化工儀表及自動化原理第一章自動控制系統(tǒng)基本概念

1、內(nèi)容提要 化工自動化的主要內(nèi)容 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式基本組成方塊圖 工藝管道及控制流程圖圖形符號字母代號儀表位號 自動控制系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素1第一節(jié) 化工自動化的主要內(nèi)容1. 自動檢測系統(tǒng)2. 自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)3. 自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4. 自動控制系統(tǒng)3第一節(jié) 化工自動化的主要內(nèi)容1. 自動檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)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(shù)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

2、測系統(tǒng)示意圖2. 自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng) 當(dāng)工藝參數(shù)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(chǎn)過程中的一種安全裝置。 3. 自動操縱及自動開停車系統(tǒng) 自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運行或自動停車。 4. 自動控制系統(tǒng) 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(shù)值范圍內(nèi)。

3、第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 4圖1-2 人工操作圖圖1-3 液位自動控制系統(tǒng)圖人工操作與自動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)的需要第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 一、自動控制系統(tǒng)的組成5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)行器第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式二、自動控制系統(tǒng)的表示形式1、方塊圖在研究自動控制系統(tǒng)時，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。下頁圖為液位自動控制系統(tǒng)的方塊圖，每個環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸

4、入，箭頭離開方塊表示為這個環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。6方塊圖中， x 指設(shè)定值；z 指輸出信號；e 指偏差信號；p 指發(fā)出信號；q 指出料流量信號；y 指被控變量；f 指擾動作用。當(dāng)x 取正值，z取負(fù)值，e= x- z，負(fù)反饋；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反饋。第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式液位自動控制的方塊圖圖1-5 液位自動控制系統(tǒng)方塊圖7幾個常用術(shù)語 ：（1）被控對象 需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機械或生產(chǎn)過程稱為被控對象，簡稱對象。（2）被控變量 對象內(nèi)要求保持一定數(shù)值（或按某一規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。（3）控制變量（操縱變量） 受執(zhí)行器控制，

5、用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量或操縱變量。 （4）干擾（擾動） 除控制變量（操縱變量）以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。（5）設(shè)（給）定值 工藝規(guī)定被控變量所要保持的數(shù)值。（6）偏差 偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實際值之差。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實際值，因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏差。第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式其他控制系統(tǒng) 用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-6 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng) 當(dāng)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

6、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。 這個控制系統(tǒng)同樣可以用上頁中的方塊圖表示8P6圖1-6 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)：（1）被控對象-蒸汽加熱器（2）被控變量-出口物料的溫度（3）控制變量（操縱變量）-加熱蒸汽量（4）干擾（擾動）作用 -進料流量、進料溫度的變化 、加熱蒸汽壓力的變化、加熱器內(nèi)部傳熱系數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化（5）操縱介質(zhì)（操縱劑）-加熱蒸汽1.方塊圖注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。9方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝

7、流程圖上的物料線是代表物料從一個設(shè)備進入另一個設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)1.方塊圖小結(jié)自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)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(zhì)的區(qū)別，就在于自動控制系統(tǒng)有負(fù)反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10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(shù)操縱指令1.方塊圖小結(jié)開環(huán)系統(tǒng)：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預(yù)先規(guī)定好的程序周而復(fù)始地運轉(zhuǎn)。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自動機不會自動地根據(jù)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

8、針對性地根據(jù)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)。11設(shè)定器控制器被控對象擾動被控量設(shè)定器被控過程傳感器控制器開環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng) :2.管道及儀表流程圖 工藝流程和控制方案的確定后，根據(jù)工藝設(shè)計給出的流程圖，按其流程順序標(biāo)注出相應(yīng)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，便成了工藝管道及控制流程圖 （PID圖）。 Piping and Instrumention Diagram,P&ID 管道及儀表流程圖3334圖1-8脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例右圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖 舉例2.管道

9、及儀表流程圖(1)、圖形符號a. 測量點（包括檢出元件、取樣點）35 測量點是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。圖1-13 測試點的一般表示方法2.管道及儀表流程圖(1)、圖形符號b. 連接線36 通用的儀表信號線均以細(xì)實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用下圖的形式。必要時也可用加箭頭的方式表示信號的方向。在需要時，信號線也可按氣信號、電信號、導(dǎo)壓毛細(xì)管等采用不同的表示方式以示區(qū)別。圖1-14 聯(lián)接線的表示法(1)、圖形符號 儀表的圖形符號是一個細(xì)實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置

