測量儀表及自動化

測量儀表及自動化第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一測量儀表與自動化課時安排授課內容有側重點。教學（50學時）實驗教學（4學時）考查方式閉卷考試卷面成績70％，平時成績30％（作業(yè)+提問）備注：平時點名的原則：第一次點名沒到扣總成績的30%，第二次點名沒到扣總成績的20%。第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一主要參考書目化工儀表及自動化（第五版） 厲玉鳴主編，化學工業(yè)出版社化工儀表及自動化習題集 厲玉鳴主編，化學工業(yè)出版社過程控制工程蔣慰孫俞金壽編著，石化工業(yè)出版社4.

自動化儀表與過程控制

施仁劉文江編；電子工業(yè)出版社

第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一測量儀表與自動化第一章緒論第二章檢測儀表與傳感器（測量元件及變送）第三章

執(zhí)行器第四章自動控制儀表

第五章簡單控制系統(tǒng)

第六章過程特性及其數學模型（建模）第七章復雜控制系統(tǒng)（過程控制工程）第八章典型過程單元控制

第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一目的和意義

在化工等連續(xù)性生產設備上，配備一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行，稱為化工自動化。它是化工、煉油、食品及輕工等化工類型生產過程的簡稱。實現化工自動化的目的是：加快生產速度，降低生產成本，提高產品數量和質量。降低勞動強度，改善勞動成本。確保生產安全，提高設備的利用率，延長設備的壽命。第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一目的和意義學習本課程的意義在于：化工生產過程自動化是將自動控制學科、儀器儀表學科及計算機學科的理論與技術服務于化學工程學科的一門綜合性的技術學科。熟悉生產過程自動化實現方法及控制原理，擴大知識面，為日后的工作實際中完成相關自動控制工程設計打下基礎；適應生產現代化需要；擴大就業(yè)途徑。第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一化工自動化的發(fā)展歷程1950s~1960s單元組合式儀表基地式氣動單元儀表，基地式電動單元儀表，膜片式儀表。為化工單元操作的發(fā)展提供了技術支撐。1970s~1980s

單元組合Ⅱ型儀表：QDZⅡ，DDZⅡ1990s~

單元組合Ⅲ型儀表：QDZⅢ，DDZⅢ第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第一章自動控制系統(tǒng)基本概念第一節(jié)化工自動化的主要內容第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖★第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的表示方法第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)自動控制的過渡過程和系統(tǒng)品質指標★

-控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的品質指標影響控制系統(tǒng)過渡過程品質的主要因素第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)化工自動化的主要內容1.自動檢測系統(tǒng)2.自動保護及報警3.自動操縱及啟停系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統(tǒng)。它代替了操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1熱交換器自動檢測系統(tǒng)示意圖當工藝參數超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號系統(tǒng)就自動地發(fā)出聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴大。它是生產過程中的一種安全裝置。自動操縱系統(tǒng)可以根據預先規(guī)定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)可以按照預先規(guī)定好的步驟，將生產過程自動地投入運行或自動停車。

在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態(tài)時，自動控制系統(tǒng)能自動地控制而回到規(guī)定的數值范圍內。第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成手動控制圖1-2人工操作圖第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成圖1-3液位自動控制系統(tǒng)圖第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成組成自動化裝置被控對象測量元件與變送器自動控制器執(zhí)行器第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的表示方法1.方塊圖表示方式方塊圖中，

x

指設定值；z

指輸出信號；e

指偏差信號；p指控制器的發(fā)出信號；q

指出執(zhí)行器的輸出信號；y

指被控變量；f

指擾動作用。當x

取正值，z取負值，e=x-z，負反饋；當x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。圖1-4液位自動控制系統(tǒng)方塊圖第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的表示方法*用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)

當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。TC第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的表示方法2.工藝管道及控制流程圖（PID圖）：確定工藝流程和控制方案，根據工藝設計給出的流程圖；按其流程順序標注出相應的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)等。第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一控制流程圖符號意義序號安裝位置圖形符號備注序號安裝位置圖形符號備注1就地安裝儀表4集中儀表盤后安裝儀表嵌在管道中2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤后安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一控制流程圖字母意義字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能被測變量修飾詞功能A分析報警P壓力C電導率控制Q數量積分累積D密度差R放射性記錄E電壓S速度安全開關F流量比T溫度傳送I電流指示V粘度閥K時間W力L物位YM水分Z位置執(zhí)行機構第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例右圖是乙烯生產過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例序號安裝位置圖形符號1就地安裝儀表2集中儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一控制流程圖字母意義舉例以脫乙烷塔控制流程圖，來說明如何以字母代號的組合來表示被測變量和儀表功能。

塔頂的壓力控制系統(tǒng)中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測變量為壓力，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的組合就表示一臺具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩(wěn)定的。第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一控制流程圖字母意義

回流罐液位控制系統(tǒng)中的LIC-201是一臺具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩(wěn)定的。

塔下部的溫度控制系統(tǒng)中的TRC-210表示一臺具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進入再沸器的加熱蒸汽量來維持塔底溫度恒定的。

