自动化仪表与过程控制

自动化仪表

与

过程控制

1

生产过程自动化，是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动控制，主要解决各种生产过程中的温度、压力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等参数的自动监测和控制问题。用自动化装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就称为生产过程自动化，简称为过程控制（ProcessControl）。2过程控制过程控制----泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。作用----在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可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、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。3自动化仪表自动化仪表-----用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。特点-----兼容性、统一标准4一、生产过程及其特点连续生产过程主要有以下几种形式：1．传热过程

通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换热器2．燃烧过程

通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力和热源。典型设备：加热炉53．化学过程

由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的产品的反应过程。典型设备：反应器4．精馏过程

精馏是一种分离过程。典型设备：精馏塔5．传质过程不同组分的分离和结合，如液体和气体之间的解吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其目的是获得纯的出口物料。一、生产过程及其特点6一、生产过程及其特点生产过程特点：连续生产过程具有复杂性、关联性、时变性、非线性、不确定性，在某些高温高压或有害介质存在的场合，还具有相当的危险性。生产过程的这些特点极大地促进了过程控制技术的发展，使得过程控制在自动控制领域乃至国民经济中都占有极其重要的地位。7参考书教材

过程控制与自动化仪表.潘永湘等.机械工业出版社.2008.5参考书

1.自动检测技术与装置.张宏建等.化学工业出版社.2004.7

2.自动化仪表与过程控制.施仁等.电子工业出版社.2009.2

3.自动检测技术及仪表控制系统.张毅等.化学工业出版社.2005.3

4.过程控制及仪表.邵裕森.上海交大出版社

8考核方式1.点名作业20%

2.试验成绩10%

3.期末考试70%9第一章过程控制与自动化仪表概述系统由被控过程和检测控制仪表组成过程控制采用各种检测仪表、控制仪表和计算机等自动化工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。检测仪表把工艺参数转换为电信号或气信号，反映生产过程状况；控制仪表接受检测信号对过程进行控制。被控过程的多样性生产规模不同、工艺要求各异、产品品种多样导致过程的结构性、动态特性多样。通常被控过程属于多变量、大惯性、大时延特征，还有非线性与时变特性。（锅炉、热交换器、精馏塔）控制方案的多样性被控对象复杂导致控制方案多样性。单/多变量控制系统、常规仪表控制/计算机集散控制系统、提高控制品质的和实现特定要求的控制系统。单回路、串级、前馈、比值、均匀、分程、选择性、大时延、多变量系统，还有先进过程控制系统(自适应、预测、补偿、智能、非线性控制等)。过程控制的特点10安全性性针对易易燃易易爆特特点设设计；；参数数越线线报警警、链链锁保保护；；故障障诊断断，容容错控控制。。稳定性性抑制外外界干干扰，，保证证正常常运行行。经济性性降低成成本提提高效效率。。掌握握工艺艺流程程和被被控对对象静静态、、动态态特性性，运运用控控制理理论和和一定定的技技术手手段（（计算算机、、自动动化仪仪表））设及及合理理系统统。过程控控制的的要求求与任任务1112二、生生产过过程对对控制制的要要求生产过过程对对控制制最主要要的要要求可可以归归结为为三个个方面面，即即：安全性性、稳稳定性性和经经济性性。