10、的圖形符號如下表所示。 37c. 儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖38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就地安裝儀表嵌在管道中4集中儀表盤后安裝儀表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表1-1 儀表安裝位置的圖形符號表示2.管道及儀表流程圖第五節(jié) 工藝管道及控制流程圖39 對于處理兩個或兩個以上被測變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時，可用兩個相切的圓或分別用細(xì)實線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測量點在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-11 復(fù)式儀表的表示法2.管道及儀表流程圖第五節(jié) 工藝管道及控制流程

11、圖(2) 字母代號 在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號見下表。402.管道及儀表流程圖字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時間或時間程序物位水分或濕度壓力或真空數(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分?jǐn)?shù)）積分、累積安全報警控制（調(diào)節(jié)）檢測元件指示自動-手動操作器積分、累積記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動器或計算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)表1-2 被測變量和儀表功能的字母代號4142舉例以

12、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?shù)膲毫刂葡到y(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。 (2) 字母代號 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

13、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。 43(2) 字母代號(3) 儀表位號44 儀表位號是由字母代號組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號兩部分組成。阿拉伯?dāng)?shù)字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號。 舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖中PIC-206表示測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝，工段號為2，儀表序號為06。 2.管道及儀表流程圖第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法（一）按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；（二）按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例

14、積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；（三）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，這樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類 “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)。131.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) 自動控制系統(tǒng)的分類3.程序控制系統(tǒng)（順

15、序控制系統(tǒng)） 給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。14第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)15自動控制目的：希望將被控變量保持在一個不變的給定值上，這只有當(dāng)進入被控對象的物料量（或能量）和流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。 靜態(tài)被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo) 當(dāng)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

16、態(tài)，它們的輸出信號也都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。 16第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)17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(jīng)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個平衡

17、狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。 18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)反饋作用下，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖1-7 控制系統(tǒng)方塊圖 動態(tài)被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。 如果系統(tǒng)原來處于相對平衡狀態(tài)（靜態(tài)），當(dāng)出現(xiàn)干擾使被控變量發(fā)生變化，此時控制系統(tǒng)發(fā)生作用，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差及其偏差的變化情況，改變調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)執(zhí)行器改變操縱變量，使被控變量重新回到設(shè)定值來，這么一個從干擾發(fā)生、系統(tǒng)控制、直到重新建立平衡的過程稱為“動態(tài)”過程。 工藝設(shè)計主要圍繞系統(tǒng)“靜態(tài)”特性開展工作，自動控制是在“靜態(tài)”特性基礎(chǔ)上研究其“動態(tài)”特性當(dāng)系統(tǒng)失去平衡以后，如何使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。

18、如何來評價自控系統(tǒng)的質(zhì)量？ 必須分析“系統(tǒng)失穩(wěn)以后能否重新回到平衡狀態(tài)”、“從系統(tǒng)失穩(wěn)到重新回到平衡狀態(tài)”這個過程的各種指標(biāo)。 第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。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(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質(zhì)。在分析和設(shè)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，其中常用的是階躍干擾。 19第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)采用階躍干擾的優(yōu)點： 這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克

19、服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。圖1-8 階躍干擾作用20第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程 發(fā)散震蕩過程X？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），才可采用。 第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。22圖1-10 過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖 假定自動控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程 多數(shù)情況下，希望得到衰減振

20、蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)23五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1. 最大偏差A(yù)或超調(diào)量B 最大偏差A(yù) 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)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。 超調(diào)量B 也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。 B=A-C第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)2. 衰減比 B/B 衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個峰值的比。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)

21、指標(biāo)之二24第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)3. 余差 C 當(dāng)過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩(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的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)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)。 25五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)4. 過渡時間 從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間叫過渡時間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個小范圍，當(dāng)被控變量進入該范圍并不再越出時，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。 2

22、6五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)5.震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時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，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五自動控制系統(tǒng)希望的結(jié)果：最大偏差（超調(diào)量）？衰減比？余差？過渡時間？振蕩周期？答：越小越好n1等幅振蕩 n1發(fā)散振蕩 n1衰減振蕩 不振蕩 為了保持有足夠的穩(wěn)定程度，衰減比一般取為4：1至10：1；這種過渡過程不是最優(yōu)的結(jié)果，但操作人員容易掌握，一般也是操作人員所希望的過程不振蕩：不便于操作人員掌握。 答：越小越好答：越小越好答：短好自動控制系統(tǒng)性能要求五個字：穩(wěn)、準(zhǔn)、快、壯、省穩(wěn)： 擾動下不發(fā)散準(zhǔn)： 與設(shè)定值的偏差小快： 用最少的時間達到要求壯： 適應(yīng)寬范圍工況省： 控制能量最省，波動小，效率高第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)28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、振蕩周期和過渡時間（給定值為200）。舉例圖1-11 溫度控