化工仪表及自动化第章3

化工仪表及自动化第一章自动控制系统基本概念

内容提要

化工自动化的主要内容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自动控制系统的表示形式自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的静态与动态控制系统的过渡过程控制系统的品质指标影响控制系统过渡过程品质的主要因素1第一节化工自动化的主要内容1.自动检测系统2.自动信号和联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统3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，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记录，起到人的眼睛的作用。图1-1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装置。

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。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。

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回到规定的数值范围内。

第二节自动控制系统的基本组成及表示形式

4图1-2液位人工控制图1-3液位自动控制系统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一、自动控制系统的基本组成第二节自动控制系统的基本组成及表示形式

5组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器第二节自动控制系统的基本组成及表示形式1.方框图在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一般都用方框图来表示控制系统的组成。6二、自动控制的表示形式带有输入输出信号的方框比较点分支点图1.4方框的组成单元示意图第二节自动控制系统的基本组成及表示形式下页图为液位自动控制系统地方框图每个环节表示组成系统的一个部分，称为“环节”。两个方框之间用一条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方框表示为这个环节的输入，箭头离开方框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。6二、自动控制的表示形式方框图中，

x

指设定值；z

指输出信号；e

指偏差信号；p指发出信号；q

指出料流量信号；y

指被控变量；f

指扰动作用。当x

取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。第二节自动控制系统的基本组成及表示形式液位自动控制的方框图图1-5液位自动控制系统方框图7第二节自动控制系统的基本组成及表示形式其他控制系统