(1)安全性性是指在在整个个生产产运行行过程程中，，能够够及时时预测测、监监控和和防止止任何何事故故的发发生，，以确确保生生产设设备和和操作作人员员的安安全，，这是是最重要要也是是最基基本的的要求求。(2)稳定性性是指当当工业业生产产环境境发生生变化化或受受到随随机因因素的的干扰扰和影影响时时，生生产过过程仍仍能不不间断断地平平稳运运行，，并保保持稳稳定的的产品品质量量。1213(3)经济性性是指在在保证证生产产安全全和产产品质质量的的前提提下，，以最最小的的投资资、最最少的的能耗耗和最最低的的成本本，使使生产产装置置在高高效率率运行行中获获取最最大的的经济济收益益。过程控控制的的任务务:就是在在了解解、掌掌握工工艺流流程和和生产产过程程的各各种特特性的的基础础上，，根据据工艺艺生产产提出出的要要求，，应用用控制制理论论对控控制系系统进进行分分析、、设计计和综综合，，并采采用相相应的的自动动化装装置和和适宜宜的控控制手手段加加以实实现，，最终终达到到优质质、高高产、、低耗耗的控控制目目标。。二、生生产过过程对对控制制的要要求13过程控控制的的功能能结构构◆测量变变送与与执行行测量变变送装装置与与执行行装置置实现现◆操操作安安全与与环保保保证生生产安安全、、满足足环保保要求求的设设备（（独立立运行行）◆常常规与与高级级控制制实现对对过程程参数数的控控制，，满足足控制制要求求。◆实实时优优化实现最最优操操作工工况（（时间间，成成本，，设备备损耗耗）而而设计计的方方案◆决决策与与计划划调度度对整个过过程进行行合理计计划调度度和正确确决策，，使企业业利益最最大化。。14过程控制制发展概概况●20世纪纪40年年代前后后(手工工阶段)：手工操操作状态态，凭经经验人工工控制生生产过程程，劳动动生产率率很低。。●20世纪纪50年代代前后(仪表化化与局部部自动化化阶段)：过程控控制发展展的第一一个阶段段，实现现了仪表表化和局局部自动动化。主要特点点：检测测和控制制仪表-----采用用基地式式仪表和和部分单单元组合合仪表(多数是是气动仪仪表)；；过程控制制系统结结构------单单输入、、单输出出系统；；被控参数数------温温度、压压力、流流量和液液位参数数；控制目的的------保保持这些些参数的的稳定，，消除或或者减少少对生产产过程的的主要扰扰动；理论-----频率率法和根根轨迹法法的经典典控制理理论，解解决单输输入单输输出的定定值控制制系统的的分析和和综合问问题。1516回顾生产产过程自自动化的的发展历历史，大大致经历历了三个个发展阶阶段。初级阶段段1950年以前，，简单的的检测仪仪表和笨笨重的基基地式仪仪表16●20世纪纪60年年代(综综合自动动化阶段段)：检测和控控制仪表表-----采用单元元组合仪仪表(气气动、电电动)和和组装仪仪表，实实现直接接数字控控制(DDC)和设定定值控制制(SPC)；；过程控制制系统结结构------多变量系系统，各各种复杂杂控制系系统，如如串级、、比值、、均匀控控制、前前馈、选选择性控控制系统统。控制目的的------提高控制制质量或或实现特特殊要求求。理论-----除经典控控制理论论，现代代控制理理论开始始应用。。前馈控制制-----按扰动来来控制，，在扰动动可测的的情况下下，可以以提高控控制质量量。选择性控控制-----在生产过过程遇到到不正常常工况或或被控量量达到安安全极限限事，自自动实现现的保护护性控制制。1718仪表化阶阶段50年代至70年代，单单元组合合仪表和和巡回检检测仪表表。集中监视视和操作作1819综合自动动化阶段段:70年代以来来，多功功能组装装仪表、、数字仪仪表、智智能仪表表。70年代中期期出现DCS。90年代以来来，管控控一体化化成为可可能。19●20世纪纪70年年代以来来(全盘盘自动化化阶段)：发展到现现代过程程控制的的新阶段段，这是是过程控控制发展展的第三三个阶段段。主要要特点：：检测和控控制仪表表-----新型仪表表、智能能化仪表表、微型型计算机机；过程控制制系统结结构-------由单→多变量系系统，由由PID控制规规律→特殊控制制规律，，由定值值控制→最优控制制、自适适应控制制，由仪仪表控制制系统→智能化计计算机分分布式控控制系统统；理论-----现代控制制理论应应用到过过程控制制领域，，如状态态空间分分析，系系统辨识识与状态态估计，，最优滤滤波与预预报。集中型计计算机控控制系统统集散控制制系统DCSFCS现场总线线控制系系统｛全盘自动动化阶段段20集中型计计算机控控制系统统初衷：由于当时时的计算算机体积积庞大，，价格非非常昂贵贵，为了了使计算算机控制制能与常常规仪表表控制相相竞争，，试图用用一台计计算机来来控制尽尽可能多多的控制制回路。。外设过程控制计算机AIDIAODO

