化工仪表第一、二章

1、化工仪表及自动化,杨国农 82066362(H),绪论,自动化技术是当今举世瞩目的高新技术之一，也是中国今后重点发展的一个高科技领域 自动化技术的研究开发和应用水平是衡量一个国家发达程度的重要指标，也是现代化社会的一大标志 在化工生产中采用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化 实现化工生产自动化的目的 （）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产能和质量 （）减轻劳动强度，改善劳动条件 （）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的 （）能从根本上改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步消灭体力劳动和脑力劳动之间的差异创造条件 化工仪表的发

2、展过程 20世纪40年代以前绝大多数化工生产处于手工操作状态,仪表主要是应用一些自动检测仪表来监视生产.。主要的生产造作是靠工人来依照自己的工作经验来完成生产造作。 年代后到年代由于化工生产向着大规模、高效率、连续化、综合利用的方向发展。传统的方法不能满足大规模生产的要求。这时就产生了简单的化工自动控制，这个阶段的过程控制结构大多数是单输出和单输入定值控制系统，主要工具主要是基地式电动、气动仪表及单元组合式仪表 主要缺陷是还不能深入的了解化工对象的动态特性,学习,动化仪表的发展经历了如下过程：,模拟仪表数字仪表智能仪表 当前自动控制系统发展的一些主要特点 生产装置实施先进控制成为发展主流；过程

3、优化受到普遍关注；传统的DCS(集散控制系统)在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化系统（CIPS）是发展方向,学习化工自动化的必要性,由于现代自动化技术的发展，在化工行业，生产工艺、设备、控制与管理以逐渐成为一个有机的整体。要求化工工艺技术人员必须具有相应的自动控制知识，掌握一定的自动化控制理论对于生产工程的管理，生产工艺的改进提出合理的建议，对于熟悉化学工程学科的人员如果再学习和掌握一些检测技术和控制系统方面的知识，必然在推进我国的化工自动化事业中，起到事半功倍的作用。,第一章自动控制系统基本概念,第一节化工自动化的主要内容： 自动检测 自动保护 自动操纵 自动控制,.自动检测系统,利

4、用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或纪录的称为自动检测系统。起到了人眼睛的作用。 如图热交换器的检测系统。,带控制点的工艺流程图,控制系统示意图,.自动信号和连锁保护系统,生产过程有很多时候有些偶然的因素会导致工艺参数超出允许的变化范围如果处理不及时将会引起事故的发生.如在工况已达到危险状态时,连锁系统立即自动的采用紧急措施,打开安全阀门或切断某些通路,必要时紧急停车,以防止事故的发生和扩大.,3.自动操纵及自动开停车系统,4.自动控制系统,小结,自动检测系统只能完成”了解”生产过程进行情况的任务;信号连锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时,采取安全措施,以避免事故的发生;自动操

5、纵系统只能按照预先规定好的步骤进行周期性操作;只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响,使它们始终保持在预先规定的数值上,保证生产正常或最佳的工艺操作状态. 因此,自动化控制系统是自动化生产中的核心部分,也是我们学习了解的重点.,第二节 自动控制系统的组成,自动化装置的三个组成部分: (1)测量元件与变送 (2)自动控制器 (3)执行器,1.2 自动控制系统 1.2.1自动控制系统 首先我们来研究图1-2的液体储罐,图1-1 锅炉汽包示意图,手动控制的步骤： (1)观察液位数值； (2)把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。 (3)

6、根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。,第三节 工艺管道及控制流程图,我 们 来 分 析 右 图,在工艺流程确定后，工艺人员和自动控制设计人员应共同研究确定控制方案。控制方案的确定包括流程中个测量点的选择、控制系统的确定及有关自动信号、。连锁保护系统 的设计。在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按照流程顺序标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与保护系统等，变成了工艺管道及控制系统流程图。,一、图形符号 1.测量点检测点或者取样点 2.连接线仪表与检测点捡的连线 3.仪表：仪表的图形符号是一个细实线的园，直径约10mm,对于不同的仪表安装位置的图形符号如表1-1所示 二、字母

7、在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半园内，一般写有两位字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用被测变量和仪表功能能的字母代号见表1-2,1.4 自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。 首先我们来研究图1-2液位控制系统，我们可以来研究它们在实现控制过程中的相互作用,闭环控制系统组成,动画链接按钮,基本术语 被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设

8、备或机器。 被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数 操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量 扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素 设定值：工艺参数所要求保持的数值 偏差：被控变量设定值与实际值之差 负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减,1.4. 闭环控制与开环控制 闭环控制： 在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。 闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺点：控制不够及时；如果

9、系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。,开环控制： 不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时（优点）。 由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。,数字程序控制机床精密定位控制系统（按设定值控制）,开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）,开环控制举例,蒸汽,汽包,省煤器,给水,检测元件和变送器的作用是把被控变量y(t)转化为测量值z(t)。 比较机构的作用是比较给定值x(t)与测量值z(t)并输出其差值e。 控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某

10、种预定的控制规律给出控制作用p(t)。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。 执行器的作用是接受控制器送来的p(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。,1.5 自动控制系统的分类,自动控制系统有多种分类方法 按被控变量如:温度、压力、流量、液位 按控制规律如：比例、比例积分、比例微分、比例微积分 自动控制系统的特性的分类：通常是按照被控变量的定值是否变化和如何变化来分.如下：,将自动控制系统分为三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。 随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被

