1、化工儀表自動化,教 師：李 琦,大連理工大學(xué)電信學(xué)部 控制科學(xué)與工程學(xué)院,2,課程介紹(1),課程說明 控制科學(xué)與工程學(xué)院開設(shè)的全?？绱箢悓I(yè)課 考核方式 平時成績20% 1、課堂出勤 2、課后作業(yè) 期末考試成績80% 計(jì)劃學(xué)時 2 x 16 = 32 學(xué)時,3,課程介紹(2),教材 過程控制系統(tǒng)及儀表.李亞芬 主編. 大連理工大學(xué)出版社. 參考書 1、自動檢測技術(shù)與裝置. 張宏建 等. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2004，7. 2、自動化儀表與過程控制. 施仁 等. 電子工業(yè)出版社. 2003，3. 3、自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng). 張毅 等. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2005，3.,4,課程介紹(3),

2、5,教員信息,姓 名 : 李 琦 辦公室 : 創(chuàng)新園大廈 A730 電 話 : 84706007-3730 E mail : ,6,課程內(nèi)容組成,7,課程內(nèi)容組成,8,第1章 控制系統(tǒng)的基本概念 第2章 被控對象的特性,第1篇 過程控制基礎(chǔ)知識,9,第1章 控制系統(tǒng)的基本概念,1-1 生產(chǎn)過程自動化概述 生產(chǎn)過程自動化，是指石油、化工、電力、冶金、輕工等工業(yè)部門以連續(xù)性物流為主要特征的生產(chǎn)過程的自動控制，主要解決各種生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等參數(shù)的自動監(jiān)測和控制問題。 用自動化裝置來管理連續(xù)或間歇生產(chǎn)過程的綜合性技術(shù)就稱為生產(chǎn)過程自動化，簡稱為過程控制（

3、Process Control ）。,10,一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn) 連續(xù)生產(chǎn)過程主要有以下幾種形式： 1 傳熱過程通過冷熱物流之間的熱量傳遞，達(dá)到控制介質(zhì)溫度、改變介質(zhì)相態(tài)或回收熱量的目的。典型設(shè)備：換熱器 2 燃燒過程通過燃料與空氣混合后燃燒為生產(chǎn)過程提供動力和熱源。典型設(shè)備：加熱爐,11,3 化學(xué)過程由兩種或幾種物料化合成一種或多種更有價(jià)值的產(chǎn)品的反應(yīng)過程。典型設(shè)備：反應(yīng)器 4 精餾過程精餾是一種分離過程。典型設(shè)備：精餾塔 5 傳質(zhì)過程 不同組分的分離和結(jié)合，如液體和氣體之間的解吸、汽提、去濕或潤濕，不同非溶液體的萃取、液體與固體之間的結(jié)晶、蒸氣或干燥等都是傳質(zhì)過程。其目的是獲得純的出口物料

4、。,一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn),12,一、生產(chǎn)過程及其特點(diǎn),生產(chǎn)過程特點(diǎn)：連續(xù)生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、時變性、非線性、不確定性，在某些高溫高壓或有害介質(zhì)存在的場合，還具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。 生產(chǎn)過程的這些特點(diǎn)極大地促進(jìn)了過程控制技術(shù)的發(fā)展，使得過程控制在自動控制領(lǐng)域乃至國民經(jīng)濟(jì)中都占有極其重要的地位。,13,二、生產(chǎn)過程對控制的要求 生產(chǎn)過程對控制最主要的要求可以歸結(jié)為三個方面，即：安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。 (1)安全性 是指在整個生產(chǎn)運(yùn)行過程中，能夠及時預(yù)測、監(jiān)控和防止任何事故的發(fā)生，以確保生產(chǎn)設(shè)備和操作人員的安全，這是最重要也是最基本的要求。 (2) 穩(wěn)定性 是指當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化或受到隨機(jī)

