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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动控制Chemical Industry Instrument and Automation control第一章 自动控制系统基础知识化工仪表及自动化内容提要n 化工自动化的主要内容化工自动化的主要内容n 自动控制系统的组成及分类自动控制系统的组成及分类n由四个环节组成由四个环节组成n自动控制系统的分类自动控制系统的分类n 自动控制系统的表示方法自动控制系统的表示方法n方块图的画法方块图的画法n带控制点的仪表流程带控制点的仪表流程图（图（PID）化工仪表及自动化n 自动控制系统的过渡过程和评价方法自动控制系统的过渡过程和评价方法n静态和动态静态和动态n过渡过程的形
2、式过渡过程的形式n过渡过程的性能指标过渡过程的性能指标n过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标内容提要化工仪表及自动化1.1化工自动化的主要内容化工生产过程自动化，一般包括：p自动检测系统p自动信号和联锁保护系统p自动操纵、自动开停车及自动控制系统p自动控制系统化工仪表及自动化1.自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录记录 如：加热炉温度、压力检测。如：加热炉温度、压力检测。图1-1热交换器自动检测系统化工仪表及自动化2.自动信号和联锁保护系统自动信号系统：自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声当工艺参数超出要求范围，自动发
3、出声光信号光信号 如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀。量或关闭进料阀。联锁保护系统：联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车某些通路，必要时紧急停车化工仪表及自动化3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统：自动操纵系统：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。如：合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、如：合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等步骤周期性地接通空气和水蒸汽吹净等步骤周期性地接通空气和水蒸汽自动开停车系统：自动开停车系统：
4、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。化工仪表及自动化4.自动控制系统自动控制系统：利用自动控制装置对生产过程中的重要工艺参数进行控制和调整，使其在受到外部干扰偏离正常状态时能够自动恢复到规定的数值范围内而设置的系统。（本书介绍的重点内容）（本书介绍的重点内容）化工仪表及自动化之间的关系之间的关系l 自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行情况的任务。l 联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，以避免生产事故发生。l 自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种同期性操纵。l 只有自动控制系统才自动的排除各种于扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先
5、规定的数值上，使得生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。（自动化生产中的核心部分）化工仪表及自动化1.2 自动控制系统的组成和分类一、自动控制系统的基本组成一、自动控制系统的基本组成图1-2人工控制液位系统示意图化工仪表及自动化检测：检测：用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。低，并通过神经系统告诉大脑。执行：执行：根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量改变出口流量Qo，从而使液位保持在所需高度上。，从而使液位保持在所需高度上。运算（思考）、命令：运算（思考
6、）、命令：大脑根据眼睛看到的液位高度，加大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 一、自动控制系统的基本组成化工仪表及自动化图1-2 人工操作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图1-3储罐液位自动控制系统化工仪表及自动化为了完成人的眼、脑、手三个器官的任务，自动化装置也包为了完成人的眼、脑、手三个器官的任务，自动化装置也包括三个部分，分别用来模拟人的眼、脑和手的功能括三个部分，分别
7、用来模拟人的眼、脑和手的功能自动控制器测量元件与变送器执行器它的功能是测量液位它的功能是测量液位并将液位的高低转化并将液位的高低转化为一种特定的、统一为一种特定的、统一的输出信号（如气压的输出信号（如气压信号或电压、电流信信号或电压、电流信号等）；号等）；它接受变送器送来的它接受变送器送来的信号，与工艺需要保信号，与工艺需要保持的液位高度相比较持的液位高度相比较得出偏差，并按某种得出偏差，并按某种运算规律算出结果，运算规律算出结果，然后将此结果用特定然后将此结果用特定信号（气压或电流）信号（气压或电流）发送出去；发送出去；通常指控制阀，它通常指控制阀，它与普通阀门的功能与普通阀门的功能一样，只
