熱工儀表課時(shí)：18教材：厲玉鳴主編，《化工儀表及自動(dòng)化》

（第三版），化學(xué)工業(yè)出版社緒論主要內(nèi)容：生產(chǎn)過程自動(dòng)化的含義實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的意義生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展?fàn)顩r現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)特點(diǎn)學(xué)習(xí)本課程的重要性一、生產(chǎn)過程自動(dòng)化的含義在生產(chǎn)設(shè)備上配備一些自動(dòng)化的裝置,代替操作人員的部分直接勞動(dòng),使生產(chǎn)在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行的過程稱生產(chǎn)過程自動(dòng)化。二、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的意義加快生產(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(dòng)強(qiáng)度,改善勞動(dòng)條件；能夠保證生產(chǎn)安全,防止事故發(fā)生或擴(kuò)大,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,提高設(shè)備利用率；能根本改變勞動(dòng)方式,提高工人文化水平,逐步消除腦力勞動(dòng)和體力勞動(dòng)之間的差別。三、生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)40年代以前,主要是人工調(diào)節(jié),憑經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn),生產(chǎn)效率低。20世紀(jì)50~60年代,應(yīng)用簡(jiǎn)單自動(dòng)化技術(shù),如基地式儀表。20世紀(jì)70年代開始,控制理論和控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了生產(chǎn)過程自動(dòng)化,出現(xiàn)了各種新型控制系統(tǒng),如集散控制系統(tǒng)、二級(jí)優(yōu)化控制等。近年來,現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)已不只局限于對(duì)生產(chǎn)過程中重要參數(shù)的自動(dòng)控制,已發(fā)展為綜合自動(dòng)化。四、現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)特點(diǎn)已發(fā)展為綜合自動(dòng)化,其應(yīng)用的領(lǐng)域和規(guī)模越來越大,控制與管理一體化的系統(tǒng)已提到日程,因此,其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益也越來越大。顯示了知識(shí)密集化、高技術(shù)集成化的特點(diǎn),它是信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、管理科學(xué)等相結(jié)合的現(xiàn)代高技術(shù)。自動(dòng)化過程中的智能化程度日益增加,各種智能儀表不斷出現(xiàn),控制的精度越來越高,控制的方式日益多樣化,它不僅減輕和代替了人們的體力勞動(dòng),而且也在很大程度上代替了人們的腦力勞動(dòng)。五、學(xué)習(xí)本課程的重要性本門課是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科,通過學(xué)習(xí)自動(dòng)化、儀表及計(jì)算機(jī)方面的知識(shí),對(duì)于管理與開發(fā)現(xiàn)代化生產(chǎn)過程是十分重要的。第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念主要內(nèi)容：生產(chǎn)自動(dòng)化的主要內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成工藝管道及控制流程圖自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)第一節(jié)生產(chǎn)自動(dòng)化的主要內(nèi)容

生產(chǎn)自動(dòng)化,一般包括自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)操縱、自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

?利用各種檢測(cè)儀表對(duì)生產(chǎn)過程的主要工藝參數(shù)(如溫度、流量等)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的。

