自動(dòng)檢測(cè)與過(guò)程控制第一章緒論

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院2013.2自動(dòng)檢測(cè)及控制教材:

馬修水.過(guò)程儀表及自動(dòng)化.機(jī)械工業(yè)出版社主要參考書：劉玉長(zhǎng).自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制(第4版).冶金工業(yè)出版社厲玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化（第5版）.化學(xué)工業(yè)出版社

工業(yè)過(guò)程控制的基本概念過(guò)程特性第一章緒論一、工業(yè)過(guò)程控制的基本概念1.1過(guò)程自動(dòng)化儀表的發(fā)展概述1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及框圖1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及品質(zhì)指標(biāo)1.5工藝管道及控制流程圖1.1、過(guò)程自動(dòng)化儀表的發(fā)展概述20世紀(jì)40年代以前絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀表指示情況，用人工來(lái)改變操作條件，生產(chǎn)過(guò)程單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。低效率，花費(fèi)龐大。20世紀(jì)50年代到60年代人們對(duì)化工生產(chǎn)各種單元操作進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，使得化工生產(chǎn)過(guò)程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展。1.1、過(guò)程自動(dòng)化儀表的發(fā)展概述20世紀(jì)70年代以來(lái)，化工自動(dòng)化技術(shù)水平得到了很大的提高。計(jì)算機(jī)開始用于控制生產(chǎn)過(guò)程，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)20世紀(jì)80年代以后，出現(xiàn)二級(jí)優(yōu)化控制，現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及框圖

圖1-1人工操作圖圖1-2液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖人工操作與自動(dòng)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)的需要一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成組成自動(dòng)化裝置被控對(duì)象測(cè)量元件與變送器自動(dòng)控制器執(zhí)行器圖1-3蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)

當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)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(lái)維持出口物料的溫度不變。1、自動(dòng)控制的方塊圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來(lái)表示控制系統(tǒng)的組成。下頁(yè)圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方塊圖，每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的表示形式注意！方塊圖中的每一個(gè)方塊都代表一個(gè)具體的裝置。方塊與方塊之間的連接線，只是代表方塊之間的信號(hào)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(hào)作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。帶有輸入輸出信號(hào)的方框比較點(diǎn)分支點(diǎn)圖1.4方框的組成單元示意圖小結(jié)自動(dòng)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(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)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。舉例化肥廠的造氣自動(dòng)機(jī)就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子自動(dòng)操縱裝置對(duì)象操縱作用工藝參數(shù)操縱指令開環(huán)系統(tǒng)：自動(dòng)機(jī)在操作時(shí)，一旦開機(jī)，就只能是按照預(yù)先規(guī)定好的程序周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)被控變量如果發(fā)生了變化，自動(dòng)機(jī)不會(huì)自動(dòng)地根據(jù)被控變量的實(shí)際工況來(lái)改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對(duì)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)。三、過(guò)程控制術(shù)語(yǔ)被控變量（受控變量、過(guò)程變量）被控對(duì)象需要維持在其理想值的工藝變量。設(shè)定值（給定值）被控變量要求達(dá)到的期望值。操作變量（操縱變量）通常是由執(zhí)行器控制的某一工藝介質(zhì)流量。擾動(dòng)變量（干擾變量、擾動(dòng)）任何導(dǎo)致被控變量偏離其給定值的輸入變量。1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來(lái)分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來(lái)分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工藝過(guò)程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來(lái)分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。其中第三種分類方法最普遍

“定值”是恒定給定值的簡(jiǎn)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(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。1.定值控制方法2.伺服控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）

給定值隨機(jī)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。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(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用比較普通。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。

靜態(tài)——被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。

當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)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(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。動(dòng)態(tài)——被控變量隨時(shí)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(guò)控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。結(jié)論：在自動(dòng)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(dòng)態(tài)更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過(guò)自動(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)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。二、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。

當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖1-5控制系統(tǒng)方塊圖采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)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服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。圖1-6階躍干擾作用在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，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。

自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過(guò)渡過(guò)程的四種形式X√√非周期衰減過(guò)程衰減震蕩過(guò)程等幅震蕩過(guò)程

發(fā)散震蕩過(guò)程？對(duì)于控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)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(shí)），才可采用。圖1-7過(guò)渡過(guò)程的四種形式三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。圖1-8過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖

假定自動(dòng)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(guò)渡過(guò)程。

多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過(guò)程，在此取這種過(guò)程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。五種重要品質(zhì)指標(biāo)：1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值,A。在衰減振蕩過(guò)程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。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。超調(diào)量也可以用來(lái)表征被控變量偏離給定值的程度,B。2.衰減比

