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1、化工仪表自动化,四川理工学院电信系自动化教研室,2,课程介绍,课程名称：化工仪表自动化学时（学分）：40（3/2.5）类型：专业选修课、考查课教材：厉玉鸣.化工仪表及自动化（第四版）M.北京:化学工业出版社，2006,3,课程特点,课程内容涵盖面广化工原理自动控制原理检测技术控制仪表及装置过程计算机控制集散控制系统现场总线控制系统内容以叙述性为主，理论推导较少,4,课程任务,化工仪表自动化是综合性较强、跨多门学科的一门专业课程，通过本课程的学习，使学生掌握最基本的过程控制方面的知识，对常见过程参数的测量原理、常规仪表的基本功能、自动控制系统基于微分方程的基本分析方法等有一个基本性的及系统性的了
2、解。便于在生产实践中能根据生产工艺及自动控制两个方面的要求，为自动控制系统的设计提供合理的、准确的工艺条件及数据。选用适当的自动化仪表和计算机等装置组成实用型过程控制系统。,5,学习及考核,学习方式：课堂讲授+同学自学总评成绩=平时40%+期末测试60%平时成绩=课堂回答问题10%+作业及小测验 30%答疑安排每周二晚19:00-21:00实验楼 541,6,参考书目,侯志林.过程控制与自动化仪表M.北京:机械工业出版社，2003杨丽明，张光新.化工自动化及仪表M.北京:化学工业出版社，2004王化祥.自动检测技术M.北京:化学工业出版社，2004张毅.自动检测技术及仪表控制系统M.北京:化学
3、工业出版社，2005,7,绪论,目的,2,发展历程,3,化工自动化的定义,1,学习目的,4,8,化工自动化的定义,在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，称为化工自动化。,9,实现化工自动化的目的,加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。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。生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。,10,实现化工自动化的目的（续）,高岭土在不同温度下煅烧时，其
4、化学反应式如下：,11,化工自动化的发展历程,20世纪40年代手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。20世纪40年代末50年代自动化仪表：采用基地式仪表和部分单元组合仪表（气动型和电动型）控制理论：以反馈为中心的经典控制理论控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统,12,化工自动化的发展历程（续）,20世纪50年代 70年代自动化仪表：单元组合仪表（气动型和电动型）成为主流产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论，
5、传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。,13,气动基地式仪表,KFL现场型基地式气动液位指示调节仪,14,电动基地式仪表,LD301压力差压变送器,15,气动单元组合仪表,气动指示记录仪,气动调节仪,16,电动单元组合仪表,17,使用常规仪表的中央控制室,18,化工自动化的发展历程（续）,20世纪7080年代自动化仪表：气动型和电动型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC机（工控机）和数字控制器等，已成为控制装置的主流。控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以
6、极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论，传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。,19,化工自动化的发展历程（续）,20世纪90年代至今自动化仪表：信息技术飞速发展，现场总线控制系统（FCS）的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。出现各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪。控制理论：人工智能、神经网络控制。控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。,20,早期的DCS控制系统,21,现代的DCS控制系统,2
7、2,现代FCS操作室,23,学习目的,应能了解化工自动化的基本知识、理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用；能根据工艺要求、与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能在工艺设计或技术改造中、与自控设计人员密切合作，综合考虑工艺与控制两个方面，并为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，能了解化工对象的基本特性及其对控制过程的影响；能了解基本控制规律及其控制器参数与被控过程的控制质量之间的关系，能了解主要工艺参数(温度、压力、流量及物位)的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点；,24,学习目的（续）,在生产控制、管理和调度中、能正确地选用和使用常见的测量仪表和控制装置，使它们充分发
8、挥作用；能在生产开停车过程中，初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定；能在自动控制系统运行过程中，发现和分析出现的一些问题和现象，以便提出正确的解决办法；能在处理各类技术问题时，应用一些控制论、系统论、信息论的观点来分析思考，寻求考虑整体条件、考虑事物间相互关联的综合解决方法。,25,第一章 自动控制系统基本概念,自动控制系统的组成,2,自动控制系统的分类,3,化工自动化的主要内容,1,过渡过程和品质指标,4,工艺管道及控制流程图,5,26,1.1 化工自动化的主要内容,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
9、察与记录、因此起到人的眼睛的作用。,27,1.1 化工自动化的主要内容,自动信号和联锁保护系统 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，就有引起事故的可能。为此，常对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。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。,28,1.1 化工自动化的主要内容,自动控制系统生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联着，当其中某一设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些参数或多或少地波动，偏离了正常的工艺条件，为此。
