自動(dòng)化儀表及過程控制1

第一章緒論■本章提要.過程掌握系統(tǒng)的基本概念.過程掌握的進(jìn)展概況.過程掌握系統(tǒng)的組成.過程掌握的特點(diǎn)及分類.衡量過程掌握系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)■授課內(nèi)容第一節(jié)過程掌握的進(jìn)展概況.基本概念令過程掌握系統(tǒng)-----指自動(dòng)掌握系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度以及PH值（氫離子濃度）等這樣一些過程變量時(shí)的系統(tǒng)。（P3）令過程掌握-----指工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。（P3）.過程掌握的重要性?進(jìn)入90年月以來自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)展很快，是重要的高科技技術(shù)。過程掌握是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成局部。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化電過程掌握技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)省能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。.過程掌握的進(jìn)展概況19世紀(jì)40年月前后（手工階段）:手工操作狀態(tài)，憑閱歷人工掌握生產(chǎn)過程,勞動(dòng)生產(chǎn)率很低。19世紀(jì)50年月前后（儀表化與局部自動(dòng)化階段）:過程掌握進(jìn)展的第一個(gè)階段，一些工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和掌握儀表采納基地式儀表和局部單元組合儀表（多數(shù)是氣動(dòng)儀表）；過程掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-—一一單輸入、單輸出系統(tǒng)；被控參數(shù)—溫度、壓力、流量和液位參數(shù)；掌握目的——保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消退或者削減對(duì)生產(chǎn)過程的主要擾動(dòng)；理論一--頻率法和根軌跡法的經(jīng)典掌握理論，解決單輸入單輸出的定值掌握系統(tǒng)的分析和綜合問題。19世紀(jì)60年月（綜合自動(dòng)化階段）：過程掌握進(jìn)展的其次個(gè)階段，工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)車間或大型裝置的集中掌握。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和掌握儀表--采納單元組合儀表（氣動(dòng)、電動(dòng)）和組裝儀表，計(jì)算機(jī)掌握系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字掌握（DDC）和設(shè)定值掌握（SPC）；過程掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------多變量系統(tǒng)，各種簡(jiǎn)單掌握系統(tǒng)，如串級(jí)、比值、勻稱掌握、前饋、選擇性掌握系統(tǒng)；掌握目的……提高掌握質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求；理論-一除經(jīng)典掌握理論，現(xiàn)代掌握理論開頭應(yīng)用。。前饋掌握---按擾動(dòng)來掌握，在擾動(dòng)可測(cè)的狀況下，可以地提高掌握質(zhì)量。令選擇性掌握一--在生產(chǎn)過程遇到不正常工況或被控量到達(dá)平安極限事，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的保護(hù)性掌握。19世紀(jì)70年月以來（全盤自動(dòng)化階段）：進(jìn)展到現(xiàn)代過程掌握的新階段，這是過程掌握進(jìn)展的第三個(gè)階段。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和掌握儀表--新型儀表、智能化儀表、微型計(jì)算機(jī)；過程掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——由單一多變量系統(tǒng)，由PID掌握規(guī)律一?特殊掌握規(guī)律，由定值掌握一?最優(yōu)掌握、自適應(yīng)掌握，由儀表掌握系統(tǒng)—智能化計(jì)算機(jī)分布式掌握系統(tǒng)；理論--現(xiàn)代掌握理論—過程掌握領(lǐng)域，如狀態(tài)空間分析，系統(tǒng)辨識(shí)與狀態(tài)估量，最優(yōu)濾波與預(yù)報(bào)。.集散掌握系統(tǒng)（DCS）。集散掌握系統(tǒng)---是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、掌握技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的（生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng)），但過程掌握的監(jiān)視、管理是集中的。優(yōu)點(diǎn)：將計(jì)算機(jī)分布到車間或裝置。使系統(tǒng)的危急分散，提高了系統(tǒng)的牢靠性，能便利敏捷地實(shí)現(xiàn)各種新型的掌握規(guī)律與算法，實(shí)現(xiàn)最正確管理。集散掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖：集散掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：1）過程輸入-輸出接口：又叫數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的加工，操作站的顯示與打印。2）過程掌握單元：又稱基本掌握器，是集散掌握系統(tǒng)的核心。不同的集散掌握系統(tǒng)其差異較大。3）CRT操作站：是集散掌握系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置。執(zhí)行監(jiān)控操作、系統(tǒng)組態(tài)、編程、動(dòng)態(tài)流程圖顯示以及局部生產(chǎn)管理。