对其他干干扰就能能很好地地克服，同时数数学处理理和分析析简单。591.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标过渡曲线的四四种形式式601.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标控制系统统的品质质指标控制系统统的过渡渡过程是是衡量控控制系统统品质的的依据。由于在在多数情情况下振振荡过程程，所以以取衰减减振荡的的过渡过过程形式式来讨论论控制系系统的品品质指标标。CBABTtytG611.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标控制系统统的品质质指标最大偏差差或超调调量：最最大偏差差是指在在过渡过过程中，被控变变量偏离离给定值值的最大大数值。在衰减减振荡过过程中，最大偏偏差就是是第一个

27、个波的峰峰值，在在图中以以A表示。有有时也可可以用超超调量来来表征被被控变量量偏离给给定值的的程度。在图中中超调量量以B表示。从从图中可可以看出出，超调调量B是第一个个峰值A与新稳定定值C之差，即即BA一C。CBABTtytG621.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标衰减比：是表示示衰减程程度的指指标，它它是前后后相邻两两个峰值值的比。在图中中衰减比比是B:B。习惯上上表示为为n:1。一般取取4:18:1之间。CBABTtytG631.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标余差：当当过渡过过程终了了时，被被控变量量所达到到的新的的稳态值值与给定定值之间间的偏差差叫做余余差,或者说余余差就是

28、是过渡过过程终了了时的残残余偏差差，在图图中以C表示。偏偏差的数数值可正正可负。CBABTtytG641.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标过渡时间间：从干干扰作用用发生的的时刻起起，直到到系统重重新建立立新的平平衡时止止，过渡渡过程所所经历的的时间叫叫过渡时时间。CBABTtytG651.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标振荡周期期或频率率：过渡渡过程同同向两波波峰(或波谷)之间的间间隔时间间叫振荡荡周期或或工作周周期，其其倒数称称为振荡荡频率。在衰减减比相同同的情况况下，周周期与过过渡时间间成正比比，一般般希望振振荡周期期短一些些为好。上升时间间也是一一个品质质指标。它是指指干扰开

29、开始作用用起至第第一个波波峰时所所需要的的时间。显然，上升时时间以短短一些为为宜。CBABTtytG661.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标例题：某换热热器的温温度调节节系统在在单位阶阶跃干扰扰作用下下的过渡渡过程曲曲线如图图115所示。试试分别求求出最大大偏差、余差、袁减比比、振荡荡周期和和过渡时时间(给定值为为200)。671.4自控系统统的过渡渡过程和和品质指指标解:最大偏差差：A230一200300余差C20520050由图上可可以看出出，第一一个波峰峰值B230一205250，第二个波波峰值B21020550衰减比应应为B：B25：55：1。振荡周期期为同向向两波峰峰之间的的时间间间隔，故周期T20一515(min)过渡时间间与规定定的被控控变量限限制范围围大小有有关，假假定被控控变量进进入额定定值的土土2，就可可以认为为过渡过过程已经经结束，那么限限制范围围为200(2)土4，这时，可在新新稳态值值(205)两侧以宽宽度为土