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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第六章第六章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念第六章第六章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念3人工操作图液位自动控制图人工操作与自动控制比较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控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要现代化生产的需要液位自动控制4第六章第六章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念仪表及自动化系统的分类仪表及自动化系统的分类n化工生产过程中需要测量和控制的参数是多种多样的，主要的有热工量（压力、流量、液位、温度等）和成分（或热工量（压力、流量、液位、温度等）和成分（或物性）量。物性）量。所以化工自动
2、化仪表按功能不同，大致分为四四类类：n检测仪表检测仪表（各种参数的测量和变送）；n显示仪表显示仪表（模拟量显示和数字量显示）；n控制仪表控制仪表（气动、电动控制仪表及数字式控制器）；n执行器执行器 （气动、电动、液动等执行器）。n 利用上述各类仪表，可以构成自动检测自动检测、自动操纵、自自动操纵、自动保护和自动控制动保护和自动控制这样四种自动化系统，他们的作用如下：n1.自动检测系统自动检测系统n利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、指示或利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。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，
3、因此起到对过程信息的获取与记录作用。这在生产过程自动化中是最基本的也是十分重要的内容。n 自动检测系统中主要的自动化装置是敏感元件、传感器和显敏感元件、传感器和显示仪表示仪表。n敏感元件敏感元件也称检测元件，作用是对被测变量作出响应，把它也称检测元件，作用是对被测变量作出响应，把它转换成适合测量的物理量。转换成适合测量的物理量。n传感器传感器可以对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换，可以对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换，当转换后的信号为标准的统一信号（如当转换后的信号为标准的统一信号（如010mA、420mA、0.020.1Mpa等）时，此时的传感器一般成为变送器。等）时，此时
4、的传感器一般成为变送器。n显示仪表显示仪表的作用是将检测结果以指针位移、数字、图象等形作用是将检测结果以指针位移、数字、图象等形式准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操式准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操作情况和状态。作情况和状态。n2.自动信号联锁保护系统自动信号联锁保护系统n 生产过程中有时由于一些偶然因素的影响导致工艺参数超生产过程中有时由于一些偶然因素的影响导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况时就有可能引起事故。出允许的变化范围而出现不正常情况时就有可能引起事故。为此，常对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置。为此，常对某些关键性参数设有自动信号
5、联锁保护装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号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警报，告戒操作人员注意，并系统就自动地发出声光信号警报，告戒操作人员注意，并及时采取措施。及时采取措施。n 自动信号联锁保护电路按其主要构成元件的不同，可分自动信号联锁保护电路按其主要构成元件的不同，可分为为有触点式和无触点式有触点式和无触点式两类（有时可采用混合式）。两类（有时可采用混合式）。n有触点式电路有触点式电路是由各种继电器、按钮、开关等电器组成的是由各种继电器、按钮、开关等电器组成的继电线路，依靠各种电器的触点开合完成电路的通断和切继电线路，依靠
6、各种电器的触点开合完成电路的通断和切换。换。n无触点式电路无触点式电路利用由二极管、晶体管及集成电路等电子器利用由二极管、晶体管及集成电路等电子器件构成具有一定功能的电子线路，利用电子器件的导通或件构成具有一定功能的电子线路，利用电子器件的导通或阻断特性来实现自动信号的报警和联锁保护作用。阻断特性来实现自动信号的报警和联锁保护作用。自动报警联锁保护系统的组成自动报警联锁保护系统的组成n3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵及自动开停车系统n自动操纵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。设备进行某种周期性操作。n自动开停车系统自
7、动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产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。过程自动地投入运行或自动停车。n4.自动控制系统自动控制系统n生产过程中各种工艺条件不可能一成不变，特别是化工生产，大多数是连续生产，各设备相互关联，当其中某一设备工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些参数的波动，偏离正常工艺条件。为此，需要用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的数值范围内时，能自动地调回到规定的数值范围
8、内。各系统间的相互关系各系统间的相互关系n自动检测系统自动检测系统只能完成只能完成“了解了解”生产过程进行生产过程进行情况的任务；情况的任务；n自动信号联锁保护系统自动信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某只能在工艺条件进入某种极限状态时采取安全措施以免发生生产事故；种极限状态时采取安全措施以免发生生产事故；n自动操纵系统自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性操作；某种周期性操作；n只有只有自动控制系统自动控制系统才能自动地排除各种干扰因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
9、证生产维持在正常或最佳的规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的工艺操作状态。工艺操作状态。所以，自动控制系统是自动化自动控制系统是自动化生产中的核心部分。生产中的核心部分。自动控制系统的组成自动控制系统的组成 在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备生产设备。在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象被控对象,简称对象对象。6n测量元件与变送器 是基于负反馈原理的，包括测量、放大和反馈三部分。其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制n由于变量种