被控过程（对象）被控变量操作变量…………}{输入子系统输出子系统优越性：从表面上看——信息集中，集集中型计算机机控制可以实实现各种更复复杂控制功能能；便于实现现优化控制和和优化生产。。问题：由于当时计算算机总体性能能低，容量小小，容易出现负负荷过载，控制集中中直接导致致危险集中，高度集中中使系统变变得十分““脆弱”。。21集散控制系系统DCS●80年代---集散散控制系统统(DCS)集散控制系系统是集计算机机技术、控控制技术、、通信技术术和图形显显示技术为为一体的装装置。系统统在结构上上是分散的的(生产过过程是分散散系统)，，但过程控控制的监视视、管理是是集中的。。优点：将计算机分分布到车间间或装置。。使系统的的危险分散散，提高系系统的可靠靠性，方便便灵活地实实现各种新新型的控制制规律与算算法，实现现最佳管理理。控制分散管理集中22集散控制系系统的结构构组成：过程输入-输出接口：又叫数据据采集站，，数据采集集与预处理理，对实时时数据进一一步的加工工，操作站站的显示与与打印。过程控制单单元：又称基本本控制器，，是集散控控制系统的的核心。不不同的集散散控制系统统其差别较较大。高速数据通通路：实现集散散控制系统统各处理机机之间数据据传送。管理理(上位位)计算算机机：：进进行行集集中中管管理理与与最最佳佳控控制制，，实实现现信信息息-控制制-管理理一一体体化化。。CRT操作作站站：：是集集散散控控制制系系统统的的人人-机接接口口装装置置。。执执行行监监控控操操作作、、系系统统组组态态、、编编程程、、动动态态流流程程图图显显示示以以及及部部分分生生产产管管理理。。23控制层层网络络管理层层网络络远程节点Web服务器现场设设备层层操作站工程师站DCS的物物理层层次示示意24●90年年代以以来现场总总线控控制系系统FCS(fieldbuscontrolsystem)是计算机网网络技术、、通信技术术、控制技技术和现代代仪器仪表表技术的最最新发展成成果。它将将具有数字字通信能力力的现场智智能仪表连连成网络系系统，并同同上一层监监控级、管管理级联系系起来成为为全分布式式的新型控控制网络。。计算机集成成过程控制制CIPS(computerintergratedprocesssystem)以企业整体体优化为目目标（市场场营销、生生产计划调调度、原材材料选择、、产品分配配、成本管管理、工艺艺过程控制制与优化）），以计算算机和网络络为主要技技术实现管管理与控制制一体化。。25现场总线控控制系统（（FCS））26定义是连接智能能现场装置置和自动化化系统的数数字式、双双向传输、、多分支结结构的通信信网络。支持双向、、多节点、、总线式的的全数字通讯·双向数据通通信能力避避免了反复复进行A/D、D/A的转换·把控制任务务下移到现现场设备，，以实现测测量控制一一体化全分散本质特点评价·已成为全全世界范范围自动动化技术术发展的的热点·涉及整个个自动化化和仪表表的工业业“革命命”FCS现场总线线控制系系统27现场总线线式变送送器现场总线线式阀门定位位器安全防爆爆工业以太太网安全防爆爆总线非安全防防爆总线线28控制室控制台流程图29仪表盘操作员站站30操作员站站CRT工业流程程图3132作为技术人员员，学习和和掌握生生产过程程自动化化方面的的知识，，对于研研究和开开发新的的生产工工艺，解解决生产产操作中中的关键键技术问问题，合合理确定定控制方方案，保保证生产产优质、、高产、、低耗的的顺利运运行，促促进生产产企业的的现代化化管理等等都具有有十分重重要的作作用。生产过程程自动化化是自动控制制理论、计算机科科学、仪器仪表表技术和生产工艺艺知识相结合而而构成的的一门综综合性的的技术科科学。在在现代过过程工业业中，自自动化装装置与生生产工艺艺及设备备已结合合成为有有机的整整体。32过程控制制系统设设计概述述加热炉过过程控制制系统冷设计步骤骤：1.确定定控制目目标1）热油出口口温度稳稳定；2）出口温度度与烟道道气含氧氧量稳定定；3）温度稳定定与热效效率最高高。2.选择被控控参数直接参数（油出口温度、、烟道气含氧氧量、燃油压压力）间接参数（（热效率）3选择控制制量燃料油流量还还是冷油流量量→出口温度度挡板开度还是是送风挡板→→含氧量334.确定控制制方案控制精度和干干扰决定→系系统的简单与与复杂。温度、效率、、含氧量等多多于一个要求求→多输入/多输输出。如果温度、含含氧量定值控控制，还要求求效率→最优控制。5.选择控制制策略多数采用→PID；复杂杂过程→高级过程控制制6.选择执行行器气动与电动，，执行期特性性与过程特性性匹配。7.设计报警警与联锁保护护系统高、低限值；；加热炉停车车程序：停燃燃油泵→关燃油阀→停引风机→切断热油阀8.工程化设设计设计图样资料料和文件资料料→表达设计思想想→主管部门审批批→施工单位。9.系统投运运、调试和整整定参数冷3435过程控制系统统的组成及分分类一、过程控制制系统的组成成以液体贮槽的的液位控制为为例说明过程程控制系统的的基本构成。。贮槽液位原原理图，如图图所示。3536人工控制方式式：眼—观察玻璃管液液位计（测量量元件）指示示高度；大脑—将液位高度与与期望高度进进行比较，经经过思考估算算出需要改变变的流出量，，然后发出动动作命令；手—根据命令改变变出口阀门开开度，相应地地增减减流出量量，使液位保保持在合理的的范围内。一、过程控制制系统的组成成3637自动控制方式式：一、过程控制制系统的组成成3738自动控制方式式：液位变送器—检测并变变换成统一标标准信号送到到控制器；自动控制器—接收变送送器信号与液液位期望值进进行比较，根据偏偏差按某种规规律运算，运运算结果送给执执行器（调节节阀）；执行器—将控制器器指令信号转转换成相应的的位移信号，驱动动阀门动作，，改变液体流出量，实现现液位的自动动控制。一、过程控制制系统的组成成3839由液体贮槽的的液位控制可可知，过程控控制系统是由由被控对象，测测量与变送装装置、控制器、执行器组成。