8、不过它能一样，只不过它能自动地根据控制器自动地根据控制器送来的信号值来改送来的信号值来改变阀门的开启度。变阀门的开启度。一、自动控制系统的基本组成化工仪表及自动化二、自动控制系统的分类自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统的输出信号没有反馈到输入端，控制器不能随时获取被控变量的状态信息而做出相应的调整，不具备抑制干扰的能力。闭环控制系统的输出信号通过测量变送环节反馈到输入端，并与设定值相比较，得到的偏差传送给控制器，形成一个闭合回路。当被控变量偏离设定值时，控制器就会自动控制消除偏差，因此具有较强的抑制干扰的能力。化工仪表及自动化闭环控制系统又可以有多种分类方式，比如：按被控
9、变量来分类，可以分为流量、压力、温度、液位控制系统等；按控制器具有的控制规律来分类，可以分为比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统。按给定值是否变化和如何变化来分类，定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。二、自动控制系统的分类化工仪表及自动化三、按给定值分类分类 1.定值控制系统 2.随动控制系统 3.程序控制系统化工仪表及自动化1.定值控制系统定值控制系统就是控制系统的给定值是固定不变的。在化工生产中，如果需要被控对象的工艺参数保持不变，或者说要求被控变量的给定值固定不变，那么就应该采用定值控制系统。化工生产中要求的大部分都是定值控制系统。化工仪表及自动化随动控制系统也称为自动跟
10、踪系统，这类自动控制系统的特点是给定值不断变化，而且这种变化不是预先设定，而是随机的。随动控制系统的目的就是使所控制的工艺参数能够准确而快速地跟随给定值的变化。例如航空上的导航雷达系统，电视台的天线接收系统，以及化工生产中固定比值的两种流体的流量控制等都属于随动控制系统。2.随动控制系统化工仪表及自动化程序控制系统也称为顺序控制系统，这类控制系统的给定值是变化的，但它不是随机变化，而是一个已知的时间函数，即生产技术指标按照一定的时间程序变化。例如间歇反应器的升温控制系统和机械工业中金属热处理的温度控制系统都属于该类系统。3.程序控制系统化工仪表及自动化一个完整的自动控制系统，由被控对象、测量元
11、件与变送器、控制器和执行器四环节构成。为了便于分析，清楚的表示自动控制系统组成各个环节之间的关系，可以采用方框图和工艺管道流程图表示自动控制系统。1.3 自动控制系统的表示方法化工仪表及自动化一、方框图方框图由方框、信号线、比较点、引出点等几部分组成。p一个方框代表系统中的一个环节p信号线用来表示各环节之间的相互关系和信号的流向p比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算p引出点表示信号引出，从同一位置引出的信号完全相同。图1-4自动控制系统方框图化工仪表及自动化 图中的每个方框表示控制系统的一个部分，两个方框之间用一个带有指向的箭头符号表示其信号的相互关系。 箭头指向方框表示该环节的输入，箭
12、头离开方框表示该环节的输出。箭头符号下面的字母表示两个环节之间使用的是什么信号。一、方框图图1-4自动控制系统方框图化工仪表及自动化控制器前端的小圆圈表示比较机构，实际上它是控制器的一个组成部分。在方框图中单独把它画出来是为了更清楚的说明它的比较作用。在自动控制过程中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量参数称为操纵变量，实际生产中经常将流体的流量作为操纵变量。一、方框图图1-4自动控制系统方框图化工仪表及自动化u方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。u方框与方框之间的连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只是代表信号作用的方向，与工
13、艺流程图上的物料线是不同的。u自动控制系统是一个闭环系统。一、方框图注意：注意：图1-4自动控制系统方框图化工仪表及自动化自动控制的优点 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，它与自动检测、自动操纵等开环控制系统比较，最本质的区别就在于自动控制系统有负反馈。闭环系统的优点：自动控制系统由于是具有负反馈的闭环系统，它可以随时了解被控对象的情况，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。化工仪表及自动化二、工艺管道及控制流程图 工艺管道及控制流程图（Piping and Instrumention Diagram，P&ID）
14、是在工艺流程图的基础上，按照其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护系统等形成的描述生产过程控制的原理图。化工仪表及自动化二、工艺管道及控制流程图图1-6 脱乙烷塔工艺管道及控制流程图化工仪表及自动化（1）图形符号 测量点（包括检测元件、取样点）测量点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号。图1-7测量点示意图检测元件也可以用象形或图形符号表示，例如采用孔板检测流量时，检测点也可用图1-6中进料管线上的符号表示。化工仪表及自动化（1）图形符号连接线通用的仪表信号线均以细实线表示，必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。仪表的图形符
15、号仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，仪表不同的安装位置均有相应的图形符号来表示。图1-8连接线示意图化工仪表及自动化表1-1仪表安装位置的图形符号表示（1）图形符号化工仪表及自动化在工艺管道及控制流程图中，位于表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般标有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后面字母表示仪表的功能。（2）字母代号化工仪表及自动化（2）字母代号常用的被测变量和仪表功能的字母代号见表1-2。化工仪表及自动化仪表位号由字母代号和阿拉伯数字编号两部分组成。仪表位号按被控变量来进行分类，不同被控变量的仪表位号应分别编号。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，第一位数字表示工段号
