化工仪表及自动化第章化学工业出社

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方块图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内容提要工艺管道及控制流程图图形符号字母代号仪表位号2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第一节化工自动化的主要内容1.自动检测系统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2.自动信号和联锁保护系统

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。

3.自动操纵及自动开停车系统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。

4.自动控制系统在受到外界干扰（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方块图

4图1-2人工操作图图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第二节自动控制系统的基本组成及方块图

自动控制系统的组成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二二节节自自动动控控制制系系统统的的基基本本组组成成及及方方块块图图液位位自自动动控控制制的的方方块块图图在研研究究自自动动控控制制系系统统时时，，为为了了便便于于对对系系统统分分析析研研究究，，一一般般都都用方方块块图图来来表表示示控控制制系系统统的的组组成成。下页页图图为为液液位位自自动动控控制制系系统统的的方方块块图图，，每个个环环节节表表示示组组成成系系统统的的一一个个部部分分，，称称为为““环环节节””。。两个个方方块块之之间间用用一一条条带带有有箭箭头头的的线线条条表表示示其其信信号号的的相相互互关关系系，，箭箭头头指指向向方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输入入，，箭箭头头离离开开方方块块表表示示为为这这个个环环节节的的输输出出。。线线旁旁的的字字母母表表示示相相互互间间的的作作用用信信号号。。6方块块图图中中，，x指设设定定值值；；z指输输出出信信号号；；e指偏偏差差信信号号；；p指发发出出信信号号；；q指出出料料流流量量信信号号；；y指被被控控变变量量；；f指扰扰动动作作用用。。当当x取正正值值，，z取负负值值，e=x-z，负负反反馈馈；；x取正正值值，，z取正正值值，，e=x+z，正正反反馈馈。。第二二节节自自动动控控制制系系统统的的基基本本组组成成及及方方块块图图液位位自自动动控控制制的的方方块块图图图1-4液液位位自自动动控控制制系系统统方方块块图图7几个个常常用用术术语语：：（1））被控控对对象象需要要实实现现控控制制的的设设备备、、机机械械或或生生产产过过程程称称为为被被控控对对象象，，简简称称对对象象。。（2））被控控变变量量对象象内内要要求求保保持持一一定定数数值值（（或或按按某某一一规规律律变变化化））的的物物理理量量称称为为被被控控变变量量。。（3））控制制变变量量（操纵纵变变量量）受执执行行器器控控制制，，用用以以使使被被控控变变量量保保持持一一定定数数值值的的物物料料或或能能量量称称为为控控制制变变量量或或操操纵纵变变量量。。（4））干扰扰（扰动动）除控控制制变变量量（（操操纵纵变变量量））以以外外，，作作用用于于对对象象并并引引起起被被控控变变量量变变化化的的一一切切因因素素称称为为干干扰扰。。（5））设（（给给））定定值值工艺艺规规定定被被控控变变量量所所要要保保持持的的数数值值。（6））偏差差偏差差本本应应是是设设定定值值与与被被控控变变量量的的实实际际值值之之差差。。但但能能获获取取的的信信息息是是被被控控变变量量的的测测量量值值而而非非实实际际值值，，因因此此，，在在控控制制系系统统中中通通常常把把设设定定值值与与测测量量值值之之差差定定义义为为偏偏差差。。第二二节节自自动动控控制制系系统统的的基基本本组组成成及及方方块块图图其他他控控制制系系统统用同一种形式式的方块图可可以代表不同同的控制系统统图1-5蒸蒸汽加热器温温度控制系统统当进料流量或或温度变化等等因素引起出出口物料温度度变化时，可可以将该温度度变化测量后后送至温度控控制器TC。。温度控制器器的输出送至至控制阀，以以改变加热蒸蒸汽量来维持持出口物料的的温度不变。。