11、控变量）随之而变化。 程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化,1.6自动控制系统的过渡过程及品质指标 1.6.1静态与动态 我们认为控制系统的输入有设定作用和扰动作用。 静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。或称为；环节的静态特性 动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。或环节的动态

12、特性。 我们重点来讨论动态过程，下面我们先讨论控制过程中过渡过程,1.6.2自动控制系统的过渡过程 过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。研究系统的过渡过程我们以阶跃干扰为研究对象 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。,阶跃干扰如图,输入量,时间,定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动),

13、发散振荡 单调发散 等幅振荡 衰减振荡 单调衰减,我们研究控制系统的品质是以衰减振荡过程作为研究对象如下图,1.6.3 自动控制系统的品质指标,我们需要了解下面几个定义,最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值，为A。 最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极,（1）最大动态偏差（emax）或超调量（

14、）,控制系统的品质指标示意图,动画链接按钮,限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。 在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。,超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即B=A-C,如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。,控制系统的品质指标示意图,动画链接按钮,衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定

15、义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。,（2）衰减比n,衰减比n,控制系统的品质指标示意图,动画链接按钮,根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。 衰减率： 衰减比4:1衰减率0.75 衰减比10:1衰减率0.90,n1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:等幅振荡。 n1:发散振荡。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，,控制系统的品质指标示意图,动画链接按钮,定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。,（3）

16、余差,余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。,在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。,（4）过渡时间(回复时间),过度时间表示控制系统过渡过程的长短。 定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。,实际上，被控变量接近于新稳态值的 的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些。,（5）振荡频率（或振荡周期）,在衰减比相同条件下，周期

17、与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。,定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。,其它一些次要指标： 振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。,“理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。 上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。,总结：,主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定，原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。,例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、振荡周期、过渡时间

18、（设定值为200）。,(),解：,(1)最大偏差：,(3)衰减比：,(2)余差：,(),(),(),第一个波的峰值,第二个波的峰值,衰减比,(5)过渡时间：,(4)振荡周期：,过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为 ，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为,(),那么，在新稳态值（205）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为22min.,T=20-5=15（min）,第二章被控对象的数学模型2.1化工对象的特点及描述方法,化工自动控制是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。在控制系统的分析和设计中，对象的数学模型是十分重要的基础资料。

19、对象的数学模型可以分为静态和动态数学模型。静态数学模型描述的是对象在静态时的输入量与输出量之间的关系;动态数学模型描述的对象是对象在输入量改变以后输出量的变化。动态数学模型时在静态数学模型基础上建立起来的，静态数学模型是对象在达到平衡时的动态数学模型的一个特例。,用于控制的数学模型一边是工艺流程和设备尺寸都已经确定的情况下，研究的是对象的输入变量是如何影响输出变量的，即对象的某些 工艺变量（如温度、压力、流量等）变化以后如何影响另一个工艺变量的，研究的目的是为了使所设计的控制系统达到更好的控制效果。,2.2对象数学模型的建立,2.2.1建立数学模型的目的,1.控制系统的方案设计 2.控制系统的

20、调试和控制参数的确定 3.制定工业过程操作优化方案 4新型控制方案及控制算法的确定 5.计算机仿真与过程培训系统 6.设计工业过程的故障检测与诊断系统,2.2.2机理建模,机理建模-就是根据对象或生产的内部机理，列出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、及某些物性方程，设备的特性方程，从而获得对象的数学模型，这些模型通常称为机理模型 我们以实例来讨论机理建模的方法,如何来建立描述数学表达式。 在生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能量平衡。当单位时间流入对象的物料（或能量）不等于流出对象的物料时。表征对象物料储存量的参数就要随时间而变化，找出它们之间的关系，就能写出描

21、述它们之间的数学表达式 要研究被控过程的特性，就必须知道被控过程的数学模型（参量模型），也就是对过程的数学描述。 数学模型：表示具体过程的输入、输出关系的数学方程式。 其形式有：微分方程式、偏微分方程式、状态方程,换热器示意图,动画链接按钮,h,Q1,Q2,2.2.2.1一阶对象,一阶对象对象的动态特征可以用一阶微分方程来描述 我们以图2-2的水槽位研究对象,h,Q1,Q2,我们来推导表征h与Q1 之间关系的数学模型表达式,代入整理后的 令 T=ARS K=RS 将K、T 代入便有,这就是用来描述简单的水槽对象 微分方程式，式中T称时间常数，K称放大系数,2.2.2.1积分对象,积分对象-当对

22、象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时我们称为积分对象，以上图水操为例,对上式积分，可得,这就是上图的水槽的积分方程,2.2.2.3试验建模,数学建模有一定的普遍性，但在化工生产中许多对象的特征很复杂，往往很难通过内在机理的分析，直接得到描述对象的数学表达式，且这些表达式也较难求解的。另一方面，在这些推导的过程中，往往做了很多的假设和假定，忽略了很多的因素。但在实际中由于条件的变化，可能某些假定与实际不大完全相同。或者有些原来次要的因素上升为不能忽略的因素，因此，直接利用理论推导得到的对象特征作为合理设计自动控制的依据，往往是不可靠的。在实际中常常是用实验的方法来研究对象的特性，得出比较可靠的对象特性，也可以对通过机理分析的对象特性加以验证和修改。,2.2描述对象特性的参数,2.2.1 放大系数 放大倍数K 在系统稳定条件下，输入量与输出量之间的对应关系系统的静态特性。 如： h=K Q K值越大，系统灵敏度越高。 在实际