如果把测量与变送送装置、控制制器、以及执执行器统称为为自动化装置置，则过程控制制系统是由被控对象和自自动化装置两部分组成的的。过程控制系统统的任务：就是当被控对对象受到干扰扰使被控变量量（温度、压压力、流量、、液位、成分分等）产生偏偏差时，能够够及时检测，，并通过合理理地调节操纵纵变量使被控控变量回到给给定值。一、过程控制制系统的组成成3940自控常用术语语：(1)被控对象：需要实现现控制的设备备、机器或生生产过程程称为被控控对象，简称称对象。如本例中的液液体贮槽。(2)被控变量：对象中中需要进行控控制（保持数数值在某一一范围围内或按预定定规律变化））的物理量称称为被控变量量。如本例中的贮贮槽液位。(3)操纵变量：受到控控制装置的操操纵，用以使使被控变量量保保持在设定数数值的物料或或能量变量称称为操纵变量量。如本例中的液液体流出量。。一、过程控制制系统的组成成4041(4)干扰（扰动））：除操纵变变量外，作用用于对象并使使被被控变变量发生变化化的因素称为为干扰（扰动动）。如本例中的液液体流入量。。(5)设定值：按照生产工工艺的要求为为被控变量规规定的所要达达到或保持的的数值称为给给定值（设定定值）。如例中，为了了防止槽内液液体溢出或抽抽空，规定贮贮槽液位保持持在贮槽50％的高度比比较合理。(6)偏差：在过程控制制系统中通常常把测量值减给定定值称为偏差。一、过程控制制系统的组成成4142一、过程控制制系统的组成成指出图中被控对象，被被控变量，操操纵变量，干干扰，设定值值，偏差分别是什么？？4243一、过程控制制系统的组成成反应器反应温温度控制系统统示意图，由哪几部分构构成？请指出被控对象，被被控变量，操操纵变量，干干扰各是什么么？43过程控制系统统的组成、分分类及性能指指标(一）过程控制系统统的组成（图图1－3、图图1－4）（1）被控参数（亦亦称系统输出出）y(t)：被控过程内要要求保持稳定定的工艺参数数；（2）控制参数（亦亦称操作变量量控制介质））q(t)：使被控参数保保持期望值的的物料量或能能量；（3）干扰量f(t)：除被控参数外外，作用于被被控过程并引引起被控参数数变化的各种种因数；（4）设定值r(t)：与被控参数相相对应的设定定值；（5）反馈值z(t)：被控参数经测测量变送后后的实际际测量值；（6））偏差e(t)：：设定值值与反反馈值值之差差；（7））控制作作用u(t)：：控制器器的输输出值值。4445过程控控制系系统的的分类类方法法有很很多，，每一一种分分类只只反映映出过过程控控制系系统某某一方方面的的特点点。按被控控变量量的名名称分分类温度控控制系系统，，压力力控制制系统统，流流量控控制系系统等等按被控控变量量的数数量分分类单变量量控制系系统，多变变量控制系系统按控制制系统统的结结构分分类开环控控制系系统，，闭环环控制制系统统按控制制系统统完成成的功功能分分类反馈控控制系系统，，串级级控制制系统统，比比值控控制系系统等等二、过过程控控制系系统的的分类类451.分分类方方法（被控控量名名称、、多少少、特特定工工艺、、工具具）；；2.安安结构构分类类：1）反馈控控制；；2）前馈控控制；；3）复合控控制。。3.安安设定定值分分类：：1）定值控控制；；2）伺服控控制；；3）顺序控控制。。4647按照被控变变量的的给定定值分类，，可分分成以以下三三类：：1．定定值控控制系系统定值控控制系系统是是一种种被控控变量量的给给定值值始终终固定定不变变的控控制系系统。。如：液液位控控制系系统。。二、过过程控控制系系统的的分类类47482．随随动控控制系系统随动控控制系系统是是一种种被控控变量量的给给定值值随时时间不不断变变化的的控制制系统统。例如：：锅炉炉的燃燃烧控控制系系统为使燃燃料充充分燃燃烧，，空燃燃比保保持一一定比比例，，采用用比值值控制制系统统，要要求空空气和和燃料料保持持一定定比例例。由于燃料料量随负负荷变化化，空气气量随燃燃料量变变化，即即空气量量的给定定值也是是随机变变化的，，所以是是一个随随动控制制系统。。二、过程程控制系系统的分分类48493．程序序控制系系统（又又称顺序序控制系系统）程序控制制系统是是被控变变量的给给定值按按预定的的时间程程序来变变化的控控制系统统。例如：冶冶金工业业中的金金属热处处理的温温度控制制金属加热热给定值值都是按按照预定定的升温温、恒温温、降温温等程序序变化的的，属于于程序控控制系统统。二、过程程控制系系统的分分类4950一、方块块图方块图是是从信号号流（信信息）的的角度出出发，依依据信号号的流向向将组成成控制系系统的各各个环节节相互连连接起来来的一种种图解表表达方式式。由于在方方块图中中不仅明明确表明明了每个个环节在在系统中中的作用用，而且且能够清清楚地看看出自动动控制系系统中各各组成环环节之间间的相互互关系以以及信号号在系统统中的流流动情况况。对过过程控制制系统进进行分析析研究时时，经常常用方块块图来表表示一个个过程控控制系统统的组成成。方块图与流流程图5051图中的方块块表示控制制系统的一一个组成部部分，称为为“环节”。箭头指指向方块的的信号x表示该环节节的输入，，称为输入变量。箭头离开开方块的信信号y表示该环节节的输出，，称为输出变量。箭头所指的的方向就是信号的的流向，它它表明信号号的作用方方向。许多物理性性质不同，，但特性相相同的系统统，可以用用同一种形形式的方块块图来表达达。环节图1-2方块图单元xy图1-2表表示的是是一个简单单的方块图图单元。方块图与流流程图5152相加点：如图1-3所示，，表示两个个以上具有有相同单位位的变量(信号）之间间的加和运运算。方块图与流流程图（a）表示e=r-z;（b）表示x=x1+x2。5253分支点：如图1-4所示，当当一个变量量（或信号号）要同时时作用于几几个不同的的环节时，，可使用分分支点。由分支点引引出的各路路信号都相相等。方块图与流流程图5354有了方块图图，就可以以根据变量量间的相互互作用，按按照信号的的流向方便便地将系统统中各个环环节连接起起来，构成成一个完整整的过程控控制系统。。