这个控制系统统同样可以用用上页中的方块图表示示8P6图1-5蒸蒸汽加热器温温度控制系统统：（1）被控对象-----蒸汽加热器（2）被控变量------出口物料的的温度（3）控制变量（操操纵变量）-----加热蒸汽量（4）干扰（扰动））作用-----进进料流量、进进料温度的变变化、、加热蒸汽压力力的变化、加加热器内部传传热系数的变变化、环境温温度的变化（5）操纵介质（操操纵剂）------加热蒸汽第二节自动动控制系统的的基本组成及及方块图注意！方块图中的每每一个方块都都代表一个具具体的装置。。9方块与方块之之间的连接线线，只是代表表方块之间的的信号联系，，并不代表方方块之间的物物料联系。方方块之间连接接线的箭头也也只是代表信信号作用的方方向，与工艺艺流程图上的的物料线是不不同的。工艺流程图上上的物料线是是代表物料从从一个设备进进入另一个设设备，而方块块图上的线条条及箭头方向向有时并不与与流体流向相相一致。自动控制系统统是一个闭环环系统第二节自动动控制系统的的基本组成及及方块图小结自动控制系统统是具有被控控变量负反馈馈的闭环系统统。与自动检测、、自动操纵等等开环系统比比较，最本质质的区别，就就在于自动控制系统统有负反馈，开环系统中中，被控（工工艺）变量是是不反馈到输输入端的。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第二节自动动控制系统的的基本组成及及方块图小结开环系统：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。11设定器控制器被控对象扰动被控量设定器被控过程传感器控制器开环控制系统：闭环控制系统统:第三节自动动控制系统的的分类几种分类方法法（一）按被控变量来分类，如温温度、压力等等控制系统；；（二）按控制器具有的的控制规律来分类，如比比例、比例积积分、比例微微分、比例积积分微分等控控制系统；（三）将控制制系统按照工工艺过程需要要控制的被控变量的给给定值是否变变化和如何变变化来分类，这样样可将自动控控制系统分为为三类，即定值控制系统统、随动控制制系统和程序序控制系统。。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”是是恒定给定值的简称。工艺艺生产中，若若要求控制系系统的作用是是使被控制的的工艺参数保保持在一个生生产指标上不不变，或者说说要求被控变变量的给定值值不变，就需需要采用定值值控制系统。。131.定值控制制方法2.随动控制制系统（自动动跟踪系统））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.程序控制制系统（顺序序控制系统））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——被控变量量不随时间而而变化的平衡衡状态（变化化率为0，不不是静止）。。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——被控变量量随时间变化化的不平衡状状态。从干扰作用破破坏静态平衡衡，经过控制制，直到系统统重新建立平平衡，在这一一段时间中，，整个系统的的各个环节和和信号都处于于变动状态之之中，这种状状态叫做动态态。结论：在自动化工作作中，了解系系统的静态是是必要的，但但是了解系统统的动态更为为重要。因为为在生产过程程中，干扰是是客观存在的的，是不可避避免的，就需需要通过自动动化装置不断断地施加控制制作用去对抗抗或抵消干扰扰作用的影响响，从而使被被控变量保持持在工艺生产产所要求控制制的技术指标标上。第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标二、控制系统统的过渡过程程系统由一个平平衡状态过渡渡到另一个平平衡状态的过过程。18当干扰作用于于对象，系统统输出y发生生变化，在系系统负反馈作作用下，经过过一段时间，，系统重新恢恢复平衡。举例图1-7控控制系统方块块图动态――被控控变量随时间间变化的不平平衡状态。如果系统原来来处于相对平平衡状态（静静态），当出出现干扰使被被控变量发生生变化，此时时控制系统发发生作用，调调节器根据偏偏差及其偏差差的变化情况况，改变调节节器输出，再再经执行器改改变操纵变量量，使被控变变量重新回到到设定值来，，这么一个从干扰发发生、系统控控制、直到重重新建立平衡衡的过程称为为“动态”过过程。工艺设计主要要围绕系统““静态”特性性开展工作，，自动控制是是在“静态””特性基础上上研究其“动动态”特性―――当系统失去平平衡以后，如如何使系统重重新回到平衡衡状态。如何来评价自自控系统的质质量？必须分析“系系统失稳以后后能否重新回回到平衡状态态”、“从系系统失稳到重重新回到平衡衡状态”这个个过程的各种种指标。第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标系统在过渡过过程中，被控控变量是随时时间变化的。。