10、就需要用一些自动控制装置，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(扰动)的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。,29,1.2 自控系统的基本组成及方块图,人工控制：自动控制的基础,30,1.2 自控系统的基本组成及方块图,人工控制系统的组成：眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)指示的高度。头脑将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估算出需要改变的流出量，然后发出控制命令。手根据命令改变出口阀门开度，相应地增减流量，使液位保持在合理的范围内。阀门、对象。,31,1.2 自控系统的基本组成及方块图,机械化,人工控制向自动控制
11、转变,人脑,眼睛,四肢,控制器,检测装置,执行器,32,1.2 自控系统的基本组成及方块图,自动控制以液体贮槽的液位控制为例，来说明工业过程控制系统的基本构成。,33,1.2 自控系统的基本组成及方块图,该系统是由两部分构成的：控制装置：起到控制作用的全套仪表、自动装置。通常包括测量元件、变送器、控制器和执行器等。被控对象：控制装置所要控制的生产设备。该系统的任务：当被控对象受到干扰使被控参数产生偏差时，能够及时检测并反馈到控制器，通过控制器产生控制信号，调节阀门开度使被控参数回到给定值。,34,1.2 自控系统的基本组成及方块图,变送器检测并变换成统一标准信号送到 控制器（相当于人的眼睛）控
12、制器接收变送器信号与液位期望值进行比较，根据偏差按某种规律运算，结果送给执行器（相当于人的大脑）执行器将控制器指令信号转换成相应的位移信号，驱动阀门动作，改变液体流出量，实现液位的自动控制（相当于人的手）。,35,1.2 自控系统的基本组成及方块图,方框图方框图是从信号流的角度出发，依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式。对自动控制系统进行分析研究时，经常用方框图来表示一个自动控制系统的组成。,36,1.2 自控系统的基本组成及方块图,环节在方框图中，每个组成部分用一个方框表示并标上该组成部分的名称，称之为环节。一个方框可以对应于一个元件、一个设备或几个设备的组合
13、，或一个局部的生产过程。,37,1.2 自控系统的基本组成及方块图,输入和输出箭头指向方框的信号 X 表示该环节的输入，称为输入变量。箭头离开方框的信号 Y 表示该环节的输出，称为输出变量。箭头所指的方向就是信号的流向，它表明信号的作用方向。,38,1.2 自控系统的基本组成及方块图,相加点 C=A+B C=A-B分支点 B=C=A,A,C,B,A,C,B,A,B,C,39,1.2 自控系统的基本组成及方块图,给定值（设定值）按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要求达到或保持的数值称为给定值。被控变量对象中需要进行控制（保持数值在某一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。操纵变量受到控
14、制装置的操纵，用以使被控变量保持在设定数值的物料或能量的表示参数称为操纵变量。,40,1.2 自控系统的基本组成及方块图,操纵介质具体实现控制作用的物料叫操纵介质。干扰（扰动）除操纵变量外，作用于对象并使被控变量发生变化的因素称为干扰。偏差在理论上偏差应该是给定值与被控变量的实际之差。但是我们只能获得测量值，所以通常把给定值与测量值之差作为偏差。,41,例题,下图为一换热器的控制系统流程图。问：被控变量？操纵变量？被控对象？画出控制系统方框图。,42,例题,被控变量：物料出口温度操纵变量：蒸汽流量被控对象：换热器换热器控制系统方框图：,43,1.2 自控系统的基本组成及方块图,同一形式的方框图
15、可以代表不同的控制系统。,44,1.2 自控系统的基本组成及方块图,表示方法：方块图表示流程图表示,区别？,45,1.2 自控系统的基本组成及方块图,闭环负反馈把系统或环节的输出信号或经过一些环节重新返回输入端的做法叫做反馈。如何区别正反馈和负反馈？,46,练习题,A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度。试分别指出控制对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量的干扰是什么？画出该温度控制系统的方块图。,47,练习题,在下面一段文章中，试分别指出被控变量、操作变量、干扰、控制对象、控制方式。“发动机内的燃烧是由空气燃料比(空气量燃料喷射量)来控制。通过
16、控制燃料喷射量，使空气与燃料的比值保持一定，不受空气量变化影响，特别是消除外部干扰的影响。”,48,1.3 自动控制系统的分类,多种分类方法：按被控变量分类：温度、压力、流量、液位等按控制规律分类：比例P(Propotional)、比例积分PI(Propotional Integral)、比例积分微分PID(Propotional Integral Derivative)等,49,3.按被控对象的特征分类,在石油、化工、冶金等行业，生产过程具有水流一样的连续特征，称之为流程工业，其自动化系统称之为连续生产过程自动化或过程自动化。在机械、汽车、电子等行业，工业生产具有间断的、按件料加工的特征，其
17、自动化系统称之为断续生产过程自动化或制造工业自动化。在食品、制药、选矿等行业，生产同时具有连续和间断的待征，称之为混合型工业自动化。,50,4.按控制的设定值分类,(1)定值控制系统是指设定值恒定的控制系统。其基本任务是克服扰动对被控变量的影响，使被控变量保持在设定值。如常见的热水器的温度控制就是定值控制系统的一个例子。工业生产大部分控制系统都属于这种类型。,51,4.按控制的设定值分类,(2)随动控制系统这类系统的特点是设定值不断地变化，而且这种变化是随机的、不可预知的。随动系统的主要目的是使被控变量能尽快地、准确地跟踪设定值的变化。也称自动跟踪系统。例如航空上的导航雷达系统、电视台的天线接
18、收系统都均属于随动控制系统。,52,4.按控制的设定值分类,(2)随动控制系统,自动平衡电位差计的方框图,53,4.按控制的设定值分类,(3)程序控制系统其设定值也是变化的，但它是时间和条件的已知函数，即设定值按规定的时间和条件(按照设定的程序)变化。这类系统在断续生产过程中应用比较普遍。如自动洗衣机控制就属于此类。,54,5.按控制系统的结构分类,(1)开环控制系统若系统的输出信号不反馈到输入端，也就不能形成闭合回路，这样的系统就称为开环控制系统。开环系统的构成特点是简单、实用，但由于无反馈信息，控制的效果取决于控制模型是否准确适当、组成开环系统的各个环节是否稳定，系统任何部分的变化都可能影
19、响控制的最终结果。,55,5.按控制系统的结构分类,(2)闭环控制系统系统的输出(被控变量)通过某种方式一般为测量传感器送回到控制系统的输入端。这样控制系统就形成了一个闭合的环路，称闭环控制系统。在电子学中，将输出信号引回到输入端叫做反馈。同理，闭环控制系统也是反馈控制系统，而且常用的是负反馈，负反馈可以使控制系统稳定。多数控制系统都是闭环负反馈控制系统。,56,习题,试列举几个生活中开环控制系统和闭环控制系统的实例，并分析它们的工作原理。家用电冰箱的控制方式是开环还是闭环控制方式，试分析冰箱控制系统的工作原理。并画出系统方框图。,57,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,控制系统的静态与动