自動(dòng)信號(hào)和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)(自動(dòng)保護(hù))當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí),自動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出聲、光等報(bào)警信號(hào),自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)立即作出反應(yīng),通過改變閥門的開啟度或切斷某些通路,或進(jìn)行緊急停車,以防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)(自動(dòng)操縱)自動(dòng)操縱系統(tǒng):按照預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性的操作。可減輕工人的重復(fù)性體力勞動(dòng)。自動(dòng)開停車系統(tǒng):按照預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地將生產(chǎn)過程投入運(yùn)行或自動(dòng)停車。自動(dòng)控制系統(tǒng):它是對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),使它們?cè)谑艿酵饨绺蓴_的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí),能自動(dòng)地調(diào)回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi),是生產(chǎn)過程自動(dòng)化的核心部分。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成生活環(huán)境中的自動(dòng)控制系統(tǒng)空調(diào);電飯煲;電冰箱;洗衣機(jī)等。工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)液位控制:人工→自動(dòng);溫度控制等。眼看腦想手動(dòng)QoQi人工操作進(jìn)行工作的三個(gè)方面:(1).檢測(cè):用眼睛看液位的高低。(2).運(yùn)算、命令:大腦根據(jù)眼睛看到液位的高低,加以思考和比較得出偏差,發(fā)出命令。(3).執(zhí)行:根據(jù)大腦發(fā)出命令,改變閥門開度,以改變出口流量Qo,保持液位的高低在規(guī)定位置。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.被控對(duì)象:對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行控制的機(jī)器或設(shè)備。它可以是一段管道、一臺(tái)設(shè)備或設(shè)備的某一部分,如各種反應(yīng)器、換熱器等。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成2.自動(dòng)化裝置：測(cè)量元件及變送器:檢測(cè)參數(shù)(液位)并將檢測(cè)結(jié)果變成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行輸出,如液位的測(cè)量及變送。自動(dòng)控制器:接受變送器送來的信號(hào),與工藝需要保持的參數(shù)值(液位)進(jìn)行比較得出偏差,并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果,然后將此結(jié)果以特定信號(hào)(如電壓、電流)發(fā)送出去。執(zhí)行器:通常指控制閥,它自動(dòng)地根據(jù)控制器發(fā)出的信號(hào)值改變閥門的開啟度,從而改變操縱變量,給對(duì)象施加調(diào)節(jié)作用。第三節(jié)工藝管道及控制流程圖在工藝流程確定后,工藝人員和自控設(shè)計(jì)人員應(yīng)共同研究確定控制方案?？刂品桨傅拇_定包括流程中各測(cè)量點(diǎn)的選擇、控制系統(tǒng)的確定及有關(guān)自動(dòng)信號(hào)、聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。在控制方案確定后,根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖。一、工藝管道及控制流程圖根據(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。二、控制流程圖中圖例符號(hào)的規(guī)定本書的規(guī)定按化工部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HGJ7-87《化工過程檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)符號(hào)統(tǒng)一規(guī)定》1.圖形符號(hào)(1).測(cè)量點(diǎn)(包括檢測(cè)元件、取樣點(diǎn)):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(hào)。(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、相接及信號(hào)傳遞方向,如下圖。

(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。儀表安裝位置不同的符號(hào)如下圖。

2.字母代號(hào)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。常用被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)見右表。

字母第一字母后續(xù)字母被測(cè)變量功能A分析報(bào)警C電導(dǎo)率控制F流量I電流指示L物位P壓力或真空R放射性記錄或打印T溫度傳送3.

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)?？傊?通過控制流程圖,可看到每臺(tái)儀表的測(cè)量點(diǎn)位置、被測(cè)變量、儀表功能、工段號(hào)、儀表序號(hào)、安裝位置等。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖方框圖的作用:用箭頭表示自動(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)組成環(huán)節(jié)之間的相互影響和信號(hào)聯(lián)系。圖1-3液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖如下。圖1-8自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖xez-控制器控制閥對(duì)象測(cè)量元件變送器干擾作用

被控變量y測(cè)量值給定值pq偏差操縱變量f自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖xez-控制器控制閥對(duì)象測(cè)量元件變送器干擾作用

被控變量y測(cè)量值給定值pq偏差操縱變量f方框圖中所涉及的概念被控對(duì)象:在生產(chǎn)過程中需保持其工藝參數(shù)穩(wěn)定的設(shè)備或裝置。如冶金爐,加熱爐等,也可是一臺(tái)具體的設(shè)備或設(shè)備的某一部分,如一段管道(貯槽)。被控變量y:生產(chǎn)過程中需保持恒定的變量(液位)。干擾作用f:在生產(chǎn)過程中引起被控變量偏離給定值的外來因素,它是輸入信號(hào)

