化工儀表自動化第一章

1、 課程教材課程教材【化工儀表及自動化化工儀表及自動化】. . 機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，20112011年第五版年第五版厲玉鳴厲玉鳴 主編主編 學(xué)習(xí)本課程的重要性學(xué)習(xí)本課程的重要性自動控制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用很自動控制系統(tǒng)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用很普遍，比如：煉油廠、化肥廠、制藥廠、普遍，比如：煉油廠、化肥廠、制藥廠、鹽化工等等。鹽化工等等。 工藝人員應(yīng)該充分了解所用的控制工藝人員應(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。設(shè)計(jì)出合理、高效的生產(chǎn)工藝。 課程特點(diǎn)課程特點(diǎn)課程內(nèi)容涵面廣課程內(nèi)容涵面廣自動控制原理自動控制原理檢

2、測技術(shù)檢測技術(shù)過程控制儀表及裝置過程控制儀表及裝置計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)課程是一門綜合性的技術(shù)課程。 加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量減輕勞動強(qiáng)度、改善勞動條件減輕勞動強(qiáng)度、改善勞動條件保證生產(chǎn)安全、防止事故發(fā)生或擴(kuò)大保證生產(chǎn)安全、防止事故發(fā)生或擴(kuò)大 實(shí)現(xiàn)化工自動化的主要目的：實(shí)現(xiàn)化工自動化的主要目的：自動控制系統(tǒng)基本概念1.1 1.1 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展自動控制系統(tǒng)的發(fā)展企業(yè)管理企業(yè)管理辦公自動化辦公自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)業(yè)自動化農(nóng)業(yè)自動化化工工業(yè)化工工業(yè)自動化自動化冶金工業(yè)冶金工業(yè)冶煉自動化冶煉自動化車輛

3、工程車輛工程車輛控制車輛控制船舶工程船舶工程船舶控制船舶控制樓宇自動樓宇自動控制控制交通智能交通智能控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)航空航天工程飛行器航空航天工程飛行器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制機(jī)械加工機(jī)械加工機(jī)械制造自動化機(jī)械制造自動化電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)自動化電力系統(tǒng)自動化自動控制與自動化技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域自動控制與自動化技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代以前年代以前手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程。2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代末年代末5050年代年代控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)；多為單輸入、單輸出簡單控

4、制系統(tǒng)；自動化儀表：自動化儀表：采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表采用的是基地式儀表和部分單元組合儀表 （氣動（氣動型和電動型和電動型）；型）；1.1 1.1 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展自動控制系統(tǒng)的發(fā)展2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代年代控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復(fù)雜控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)。自動化儀表：自動化儀表：單元組合儀表（氣動單元組合儀表（氣動型和電動型和電動型）型）成為主流產(chǎn)品。成為主流產(chǎn)品。6060年代后期，出現(xiàn)了專門用于自動控年代后期，出現(xiàn)了專門用于自動控制的小型計(jì)算機(jī)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制的小型計(jì)算機(jī)，直接數(shù)字

5、控制系統(tǒng)和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。制系統(tǒng)開始應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。1.1 1.1 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展自動控制系統(tǒng)的發(fā)展2020世紀(jì)世紀(jì)70708080年代年代控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、解耦控制、控制系統(tǒng)：最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、解耦控制、 模糊控制等。模糊控制等。自動化儀表：電動自動化儀表：電動型，以微處理器為主要構(gòu)成單型，以微處理器為主要構(gòu)成單元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（元的智能控制裝置。集散控制系統(tǒng)（DCSDCS）、可）、可編程邏輯控制器編程邏輯控制器 (PLC) (PLC) 、工業(yè)、工業(yè)PCPC機(jī)、和數(shù)字控機(jī)、和數(shù)字控制器等，已成為控制裝置的主流。制器等，已成為控

6、制裝置的主流。1.1 1.1 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展自動控制系統(tǒng)的發(fā)展 是以是以 0.14MPa0.14MPa壓縮空氣為能源壓縮空氣為能源, ,各單元之間以統(tǒng)各單元之間以統(tǒng)一的一的 0.020.020.1MPa0.1MPa氣壓標(biāo)準(zhǔn)信號相聯(lián)系儀表。氣壓標(biāo)準(zhǔn)信號相聯(lián)系儀表。： DDZ-DDZ-型型電子管器件為主要器件電子管器件為主要器件 DDZ-DDZ-型型晶體管等分立元件為主要器件晶體管等分立元件為主要器件 DDZ-DDZ-型型線性集成電路作為核心器件線性集成電路作為核心器件2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代至今年代至今：隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：管控一體化、綜合自動化是