衰減比是衰減程度的指標(biāo)，它是前后相鄰兩個(gè)峰值的比,B:B’。習(xí)慣表示為n:1，一般n取為4～10之間為宜。3.余差

當(dāng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被控變量所達(dá)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(shuō)余差就是過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)的殘余偏差，C。有余差的控制過(guò)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(wú)差調(diào)節(jié)和無(wú)差系統(tǒng)。

4.調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率

從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過(guò)渡過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間叫調(diào)節(jié)時(shí)間tS。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說(shuō)過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。

過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。5.峰值時(shí)間和上升時(shí)間被控變量達(dá)到最大值的時(shí)間叫做峰值時(shí)間tp

。從過(guò)渡過(guò)程開始到被控變量第一次達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間稱為上升時(shí)間tr。

某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)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(guò)渡時(shí)間（給定值為200℃）。舉例圖1-9溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線解：最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃

余差C＝205-200＝５℃第一個(gè)波峰值B＝230-205＝25℃，第二個(gè)波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1

振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）過(guò)渡時(shí)間為22min（±2％

）。四、影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過(guò)程部分（被控對(duì)象）和自動(dòng)化裝置部分。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)化儀表設(shè)備，通常包括測(cè)量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。

對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對(duì)象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對(duì)象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。1.5工藝管道及控制流程圖

工藝流程和控制方案的確定后，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖，按其流程順序標(biāo)注出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等，便成了工藝管道及控制流程圖。乙烯生產(chǎn)過(guò)程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例圖1-10脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖⑴圖形符號(hào)①測(cè)試點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）

測(cè)試點(diǎn)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(diǎn)，一般無(wú)特定的圖形符號(hào)，如下圖所示。必要時(shí)，檢測(cè)元件也可以用象形或圖形符號(hào)表示。圖1-11測(cè)試點(diǎn)的一般表示方法②連接線

通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示。連接線表示交叉及相接時(shí)，采用下圖的形式。必要時(shí)也可用加箭頭的方式表示信號(hào)的方向。在需要時(shí)，信號(hào)線也可按氣信號(hào)、電信號(hào)、導(dǎo)壓毛細(xì)管等采用不同的表示方式以示區(qū)別。圖1-12聯(lián)系線的表示法③儀表（包括檢測(cè)、顯示、控制）的圖形符號(hào)

儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對(duì)于不同的儀表安裝位置的圖形符號(hào)如下表所示。序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)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就地儀表盤面安裝儀表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(hào)表示

對(duì)于處理兩個(gè)或兩個(gè)以上被測(cè)變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時(shí)，可用兩個(gè)相切的圓或分別用細(xì)實(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測(cè)量點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-13復(fù)式儀表的表示法⑵字母代號(hào)

在控制流程圖中，用來(lái)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(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號(hào)見下表。字母第一位字母后繼字母被測(cè)變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時(shí)間或時(shí)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(bào)警控制（調(diào)節(jié)）檢測(cè)元件指示自動(dòng)-手動(dòng)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(dòng)器或計(jì)算器驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表1-2被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)舉例

以脫乙烷塔控制流程圖，來(lái)說(shuō)明如何以字母代號(hào)的組合來(lái)表示被測(cè)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(cè)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(tái)具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過(guò)改變氣相采出量來(lái)維持塔壓穩(wěn)定的。圖1-14脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖

回流罐液位控制系統(tǒng)中的LIC-201是一臺(tái)具有指示功能的液位控制器，它是通過(guò)改變進(jìn)入冷凝器的冷劑量來(lái)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(tái)具有記錄功能的溫度控制器，它是通過(guò)改變進(jìn)入再沸器的加熱蒸汽量來(lái)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(tái)具有指示、報(bào)警功能的液位控制器，它是通過(guò)改變塔底采出量來(lái)維持塔釜液位穩(wěn)定的。⑶儀表位號(hào)

儀表位號(hào)是由字母代號(hào)組合和阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)兩部分組成。阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號(hào)，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號(hào)。

舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖中PIC-206表示測(cè)量點(diǎn)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(hào)為2，儀表序號(hào)為06。1.2、過(guò)程特性1.2.1過(guò)程特性的類型1.2.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述1.2.3過(guò)程對(duì)象特性的參數(shù)1.2.1過(guò)程特性的類型所謂過(guò)程特性是指當(dāng)被控過(guò)程的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。響應(yīng)曲線的類型：自衡的非振蕩過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程自衡振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程1.2.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述

研究對(duì)象的特性，就是用數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述出對(duì)象輸入量與輸出量之間的關(guān)系。這種對(duì)象特性的數(shù)學(xué)描述就稱為對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。干擾作用和控制作用都是引起被控變量變化的因素，如下圖所示。圖1-15對(duì)象的輸入輸出量對(duì)象的數(shù)學(xué)模型分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)特例一般是在工藝流程和設(shè)備尺寸等都確定的情況，研究對(duì)