化工儀表第一章

制作廣西大學(xué)化工儀表與自動(dòng)化廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院學(xué)習(xí)這門課的重要性：

自動(dòng)制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用很普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿生產(chǎn)過(guò)程、滌綸短纖維生產(chǎn)過(guò)程、制漿、造紙過(guò)程、制藥等等。工藝人員也應(yīng)該充分了解所用的控制系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)的特性。這樣才能設(shè)計(jì)出合理、高效的生產(chǎn)工藝。第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述本章的主要內(nèi)容：1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)1.3控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包示意圖手動(dòng)控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1.1自動(dòng)控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)鍋爐汽包閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制：

在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制被控變量，這樣，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：按偏差進(jìn)行控制，使偏差減小或消除，達(dá)到被控變量與設(shè)定值一致的目的。

閉環(huán)控制的缺點(diǎn)：控制不夠及時(shí)；而且如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)引起劇烈震蕩，甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去控制。1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1.2閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制：根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)來(lái)控制操縱變量

開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）：不需要對(duì)被控變量進(jìn)行測(cè)量，只根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，控制很及時(shí)。開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)：由于不測(cè)量被控變量，也不與設(shè)定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值后，無(wú)法保證消除偏差，這是開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)。

1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)的液位控制系統(tǒng)（按擾動(dòng)控制，又稱前饋控制）開(kāi)環(huán)控制舉例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制示意圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成方框圖檢測(cè)元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉(zhuǎn)化為測(cè)量值y(t)。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值r(t)與測(cè)量值y(t)并輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用u(t)。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來(lái)的u(t)，相應(yīng)地去改變操縱變量q(t)。系統(tǒng)中控制器以外的各部分組合在一起，即過(guò)程、執(zhí)行器、檢測(cè)元件與變送器的組合稱為廣義對(duì)象。1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實(shí)際的物理量，但它們是作為信息來(lái)轉(zhuǎn)換和作用的。圖中的每一部分稱為一個(gè)環(huán)節(jié)，作用于它的信息稱為該環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，它送出的信息稱為輸出信號(hào)。前一環(huán)節(jié)的輸出就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)。每一環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系僅僅取決于該環(huán)節(jié)的特性。1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)重要概念：從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，輸入信號(hào)：設(shè)定值、擾動(dòng)

輸出信號(hào)：被控變量、測(cè)量值（2）閉環(huán)：按信息的流向來(lái)說(shuō)（3）動(dòng)態(tài)：物理量是時(shí)間的函數(shù)、是不斷變化的。擾動(dòng)作用使被控變量偏離設(shè)定值，控制作用又使它回到設(shè)定值。

閉環(huán)控制系統(tǒng)組成1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)按設(shè)定值的不同情況，將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類:

定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)

設(shè)定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)

設(shè)定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統(tǒng)

設(shè)定值也是變化的，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即根據(jù)需要按一定時(shí)間程序變化1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論:20世紀(jì)40年～20世紀(jì)50年代以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，在頻率域?qū)屋斎雴屋敵隹刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)Nyquist(1932)頻域分析技術(shù)Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點(diǎn)：主要從輸出與輸入量的關(guān)系方面分析與研究問(wèn)題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。PID控制規(guī)律是古典控制理論最輝煌的成果之一第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述現(xiàn)代控制理論:20世紀(jì)60年代獲得迅猛發(fā)展其主要內(nèi)容為：線性系統(tǒng)理論（基礎(chǔ)），最優(yōu)控制理論（核心），最佳估計(jì)理論，系統(tǒng)辨識(shí)等。特點(diǎn)：從輸入-狀態(tài)-輸出的關(guān)系全面地分析與研究系統(tǒng)。適用范圍：不限于線性定常系統(tǒng)，也適用于線性時(shí)變，非線性及離散系統(tǒng)，多輸入、多輸出的情況。1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述基地式：20世紀(jì)50年代，適用于單回路單元組合式（按功能）：20世紀(jì)60年代，之間用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)聯(lián)系DDZ,QDZ計(jì)算機(jī)：20世紀(jì)70年代DDC,DCS（集散控制系統(tǒng);集中管理、分散控制）先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：20世紀(jì)80年代以后CIPS（綜合自動(dòng)化系統(tǒng)）,FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）

自動(dòng)化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過(guò)程：

模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表。1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展早期的DCS控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述

模擬式顯示儀表用標(biāo)尺、指針、曲線等方法顯示或記錄被測(cè)變量1.2自動(dòng)化及儀表發(fā)展概述數(shù)字式直接用數(shù)字量顯示或記錄被測(cè)變量智能儀表不僅具有顯示功能，還具有運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回顯、通信等多種功能

控制系統(tǒng)的輸入有設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當(dāng)輸入恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)將暫不動(dòng)作，它們的輸出都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)輸入與輸出之間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性。第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1.3.1靜態(tài)與動(dòng)態(tài)1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時(shí)間變化，其間的關(guān)系稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。也就是說(shuō)，從輸入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)控制直到再建立靜態(tài)，在這段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過(guò)程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時(shí)間不斷變化，它隨時(shí)間而變化的過(guò)程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。

對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，常以階躍作用為輸入時(shí)的被控變量的過(guò)渡過(guò)程為例，因?yàn)殡A躍作用很典型，實(shí)際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對(duì)系統(tǒng)來(lái)講是比較嚴(yán)重的情況。

1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式(階躍擾動(dòng)情況下)

發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)單項(xiàng)控制指標(biāo)（僅適用于衰減振蕩過(guò)程）穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性1.3.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)綜合控制指標(biāo)1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值與設(shè)定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值，為A=B+C。

（1）最大動(dòng)態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（σ）CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)擾動(dòng)作用設(shè)定值穩(wěn)態(tài)值最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對(duì)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(duì)最大偏差的允許值有所限制。

同時(shí)考慮到干擾會(huì)不斷出現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)干擾還未清除時(shí)，第二個(gè)干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時(shí)，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)ytBB’C0在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)（隨動(dòng)控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個(gè)指標(biāo)來(lái)表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，一般超調(diào)量以百分?jǐn)?shù)給出。A超調(diào)量定義：第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設(shè)定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)設(shè)定作用新設(shè)定值穩(wěn)態(tài)值衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程接近于非振蕩過(guò)程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過(guò)程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過(guò)渡過(guò)程有兩個(gè)波左右，與此對(duì)應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)（3）余差定義：控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過(guò)預(yù)定的范圍。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于生產(chǎn)過(guò)程的要求，并不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)（4）回復(fù)時(shí)間（過(guò)渡時(shí)間）TS回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的5％，或3％或2％的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過(guò)渡時(shí)間。一般希望過(guò)渡時(shí)間短一些。ytBB’5%A0Ts1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)（5）振蕩頻率（或振蕩周期）ω在衰減比相同條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。定義：過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)其它一些次要指標(biāo)：振蕩次數(shù)：是指在過(guò)渡過(guò)程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)?！袄硐脒^(guò)渡過(guò)程兩個(gè)波”：是指過(guò)渡過(guò)程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來(lái)。上升時(shí)間：是指干擾開(kāi)始作用起到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)總結(jié)：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。原則：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)先保證。1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)例：二階裝置典型的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示1.3過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試