7、當(dāng)今生產(chǎn)過管控一體化、綜合自動化是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制的發(fā)展方向。如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)程控制的發(fā)展方向。如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMSCIMS。自動化儀表：自動化儀表：總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革。現(xiàn)場儀表的統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)上的重大變革?，F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。如各種智能儀表、變送器等。控制系統(tǒng)。如各種智能儀表、變送器等。1.1 1.1 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展自動控制系統(tǒng)的發(fā)展1.2 1.2 化工自動化的主要內(nèi)容化工自動化的主要內(nèi)容 1 1、自動

8、檢測系統(tǒng)、自動檢測系統(tǒng) 利用各種檢測儀表對工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄。利用各種檢測儀表對工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄。溫度自動檢測系統(tǒng)溫度自動檢測系統(tǒng)1.2 1.2 化工自動化的主要內(nèi)容化工自動化的主要內(nèi)容 2 2、自動信號和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)、自動信號和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)自動信號系統(tǒng)自動信號系統(tǒng)當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍，自當(dāng)工藝參數(shù)超出要求范圍，自動發(fā)出聲光信號。動發(fā)出聲光信號。聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)達(dá)到危險狀態(tài)，打開安全閥或達(dá)到危險狀態(tài)，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車。切斷某些通路，必要時緊急停車。液位自動控制系統(tǒng)液位自動控制系統(tǒng)3 3、自動操縱及自動開停車系統(tǒng)、自動操縱及自動開停車系統(tǒng)自

9、動操縱系統(tǒng)：自動操縱系統(tǒng)：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè) 備進(jìn)行某種周期性操作。備進(jìn)行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)：自動開停車系統(tǒng)：按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過程自按預(yù)先規(guī)定好的步驟將生產(chǎn)過程自 動的投入運(yùn)行或自動停車。動的投入運(yùn)行或自動停車。1.2 1.2 化工自動化的主要內(nèi)容化工自動化的主要內(nèi)容 例：液體混合裝置的控制例：液體混合裝置的控制控制要求：控制要求：按下啟動按鈕，按下啟動按鈕， 電磁閥電磁閥YV1YV1打開，打開，液體液體A A流入容器，流入容器，SLISLI變?yōu)樽優(yōu)椤? 1”時，時，關(guān)閉關(guān)閉YV1YV1，打開打開YV2,YV2,液體液體B B流

10、入容器，流入容器，當(dāng)液面到達(dá)當(dāng)液面到達(dá)SLHSLH時，關(guān)閉時，關(guān)閉YV2,YV2,電機(jī)電機(jī)M M開始運(yùn)行，攪拌液體，開始運(yùn)行，攪拌液體，6 6S S后停止攪后停止攪拌，打開拌，打開YV3YV3，放出混合液體。當(dāng)液放出混合液體。當(dāng)液面降至面降至SLLSLL之后，再過之后，再過2 2S S容器放空，容器放空，關(guān)閉關(guān)閉YV3YV3，開始下一周期的操作，開始下一周期的操作，按按下停止按鈕下停止按鈕，停止操作。，停止操作。1.2 1.2 化工自動化的主要內(nèi)容化工自動化的主要內(nèi)容 4 4、自動控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng) 利用自動控制裝置對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)利用自動控制裝置對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動控制

11、，使他們在受到外界擾動的影響而偏離行自動控制，使他們在受到外界擾動的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自動的回到規(guī)定范圍。正常狀態(tài)時，能自動的回到規(guī)定范圍。 1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 1 1、自動控制系統(tǒng)的基本組成、自動控制系統(tǒng)的基本組成（1 1）測量元件與變送器）測量元件與變送器 檢測被控制的物理量（如液位）并將其轉(zhuǎn)化為特定的、檢測被控制的物理量（如液位）并將其轉(zhuǎn)化為特定的、統(tǒng)一的輸出信號。統(tǒng)一的輸出信號。（2 2）控制器）控制器 將設(shè)定值（需保持的液位）與測量信號進(jìn)行比較，將設(shè)定值（需保持的液位）與測量信號進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差求出它們之

12、間的偏差, ,然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)然后按照預(yù)先選定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行裝置。行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果作為控制信號送給執(zhí)行裝置。1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 （3 3）執(zhí)行器）執(zhí)行器 通常指調(diào)節(jié)閥，其作用是接受控制器的輸出信號，通常指調(diào)節(jié)閥，其作用是接受控制器的輸出信號，改變閥門的開度，直接作用被控對象使被控變量發(fā)生改變閥門的開度，直接作用被控對象使被控變量發(fā)生變化。變化。1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)