被控变量随随时间的变化化规律首先取取决于作用于于系统的干扰扰形式。在生产中，出出现的干扰是是没有固定形形式的，且多多半属于随机机性质。在分分析和设计控控制系统时，，为了安全和和方便，常选选择一些定型型的干扰形式式，其中常用的是阶跃跃干扰。19第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标采用阶跃干扰扰的优点：这种形式的干干扰比较突然然、危险，且且对被控变量量的影响也最最大。如果一一个控制系统统能够有效地地克服这种类类型的干扰，，那么一定能能很好地克服服比较缓和的的干扰。这种干扰的形形式简单，容容易实现，便便于分析、实实验和计算。图1-8阶阶跃干扰作用用20第四节自动动控制系统的的过渡过程和和品质指标自动控制系统统在阶跃干扰扰作用下过渡渡过程的四种种形式21非周期衰减过过程衰减震荡过程程等幅震荡过程程发散震荡过程程X√√？对于控制质量量要求不高的的场合，如果果被控变量允允许在工艺许许可的范围内内振荡（主要要指在位式控控制时），才才可采用。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三、控控制系系统的的品质质指标标控制系系统的的过渡渡过程程是衡衡量品品质的的依据据。22图1-10过过渡过过程品品质指指标示示意图图假定自自动控控制系系统在在阶跃跃输入入作用用下，，被控控变量量的变变化曲曲线如如上图图所示示，这这是属属于衰衰减振振荡的的过渡渡过程程多数情情况下下，希希望得得到衰衰减振振荡过过程，，在此此取这这种过过程形形式讨讨论控控制系系统的的品质质指标标。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23五种重重要品品质指指标之之一1.最最大大偏差差A或超调调量B最大偏偏差A是指在在过渡渡过程程中，，被控控变量量偏离离给定定值的的最大大数值值。在在衰减减振荡荡过程程中，，最大大偏差差就是是第一一个波波的峰峰值。。特别别是对对于一一些有有约束束条件件的系系统，，如化化学反反应器器的化化合物物爆炸炸极限限、触触媒烧烧结温温度极极限等等，都都会对对最大大偏差差的允允许值值有所所限制制。超调量量B也可以以用来来表征征被控控变量量偏离离给定定值的的程度度。B=A-C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2.衰衰减减比B/B’’衰减比比是衰减减程度度的指指标，，它是是前后后相邻邻两个个峰值值的比比。习习惯表表示为为n:1，，一般般n取为4～10之之间为为宜。。五种重重要品品质指指标之之二24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3.余余差差C当过渡渡过程程终了了时，，被控控变量量所达达到的的新的的稳态态值与与给定定值之之间的的偏差差叫做做余差，或者者说余余差就就是过过渡过过程终终了时时的残残余偏偏差。。有余余差的的控制制过程程称为为有差调调节，相应应的系系统称称为有差系系统。反之之就为为无差调调节和无差系系统。25五种重重要品品质指指标之之三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4.过过渡渡时间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±５５％（（也有有的规规定为为±２２％））。26五种重重要品品质指指标之之四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5.震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周期或工作作周期期，其其倒数数称为为振荡频频率。在衰衰减比比相同同的情情况下下，周周期与与过渡渡时间间成正正比，，一般般希望望振荡荡周期期短一一些为为好。。27五种重重要品品质指指标之之五自动控控制系系统希希望的的结果果：最大偏偏差（（超调调量））？衰减比比？余差？？过渡时时间？？振荡周周期？？答：越越小越越好n＝1等幅幅振荡荡n＜1发散散振荡荡n＞1衰减减振荡荡不不振振荡为了保保持有有足够够的稳稳定程程度，，衰减减比一一般取取为4：1至10：：1；；这种种过渡渡过程程不是是最优优的结结果，，但操操作人人员容容易掌掌握，，一般般也是是操作作人员员所希希望的的过程程不振荡荡：不不便于于操作作人员员掌握握。答：越小越越好答：越小越越好答：短好自动控控制系系统性性能要要求五个字字：稳稳、准准、快快、壮壮、省省稳：扰扰动下下不发发散准：与与设定定值的的偏差差小快：用用最少少的时时间达达到要要求壮：适适应宽宽范围围工况况省：控控制能能量最最省，，波动动小，，效率率高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28某换热热器的的温度度控制制系统统在单单位阶阶跃干干扰作作用下下的过过渡过过程曲曲线如如下图图所示示。