(進(jìn)料流量的改變)?？刂谱饔?用來克服外界干擾,使被控變量恢復(fù)到給定值的操作。操縱變量q:具體實(shí)現(xiàn)控制作用的變量(出料流量)。操縱介質(zhì):用來實(shí)現(xiàn)控制作用的物料(流過閥門流體)。方框圖中所涉及的概念給定值:工藝過程中被控變量的期望值,可以固定也可按程序變化。偏差:給定值與測(cè)量值之間的差值。輸入:自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖中,指向該環(huán)節(jié)的信息稱該環(huán)節(jié)的輸入。輸出:自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖中,背離該環(huán)節(jié)的信息稱該環(huán)節(jié)的輸出。xez-控制器控制閥對(duì)象測(cè)量元件變送器干擾作用

被控變量y測(cè)量值給定值pq偏差操縱變量f同一方框圖可代表不同的控制系統(tǒng),如上圖的蒸汽加熱溫度控制系統(tǒng)也可用圖1-8的方框圖表示。

自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖與控制流程圖的區(qū)別自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖: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。方塊之間的連接線的箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向。控制流程圖: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。方塊與方塊之間的連接線,代表方塊之間的物料聯(lián)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。反饋:把系統(tǒng)的輸出信號(hào)直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)后送回到系統(tǒng)的輸入端,并加入到輸入信號(hào)中的作法。負(fù)反饋:反饋的信號(hào)使原來的輸入信號(hào)減弱。正反饋:反饋的信號(hào)使原來的輸入信號(hào)增強(qiáng)。負(fù)反饋系統(tǒng)以液位控制為例分析其控制過程:當(dāng)液位y由于某種干擾而上升時(shí),其測(cè)量值z(mì)升高,偏差(e=x-z)降低,這時(shí),控制器應(yīng)發(fā)出控制信號(hào)使控制閥的開度發(fā)生變化,變化的方向?yàn)樨?fù),使被控變量y下降,回到給定值,抑制了干擾的影響,達(dá)到了控制目的。自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖xez-控制器控制閥對(duì)象測(cè)量元件變送器干擾作用

被控變量y測(cè)量值給定值pq偏差操縱變量f正反饋系統(tǒng)當(dāng)偏差e=x+z時(shí),控制系統(tǒng)稱正反饋系統(tǒng)。當(dāng)液位y由于某種干擾而上升時(shí),其測(cè)量值z(mì)升高,偏差e=x+z增大,這時(shí),控制器應(yīng)發(fā)出控制信號(hào)使e變大,從而y進(jìn)一步上升,z進(jìn)一步增大,增強(qiáng)了受干擾后的變化趨勢(shì),導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或達(dá)到極限值,從而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。例如炸彈的爆炸、電子振蕩器中振蕩過程的產(chǎn)生等都是正反饋系統(tǒng)?？梢?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)。由于具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng),它可隨時(shí)了解被控對(duì)象的情況,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)始終等于或接近所希望的狀態(tài)這是閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)由于沒有負(fù)反饋不能隨時(shí)了解被控對(duì)象的情況而改變自己的操作狀態(tài),這是開環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。自動(dòng)操縱裝置對(duì)象工藝參數(shù)操縱指令操縱作用圖1-10自動(dòng)操縱系統(tǒng)方框圖第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類各種分類方法按被控量分:如溫度、壓力、液位等控制系統(tǒng)。按控制器的控制規(guī)律分:比例控制、積分控制、微分控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制等。按系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)分:單回路簡(jiǎn)單控制系統(tǒng);串級(jí)、比值、選擇性、分程、前饋和均勻等常規(guī)復(fù)雜控制系統(tǒng)；解耦、預(yù)測(cè)、推斷等先進(jìn)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。按被控變量的給定值的變化情況分：定值控制系統(tǒng):要求被控變量的給定值不變。(如溫度、液位)。隨動(dòng)控制系統(tǒng):給定值是隨機(jī)變化的。隨機(jī)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。(如導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)、火炮系統(tǒng)、生物反應(yīng)、金屬熱處理爐)程序控制系統(tǒng):給定值是變化的,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)須按一定的時(shí)間程序變化。一些定型或非定型的程控裝置越來越多地被應(yīng)用到生產(chǎn)中。第六節(jié)自動(dòng)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(dòng)態(tài)靜態(tài):被控變量不隨時(shí)間變化、自動(dòng)化裝置保持原狀的平衡狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)自控系統(tǒng)的輸入(給定和干擾)和輸出均衡不變時(shí),整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài),即指系統(tǒng)中各信號(hào)的變化率為零,信號(hào)保持在某一常數(shù)不變化,而不是指物料不流動(dòng)或能量不交換。因?yàn)樽詣?dòng)控制系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí),生產(chǎn)還在進(jìn)行,物料和能量仍有進(jìn)有出,只是平穩(wěn)進(jìn)行沒有改變。一.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài):被控變量隨時(shí)間變化、自動(dòng)化裝置改變?cè)瓲畹牟黄胶鉅顟B(tài)。若一個(gè)系統(tǒng)原先處于相對(duì)平衡狀態(tài)即靜態(tài),由于干擾的作用而破壞了這種平衡時(shí),被控變量就會(huì)發(fā)生變化,從而使控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置改變?cè)瓉砥胶鈺r(shí)所處的狀態(tài),產(chǎn)生一定的控制作用來克服干擾的影響,并力圖使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。從干擾發(fā)生開始,經(jīng)過控制,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,所以這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。二、控制系統(tǒng)的過渡過程過渡過程:系統(tǒng)受輸入(干擾)信號(hào)的作用從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程稱為過渡過程。是被控量在干擾信號(hào)或控制信號(hào)的作用下隨時(shí)間不斷變化的過程,其變化規(guī)律與干擾信號(hào)的形式有關(guān)。階躍干擾作用:在某一瞬間t0,干擾突然地階躍式地加到系統(tǒng)上并保持該幅度。它比較突然,比較危險(xiǎn),對(duì)被控量影響最大。系統(tǒng)的穩(wěn)定性:如果系統(tǒng)在受到干擾信號(hào)作用后,輸出變量最終能返回到原平衡狀態(tài)或其附近,稱系統(tǒng)為穩(wěn)定的;否則,稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。在階躍干擾作用下自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程形式：(a)非周期衰減過程;(b)衰減振蕩過程;(c)等幅振蕩過程;(d)發(fā)散振蕩過程;(e)非振蕩發(fā)散過程。三、階躍干擾作用下衰減振蕩過程的品質(zhì)指標(biāo)