5、因素的干擾和影響時，生產(chǎn)過程仍能不間斷地平穩(wěn)運(yùn)行，并保持穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。 (3)經(jīng)濟(jì)性 是指在保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，以最小的投資、最少的能耗和最低的成本，使生產(chǎn)裝置在高效率運(yùn)行中獲取最大的經(jīng)濟(jì)收益。,14,過程控制的任務(wù): 就是在了解、掌握工藝流程和生產(chǎn)過程的各種特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝生產(chǎn)提出的要求，應(yīng)用控制理論對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和綜合，并采用相應(yīng)的自動化裝置和適宜的控制手段加以實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的控制目標(biāo)。,二、生產(chǎn)過程對控制的要求,15,回顧生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。,1初級階段,1950年以前，簡單的檢測儀表和笨重的基地式儀表,三、生產(chǎn)

6、過程自動化的發(fā)展歷程,16,2儀表化階段,50年代至70年代，單元組合儀表和巡回檢測儀表。,三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程,集中監(jiān)視和操作,17,3綜合自動化階段: 70年代以來，多功能組裝儀表、數(shù)字儀表、智能儀表。70年代中期出現(xiàn)集散控制系統(tǒng)。90年代以來，管控一體化成為可能。,三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程,18,生產(chǎn)過程自動化是自動控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、儀器儀表技術(shù)和生產(chǎn)工藝知識相結(jié)合而構(gòu)成的一門綜合性的技術(shù)科學(xué)。 在現(xiàn)代過程工業(yè)中，自動化裝置與生產(chǎn)工藝及設(shè)備已結(jié)合成為有機(jī)的整體。作為工藝技術(shù)人員，學(xué)習(xí)和掌握生產(chǎn)過程自動化方面的知識，對于研究和開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，解決生產(chǎn)操作中的關(guān)鍵技術(shù)問題，

7、合理確定控制方案，保證生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的順利運(yùn)行，促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)代化管理等都具有十分重要的作用。,三、生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程,19,1-2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類,一、過程控制系統(tǒng)的組成 以液體貯槽的液位控制為例說明過程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。貯槽液位原理圖，如圖所示。,20,人工控制方式： 眼 觀察玻璃管液位計(jì)（測量元件）指示高度； 大腦 將液位高度與期望高度進(jìn)行比較，經(jīng)過思考估算出需要改變的流出量，然后發(fā)出動作命令； 手 根據(jù)命令改變出口閥門開度，相應(yīng)地增 減流出量，使液位保持在合理的范圍內(nèi)。,一、過程控制系統(tǒng)的組成,21,自動控制方式：,一、過程控制系統(tǒng)的組成,22,自動控制方式：

8、 液位變送器 檢測并變換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號送到 控制器； 自動控制器 接收變送器信號與液位期望值進(jìn)行 比較，根據(jù)偏差按某種規(guī)律運(yùn)算，運(yùn) 算結(jié)果送給執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）； 執(zhí)行器 將控制器指令信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位 移信號，驅(qū)動閥門動作，改變液體 流出量，實(shí)現(xiàn)液位的自動控制。,一、過程控制系統(tǒng)的組成,23,由液體貯槽的液位控制可知，過程控制系統(tǒng)是由被控對象，測量與變送裝置、控制器、執(zhí)行器組成。 如果把測量與變送裝置、控制器、以及執(zhí)行器統(tǒng)稱為自動化裝置，則過程控制系統(tǒng)是由被控對象和自動化裝置兩部分組成的。 過程控制系統(tǒng)的任務(wù)：就是當(dāng)被控對象受到干擾使被控變量（溫度、壓力、流量、液位、成分等）產(chǎn)生偏差時，能夠及

9、時檢測，并通過合理地調(diào)節(jié)操縱變量使被控變量回到給定值。,一、過程控制系統(tǒng)的組成,24,自控常用術(shù)語： (1)被控對象： 需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)器或生產(chǎn)過 程稱為被控對象，簡稱對象。 如本例中的液體貯槽。 (2)被控變量： 對象中需要進(jìn)行控制（保持?jǐn)?shù)值在某 一范圍內(nèi)或按預(yù)定規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。 如本例中的貯槽液位。 (3)操縱變量： 受到控制裝置的操縱，用以使被控變 量保持在設(shè)定數(shù)值的物料或能量變量稱為操縱變量。 如本例中的液體流出量。,一、過程控制系統(tǒng)的組成,25,(4)干擾（擾動）： 除操縱變量外，作用于對象并使 被控變量發(fā)生變化的因素稱為干擾（擾動）。 如本例中的液體流入量。