16、，后续数字表示仪表序号。（3）仪表位号例图1-4中的PI-206表示这是一台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。化工仪表及自动化1.4 自动控制系统的过渡过程和评价方法静态静态-被控变量不随时间而变化的平衡状态被控变量不随时间而变化的平衡状态动态动态-被控变量随时间而变化的不平衡状态被控变量随时间而变化的不平衡状态u系统的输入（设定值和扰动量）及输出（被控变量）都保持不变u系统内各组成环节都不改变其原来的状态，输入、输出信号的变化率为零。u此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出u因此静态反映的是相对平衡状态。当一个原来处于相对平衡状态的系统
17、受到扰动作用的影响后，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值，此时控制器会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量去克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。化工仪表及自动化在自动控制过程中，由于干扰是客观存在的，不可避免。例如在生产过程中前后工序的相互影响；电压、气压的波动；气候的影响等，这些都会引起被控动变量的变动。为消除这种变动，就需要自动控制系统不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量回归到给定值，重新达到静态。因此，自动控制系统的静态都是相对的、暂时的，而动态过程会时刻存在。所以了解和研究系统的动态过程就显得尤为重要。一、自动控制系统的过渡过程化工仪表及自动化一、
18、自动控制系统的过渡过程过渡过程u过渡过程过渡过程-在设定值发生变化或系统受到干扰作用后，系在设定值发生变化或系统受到干扰作用后，系统将从原来的平衡状态经历一个过程进入另一个新的平衡状态。统将从原来的平衡状态经历一个过程进入另一个新的平衡状态。u在一个平衡系统中，由于干扰作用破坏了这种平衡，在一个平衡系统中，由于干扰作用破坏了这种平衡，被控变被控变量量就会发生变化，从而使就会发生变化，从而使控制器、执行阀控制器、执行阀等自动装置改变原来等自动装置改变原来的平衡时所处的状态，产生一定的的平衡时所处的状态，产生一定的控制作用控制作用来克服干扰的影响，来克服干扰的影响，并力图使系统恢复平衡。并力图使系
19、统恢复平衡。化工仪表及自动化u系统在动态过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。u实际生产中，干扰作用没有固定的形式，且大多属于随机形式。在研究和控制系统时，考虑到安全因素和使用方便的原因，常选择一些定型的干扰形式，如阶跃干扰、脉冲信号、正弦信号等，其中常用的是阶跃干扰。一、自动控制系统的过渡过程化工仪表及自动化一、自动控制系统的过渡过程采取阶跃干扰是因为考虑到这种形式的干扰比较突然，比较危险，它对被控变量的影响也最大，如果一个控制系统能够有效地克服这种形式的干扰，那么一定能克服其他形式比较温和的干扰。这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验
20、和计算。图1-10 阶跃干扰作用化工仪表及自动化二、过渡过程的形式自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程主要有四种基本形式，如图1-11所示。图图1-11四种过渡形式示意图四种过渡形式示意图化工仪表及自动化被控变量受到干扰作用一侧变化无来回波动最终稳定衰减振荡过程衰减振荡过程等幅振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程发散振荡过程被控变量受到干扰作用上下波动波动幅度逐渐减小最终稳定被控变量受到干扰作用上下波动幅值不变被控变量受到干扰作用上下波动幅值逐渐增大非周期衰减过程非周期衰减过程？二、过渡过程的形式化工仪表及自动化二、过渡过程的形式 1）过渡过程（）过渡过程（4）是发散的，称为）是发散的，称为不稳
21、定不稳定的过渡过程的过渡过程 被控变量在控制过程中，不但不能达到平衡状态，而且逐渐远被控变量在控制过程中，不但不能达到平衡状态，而且逐渐远离给定值。离给定值。 2）过渡过程（）过渡过程（1）和（）和（2）都是衰减得称为）都是衰减得称为稳定过程稳定过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。3）过渡过程（）过渡过程（3）介于不稳定和稳定之间，一般也认为是不稳）介于不稳定和稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上不能采用。定过程，生产上不能采用。综上所述，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能综上所述，非振荡衰减过程和衰减振
22、荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。基本满足控制要求。化工仪表及自动化三、自动控制系统的评价指标性能指标性能指标稳稳准准快快1. 控制系统的控制系统的性能指标性能指标2化工仪表及自动化2.控制系统的品质要求控制系统的品质要求 假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如图假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如图所示，这属于衰减振荡的过渡过程。坐标：所示，这属于衰减振荡的过渡过程。坐标：t-时间；时间；y-被控变量被控变量离开给定值的变化量；离开给定值的变化量； 假定在假定在t=0之前，系统稳定，且被控变量等于给定值，即之前，系统稳定，且被控变量等于给定值，即y=0；