图1-1液位控制系系统，画控控制系统的的方块图。。方块图与流流程图5455例：5556为了便于分分析，有时时将控制器器以外的各各个环节（（包括执行行器、被控控对象、测测量变送））组合在一一起作为一一个对象看看待，称之之为广义对对象。方块图与流流程图5657例：炉温控控制系统画画方块图方块图与流流程图5758炉温控制系系统方块图图炉温控制系系统方块图图执行器5859炉温控制系系统方块图图特点方块图与流流程图5960画出如下反反应器反应应温度控制制系统的方方块图。方块图与流流程图6061闭环控制系系统：环节的任任何一个信信号，只要要沿箭头方方向流动，，最终总会会回到它的的起始点，，把这样的的系统称为为闭环控制制系统。不具备这种种特性的系系统则称为为开环控制制系统。方块图与流流程图6162反馈：闭环控制系系统中，输输出变量（（或信号））沿着回路路中的信号号流动方向向总会返回回到系统的的输入端，，与给定值值进行比较较。这种把系统统（或方块块）的输出出信号引回回到系统输输入端的做做法叫做反反馈。若反馈信号号（被控变变量测量值值z）与给给定值信号号的方向相相反，即反反馈信号z取负值值，则叫做做负反馈。测量信号与与给定值信信号方向相相同，则叫叫做正反馈。闭环控制系系统是靠负负反馈来达达到控制的的目的。例：储槽液液位控制系系统；炉温温控制系统统方块图与流流程图6263方块图与流流程图负反馈：储槽液位控控制系统6364炉温控制系统方块图温度设定值值100度热电偶检测测值95度阀开度增大大6465闭环控制系系统实质上是利用负反馈原理，根据据偏差进行工作的的。正因为如此此，闭环控控制系统又又被称为反馈控制系系统。方块图与流流程图6566二、工艺控控制流程图图在进行过程程控制系统统的工程设设计时，自自控专业人人员必须与与工艺专业业人员协作作，按工艺艺流程的顺顺序和要求求，将所确确定的控制制方案标注注到工艺流程图图中。将控制点和和控制系统统与工艺流流程图相结结合的图形形文档就称称为工艺控制流流程图，或称为带有控制点点的工艺流流程图。方块图与流流程图6667图1-7液液体贮贮槽的工艺艺控制流程程图图中所示，工工艺控制流程程图主要是由由工艺设备、、管道、元件件以及构成控控制系统的仪仪表符号及信信号线等图形形符号组成。。方块图与流程程图6768仪表图形符号号：仪表图形符号号可用来表达达工业自动化化仪表所处理理的被测变量量和功能，还还可以表示仪仪表或元件的的名称。仪表图形符号号是直径为12mm的细细实圆圈，并并在其中标有有仪表位号。方块图与流程程图仪表位号由字母代号和和数字编号组组成，如下例所示示：6869仪表位号按被被测变量不同同进行分类。。同一个装置置（或工段））的同类被测测变量的仪表表位号中顺序序号是连续的的。在工艺控制流流程图上，标标注仪表位号号的方法是：：字母代号填填写在圆圈上上半圆中，数数字编号填写写在下半圆中中。如图1-8所所示：方块图与流程程图6970表1-1列列出了在仪表表位号中用到到的被测变量量和仪表功能能的字母代号号。表1-2则则给出了常见见的字母组合合。方块图与流程程图7071方块图与流程程图7172方块图与流程程图72737374图1-7中采采用了一台液液位变送器（（LT)，，一台液位位控制器（LC）和一一个用于控制制液位的执行行器（LV））。教材中所画的的工艺控制流流程图中，由由于回路数较较少，故将数数字编号省略略了。方块图与流程程图7475一、过渡过程程过程控制系统统在运行中有有两种状态。。静态：系统的被控变变量不随时间间而变化的平平衡状态，称称为静态（或或稳态）；动态：系统的被控变变量随时间而而变化的不平平衡状态，称称为动态。过渡过程和性性能指标过渡过程：生产过程从一一个平衡状态态（稳态）到到达另一个平平衡状态（稳稳态）的动态态历程称为过过渡过程，它反映了被控控变量随时间间的变换规律律。7576为了便于了解解控制系统的的动态特性，，通常是在系系统的输入端端施加一些特特殊的试验输输入信号，然然后研究系统统对该输入信信号的响应。。最常采用的的试验信号是是阶跃输入信号号，其作用方式式如图1-9所示。过渡过程和性性能指标7677过渡过程几种种典型形式：：非衰减振荡过过程：图1-10(a)所示，其特点是被被控变量在给给定值的某一一侧作缓慢变变化，没有来来回波动，最最后稳定在某某一数值上。。衰减振荡过程程：图1-10（b）所示，其特点是被被控变量在给给定值附近上上下波动，但但幅度逐渐减减小，经过几几个振荡周期期后，逐渐收收敛在某一数数值上。过渡过程和性性能指标7778等幅振荡过程程：图1-10（（c）所示，其特点点是被控变量量在给定值附附近来回波动动，且波动幅幅度保持不变变。发散振荡过程程：图1-10(d）所示，其特点点是当干扰进进人系统后，，使被控变量量开始产生振振荡，控制作作用不仅无法法将被控变量量稳定到给定定值上，反而而使振荡的幅幅度越来越大大。过渡过程和性性能指标7879二、性能指标标以衰减振荡过程程的形式讨论：假设性能指标标的出发点是是以控制系统统原先所处的的平衡状态时时刻的被控变变量y(0)作为基准值，，且被控变量量等于给定值值。从t=O的时刻开始，，系统受到阶阶跃输入作用用，于是被控控变量开始变变化。经过一一段时间的衰衰减振荡后，，最终达到新新的平衡状态态，使被控变变量稳定在y(∞)。在干扰或给定值作阶跃变化时，，被控变量的的响应曲线分分别如图1-11(a)和图1-11(b）所示。过渡过程和性性能指标79808081控制系统的主主要性能指标标：1、最大偏差emax（或超调量σ）最大偏差（或或超调量）是描述被控变变量偏离给定定值程度的物物理量。干扰作用下的定值控制系系统，最大偏差是指在过渡过过程中，被控控变量的第一一个波峰值与与给定值的差差。干扰作用下系系统过渡过程程如图1-11(a)所示示。。过渡渡过过程程和和性性能能指指标标8182emax=B+C