橫坐標(biāo)t為時(shí)間,縱坐標(biāo)y為被控變量離給定值的變化量。t=0時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定,y(0)=0;t→∞時(shí),系統(tǒng)也達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),y(∞)=C。最大偏差(A):在過渡過程中,被控量偏離給定值的最大量。最大偏差越小越好。超調(diào)量(B):在過渡過程中,第一個(gè)峰值A(chǔ)與新穩(wěn)態(tài)值C之差,即B=A-C。三、階躍干擾作用下衰減振蕩過程的品質(zhì)指標(biāo)

衰減比(n):前后相鄰兩個(gè)峰值的比。是反映衰減程度的指標(biāo),n=B:B’,實(shí)踐表明:n處于4~10之間較合適。余差(C):新的穩(wěn)態(tài)值與之差。余差越小越好。過渡時(shí)間(ts):從干擾開始起,直到被控變量進(jìn)入到距新穩(wěn)態(tài)值的±5%(或±2%)的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。過渡時(shí)間越短,系統(tǒng)控制質(zhì)量高。三、階躍干擾作用下衰減振蕩過程的品質(zhì)指標(biāo)振蕩周期和頻率:兩個(gè)同向波峰(或波谷)之間的時(shí)間間隔,為振蕩周期;周期越短越好。頻率為周期的倒數(shù)。這些指標(biāo)在不同的系統(tǒng)中各有其重要性,且互相間即有矛盾,又有聯(lián)系。要分清主次,首先保證對(duì)生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)。四、影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素工藝過程部分(被控對(duì)象)和自動(dòng)化裝置部分(測(cè)量與變送器、控制器、執(zhí)行器)。主要是對(duì)象的性質(zhì),但自動(dòng)化裝置應(yīng)按對(duì)象的性質(zhì)加以選擇和調(diào)整。例:某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如右圖。試求最大偏差、余差、衰減比、