4）高速數(shù)據(jù)通路：實(shí)現(xiàn)集散掌握系統(tǒng)各處理機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送。5）管理（上位）計(jì)算機(jī)：進(jìn)行集中管理與最正確掌握，實(shí)現(xiàn)信息-掌握-管理一體化。其次節(jié)過程掌握系統(tǒng)及其組成.過程掌握系統(tǒng)組成由測(cè)量元件、變送器、調(diào)整器、調(diào)整閥、被控過程等環(huán)節(jié)構(gòu)成。一個(gè)簡(jiǎn)潔的過程掌握系統(tǒng)=被控過程+過程檢測(cè)掌握儀表（測(cè)量元件、變送器、調(diào)整器和調(diào)整閥）.過程掌握系統(tǒng)實(shí)例1（發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度掌握系統(tǒng)）過熱蒸汽的溫度是生產(chǎn)工藝的重要參數(shù).過程掌握系統(tǒng)實(shí)例2（PH掌握系統(tǒng)）.過程掌握系統(tǒng)實(shí)例3（液位掌握系統(tǒng)）第三節(jié)過程掌握的特點(diǎn)及系統(tǒng)分類.過程掌握系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)由過程檢測(cè)掌握儀表組成被控過程的多樣性生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣。掌握方案的多樣性通常有單變量掌握系統(tǒng)、多變量掌握系統(tǒng)、常規(guī)儀表掌握系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集散掌握系統(tǒng)、提高掌握品質(zhì)的掌握系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)特定要求的掌握系統(tǒng)。本書將要介紹單回路、串級(jí)、前饋、比值、勻稱、分程、選擇性、大時(shí)延、多變量系統(tǒng)，還要介紹高級(jí)新型系統(tǒng)（自適應(yīng)掌握、猜想掌握）以及極可能成為系統(tǒng)主流的集散掌握系統(tǒng)（DCS）o過程掌握的掌握過程多屬慢過程，而又多半屬參量掌握被控過程具有大慣性、大時(shí)延（滯后）等特點(diǎn)。對(duì)表征其生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位（物位）、成分、PH等過程參量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)掌握。>定值掌握是過程掌握的一種主要掌握形式如何減小或消退外界擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，使被控量能掌握在給定值上，使生產(chǎn)穩(wěn)定。.過程掌握系統(tǒng)分類>按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類：反應(yīng)掌握系統(tǒng)令反應(yīng)掌握系統(tǒng)---反應(yīng)掌握系統(tǒng)是依據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進(jìn)行工作的，最終到達(dá)消退或減小偏差的目的，偏差值是掌握的依據(jù)。前面的液位掌握系統(tǒng)，就是一反應(yīng)掌握系統(tǒng)。又稱閉環(huán)掌握系統(tǒng)。是過程掌握系統(tǒng)中最基本的一種。多回路反應(yīng)掌握系統(tǒng)。前饋掌握系統(tǒng)令前饋掌握系統(tǒng)??…直接依據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作的，擾動(dòng)是掌握的依據(jù)。不構(gòu)成閉合回路，故也稱為開環(huán)掌握系統(tǒng)。由于前饋掌握是一種開環(huán)掌握，無法檢查掌握的效果，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中是不能單獨(dú)應(yīng)用的。前饋一反應(yīng)掌握系統(tǒng)（復(fù)合掌握系統(tǒng)）前饋開環(huán)掌握的主要優(yōu)點(diǎn):能針對(duì)主要擾動(dòng)快速準(zhǔn)時(shí)克服對(duì)被控量的影響。反應(yīng)掌握的主要優(yōu)點(diǎn)：克服其他擾動(dòng)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能精確地使被控量掌握在給定值上。構(gòu)成的前饋一反應(yīng)掌握系統(tǒng)可以提高掌握質(zhì)量。>按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類：定值掌握系統(tǒng)系統(tǒng)被控量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）的給定值保持在某肯定值（或在某一很小范圍內(nèi)不變）中。例如前述的例子就是定值掌握系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入信號(hào)是擾動(dòng)信號(hào)。隨動(dòng)掌握系統(tǒng)令隨動(dòng)掌握系統(tǒng).?…被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的掌握系統(tǒng)。作用：克服一切擾動(dòng)，使被控量準(zhǔn)時(shí)跟蹤給定值變化。例如在加熱爐燃燒過程掌握，掌握系統(tǒng)就要使空氣量跟隨燃料雖的變化自動(dòng)掌握空氣量的大小從而保證到達(dá)最正確燃燒。程序掌握系統(tǒng)令程序掌握系統(tǒng)-----被控量的給定值是按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的。掌握的目的：使被控量按規(guī)定的程序自動(dòng)變化。例如機(jī)械工業(yè)中的退火爐的溫度掌握系統(tǒng)。第四節(jié)衡量過程掌握系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)掌握性能良好：在受到外來干擾作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)、快速、精確地回復(fù)（或趨近）到給定值上。評(píng)價(jià)掌握性能好壞的質(zhì)量指標(biāo)。依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)掌握的實(shí)際要求來確定。通常采納的兩種質(zhì)量指標(biāo)：1.