试试分别别求出出最大大偏差差、余余差、、衰减减比、、振荡荡周期期和过过渡时时间（（给定定值为为200℃℃）。。举例图1-11温温度控控制系系统过过渡过过程曲曲线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解:最大偏偏差A＝230-200＝＝30℃余差C＝205-200＝＝５℃℃由图上上可以以看出出，第第一个个波峰峰值B＝230-205＝25℃℃，第二个个波峰峰值B′＝＝210－－205＝＝5℃℃，故衰减比比应为B:B′＝＝25:5＝5:1。振荡周周期为为同向向两波波峰之之间的的时间间间隔隔，故周期T＝20-5＝15（（min））29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分析过渡时时间与与规定定的被被控变变量限限制范范围大大小有有关，，假定定被控控变量量进入入额定定值的的±2％，，就可可以认认为过过渡过过程已已经结结束，，那么么限制制范围围为200×（（±2％））＝±±4℃℃，这这时，，可在在新稳稳态值值（205℃））两侧侧以宽宽度为为±４４℃画画一区区域，，上图图中以以画有有阴影影线的的区域域表示示，只只要被被控变变量进进入这这一区区域且且不再再越出出，过过滤过过程就就可以以认为为已经经结束束。因因此，，从图图上可可以看看出，，过渡时时间为22min。。30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四、影影响控控制系系统过过渡过过程品品质的的主要要因素素31一个自自动控控制系系统可可以概概括成成两大大部分分，即即工艺过过程部部分（（被控控对象象）和自动化化装置置部分分。前者者指与与该自自动控控制系系统有有关的的部分分。后后者指指为实实现自自动控控制所所必需需的自自动化化仪表表设备备，通通常包包括测量与与变送送装置置、控控制器器和执执行器器等三三部分分。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对于一一个自自动控控制系系统，，过渡渡过程程品质质的好坏，在很很大程程度上上决定于于对象的的性质质。例如如在前前所述述的温温度控控制系系统中中，属属于对对象性性质的的主要要因素素有：：换热器器的负负荷大大小，，换热热器的的结构构、尺尺寸、、材质质等，，换热热器内内的换换热情情况、、散热热情况况及结结垢程程度等等。不同自自动化系系统要具具体分析析。32四、影响响控制系系统过渡渡过程品品质的主主要因素素影响过渡渡过程的的主要因因素?固定因素素：对象特特性----工工艺参数数、设备备结构、、材质等等测量仪表表特性执行器特特性补偿因素素：控制器特特性——这是自动动控制的的主要研研究内容容自动控制制系统的的组成组成自动化装装置被控对象象测量元件件与变送送器自动控制制器执行器第五节工工艺管管道及控控制流程程图工艺流程程和控制制方案的的确定后后，根据工艺艺设计给给出的流流程图，，按其流程程顺序标标注出相相应的测量点、、控制点点、控制制系统及及自动信信号与联联锁保护护系统等等，便成了工艺管道道及控制制流程图图（PID图图）。Piping&InstrumentationDiagram管道及仪仪表流程程图33第五节工工艺管管道及控控制流程程图34图1-12脱乙乙烷塔的的工艺管管道及控控制流程程图举例例右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五节工工艺管管道及控控制流程程图一、图形形符号1.测测量点（（包括检检出元件件、取样样点）35测量点是由工艺艺设备轮轮廓线或或工艺管管线引到到仪表圆圆圈的连连接线的的起点，，一般无无特定的的图形符符号，如如下图所所示。必必要时，，检测元元件也可可以用象象形或图图形符号号表示。。图1-13测测试点的的一般表表示方法法第五节工工艺管管道及控控制流程程图2.连连接线36通用的仪仪表信号号线均以以细实线线表示。。连接线线表示交交叉及相相接时，，采用下下图的形形式。必必要时也也可用加加箭头的的方式表表示信号号的方向向。在需需要时，，信号线线也可按按气信号号、电信信号、导导压毛细细管等采采用不同同的表示示方式以以示区别别。图1-14联联接线的表示示法第五节工工艺管管道及控控制流程程图仪表的图图形符号号是一个个细实线线圆圈，，直径约约10mm，对对于不同同的仪表表安装位位置的图图形符号号如下表表所示。。373.仪仪表（包包括检测测、显示示、控制制）的图图形符号号第五节工工艺管管道及控控制流程程图38表1-1仪表表安装位位置的图图形符号号表示第五节工工艺管管道及控控制流程程图39对于处理理两个