最大偏差:过渡渡过过程程和和性性能能指指标标8283给定定值值变变化化的随随动动系系统统，，通通常常采采用用超调调量量这一一性性能能指指标标来来表表示示被被控控变变量量偏偏离离给给定定值值的的程程度度。。超调调量量的的定定义义为为（１-１１）tp-波峰峰时时间间给定定值值变变化化的过过渡渡过过程程曲曲线线如如下下图图所所示示：：过渡渡过过程程和和性性能能指指标标8384在图1-11(b)中，超调量

84852．．余余差差e(∞∞)余差差又又称称残残余余偏偏差差，，是是指指在在过过渡渡过过程程终终了了时时，，系系统统的的给给定定值值与与被被控控变变量量新新稳稳态态值值之之间间的的差差值值。。余差差是是衡衡量量控控制制系系统统稳稳态态准准确确性性的的重重要要指指标标。。过渡渡过过程程和和性性能能指指标标8586在图图1-11(a)中，，余余差差e(∞∞)=C；在图图1-11(b)中，，余余差差e(∞∞)=r-y(∞∞））。。86873．．衰衰减减比比n衰减减比比是是衡衡量量控控制制系系统统稳稳定定性性的的一一个个动动态态指指标标，，它它反反映映了了一一个个振振荡荡过过程程的的衰衰减减程程度度，，它等于两两个相邻邻的同向向波峰值值之比。。（注意：：以y（（∞）为横横坐标））习惯上表表示为n:1。。一般希望望衰减比比在4:1到到10:1的范范围内。。§1-4过渡过程程和性能能指标8788衰减比n=B/B’88894．过渡时间间tS过渡时间间又叫控控制时间间或回复复时间，，它是控控制系统统在受到到外界作作用后，，被控变变量从原来的的稳态值值达到新新的稳态态值所需需的时间间。理论上讲讲，被控控变量达达到新的的平衡状状态需要要无限长长的时间间。所以一般般认为当当被控变变量已进进人其新新稳态值值的±5%（或或±2%）的的范围内内，并不不再越出出时，就就认为控控制系统统已经重重新回复复到稳定定状态。。在图1-11中中，过渡渡时间以以tS表示。过渡过程程和性能能指标8990过渡时间间以tS表示90915.偏差积分分性能指指标IAEISEIATEISTE面积积分分，按其其整定参参数偏差的平均均值较小小。随时间推推移，控控制越来来越趋于于严格。。过渡过过程可能能出现大大的偏差差，但是是恢复时时间较短短。对偏差值值敏感，，按其整整定参数数过渡过过程不会会呈现大大偏差。。随时间推推移，控控制越来来越趋于于严格。。恢复时间间较短。。过渡过程程和性能能指标9192课程小结结掌握过程程控制系系统的基基本组成成掌握由系系统工作作原理图图绘制方方块图了解过程程控制系系统的过过渡过程程及品质质指标9293作业题1、什么么是生产产过程自自动化，，它有什什么重要要意义？？2、过程程控制系系统由哪哪几部分分构成？？3、简述述在过程程控制系系统中，，测量变变送器、、控制器器、执行行器的作作用？93自动化仪仪表概述述自动化仪仪表（AutomationInstrumentation）：用于于过程自自动化的的仪器或或设备。。过程控制制系统是是实现生生产过程程自动化化的平台台,而自动化化仪表与与装置是是过程控控制系统统不可缺缺少的重重要组成成部分。。调节阀传感器变送器执行器控制器自动化仪表被控过程自动化仪仪表的构构成94过程控控制仪仪表的的分类类及特特点（一））按安安装场场地分分1.现现场仪仪表（（一次次仪表表）2.控控制室室仪表表（二二次仪仪表））（二））按能能源形形式分分：针针对对执行行器1.气气动控控制仪仪表2.电电动控控制仪仪表3.液动动控制制仪表表（（少））（三））按信信号形形式分分：1.模模拟控控制仪仪表2.数数字控控制仪仪表（四））结构构形式式分：：1.基基地式式控制制仪表表2.单元元组合合式控控制仪仪表3.组装装式综综合控控制装装置4.集中中计算算机控控制仪仪表5.集散散控制制仪表表6.现现场总总线控控制仪仪表。。95按能源源形式式分电动控控制仪仪表：优点：：①信号号快速速，远远距离离传输输②②易易于实实现复复杂规规律的的信号号处理理③③易于于与其其它装装置相相连④④供电电用电电方便便无无需空空压机机和油油泵、、水泵泵缺点：：①不天然然防爆爆②②易受受电磁磁干扰扰③③功功率不不易大大近近年的的电动动仪表表多采采用了了安全全防爆爆措施施，应应用更更加广广泛。。气动控控制仪仪表：以压缩缩空气气为能能源。。优点：：结构简简单，，性能能稳定定，可可靠性性高，，易于于维修修，天天然防防爆。。缺点：：气动信信号传传输速速度极极限=声速340m/s，体体积庞庞大。。液动仪仪表：以高高压油油和高高压水水为能能源优点：工作作可靠靠，结结构简简单，，功率率大，，防爆爆缺点：速度度传送送慢96按信号号类型型分类类模拟式式控制制仪表表是传统统的仪仪表，，传输输信号号通常常为连连续变变化的的模拟拟量。。如电流、电压压、气压等。模拟式式电动控制制仪表以模模拟电子元元件为组成成元件，运运算放大器器是信息处处理的核心心部件。这这类仪表线线路较简单单，操作方方便，价格格较低，使使用上有较较成熟的经经验。数字字式式控控制制仪仪表表以微处处理理器器为核核心心，，传传输输信信号号为为断断续续变变化化的的数数字字量量。。由由于于有有微微处处理理器器的的存存在在，，任任何何复复杂杂的的信信息息处处理理都都易易实实现现，，硬硬件件不不变变，，软软件件千千变变万万化化，，这这类类仪仪表表的的特特色色就就是是高高度度集集成成、、丰丰富富的的功功能能，，易易于于网网络络互互联联。。它它能能解解决决模模拟拟式式仪仪表表难难以以解解决决的的问问题题，，满满足足现现代代化化生生产产过过程程的的高高质质量量控控制制要要求求。。97结构构形形式式分分类类1.