10、(5)設(shè)定值：按照生產(chǎn)工藝的要求為被控變量規(guī)定的所要達(dá)到或保持的數(shù)值稱為給定值（設(shè)定值）。 如本例中，為了防止槽內(nèi)液體溢出或抽空，規(guī)定貯槽液位保持在貯槽50的高度比較合理。 (6)偏差：在過程控制系統(tǒng)中通常把測量值與給定值之差稱為偏差。,一、過程控制系統(tǒng)的組成,26,一、過程控制系統(tǒng)的組成,指出圖中被控對象，被控變量，操縱變量，干擾，設(shè)定值，偏差分別是什么？,27,一、過程控制系統(tǒng)的組成,反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)示意圖，由哪幾部分構(gòu)成？請指出被控對象，被控變量，操縱變量，干擾各是什么？,28,過程控制系統(tǒng)的分類方法有很多，每一種分類只反映出過程控制系統(tǒng)某一方面的特點(diǎn)。 按被控變量的名稱分類 溫度

11、控制系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)等 按被控變量的數(shù)量分類 單變量控制系統(tǒng)，多變量控制系統(tǒng) 按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類 開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng) 按控制系統(tǒng)完成的功能分類 反饋控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)等,二、過程控制系統(tǒng)的分類,29,按照被控變量的給定值分類，可分成以下三類： 1定值控制系統(tǒng) 定值控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值始終固定不變的控制系統(tǒng)。如：液位控制系統(tǒng)。,二、過程控制系統(tǒng)的分類,30,2隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)是一種被控變量的給定值隨時間不斷變化的控制系統(tǒng)。 例如：鍋爐的燃燒控制系統(tǒng) 為使燃料充分燃燒，空燃比保持一定比例，采用比值控制系統(tǒng)，要求空氣和燃料保持一定比例。

12、 由于燃料量隨負(fù)荷變化，空氣量隨燃料量變化，即空氣量的給定值也是隨機(jī)變化的，所以是一個隨動控制系統(tǒng)。,二、過程控制系統(tǒng)的分類,31,3程序控制系統(tǒng)（又稱順序控制系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng)是被控變量的給定值按預(yù)定的時間程序來變化的控制系統(tǒng)。 例如：冶金工業(yè)中的金屬熱處理的溫度控制 金屬加熱給定值都是按照預(yù)定的升溫、恒溫、降溫等程序變化的，屬于程序控制系統(tǒng)。,二、過程控制系統(tǒng)的分類,32,一、方塊圖 方塊圖是從信號流（信息）的角度出發(fā)，依據(jù)信號的流向?qū)⒔M成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)相互連接起來的一種圖解表達(dá)方式。 在方塊圖中不僅明確表明了每個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的作用，而且能夠清楚地看出自動控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)之間的相

13、互關(guān)系以及信號在系統(tǒng)中的流動情況。對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究時，經(jīng)常用方塊圖來表示一個過程控制系統(tǒng)的組成。,1-3 方塊圖與流程圖,33,圖中的方塊表示控制系統(tǒng)的一個組成部分，稱為“環(huán)節(jié)”。 指向方塊的信號x 表示該環(huán)節(jié)的輸入，稱為輸入變量。 離開方塊的信號y 表示該環(huán)節(jié)的輸出，稱為輸出變量。 箭頭所指的方向就是信號的流向，它表明信號的作用方向。 許多物理性質(zhì)不同，但特性相同的系統(tǒng)，可以用同一種形式的方塊圖來表達(dá)。,環(huán)節(jié)：,1-3 方塊圖與流程圖,34,相加點(diǎn)： C=A+B C=A-B,A,C,B,A,C,B,1-3 方塊圖與流程圖,相加點(diǎn)：表示兩個以上具有相同單位的變量(信號）之間的加和運(yùn)算