用同一种形式地方框图可以代表不同的控制系统图1-6蒸汽加热器温度控制系统

当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。这个控制系统同样可以用上页中的方框图表示8第二节自动控制系统的基本组成及表示形式注意！方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。9方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联系，并不代表方框之间的物料联系。方框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。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，而方框图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。自动控制系统是一个闭环系统第二节自自动控控制系统统的基本本组成及及表示形形式小结自动控制制系统是是具有被被控变量量负反馈馈的闭环环系统。。与自动检检测、自自动操纵纵等开环环系统比比较，最最本质的的区别，，就在于于自动控控制系统统有负反反馈，开开环系统统中，被被控（工工艺）变变量是不不反馈到到输入端端的。10举例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对象操纵作用工艺参数操纵指令图1-7自动操纵系系统方框图图第二节自自动控制系系统的基本本组成及表表示形式小结开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。比较闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。112.管道及仪表表流程图管道及仪表表流程图（（P＆IDPipingandInstrumentiondiagram）是自控控设计的的文字代代号、图图形符号号在工艺艺流程图图上描述述生产过过程控制制的原理理图，是是控制系系统设计计、施工工中采用用的一种种图示形形式。管管道及仪仪表流程程图在工工艺流程程图的基基础上，，按其流流程顺序序，标出出相应的的测量点点、控制制点、控控制系统统及自动动信号与与连锁保保护系统统等。在在控制方方案确定定以后，，由工艺艺人员和和自控人人员共同同研究绘绘制。33第二节自自动控控制系统统的基本本组成及及表示形形式34图1-8脱乙烷塔塔的工艺艺管道及及控制流流程图举举例左图是乙乙烯生产产过程中中脱乙烷烷塔的工工艺管道道及控制制流程图图举例第二节自自动控控制系统统的基本本组成及及表示形形式（1）图形符符号①测量点（包括括检出元件、、取样点）35检试点是由工艺设备备轮廓线或工工艺管线引到到仪表圆圈的的连接线的起起点，一般无无特定的图形形符号，如下下图所示。必必要时，检测测元件也可以以用象形或图图形符号表示示。图1-9测试点的一般般表示方法第二节自动动控制系统的的基本组成及及表示形式②连接线36通用的仪表信信号线均以细细实线表示。。连接线表示示交叉及相接接时，采用下下图的形式。。必要时也可可用加箭头的的方式表示信信号的方向。。在需要时，，信号线也可可按气信号、、电信号、导导压毛细管等等采用不同的的表示方式以以示区别。图1-10联系线的表示示法工艺管道及控控制流程图③仪表（包括检检测、显示、、控制）的图图形符号仪表的图形符符号是一个细细实线圆圈，，直径约10mm，对于不同的的仪表安装位位置的图形符符号如下表所所示。37工艺管道及控控制流程图38序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘面安装仪表3就地仪表盘面安装仪表表1-1仪表安装位置置的图形符号号表示工艺管道及控控制流程图39对于处理两个个或两个以上上被测变量，，具有相同或或不同功能的的复式仪表时时，可用两个个相切的圆或或分别用细实实线圆与细虚虚线圆相切表表示（测量点点在图纸上距距离较远或不不在同一图纸纸上），如下下图所示。图1-11复式仪表的表表示法工艺管道及控控制流程图（2）字母代号在控制流程图图中，用来表表示仪表的小小圆圈的上半半圆内，一般般写有两位（（或两位以上上）字母，第第一位字母表表示被测变量量，后继字母母表示仪表的的功能，常用用字母代号见见下表。40字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力供选用位置差比（分数）积分、累积安全报警控制（调节）检测元件指示自动-手动操作器积分、累积记录或打印开关、联锁传送阀、挡板、百叶窗套管继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构表1-2被测变量和仪仪表功能的字字母代号41第二节自动动控制系统的的基本组成及及表示形式42举例以脱乙烷塔控控制流程图，，来说明如何何以字母代号号的组合来表表示被测变量量和仪表功能能。塔顶的压力控控制系统中的PIC-207，其中第一位位字母P表示被测变量量为压力，第第二位字母I表示具有指示示功能，第三三位字母C表示具有控制制功能，因此此，PIC的组合就表示示一台具有指指示功能的压压力控制器。。该控制系统统是通过改变变气相采出量量来维持塔压压稳定的。第二节自动动控制系统的的基本组成及及表示形式回流罐液位控控制系统中的LIC-201是一台具有指指示功能的液液位控制器，，它是通过改改变进入冷凝凝器的冷剂量量来维持回流流罐中液位稳稳定的。塔下部的温度度控制系统中的TRC-210表示一台具有有记录功能的的温度控制器器，它是通过过改变进入再再沸器的加热热蒸汽量来维维持塔底温度度恒定的。塔底的液位控控制系统中的LICA-202代表一台具有有指示、报警警功能的液位位控制器，它它是通过改变变塔底采出量量来维持塔釜釜液位稳定的的。43第二节自动动控制系统的的基本组成及及表示形式（3）仪表位号44仪表位号是由字母代号号组合和阿拉拉伯数字编号号两部分组成成。阿拉伯数数字编号写在在圆圈的下半半部，其第一一位数字表示示工段号，后后续数字（二二位或三位数数字）表示仪仪表序号。举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图中PIC-206表示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2，仪表序号为06。第三节自动动控制系统的的分类几种分类方法法按被控变量来来分类，如温温度、压力等等控制系统；；按控制器具有有的控制规律律来分类，如如比例、比例例积分、比例例微分、比例例积分微分等等控制系统；；将控制系统按按照工艺过程程需要控制的的被控变量的的给定值是否否变化和如何何变化来分类类，这样可将将自动控制系系统分为三类类，即定值控控制系统、随随动控制系统统和程序控制制系统。12其中第三种分分类方法最普普遍第三节自动动控制系统的的分类“定值”是恒定给定值值的简称。工工艺生产中，，若要求控制制系统的作用用是使被控制制的工艺参数数保持在一个个生产指标上上不变，或者者说要求被控控变量的给定定值不变，就就需要采用定定值控制系统统。