23、 在在t=0瞬间，外加阶跃干扰作用，系统地被控变量开始按衰减振瞬间，外加阶跃干扰作用，系统地被控变量开始按衰减振荡的规律变化，经过相当长时间后，荡的规律变化，经过相当长时间后，y逐渐稳定在逐渐稳定在C值上，即值上，即y（）=C。化工仪表及自动化p 是指被控变量第一个波峰值与设定值的差。 p 最大偏差（或超调量）表示了瞬间被控变量偏离设定值的最大程度。p A愈大，表示偏离生产规定的状态愈远，特别是对一些有危险限制的情况，如化学反应器的化合物爆炸极限等，应特别慎重，以确保生产安全进行。 （1）最大偏差）最大偏差A或超调量或超调量B最大偏差最大偏差A超调量超调量BAB化工仪表及自动化 这是表示衰减过
24、程响应曲线衰减程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之比，即：BBn 衰减比衰减比B/B，BB，（2）衰减比）衰减比当n=1为等幅振荡；n1为衰减振荡。为保持系统有足够的稳定程度，工程上常取衰减比为4:110:1。化工仪表及自动化ABB， 余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。余差是指过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。 它是反映控制系统控制精度的静态指标，一般希望它为零它是反映控制系统控制精度的静态指标，一般希望它为零或不超过工艺设计的范围。或不超过工艺设计的范围。 被控变量越接近给定值越好，亦即余差越小越好。被控变量越接近给定值越好，亦即余差越小越好。 （3）余差）余差C余差余差
25、CC化工仪表及自动化过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢过渡时间是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所经历的最短时间。复到新的平衡状态所经历的最短时间。严格讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程来说，要完全达到严格讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程来说，要完全达到新的平衡需要无限长的时间。实际上，由于仪表的灵敏度的限制，新的平衡需要无限长的时间。实际上，由于仪表的灵敏度的限制，当被控变量接近稳态值时，指示值就基本不变了，因此，当被控变量接近稳态值时，指示值就基本不变了，因此，一般在一般在稳态值的上下规定一个小的范围，当被控变量进入这一范围，一稳态
26、值的上下规定一个小的范围，当被控变量进入这一范围，一般定为稳态值的般定为稳态值的+5%（也有的规定为（也有的规定为+2%）。）。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的变量进入新稳态值的+5%（或（或+2%）的范围内且不再越出时为止）的范围内且不再越出时为止所经历的时间。所经历的时间。过渡时间短，表示过渡过程进行得比较迅速，这是即时干扰频繁出现，系统也能适应，系统控制质量就高；（4）过渡时间）过渡时间tABB，C过渡时间过渡时间ts+2%或或+5%化工仪表及自动化ABB，C 过渡过程同向两波峰（或波谷）之
27、间的间隔时间叫振荡过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。 在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。希望振荡周期短一些为好。（5） 振荡周期或频率振荡周期或频率振荡周期振荡周期T化工仪表及自动化某反应器的温度控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线某反应器的温度控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图如图1-13所示。请分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡所示。请分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为周期和过渡时间
28、（给定值为150）。）。例例1-1图图1-13 反应器温度过渡曲线反应器温度过渡曲线化工仪表及自动化最大偏差最大偏差A180-150030（） 余差余差C155-150（） 由图上可以看出，第一个波峰值由图上可以看出，第一个波峰值B180-15525（），第二个波），第二个波峰值峰值B1601555（），故衰减比应为），故衰减比应为B:B25:55:1 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T20-515（min） 解解: 例例1-1过渡时间过渡时间ts=22.5min化工仪表及自动化分析：过渡时间与规定的被控变量波动大小有关，一般被控变量进入给定
29、值的2%就可以认定过渡过程已经结束，那么范围波动为1502%=3，这时，可在新稳态值（155）两侧以宽度为3画一区域，图1-13中以画有阴影线的区域表示，过渡时间为22.5min。例例1-1化工仪表及自动化四、过渡过程品质的影响因素影响过渡过程的内部因素是由系统特性引起的，系统特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。自动控制系统由被控对象和自动化装置两大部分构成，被控对象的特性及自动控制系统的各个环节都会影响过渡过程的品质。影响过渡过程的因素分为影响过渡过程的因素分为内在因素和外在因素内在因素和外在因素。化工仪表及自动化四、过渡过程品质的影响因素 例如在前面提到的温度控制系统中，换热器的材质、例如在前面提到的温度控制系统中，换热器的材质、结构、大小，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度结构、大小，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等都属于对象的特性，这些都会影响到系统的控制质量。等都属于对象的特性，这些都会影响到系统的控制质量。对象的特性起到决定性的作用。对象的特性起到决定性的作用。 当然，自动化装置中测量与变送装置、控制器和执行器的选择和使用不当，也会对控制质量产生影响。自动化装置应该根据对象性质进行选择和调整，两者要很好地配合，才能获得高品质的过渡过程。化工仪表及自动化