基地地式式控控制制仪仪表表安装装在在现现场场，，集集检检测测、、指指示示、、控控制制于于一一身身。。特点点：：一般般结结构构比比较较简简单单、、价价格格便便宜宜．．它它不不仅仅能能对对某某些些工工艺艺变变量量进进行行指指示示或或记记录录，，而而已已还还具具有有控控制制功功能能，，因因此此它它比比较较适适用用于于单单变变量量的的就就地地控控制制系系统统。。2.单元元组组合合控控制制仪仪表表将整整套套仪仪表表划划分分成成能能独独立立实实现现一一定定功功能能的的若若干干单单元元，，各各单单元元之之间间采采用用统统一一信信号号进进行行联联系系。。使使用用时时可可根根据据控控制制系系统统的的需需要要，，对对各各单单元元进进行行选选择择和和组组合合，，从从而而构构成成多多种种多多样样的的、、复复杂杂程程度度各各异异的的自自动动检检测测和和控控制制系系统统。。常常用用电动单元组合合仪表(DDZ型)和气动单元组合合仪表(QDZ型)。特点：使用灵活，通通用性强，同同时，使用、、维护更作也也很方便。它它适用于各种种企业的自动动控制。单元组合仪表表分为：变送单元、、给定单元、、控制单元、、执行单元、、转换单元、、运算单元、、显示单元和和辅助单元。。98结构形式分类类2.单元组合控制制仪表变送单元：把各种被测量量（温度、压压力、流量、、液位）变换换成标准输出出信号。控制单元：将测量信号和和设定信号之之差运算后去去控制执行单单元。执行单元：按照控制信号号或手动信信号去改变控控制量大小。。转换单单元：：实现不不同物物理信信号到到标准准信号号转换换，不不同标标准之之间转转换。。气<->电运算单单元：：信号加加减乘乘除，，信号号补偿偿。给定单单元：：输出被被控量量的设设定值值。显示单单元：：参数指指示、、报警警、记记录。。辅助单单元：：特殊需需要的的（操操作器器、限幅器器、安安全防防爆栅栅）。。993.组装式式控制制仪表表一种功功能分分离、、结构构组件件化的的成套套仪表表装置置。工工程实实际中中已很很少使使用。。4.集中中计计算算机机控控制制仪仪表表以数数字字计计算算机机为为核核心心的的数数字字控控制制仪仪表表。。其其外外形形结结构构、、面面板板布布置置保保留留了了模模拟拟式式仪仪表表的的一一些些特特征征，，但但其其运运算算、、控控制制功功能能更更为为丰丰富富，，通通过过组组态态可可完完成成各各种种运运算算处处理理和和复复杂杂控控制制。。测量量变变送送与与执执行行单单元元采采用用模模拟拟仪仪表表，，调调节节单单元元采采用用数数字字仪仪表表。。结构构形形式式分分类类QDZⅠQDZⅡQDZⅢDDZⅠDDZⅡDDZⅢ单元元组组合合式式仪仪表表发展展阶阶段段｛1005.集散散型型控控制制仪仪表表将集集中中一一台台计计算算机机完完成成的的任任务务分分派派给给各各个个微微型型过过程程控控制制计计算算机机，，再再配配上上数数字字总总线线以以及及上上一一级级过过程程控控制制计计算算机机，，组组成成各各种种各各样样的的、、能能适适应应于于不不同同过过程程的的积积木木式式分分级级分分布布计计算算机机控控制制系系统统。。实实现现了了““控控制制分分散散””或或““危危险险分分散散””，，管管理理高高度度集集中中。。测量变送送与执行行单元采采用模拟拟仪表，，调节单单元采用用数字仪仪表。6.现场总线线控制仪仪表是计算机网络络技术、通信信技术、控制制技术和现代代仪器仪表技技术的最新发发展成果。它它将具有数字字通信能力的的现场智能仪仪表连成网络络系统，并同同上一层监控控级、管理级级联系起来成成为全分布式式的新型控制制网络。采用全数字化化、双向传输输、多分支的的通信网络。。通信协议规规范化、标准准化、公开化化，使各种控控制系统通过过总线实现互互联、互换和和互操作。结构形式分类类101压力变送器压力变送器常用的控制仪仪表及装置102自动化仪表的的信号制模拟仪表的信号制制①气动信号标标准根据国际电工工委员会IEC384制定了我国标标准GB777《《工业自动化仪仪表用模拟气气动信号》规定统一使用0.02MPa(0.2Kgf/cm2)～0.1MPa(1.0Kgf/cm2)的模拟气压信信号。②电动信号标标准–直流电流、直直流电压、交交流电流、交交流电压直流比交流信信号优越：①直流信号不不受交流感应应影响，因此此抗干扰能力力强。②直流信号传传输不受线路路电感电容等等影响，无相相移问题题。③直流信号便便于模数转换换并与数字仪仪表相接④容易获得基基准电压103②电动信号标标准模拟仪表的信号制制电流信号优于于电压信号电流信号可远远距离传输（（线路电阻上上压降太多，，则信号耗损损）。例4–20mA用0.6mm直径双绞线可可传输1km电流信号4–20mA不从0mA起，可判别是是否断路或停停电。数字式仪表的通信信标准数字或智能能仪表与计计算机之间间采用数字字通讯模式式多种，如如RS232、RS485、USB、PROFIBUS、ControlNet、CAN、Hart、Modbus。数字比模拟拟信号的优优势：1、提高信号号传输精度度抗抗干扰能力力强。2、传输信息息丰富，可可传测量值值及厂家信信息。3、减少布线线复杂性和和费用。104自动化仪表表的能源供供给交流供电：：380V220V交流电→降压→整流→滤波→稳压直流集中供供电的优点点：1）体积↓、、重量↓、、温升↓2）防停电能能力增强3）无交流，，易于防爆爆105安全防爆仪仪表与防爆爆系统仪表的防爆爆性能：防爆性能：：本质安全全防爆性能能与非本质质安全防爆爆性能。气动仪表本本质上是防防爆的，因因为它不会会产生电火火花。电动仪表防防爆方案结构型防爆爆：结构上隔离离产生火花花的电路和和爆炸气体体（类类型有充油油型、充气气型、隔爆爆型）。