化工儀表及自動(dòng)化課件1

1、化工儀表及自動(dòng)化化工儀表及自動(dòng)化第一章第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念第一節(jié)第一節(jié) 化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容 利用各種儀表對生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄的部分。 對過程信息的獲取與記錄作用。 圖0-2 熱交換器自動(dòng)檢測系統(tǒng)示意圖7化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類自動(dòng)檢測系統(tǒng)中主要的自動(dòng)化裝置敏感元件傳感器顯示儀表 對被測變量作出響應(yīng),把它轉(zhuǎn)換為適合測量的物理量。 對檢測元件輸出的物理量信號(hào)作進(jìn)一步信號(hào)轉(zhuǎn)換 將檢測結(jié)果以指針位移、數(shù)字、圖像等形式,準(zhǔn)確地指示、記錄或儲(chǔ)存。 8化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類 對

2、某些關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)有自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)裝置，是對某些關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)有自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)裝置，是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。 自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)電路按主要構(gòu)成元件不同分類：自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)電路按主要構(gòu)成元件不同分類：有觸點(diǎn)式有觸點(diǎn)式無觸點(diǎn)式兩類無觸點(diǎn)式兩類 9化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類 自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對生自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。 自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟, ,將生產(chǎn)將生產(chǎn)過程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。過程自動(dòng)

3、地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。 10化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類化工儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)的分類 對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制, ,使它們在受使它們在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí), ,能自動(dòng)地調(diào)回到規(guī)能自動(dòng)地調(diào)回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。定的數(shù)值范圍內(nèi)。 11第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 3圖7-1 人工操作圖圖7-2 液位自動(dòng)控制圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要圖7-2 液位自動(dòng)控制4第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊

4、圖 在自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成中,除必須具有前面所述的自動(dòng)化裝置外,還必須具有控制裝置所控制的。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,將需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器、一段管道或設(shè)備的一部分叫做,簡稱。 要選擇好控制系統(tǒng)的對象6第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 n在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。n下頁圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成下頁圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)”

5、。兩個(gè)方塊之間用一條。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。9第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 n方塊圖中，方塊圖中， x 指設(shè)定值；指設(shè)定值；z 指輸出信號(hào)；指輸出信號(hào)；e 指偏差信指偏差信號(hào)；號(hào)；p 指發(fā)出信號(hào)；指發(fā)出信號(hào)；q 指出料流量信號(hào)；指出料流量信號(hào)；y 指被控變指被控變量；量；f 指擾動(dòng)作用

6、。當(dāng)指擾動(dòng)作用。當(dāng)x 取正值，取正值，z取負(fù)值取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；負(fù)反饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值， e= x+ z，正反饋。，正反饋。圖7-6 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖10第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖 第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖n 其他控制系統(tǒng)其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng) 當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測化時(shí)，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器量后送至

7、溫度控制器TCTC。溫。溫度控制器的輸出送至控制閥，度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變?？谖锪系臏囟炔蛔?。 11圖7-7 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖 為了便于分析為了便于分析, ,有時(shí)將控制器以外的各個(gè)環(huán)節(jié)有時(shí)將控制器以外的各個(gè)環(huán)節(jié) ( (包包括被控對象、測量元件及變送器、控制閥括被控對象、測量元件及變送器、控制閥) )組合在一起組合在一起看待看待, ,稱之為廣義對象稱之為廣義對象, ,這樣這樣, ,整個(gè)系統(tǒng)可認(rèn)為是由控制整個(gè)系統(tǒng)可認(rèn)為是由控制器與廣義對象兩者所構(gòu)成器與廣義對象兩者所構(gòu)成,

8、 ,其方塊圖可簡化。其方塊圖可簡化。控制器廣義對象被控變量測量值z給定值干擾作用f-x圖7-8 簡化方塊圖12第三節(jié)第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類n按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；n按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；n將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動(dòng)控制系值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)

9、分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。16其中第三種分類方法最普遍 “定值” 是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。17 給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第三節(jié)第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。18第

10、三節(jié)第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n 一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)19自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。 靜態(tài)被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。 當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變

11、系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是這種狀態(tài)就是靜態(tài)靜態(tài)。 20第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n 二、控制系統(tǒng)的過渡過程二、控制系統(tǒng)的過渡過程n系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。 22當(dāng)干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟拢?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖7-11 控制系統(tǒng)方塊圖控制器執(zhí)行器對象被控變量測量、變送給定值干擾-第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品

12、質(zhì)指標(biāo) n系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。n在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。 23第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 這種形式的干擾比較突然、危這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對被控變量的影響也最險(xiǎn)，且對被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和么一定能很好地克服比較緩和的干擾。的干擾。 這種干擾

13、的形式簡單，容易實(shí)這種干擾的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算?，F(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。24圖7-12 階躍干擾作用第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式25發(fā)散震蕩過程X非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程 ？對于控制質(zhì)量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內(nèi)振蕩（主要指在位式控制時(shí)），才可采用。 第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) n三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)26 多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)

14、的品質(zhì)指標(biāo)。 控制指標(biāo)主要有兩類,一類是時(shí)間域的單項(xiàng)指標(biāo),另一類是時(shí)間域的綜合指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 28五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一（ 1 ）最大偏差或超調(diào)量 最大偏差最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對最大偏的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限

15、等，都會(huì)對最大偏差的允許值有所限制。差的允許值有所限制。 超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) （2）衰減比）衰減比 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比。習(xí)慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二29第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三（ 3 ） 余差余差 當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被控變量所達(dá)到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時(shí)的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)

16、節(jié)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。 30第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四（4） 過渡時(shí)間過渡時(shí)間 從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。 31第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五（5 5）震蕩周期或頻率）震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）

17、之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。32第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 33某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間（給定值為200）。舉例圖7-15 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 解: 最大偏差A(yù)230-20030余差C205-200由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B230-20525，第二個(gè)波峰值B2102055，故衰減比應(yīng)為B:B25:55:1。振蕩周期為同

18、向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T20-515（min）34第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 分析：分析：過渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的2，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200（2）4，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時(shí)間為22min。35第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 第三節(jié)第三節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)n 四、影響控制指標(biāo)的主要因素四、影響控制指標(biāo)的主要因素

19、40 一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即和。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)化儀表設(shè)備，通常包括測量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。 對于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。41第四節(jié)第四節(jié) 過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 第五節(jié)第五節(jié) 控制工藝流程圖控制工藝流程圖字母字母第一位字母第一位字母后繼字母后繼字母被測變量被測變量修飾詞修飾詞功能功能A AC CD DE EF FI IK KL LM MP PQ QR RS ST TV VW WY YZ Z分析分析電導(dǎo)率電導(dǎo)率密度密度電壓電壓流量流量電流電流時(shí)間或時(shí)間程序時(shí)間或時(shí)間程序物位物位水分或濕度水分或濕度壓力或真空壓力或真空數(shù)量或件數(shù)數(shù)量或件數(shù)放射性放射性速度或頻率速度或頻率溫度溫度黏度黏度力力供選用供選用位置位置差差比（分?jǐn)?shù)）比（分?jǐn)?shù)）積分、累積積分、累積安全安全報(bào)警報(bào)警控制（調(diào)節(jié)）控制（調(diào)節(jié)）檢測元件檢測元件指示指示自動(dòng)自動(dòng)- -手動(dòng)操作器手動(dòng)操作器積分、累積積分、累積記錄或打印記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖開關(guān)、聯(lián)鎖傳送傳送閥、擋