20、态在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。静态的特点：系统输入x、f不变，系统输出y不变，其他量如z、e、p、q均不变，但生产照常进行。静态是相对而暂时的。动态的特点：输入变化引起输出变化，其他量也跟着变化，以求系统建立新平衡。动态是经常和绝对的。,58,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程：自动控制系统在动态过程中，被控变量是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程，也就是说，系统从一个平衡状态（静态）经过动态过渡到另一个新的平衡状态的过程。系统在过渡过程中
21、，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。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。,59,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,常见典型信号：阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。,当A=1时称为单位阶跃信号。,阶跃干扰（阶跃输入）的特点：比较突然、比较危险、对被控变量的影响最大，如果一个系统，能有效地克服这类干扰，对其他干扰就能很好地克服，同时数学处理和分析简单。,60,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,过渡曲线的四种形式,61,1.4 自控系统的过渡
22、过程和品质指标,控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。由于在多数情况下振荡过程，所以取衰减振荡的过渡过程形式来讨论控制系统的品质指标。,62,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,控制系统的品质指标最大偏差或超调量：最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值，在图中以A表示。有时也可以用超调量来表征被控变量偏离给定值的程度。在图中超调量以B表示。从图中可以看出，超调量B是第一个峰值A与新稳定值C之差，即BA一C。,63,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,衰减比：是表示衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。
23、在图中衰减比是B:B。习惯上表示为n:1。一般取4:18:1之间。,64,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,余差：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差,或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差，在图中以C表示。偏差的数值可正可负。,65,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,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。,66,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,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。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一
24、般希望振荡周期短一些为好。上升时间也是一个品质指标。它是指干扰开始作用起至第一个波峰时所需要的时间。显然，上升时间以短一些为宜。,67,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图115所示。试分别求出最大偏差、余差、袁减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。,68,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,解:最大偏差：A230一200300 余差C20520050 由图上可以看出，第一个波峰值B230一205250，第二个波峰值B21020550 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T20一5
25、15(min)过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的土2，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200(2)土4，这时，可在新稳态值(205)两侧以宽度为土4 画一区域，图115中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再超出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。,69,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,21题：某化学反应器工艺规定操作温度为(90010)。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图118所示。试求该系统的过渡过程品质
26、指标：最大偏差、越调量、衰减比和振荡周期，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？,70,1.4 自控系统的过渡过程和品质指标,影响自动控制系统过渡过程品质的主要因素：过渡过程品质品质的好坏，很大程度上取决于对象的特性。自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量。影响自动控制系统过渡过程品质的因素众多，在系统设计和运行过程中应予以充分考虑。,71,1.5 工艺管道及控制流程图,一、图形符号1测量点(包括检出元件、取样点)2连接线3仪表(包括检测、显示、控制)的图形符号,72,1.5 工艺管道及控制流程图,控制流程图符号意义,73,1.5 工艺管道及控制流程图,二、字母代号,74,1.5 工艺管道及控制流程图,三、仪表位号由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。字母代号意义如前。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，后续数字表示仪表序号。,75,本章作业,P16：第12、22题作业暂时不交，接通知以后统一交到实验楼541要求书写工整，严禁抄袭,Thank You!,