塔底的液位控制系統(tǒng)中的LICA-202代表一臺具有指示、報警功能的液位控制器，它是通過改變塔底采出量來維持塔釜液位穩(wěn)定的。第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一門站壓差指示壓力指示溫度指示第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類按被調參數分類：流量控制、溫度控制、壓力控制、物位控制等；按控制規(guī)律分類：比例控制、比例微分控制、比例積分控制、比例微分積分控制按給定信號分類：

定值控制系統(tǒng)：給定值為常數；

隨動控制系統(tǒng)：給定值為變數，要求跟隨變化；

程序控制系統(tǒng)：按預定時間順序控制參數。按控制信號種類分類：氣動控制系統(tǒng)，電動控制系統(tǒng)其中第三種分類方法最普遍第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一“定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產中，若要求控制系統(tǒng)的作用使得被控制工藝參數保持在一個生產指標上不變，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)。(物料出口溫度控制)1.定值控制方法2.隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）

給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使被控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。（PH值控制）3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）

給定值變化，但它是一個已知的時間函數，即生產技術指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產過程中應用比較普通。（金屬熱處理溫度控制）第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一按系統(tǒng)的結構特點分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器

檢測變送器執(zhí)行器被控對象+e實測值－反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結構形式。第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一2）開環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)沒有被控變量的反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：設定值被控量干擾f控制器執(zhí)行器被控對象

開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一3）復合控制系統(tǒng)前饋與反饋相結合，優(yōu)勢互補。如：給定值被控變量干擾f

控制器1

變送器1執(zhí)行器被控對象+e實測值－

變送器2控制器2++前饋-反饋復合控制系統(tǒng)原理框圖基本原理：根據干擾的測量值產生合適的控制作用來改變控制量，是控制維持在設定值上第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一小結自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。與自動檢測、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質的區(qū)別，就在于自動控制系統(tǒng)有負反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。舉例化肥廠的造氣自動機就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子。自動操縱裝置對象操縱作用工藝參數操縱指令第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一小結開環(huán)系統(tǒng)：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規(guī)定好的程序周而復始地運轉。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自動機不會自動地根據被控變量的實際工況來改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)自動控制的過渡過程和系統(tǒng)品質指標一、控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程：在擾動或給定值變化的情況下，被控量偏離給定值和在控制作用下，接近給定值或跟隨給定值變化的過程?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)特性被控參數向給定值變化過程的特性。控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性經過控制作用后，被控參數處于穩(wěn)定范圍時的特性。第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)自動控制的過渡過程和系統(tǒng)品質指標靜態(tài)：當一個自動控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時，整個系統(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)，它們的輸出信號也都處于相對靜止狀態(tài)。動態(tài)：被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結論：在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產所要求控制的技術指標上。第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)自動控制的過渡過程和系統(tǒng)品質指標一、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，經過一段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。舉例圖1-7控制系統(tǒng)方塊圖干擾第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)自動控制的過渡過程和系統(tǒng)品質指標一、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是單位階躍干擾。（采用階躍干擾的分析系統(tǒng)的原因：干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大；這種干擾的形式簡單，容易實現，便于分析、實驗和計算。

）第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)自動控制的過渡過程和系統(tǒng)品質指標飛升曲線：(單位階躍響應曲線)在單位階躍輸入（因擾動或設定值變化，使被控參數和設定值之間出現階躍性變化）下，過渡輸出參數的變化曲線。輸入量時間t0t0第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程（響應、飛升曲線）的四種形式

對于控制質量要求不高的場合，如果被控變量允許在工藝許可的范圍內振蕩（主要指在位式控制時），才可采用。

第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一1.系統(tǒng)階躍響應的性能指標性能指標包含了對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性三方面的評價。

二、控制性能指標

控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量系統(tǒng)品質的依據。

控制性能指標以控制系統(tǒng)被控參數過渡過程的單項特征量作為性能指標。由于在多數情況下，都希望得到衰減振蕩過程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質指標。第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一1）衰減比n和衰減率ψ設第一個波振幅為y1、第三個波振幅為y3

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt給定值穩(wěn)態(tài)值第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一衰減比n和衰減率ψ

是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標。n大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調過程。試驗證明：衰減比在4:1到10:1之間時，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率ψ之間有簡單的對應關系：n=4:1~10:1就相當于ψ

=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一最大動態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動態(tài)準確性指標。2）最大動態(tài)偏差A和超調量σ

最大動態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:A=ymax-yr

圖1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTtA第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

有時也采用超調量σ來表示被控參數偏離設定值的程度，σ%的定義是第一個波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一3）余差C

過渡過程結束后，被控參數的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的指標。有余差的控制過程稱為有差調節(jié)，相應的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調節(jié)和無差系統(tǒng)。C=

y(∞)-yr

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一4）調節(jié)時間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間。當被控參數與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進入穩(wěn)態(tài)值的±5%（或±2%）范圍內，就認為過渡過程結束。（

Ts：過渡時間）

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一調節(jié)時間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期T

，其倒數稱為振蕩頻率

ω

=1/T

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3y(∞)TpTSTt第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

另外，峰值時間Tp（又稱上升時間）是指過渡過程開始，至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標。

閉環(huán)控制系統(tǒng)對設定值的階躍擾動的響應曲線yry1y3Cy(∞)TpTSTt第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

[例]

某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200℃。

在階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間。

解：最大偏差A=230-200=30℃余差