131.定值控制方法法2.随动控制系统统（自动跟踪踪系统）给定值随机变变化，该系统统的目的就是是使所控制的的工艺参数准准确而快速地地跟随给定值值的变化而变变化。第三节自动动控制系统的的分类3.程序控制系统统（顺序控制制系统）给定值变化，，但它是一个个已知的时间间函数，即生生产技术指标标需按一定的的时间程序变变化。这类系系统在间歇生生产过程中应应用比较普通通。14第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标一、控制系统统的静态与动动态15自动控制目的的：希望将被控变变量保持在一一个不变的给给定值上，这这只有当进入入被控对象的的物料量（或或能量）和流流出对象的物物料量（或能能量）相等时时才有可能。。静态——被控变量不随随时间而变化化的平衡状态态（变化率为为0，不是静止））。第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标当一个自动控控制系统的输输入（给定和和干扰）和输输出均恒定不不变时，整个个系统就处于于一种相对稳稳定的平衡状状态，系统的的各个组成环环节如变送器器、控制器、、控制阀都不不改变其原先先的状态，它它们的输出信信号也都处于于相对静止状状态，这种状状态就是静态。16第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标17动态——被控变量随随时间变化化的不平衡衡状态。。从干扰作用用破坏静态态平衡，经经过控制，，直到系统统重新建立立平衡，在在这一段时时间中，整整个系统的的各个环节节和信号都都处于变动动状态之中中，这种状状态叫做动动态。结论：在自动化工工作中，了了解系统的的静态是必必要的，但但是了解系系统的动态态更为重要要。因为在在生产过程程中，干扰扰是客观存存在的，是是不可避免免的，就需需要通过自自动化装置置不断地施施加控制作作用去对抗抗或抵消干干扰作用的的影响，从从而使被控控变量保持持在工艺生生产所要求求控制的技技术指标上上。第四节自自动控制系系统的过渡渡过程和品品质指标二、控制系系统的过渡渡过程系统由一个个平衡状态态过渡到另另一个平衡衡状态的过过程。18当干扰作用用于对象，，系统输出出y发生变化，，在系统负负反馈作用用下，经过过一段时间间，系统重重新恢复平平衡。举例图1-12控制系统方方框图第四节自自动控制系系统的过渡渡过程和品品质指标系统在过渡渡过程中，，被控变量量是随时间间变化的。。被控变量量随时间的的变化规律律首先取决决于作用于于系统的干干扰形式。。在生产中，，出现的干干扰是没有有固定形式式的，且多多半属于随随机性质。。在分析和和设计控制制系统时，，为了安全全和方便，，常选择一一些定型的的干扰形式式，其中常常用的是阶阶跃干扰。。19第四节自自动控制系系统的过渡渡过程和品品质指标采用阶跃干干扰的优点点：这种形式的的干扰比较较突然、危危险，且对对被控变量量的影响也也最大。如如果一个控控制系统能能够有效地地克服这种种类型的干干扰，那么么一定能很很好地克服服比较缓和和的干扰。。这种干扰的的形式简单单，容易实实现，便于于分析、实实验和计算算。图1-13阶跃干扰作作用20第四节自自动控制系系统的过渡渡过程和品品质指标自动动控控制制系系统统在在阶阶跃跃干干扰扰作作用用下下过过渡渡过过程程的的四四种种形形式式21非周周期期衰衰减减过过程程衰减减震震荡荡过过程程等幅幅震震荡荡过过程程发散散震震荡荡过过程程X√√？对于于控控制制质质量量要要求求不不高高的的场场合合，，如如果果被被控控变变量量允允许许在在工工艺艺许许可可的的范范围围内内振振荡荡（（主主要要指指在在位位式式控控制制时时）），，才才可可采采用用。。第四四节节自自动动控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程和和品品质质指指标标三、、控控制制系系统统的的品品质质指指标标控制制系系统统的的过过渡渡过过程程是是衡衡量量品品质质的的依依据据。。22图1-15过渡渡过过程程品品质质指指标标示示意意图图假定定自自动动控控制制系系统统在在阶阶跃跃输输入入作作用用下下，，被被控控变变量量的的变变化化曲曲线线如如上上图图所所示示，，这这是是属属于于衰衰减减振振荡荡的的过过渡渡过过程程多数数情情况况下下，，希希望望得得到到衰衰减减振振荡荡过过程程，，在在此此取取这这种种过过程程形形式式讨讨论论控控制制系系统统的的品品质质指指标标。。第四四节节自自动动控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程和和品品质质指指标标23五种种重重要要品品质质指指标标之之一一1.最大偏差差或超调调量最大偏差差是指在过过渡过程程中，被被控变量量偏离给给定值的的最大数数值。在在衰减振振荡过程程中，最最大偏差差就是第第一个波波的峰值值。特别别是对于于一些有有约束条条件的系系统，如如化学反反应器的的化合物物爆炸极极限、触触媒烧结结温度极极限等，，都会对对最大偏偏差的允允许值有有所限制制。超调量也也可以用用来表征征被控变变量偏离离给定值值的程度度。第四节自自动控控制系统统的过渡渡过程和和品质指指标2.衰减比衰减比是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。。习惯表表示为n:1，一般n取为4～10之间为宜宜。五种重要要品质指指标之二二24第四节自自动控控制系统统的过渡渡过程和和品质指指标五种重要要品质指指标之三三3.余差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差，或者说说余差就就是过渡渡过程终终了时的的残余偏偏差。有有余差的的控制过过程称为为有差调调节，相相应的系系统称为为有差系系统。反反之就为为无差调调节和无无差系统统。25第四节自自动控控制系统统的过渡渡过程和和品质指指标五种重重要品品质指指标之之四4.过渡时时间从干扰扰作用用发生生的时时刻起起，直直到系系统重重新建建立新新的平平衡时时止，，过渡渡过程程所经经历的的时间间叫过渡时时间。一般般在稳稳态值值的上上下规规定一一个小小范围围，当当被控控变量量进入入该范范围并并不再再越出出时，，就认认为被被控变变量已已经达达到新新的稳稳态值值，或或者说说过渡渡过程程已经经结束束这个个范围围一般般定为为稳态态值的的±５％（（也有有的规规定为为±２％））。26第四节节自自动控控制系系统的的过渡渡过程程和品品质指指标五种重重要品品质指指标之之五5.震荡周周期或或频率率过渡过过程同同向两两波峰峰（或或波谷谷）之之间的的间隔隔时间间叫振荡周期或工作周期期，其倒数数称为振荡频率。在衰减比比相同的情情况下，周周期与过渡渡时间成正正比，一般般希望振荡荡周期短一一些为好。。27第四节自自动控制系系统的过渡渡过程和品品质指标28某换热器的的温度控制制系统在单单位阶跃干干扰作用下下的过渡过过程曲线如如下图所示示。试分别别求出最大大偏差、余余差、衰减减比、振荡荡周期和过过渡时间（（给定值为为200℃）。举例图1-16温度控制系系统过渡过过程曲线第四节自自动控制系