10、类多，因此，变送器的类型也较多n温度变送器n压力变送器n液位变送器n流量变送器自动控制系统的组成自动控制系统的组成 将将将将被被被被控控控控变变变变量量量量的的的的测测测测量量量量值值值值与与与与给给给给定定定定值值值值进进进进行行行行比比比比较较较较得得得得出出出出偏偏偏偏差差差差，然然然然后后后后根根根根据据据据偏偏偏偏差差差差的的的的大大大大小小小小，按按按按照照照照某某某某种种种种运运运运算算算算规规规规律律律律发发发发出出出出控控控控制制制制信信信信号号号号，送送送送往往往往执执执执行行行行器器器器，以以以以实实实实现现现现对对对对被被被被控控控控变变变变量量量量的自动控制。的自动控
11、制。的自动控制。的自动控制。控制器控制器调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 420mA20mA4 420mA20mA被控变量干扰操纵变量操纵变量操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）操纵变量：影响被控变量，克服干扰使被控变量回到给定值的（调节阀的输出）自动控制系统的组成自动控制系统的组成n执行器（调节阀）执行器（调节阀）：调节阀又称控制阀、执行器。在自动控制系统中的作调节阀又称控制阀、执行器。在自动控制系统中的作用，就是控制器发出的控制信号，改变调节参数，把被调用，就是控制器发出的控制信号，改变调节参数，把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动
12、化。参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。按能源形式可分为气动执行器、电动执行器、液动执按能源形式可分为气动执行器、电动执行器、液动执行器三大类。行器三大类。自动控制系统的组成自动控制系统的组成被控对象：被控对象：在自动控制系统的组成中，除了必须具有上述的目动化在自动控制系统的组成中，除了必须具有上述的目动化装置外，还必须具有控制装置所控制和操纵的对象即生产设装置外，还必须具有控制装置所控制和操纵的对象即生产设备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。或机器叫做被控对象，简称对象。化工工艺控
13、制流程图化工工艺控制流程图 工工艺艺流流程程和和控控制制方方案案的的确确定定后后，根根据据工工艺艺设设计计给给出出的的流流程程图图，按按其其流流程程顺顺序序标标注注出出相相应应的的测测量量点点、控控制制点点、控控制制系系统统及及自自动动信信号号与与联联锁锁保保护护系系统统等等，便便成成了了工工艺艺管道及控制流程图管道及控制流程图（PID图）图）。PID图图图形符号图形符号n1.1.测量点（包括检出元件、取样点）测量点（包括检出元件、取样点）检试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，如下图所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表示。测试点的一般表示
14、方法化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图2.2.连接线连接线 通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。连接线的表示法化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图 3 3、仪表（检测、显示、控制）的图形符号仪表（检测、显示、控制）的图形符号 仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图序序号号安装位安装位置置图形符号图形符号备注备注序序号
15、号安装位置安装位置图形符图形符号号备注备注1就地安就地安装仪表装仪表嵌在管道嵌在管道中中4集中仪表集中仪表盘后安装盘后安装仪表仪表2集中仪集中仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表 5就地仪表就地仪表盘面安装盘面安装仪表仪表3就地仪就地仪表盘面表盘面安装仪安装仪表表仪表安装位置的图形符号表示化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图 对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同一图纸上），如下图所示。复式仪表的表示法执行机构图形符号执行机构图形符号1 带弹簧的薄膜执行机构 不带弹簧的薄膜执行机构M电动执行机
16、构D数字执行机构S电磁执行机构活塞执行机构单作用活塞执行机构双作用4、调节阀的图形符号、调节阀的图形符号执行机构图形符号执行机构图形符号2带手轮的气动薄膜执行机构带气动阀门定位器的 气动薄膜执行机构带电气阀门定位器的 气动薄膜执行机构带人工复位装置的执行机构 （以电磁执行机构为例）SRSR带远程复位装置的执行机构 （以电磁执行机构为例）4、调节阀的图形符号、调节阀的图形符号字母代号字母代号 在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能，常用字母代号见下表。字母字母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变
17、量修饰词修饰词功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析电导率电导率密度密度电压电压流量流量电流电流时间或时间程序时间或时间程序物位物位水分或湿度水分或湿度压力或真空压力或真空数量或件数数量或件数放射性放射性速度或频率速度或频率温度温度黏度黏度力力供选用供选用位置位置差差比（分数）比（分数）积分、累积积分、累积安全安全报警报警控制（调节）控制（调节）检测元件检测元件指示指示自动自动-手动操作器手动操作器积分、累积积分、累积记录或打印记录或打印开关、联锁开关、联锁传送传送阀、挡板、百叶窗阀、挡板、百叶窗套管套管继动器或计算器继动器或计算器驱动、执行或未分类的终端执行机构驱动、执行或未分
18、类的终端执行机构被测变量和仪表功能的字母代号化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图举例举例以以脱脱乙乙烷烷塔塔控控制制流流程程图图，来来说说明明如如何何以以字字母母代代号号的的组组合合来来表表示示被被测测变变量量和仪表功能。和仪表功能。化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图 塔塔顶顶的的压压力力控控制制系系统统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。回回流流罐罐液液位位控控制制系系统统中的LIC-201是一台具有指示功能的
19、液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。塔塔下下部部的的温温度度控控制制系系统统中的TRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。塔塔底底的的液液位位控控制制系系统统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。化工工艺控制流程图化工工艺控制流程图仪表位号仪表位号 仪仪表表位位号号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。举例举例脱乙烷塔的工艺管道及控制流
20、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。仪表位号的表示方法仪表位号的表示方法1、仪表位号组成 在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表（或元件）都应有自己的仪表位号。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。示例：T RC-1 01序号（一般用二位数字，也可以用三位）工序或车间代号（可以一位，也可以用二位数字）功能字母代号（记录调节）被测变量字母代号（温度）2、带控制点流程图和仪表系统图上表示方法、带控制点流程图和仪表系统图上表示方法集中仪表盘面安装仪表 （中间有一横）TRC 101仪表位号表示方法：字母代号填写在圆圈