14、。,35,分支點(diǎn)： 當(dāng)一個變量（或信號）要同時作用于幾個不同的環(huán)節(jié)時，可使用分支點(diǎn)。 由分支點(diǎn)引出的各路信號都相等。,1-3 方塊圖與流程圖,36,有了方塊圖，就可以根據(jù)變量間的相互作用，按照信號的流向方便地將系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)連接起來，構(gòu)成一個完整的過程控制系統(tǒng)。,1-3 方塊圖與流程圖,例：畫液位控制系統(tǒng)的方塊圖。,37,例：,被控變量,操縱變量,測量值,設(shè)定值,偏差,控制信號,38,例：,儲槽液位,液體流出量,測量值,設(shè)定值,偏差,控制信號,39,為了便于分析，有時將控制器以外的各個環(huán)節(jié)（包括執(zhí)行器、被控對象、測量變送）組合在一起作為一個對象看待，稱之為廣義對象。,1-3 方塊圖與流程圖,4

15、0,例：爐溫控制系統(tǒng)畫方塊圖,1-3 方塊圖與流程圖,41,爐溫控制系統(tǒng)方塊圖,爐溫,煤氣流量,測量值,設(shè)定值,偏差,控制信號,42,畫出如下反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。,1-3 方塊圖與流程圖,43,上述控制系統(tǒng)方塊圖特點(diǎn),1-3 方塊圖與流程圖,被控變量,操縱變量,測量值,設(shè)定值,偏差,控制信號,閉環(huán)控制系統(tǒng)：環(huán)節(jié)的任何一個信號，只要沿箭頭方向流動，最終總會回到它的起始點(diǎn)，把這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。,44,開環(huán)控制系統(tǒng)：不具備這種特性的系統(tǒng)。,1-3 方塊圖與流程圖,例：所謂全自動洗衣機(jī),給水,洗滌,啟動,排水,給水,漂洗,排水,脫水,停止,“程序控制系統(tǒng)，又稱順序控制系統(tǒng)”,45

16、,反饋： 閉環(huán)控制系統(tǒng)中，輸出變量（或信號）沿著回路中的信號流動方向總會返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值進(jìn)行比較。這種把系統(tǒng)（或方塊）的輸出信號引回到系統(tǒng)輸入端的做法叫做反饋。 若反饋信號（被控變量的測量值z）與給定值信號的方向相反，即反饋信號z 取負(fù)值，則叫做負(fù)反饋。 測量信號與給定值信號方向相同，則叫做正反饋。,1-3 方塊圖與流程圖,46,1-3 方塊圖與流程圖,閉環(huán)控制系統(tǒng)是靠負(fù)反饋來達(dá)到控制的目的。 例：儲槽液位控制系統(tǒng)；爐溫控制系統(tǒng),47,爐溫控制系統(tǒng)方塊圖,爐溫,煤氣流量,測量值,設(shè)定值,偏差,控制信號,48,閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是利用負(fù)反饋原理，根據(jù)偏差進(jìn)行工作的。 正因?yàn)槿绱?，閉環(huán)

17、控制系統(tǒng)又被稱為反饋控制系統(tǒng)。,1-3 方塊圖與流程圖,49,二、工藝控制流程圖 在進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)時，自控專業(yè)人員必須與工藝專業(yè)人員協(xié)作，按工藝流程的順序和要求，將所確定的控制方案標(biāo)注到工藝流程圖中。 將控制點(diǎn)和控制系統(tǒng)與工藝流程圖相結(jié)合的圖形文檔就稱為工藝控制流程圖，或稱為帶有控制點(diǎn)的工藝流程圖。,1-3 方塊圖與流程圖,50,圖1-7 液體貯槽的工藝控制流程圖 圖中所示，工藝控制流程圖主要是由工藝設(shè)備、管道、元件以及構(gòu)成控制系統(tǒng)的儀表符號及信號線等圖形符號組成。,1-3 方塊圖與流程圖,51,儀表圖形符號： 儀表圖形符號是直徑為12mm的細(xì)實(shí)圓圈，并在其中標(biāo)有儀表位號。 儀表圖

