自動檢測與過程控制第一章緒論

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

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

工業(yè)過程控制的基本概念過程特性第一章緒論一、工業(yè)過程控制的基本概念1.1過程自動化儀表的發(fā)展概述1.2自動控制系統(tǒng)的組成及框圖1.3自動控制系統(tǒng)分類1.4自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)1.5工藝管道及控制流程圖1.1、過程自動化儀表的發(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，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(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、過程自動化儀表的發(fā)展概述20世紀(jì)70年代以來，化工自動化技術(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)二級優(yōu)化控制，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展1.2自動控制系統(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)的需要一、自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(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，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。1、自動控制的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)地方塊圖，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。二、自動控制系統(tǒng)的表示形式注意！方塊圖中的每一個方塊都代表一個具體的裝置。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。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設(shè)備進(jìn)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)。帶有輸入輸出信號的方框比較點(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。舉例化肥廠的造氣自動機(jī)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)操縱指令開環(huán)系統(tǒng)：自動機(jī)在操作時，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)。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自動機(jī)不會自動地根據(jù)被控變量的實(shí)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(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、過程控制術(shù)語被控變量（受控變量、過程變量）被控對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。擾動變量（干擾變量、擾動）任何導(dǎo)致被控變量偏離其給定值的輸入變量。1.3自動控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來分類，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)、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)。1.定值控制方法2.伺服控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(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。1.4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)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(jìn)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）。

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)。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?yàn)樵谏a(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。二、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(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?zhàn)饔孟拢?jīng)過一段時間，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，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服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，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，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。

自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式X√√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？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。圖1-7過渡過程的四種形式三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。圖1-8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)。五種重要品質(zhì)指標(biāo)：1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值,A。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)量也可以用來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)過渡過程終了時，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，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差，C。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)。

4.調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率

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)歷的時間叫調(diào)節(jié)時間tS。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(jìn)入該范圍并不再越出時，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)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±５％（也有的規(guī)定為±２％）。

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。5.峰值時間和上升時間被控變量達(dá)到最大值的時間叫做峰值時間tp

。從過渡過程開始到被控變量第一次達(dá)到穩(wěn)定值的時間稱為上升時間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1-9溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解：最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃

余差C＝205-200＝５℃第一個波峰值B＝230-205＝25℃，第二個波峰值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間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）過渡時間為22min（±2％

）。四、影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素

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

對于一個自動控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對象性質(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)的測量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動信號與聯(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①測試點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）

測試點(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1-11測試點(diǎn)的一般表示方法②連接線

通用的儀表信號線均以細(xì)實(shí)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1-12聯(lián)系線的表示法③儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號

儀表的圖形符號是一個細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如下表所示。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表示

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(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測量點(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

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。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(jì)算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表1-2被測變量和儀表功能的字母代號舉例

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?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。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是一臺具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進(jìn)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(jìn)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。⑶儀表位號

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(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，工段號為2，儀表序號為06。1.2、過程特性1.2.1過程特性的類型1.2.2過程的數(shù)學(xué)描述1.2.3過程對象特性的參數(shù)1.2.1過程特性的類型所謂過程特性是指當(dāng)被控過程的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律。響應(yīng)曲線的類型：自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程自衡振蕩過程具有反向特性的過程1.2.2過程的數(shù)學(xué)描述

研究對象的特性，就是用數(shù)學(xué)的方法來描述出對象輸入量與輸出量之間的關(guān)系。這種對象特性的數(shù)學(xué)描述就稱為對象的數(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對象的輸入輸出量對象的數(shù)學(xué)模型分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(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