21、上半圈中；回路编号填写在圆圈下半圈中。就地安装仪表 （中间没有一横）TI 101 根据图形符号、文字代号以及仪表位号表示方法，可以绘制仪表系统图。n自动控制系统方块图自动控制系统方块图n在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，一一般都用方块图来表示控制系统的组成。般都用方块图来表示控制系统的组成。n下下页页图图为为液液位位自自动动控控制制系系统统地地方方块块图图每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
22、，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输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。9自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n方方块块图图中中，x 指指设设定定值值；z 指指输输出出信信号号；e 指指偏偏差差信信号号；p 指指发发出出信信号号；q 指指出出料料流流量量信信号号；y 指指被被控控变变量量；f 指指扰扰动动作作用用。当当x 取取正正值值，z取取负负值值，e=x-z，负负反反馈；馈；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e=x+z，正反馈。，正反馈。自动控制系统方块图
23、自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图 为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节(包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀)组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。控制器广义对象被控变量测量值z给定值干扰作用f-x简化方块图自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图被控对象是加热器被控对象是加热器被控变量是出口物料的温度被控变量是出口物料的温度干扰作用可能是进料流量、进料温
24、干扰作用可能是进料流量、进料温度的变化、加热蒸汽压力的变化、度的变化、加热蒸汽压力的变化、加热器内部传热系数或环境温度的加热器内部传热系数或环境温度的变化等变化等而控制阀的输出信号即操纵变量是而控制阀的输出信号即操纵变量是加热蒸汽量的变化加热蒸汽量的变化加热蒸汽是操纵介质或操纵剂加热蒸汽是操纵介质或操纵剂自动控制系统的方块图自动控制系统的方块图n注意注意:1、方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置或设备。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。2、自动控制系统相当于具有被控量
25、负反馈的闭环系统，与自动操纵系统有本质区别。3、开环系统不能克服任何干扰，也正因为如此，在过程控制中很少单独运用开环控制。反过来说，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来改变控制作用的大小和方向。自动控制系统的分类自动控制系统的分类按被控变量种类：温度、压力、流量、液位等控制系统控制规律来分类；如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等按控制系统构成的复杂程度来分类，如简单控制系统和复杂控制系统等按被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类：这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统定值控制系统、随动控制系统随动控制系统和和程序
26、控制系统程序控制系统。恒定给定值，要求工艺参数保持在恒定值给定值随机变化，所控制的工艺参数准确而快速的跟随给定值的变化而变化不是恒定值，是时间的函数，具有一定的升温时间，保温时间等。自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标n控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态(时间函数时间函数)静态：静态：当一个自动控制系统的输入(给定和干扰)和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态它们的输出信号也都处于相对静止状态。e和u固定动态：动态：一个系统原先处于相对平衡状态即静态，由于干扰的作用而破坏了这种平衡时，被
27、控变量就会发生变化，从而使控制器、控制阀等自动化装置改变原来平衡时所处的状态，产生一定的控制作用来克服干扰的影响，并力图使系统恢复平衡。从从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。以这种状态叫做动态。静态是暂时的，相对的，有条件的动态是绝对的、经常的n控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标被控变量随时间变化规律取决于作用在系统的干扰形式一般情况下最
28、常用的是阶跃干扰。所谓阶跃干扰就是在某一瞬间，干扰(即输入量)突然地阶跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅值不再变化。自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标一般来说，自动控制系统在阶跃作用下的过渡过程有以下几种形式：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程稳定过程不稳定稳定过程n控制系统的品质指标控制系统的品质指标自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标以衰减振荡的过渡过程来讨论1最大偏差或超调量被控变量偏离给定值的最大数值。A超调量。B2衰减比表示衰减程度的指标是衰减比，它是指过渡过程曲线上同方向相邻两个峰值的比。B:B(n:1)n取值？3余差过渡
29、过程终了时，被控变量达到新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，C4过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。5振荡周期或频率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。被控变量达到稳态值的5(也有的规定为2)范围内，可以说过渡过程已经结束。n控制系统的品质指标控制系统的品质指标自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标自动控制的过渡过程和品质指标n影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主要因素工艺过程部分（被控对象）自动化装置部分工艺过程部分指的是与被控变量有关的工艺参数和设备结构、材质等因素，也就是前面讲的被控对象。自动化装置部分指的是为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器三部分。对于一个自控系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。例如换热器温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。