安全火花型型防爆：把把仪表电路路在短路、断断路及误操操作各种状状态下可能能产生的火火花限制在在爆炸气体体的点火能能量之下（（具有本质质安全防爆爆性能）。。106安全防爆仪仪表与防爆爆系统安全火花型型防爆等级级：限制火花能量，不同的气气体→不同的能量量。电压30VDC时,不同爆性物物最小引爆爆电流：仪表表面温温度过高可能产产生自燃引引起爆炸。。易燃易爆爆气体自燃燃温度分5组。a、b、c、d、e，其中e组最低（100℃）。仪表防爆等等级标志HⅢe：安全火花花型、i≤70mA（30VDC）、≤100℃→→安全107安全防爆仪仪表与防爆爆系统安全火花型型防爆系统统条件:现场场仪表为安安全火花型型；安全防防爆栅隔离离。108参数检测与与变送概述述温度检测与与变送压力检测与与变送流量检测与与变送液位检测与与变送成分分析与与变送第二篇过过程参数检检测与变送送109参数控制→参数检测→仪表（性能能、原理））传感器定义义：国标《GB7665-87》》规定：能感受规定定的被测量量并按照一一定的规律律将其转换换成可用输输出信号的的器件或装装置，通常常由敏感元元件和转换换元件组成成。敏感元件：：直接感受或或影响被测测量的部分分。转换元件：：敏感元件感感受的被测测量→适宜宜传输或测测量。（微微弱）热电电偶偶敏敏感感、、转转换换元元件件合合一一信号号调调理理与与转转换换电电路路：：放大大、、转转换换。。参数数检检测测与与变变送送概概述述————检测测仪仪表表110测量量过过程程----利利用用一一个个已已知知的的单单位位量量(即即标标准准量量)与与被被测测的的同同类类量量进进行行比比较较的的过过程程。。真值值：：即被被测测物物理理量量的的真真实实（（或或客客观观））取取值值。。在在当当前前现现行行的的检检测测体体系系中中，，是是将将““认认定定设设备备””的的检检测测结结果果作作为为真真值值。。通常，各各国（或或国际组组织）将将其法定定计量机机构的专专用设备备作为认认定设备备，它的的检测精精度在这这个国家家（或国国际组织织）内被被认为是是最高的的。显而而易见，，用这种种方法确确定的““真值值”称称为“约约定真值值”。检测误差差----在测量量过程中中测量结果果与被测物物理量的的真值之间的差差值。它它反映了了测量结结果的可可靠程度度，也反反映了仪仪表的检检测精度度。参数检测测与变送送概述———检测误差差111绝对误差差-----指测测量结果果与被测测量的真真值之差差。最大绝对对误差指的是绝绝对误差差中的最最大值ΔΔmax。绝对误差差不能说说明检测测质量的的好坏。。（1℃℃→体体温、炼炼钢）相对误差差-----指绝绝对误差差与真值值或测量量值之百百分比。。常见有有如下三三种表示示方式：：①实际相相对误差差-----是是指绝对对误差与与被测量量的真值值(实际际值)之之百分比比。参数检测测与变送送概述———检测误差差112②标称相相对误差差-----是是指绝对对误差与与仪表示示值之百百分比。。参数检测测与变送送概述———检测误差差③引用相相对误差差-----是是指绝对对误差与与仪表的的量程之之百分比比。基本误差差：仪表在规规定的正正常工作作条件下下所具有有的误差差。使用标准准:220（1±5％％）V、、（50±2））Hz、、（20±5））℃℃、湿度度65％％±5％％附加误误差-----指仪表表超出规定的的正常常工作作条件件时所所增加加的误误差。。允许误误差-----指仪表表的示示值或或性能能不允允许超超过某某个误误差范范围。。113测量误误差按按其产生原原因的不同同,可可以分分为三三类：：系统误误差-----指测测量仪仪表本本身或或其他他原因因(如如零点点没有有调整整好、、元件件不可可靠等等)引引起的的有规规律的的误差差。克服办办法：负反反馈结结构随机误误差-----指在在多次次测量量中所所出现现的没没有一一定规规律的的误差差。统计计计算、、滤波波消除除疏忽（（粗大大）误差-----指观观察人人员误误读或或不正正确使使用仪仪器与与测试试方案案等人人为因因素所所引起起的误误差。。系统误误差；；随随机误误差；；疏忽忽误差差114固有特特性：：精确度度、非非线性性误差差、灵灵敏度度、分分辨率率、变变差、、漂移移、、动态态误差差。参数检检测与与变送送概述述———仪表基基本特特性仪表精精度是是根据据国家家规定定的允允许误误差大大小分分成几几个等等级的的。某某一类类仪表表的允允许误误差是是指在在规定定的正正常情情况下下允许许的引引用误误差的的最大大值。。我国国过程程检测测控制制仪表表的精精度等等级有有0.005、0.02、、0.1、、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。科科学小小于0.05，，一般般工业业用表表为0.1～2.5级精精度，，我国国DDZⅢⅢ为0.5。仪表精精度等等级是是衡量量仪表表质量量优劣劣的重重要指指标之之一。。在工工业上上应用用时,对检检测仪仪表精精确度度的要要求,应根根据生生产操操作的的实际际情况况和该该参数数对整整个工工艺过过程的的影响响程度度所提提供的的误差差允许许范围围来确确定,这样样才能能保证证生产产的经经济性性和合合理性性。115举例例1-1某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的引用相对百分误差与准确度等级。解该仪表表的引引用相相对误误差为为如果将将该仪仪表的的δ去去掉““±””号与与“％％”号号，其其数值值为0.8。由由于国国家规规定的的精度度等级级中没没有0.8级仪仪表，，同时时，该该仪表表的误误差超超过了了0.5