系統(tǒng)過渡過程的質(zhì)量指標(biāo)>余差（靜態(tài)偏差）C系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差。它是一個(gè)精確性的重要指標(biāo)，是一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)。一般要求余差不超過預(yù)定值或?yàn)榱?。衰減比n或衰減率力衰減比n一一指振蕩過程的第一個(gè)波的振幅與其次個(gè)波的振幅之比，即孔=0,衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，反映了振蕩的衰減程度。n<lB表示系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，振幅愈來愈大。n=l表示為等幅振蕩。n=4表示系統(tǒng)為4：1的衰減振蕩。B-B有時(shí)亦用衰減率力（〃=）來表示系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。在工程上，應(yīng)依據(jù)B生產(chǎn)過程的特點(diǎn)來確定合適的力。一般取衰減率g=0.75~0.9?最大偏差A(yù)（或超調(diào)量。）定值掌握系統(tǒng):用最大偏差A(yù)來衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)波的峰值與給定值的差。A=B+C隨動(dòng)掌握系統(tǒng)：常用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。超調(diào)y（t）—y（oo）量定義為：’—100%y（oo）A、。都是衡量系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。假設(shè)A、。愈大那么表示被控量偏離生產(chǎn)規(guī)定的狀態(tài)越遠(yuǎn)。規(guī)定允許最大偏差。過渡過程時(shí)間tS過渡過程時(shí)間ts：表示系統(tǒng)過渡過程曲線進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值的±5%或土2%范圍內(nèi)所需的時(shí)間。&愈小表示過渡過程進(jìn)行得愈快。它是反映系統(tǒng)過渡過程快慢的指標(biāo)。峰值時(shí)間tP峰值時(shí)間庫是指系統(tǒng)過渡過程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。其大小反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。2.誤差（偏移）性能指標(biāo)單項(xiàng)指標(biāo)來表示掌握系統(tǒng)的質(zhì)量以外，還可以用綜合指標(biāo)來對(duì)系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。一個(gè)過程掌握系統(tǒng)的質(zhì)量主要看偏差的變化狀況?？刹杉{偏差與時(shí)間的某種積分關(guān)系作為衡量系統(tǒng)質(zhì)量的準(zhǔn)那么，這就是積分指標(biāo)。常用有：平方誤差積分指標(biāo)（ISE）；時(shí)間乘誤差的平方積分指標(biāo)（ITSE）；誤差肯定值積分指標(biāo)（IAE）；時(shí)間乘誤差肯定值的積分指標(biāo)（ITAE）這些值到達(dá)最小的系統(tǒng)就是最優(yōu)的系統(tǒng)。補(bǔ)充內(nèi)容令過程掌握儀表是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要工具，它被廣泛地應(yīng)用于石油、化工等各工業(yè)部門。在自動(dòng)掌握系統(tǒng)中，過程檢測(cè)儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或氣壓信號(hào)后，除了送至顯示儀表進(jìn)行指示和紀(jì)錄外，還需送到掌握儀表進(jìn)行自動(dòng)掌握，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，使被控變量達(dá)到預(yù)期的要求。由單元組合儀表構(gòu)成的簡(jiǎn)潔掌握系統(tǒng)過程掌握儀表的分類按能源形式分類：液動(dòng)掌握儀表、氣動(dòng)掌握儀表和電動(dòng)掌握儀表。按結(jié)構(gòu)形式分類：基地式掌握儀表、單元組合式掌握儀表、組件組裝式掌握儀表等。［基地式掌握儀表］以指示、紀(jì)錄儀表為主體，附加某些掌握機(jī)構(gòu)而組成。基地式掌握儀表特點(diǎn)：一般結(jié)構(gòu)比擬簡(jiǎn)潔、價(jià)格廉價(jià).它不僅能對(duì)某些工藝變量進(jìn)行指示或紀(jì)錄，而已還具有掌握功能，因此它比擬適用于單變量的就地掌握系統(tǒng)。目前常使用的XCT系列動(dòng)圈式掌握儀表和TA系列簡(jiǎn)易式調(diào)整器即屬此類儀表。［單元組合式掌握儀表］將整套儀表劃分成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)肯定功能的假設(shè)干單元，各單元之間采納統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。使用時(shí)可依據(jù)掌握系統(tǒng)的需要，對(duì)各單元進(jìn)行選擇和組合，從而構(gòu)成多種多樣的、簡(jiǎn)單程度各異的自動(dòng)檢測(cè)和掌握系統(tǒng)。特點(diǎn)：使用敏捷，通用性強(qiáng)，同時(shí)，使用、維護(hù)更作也很便利。它適用于各種企業(yè)的自動(dòng)掌握。廣泛使用的單元組合式掌握儀表有電動(dòng)單元組合儀表（DDZ型）和氣動(dòng)單元組合儀表（QD2型）。［組件組裝式掌握儀表］是一種功能分別、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表（或裝置）。它以模擬器件為主，兼用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)。整套儀表（或裝置）在結(jié)構(gòu)上由掌握柜和操作臺(tái)組成，掌握柜內(nèi)安裝的是具有各種功能的組件板，采納高密度安裝，結(jié)構(gòu)緊湊。這種掌握儀表（或裝置）特殊適用于要求組成各種簡(jiǎn)單掌握和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的自動(dòng)掌握系統(tǒng)。其中國產(chǎn)的TF型、MZ—III型以及SPEC200等組裝儀表即屬此類掌握儀表。按信號(hào)形式分類：模擬掌握儀表和數(shù)字掌握儀表兩大類。其中DDZ型儀表和Q