13、的基本組成及表示形式 2 2、自動控制系統(tǒng)的表示形式、自動控制系統(tǒng)的表示形式 帶有輸入輸出信號的方框帶有輸入輸出信號的方框 比較點(diǎn)比較點(diǎn) 分支點(diǎn)分支點(diǎn) 1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端。通過測量變送裝置將被控變量的測量值送回到系統(tǒng)的輸入端。對象對象熱交換溫度控制系統(tǒng)熱交換溫度控制系統(tǒng)TC蒸汽凝液進(jìn)料TspTmTRVRF , Tiu(t)1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 e=x-z e=x-z 什么是什么是1.3 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表

14、示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 v開環(huán)系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對那些負(fù)載恒定，調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對那些負(fù)載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有擾動小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。效的控制方式。v閉環(huán)系統(tǒng)：閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)，由于增加了檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時負(fù)反饋對系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時負(fù)反饋對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。1.3

15、1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 根據(jù)設(shè)定值分為根據(jù)設(shè)定值分為定值控制定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)，隨動控制隨動控制系統(tǒng)和系統(tǒng)和程序控制程序控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。1 1、定值控制系統(tǒng)、定值控制系統(tǒng) 特點(diǎn)特點(diǎn)：設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。設(shè)定值是固定不變的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 作用作用：克服擾動的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上克服擾動的影響，使被控變量保持在工藝要求的數(shù)值上1.4 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 2 2、隨動控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng) 特點(diǎn)特點(diǎn)：設(shè)定值是一個未知的變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動設(shè)定值是一個未知的

16、變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 作用作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。1.4 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 3 3、程序控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：設(shè)定值是變化的，且按一定時間程序變化的時間函數(shù)。設(shè)定值是變化的，且按一定時間程序變化的時間函數(shù)。程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動控制系統(tǒng)的特殊情程序控制系統(tǒng)可以看成是隨動控制系統(tǒng)的特殊情況，其分析研究方法與隨動控制系統(tǒng)相同。況，其分析研究方法與隨動控制系統(tǒng)相同。作用作用：以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。以一定的精度跟隨設(shè)定值的變化而變化。1.4 1.4 自動控制系統(tǒng)的

17、分類自動控制系統(tǒng)的分類 1 1、控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)、控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)：被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)。靜態(tài)：被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)。動態(tài)：被控量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)。動態(tài)：被控量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)。1.5 1.5 自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo) u設(shè)液位設(shè)液位h h為被控量。為被控量。u當(dāng)當(dāng)Q Qi i=Q=Qo o時，時，h h保持不變；保持不變；u當(dāng)有擾動使當(dāng)有擾動使Q Qi i變化時，液位變化，到變化時，液位變化，到 達(dá)新的液位達(dá)新的液位h h1 1后又平衡下來。后又平衡下來。2 2、控制系統(tǒng)的過渡過程、控制系統(tǒng)的過渡過程1.

18、5 1.5 自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo) 過渡過程：過渡過程：系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)所經(jīng)系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的動態(tài)過程稱為過渡過程。歷的動態(tài)過程稱為過渡過程。典型輸入信號典型輸入信號 階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等加速度信號和正弦信號等。 階躍信號階躍信號A 0 t0 t0 )(tr數(shù)學(xué)表達(dá)式為數(shù)學(xué)表達(dá)式為：當(dāng)當(dāng)A=1A=1時稱為單位階躍信號。時稱為單位階躍信號。特特 點(diǎn)點(diǎn)易產(chǎn)生易產(chǎn)生對系統(tǒng)輸出影響大對系統(tǒng)輸出影響大便于分析和計(jì)算便于分析和計(jì)算1.5 1.5 自動控制系統(tǒng)的過

19、渡過程與品質(zhì)指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo) 在階躍信號作用下，被控變量隨時間的變化有以下幾種形式：在階躍信號作用下，被控變量隨時間的變化有以下幾種形式：y t t y t y t y t y t 1.1.發(fā)散振蕩過程發(fā)散振蕩過程曲線所示曲線所示5.5.非振蕩發(fā)散過程非振蕩發(fā)散過程曲線所示曲線所示3.3.等幅振蕩過程等幅振蕩過程曲線所示曲線所示4.4.衰減振蕩過程衰減振蕩過程曲線所示曲線所示2.2.非振蕩衰減過程非振蕩衰減過程曲線所示曲線所示1.5 1.5 自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo) 1.5 1.5 自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的過渡過程與品質(zhì)指標(biāo) 3 3、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo) 通常以階躍響應(yīng)來衡量系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣和定義通常以階躍響應(yīng)來衡量系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣和定義瞬態(tài)過程的時域性能指標(biāo)。瞬態(tài)過程的時域性能指標(biāo)。1.5 1.5 自動控制系統(tǒng)的過渡過