18、形符號可用來表達(dá)工業(yè)自動化儀表所處理的被測變量和功能，還可以表示儀表或元件的名稱。,1-3 方塊圖與流程圖,52,儀表位號按被測變量不同進(jìn)行分類。 同一個裝置（或工段）的同類被測變量的儀表位號中順序號是連續(xù)的。 標(biāo)注儀表位號的方法是：字母代號填寫在圓圈上半圓中，數(shù)字編號填寫在下半圓中。,1-3 方塊圖與流程圖,儀表位號由字母代號和數(shù)字編號組成,53,表1-1 列出了在儀表位號中用到的被測變量和儀表功能的字母代號。 表1-2 則給出了常見的字母組合。,1-3 方塊圖與流程圖,54,1-3 方塊圖與流程圖,55,1-3 方塊圖與流程圖,56,57,圖1-7中采用了一臺液位變送器（LT ) ，一臺液

19、位控制器（LC ）和一個用于控制液位的執(zhí)行器（LV ）。 教材中所畫的工藝控制流程圖中，由于回路數(shù)較少，故將數(shù)字編號省略了。,1-3 方塊圖與流程圖,58,畫出如下反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)的工藝控制流程圖。,1-3 方塊圖與流程圖,溫度變送器,控制器,59,一、過渡過程 過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)。 靜態(tài)：系統(tǒng)的被控變量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)，稱為靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）； 動態(tài)：系統(tǒng)的被控變量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)，稱為動態(tài)。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),60,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),過渡過程：生產(chǎn)過程從一個平衡狀態(tài)到達(dá)另一個平衡狀態(tài)的動態(tài)歷程稱為過渡過程。 它反映了被控變量隨時間的變換規(guī)律

20、。,61,為了便于了解控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，通常是在系統(tǒng)的輸入端施加一些特殊的試驗(yàn)輸入信號，然后研究系統(tǒng)對該輸入信號的響應(yīng)。 最常采用的試驗(yàn)信號是階躍輸入信號，其作用方式如圖所示。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),62,過渡過程幾種典型形式： 非衰減振蕩過程： 圖(a)所示，其特點(diǎn)是被控變量在給定值的某一側(cè)作緩慢變化，沒有來回波動，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),63,過渡過程幾種典型形式： 衰減振蕩過程： 圖（b）所示，其特點(diǎn)是被控變量在給定值附近上下波動，但幅度逐漸減小，經(jīng)過幾個振蕩周期后，逐漸收斂在某一數(shù)值上。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),64,等幅振蕩過程： 圖1-10（

21、c）所示，其特點(diǎn)是被控變量在給定值附近來回波動，且波動幅度保持不變。 發(fā)散振蕩過程： 圖1-10(d）所示，其特點(diǎn)是當(dāng)干擾進(jìn)入系統(tǒng)后，使被控變量開始產(chǎn)生振蕩，控制作用不僅無法將被控變量穩(wěn)定到給定值上，反而使振蕩的幅度越來越大。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),65,二、性能指標(biāo) 以衰減振蕩過程的形式討論： 假設(shè)性能指標(biāo)的出發(fā)點(diǎn)是以控制系統(tǒng)原先所處的平衡狀態(tài)時刻的被控變量y(0)作為基準(zhǔn)值，且被控變量等于給定值。 從t=O 的時刻開始，系統(tǒng)受到階躍輸入作用，于是被控變量開始變化。經(jīng)過一段時間的衰減振蕩后，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)，使被控變量穩(wěn)定在y()。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),66,1-4 過渡過

22、程和性能指標(biāo),在干擾作階躍變化時，被控變量的響應(yīng)曲線如圖所示。,67,控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)： 1、最大偏差emax：干擾作用下的定值控制系統(tǒng)，最大偏差是指在過渡過程中，被控變量的第一個波峰值與給定值的差。,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),最大偏差是描述被控變量偏離給定值程度的物理量。 衡量控制系統(tǒng)動態(tài)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。,68,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),第二種情況： 在給定值作階躍變化時，被控變量的響應(yīng)曲線如圖所示。,69,給定值變化的隨動系統(tǒng)，通常采用超調(diào)量這一性能指標(biāo)來表示被控變量偏離給定值的程度。 超調(diào)量的定義為,1-4 過渡過程和性能指標(biāo),超調(diào)量,70,2余差e()：余差又稱殘余偏差，是指在過渡過程終了時，系統(tǒng)的給定值與被控變量新穩(wěn)態(tài)值之間的差值。 余差是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。,1-4 過渡過程和性能