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化工仪表自动化四川理工学院电信系自动化教研室2课程介绍课程名称：化工仪表自动化学时（学分）：40（3/2.5）类型：专业选修课、考查课教材：厉玉鸣.化工仪表及自动化（第四版）[M].北京:化学工业出版社，20063课程特点课程内容涵盖面广化工原理自动控制原理检测技术控制仪表及装置过程计算机控制集散控制系统现场总线控制系统内容以叙述性为主，理论推导较少4课程任务《化工仪表自动化》是综合性较强、跨多门学科的一门专业课程，通过本课程的学习，使学生掌握最基本的过程控制方面的知识，对常见过程参数的测量原理、常规仪表的基本功能、自动控制系统基于微分方程的基本分析方法等有一个基本性的及系统性的了解。便于在生产实践中能根据生产工艺及自动控制两个方面的要求，为自动控制系统的设计提供合理的、准确的工艺条件及数据。选用适当的自动化仪表和计算机等装置组成实用型过程控制系统。5学习及考核学习方式：课堂讲授+同学自学总评成绩=平时×40%+期末测试×60%平时成绩=课堂回答问题10%+作业及小测验30%答疑安排每周二晚19:00-21:00实验楼5416参考书目1.侯志林.过程控制与自动化仪表[M].北京:机械工业出版社，20032.杨丽明，张光新.化工自动化及仪表[M].北京:化学工业出版社，20043.王化祥.自动检测技术[M].北京:化学工业出版社，20044.张毅.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京:化学工业出版社，20057绪论目的2发展历程33化工自动化的定义31学习目的48化工自动化的定义在化工等连续性生产设备上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，称为化工自动化。9实现化工自动化的目的1.加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。2.减轻劳动强度，改善劳动条件。3.能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。4.生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。10实现化工自动化的目的（续）高岭土在不同温度下煅烧时，其化学反应式如下：550~700225423229252322322110023223221400232232()[]2[]22(2)[]23[]23[]2()[]3()[]32[CCCCAlSiOOHAlOSiOHOAlOSiOAlOSiOSiOAlOSiOAlOSiOSiOAlOSiOAlOSiO高岭石偏高岭石偏高岭石硅尖晶石硅尖晶石似莫来石似莫来石2][]SiO莫来石方石英11化工自动化的发展历程1.20世纪40年代•手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程。2.20世纪40年代末～50年代•自动化仪表：采用基地式仪表和部分单元组合仪表（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）•控制理论：以反馈为中心的经典控制理论•控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统12化工自动化的发展历程（续）3.20世纪50年代～70年代•自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。•控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论，传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。•控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。13气动基地式仪表KFL现场型基地式气动液位指示调节仪14电动基地式仪表LD301压力差压变送器15气动单元组合仪表气动指示记录仪气动调节仪16电动单元组合仪表17使用常规仪表的中央控制室18化工自动化的发展历程（续）4.20世纪70～80年代•自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制装置。集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC机（工控机）和数字控制器等，已成为控制装置的主流。•控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论，传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域。•控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。19化工自动化的发展历程（续）5.20世纪90年代至今•自动化仪表：信息技术飞速发展，现场总线控制系统（FCS）的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。出现各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪。•控制理论：人工智能、神经网络控制。•控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。20早期的DCS控制系统21现代的DCS控制系统22现代FCS操作室23学习目的应能了解化工自动化的基本知识、理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用；能根据工艺要求、与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能在工艺设计或技术改造中、与自控设计人员密切合作，综合考虑工艺与控制两个方面，并为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，能了解化工对象的基本特性及其对控制过程的影响；能了解基本控制规律及其控制器参数与被控过程的控制质量之间的关系，能了解主要工艺参数(温度、压力、流量及物位)的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点；24学习目的（续）在生产控制、管理和调度中、能正确地选用和使用常见的测量仪表和控制装置，使它们充分发挥作用；能在生产开停车过程中，初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定；能在自动控制系统运行过程中，发现和分析出现的一些问题和现象，以便提出正确的解决办法；能在处理各类技术问题时，应用一些控制论、系统论、信息论的观点来分析思考，寻求考虑整体条件、考虑事物间相互关联的综合解决方法。25第一章自动控制系统基本概念自动控制系统的组成2自动控制系统的分类33化工自动化的主要内容31过渡过程和品质指标4工艺管道及控制流程图35261.1化工自动化的主要内容1.自动检测系统利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的，称为自动检测系统。它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录、因此起到人的眼睛的作用。271.1化工自动化的主要内容2.自动信号和联锁保护系统生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响，导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常情况时，就有引起事故的可能。为此，常对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。3.自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。281.1化工自动化的主要内容4.自动控制系统生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联着，当其中某一设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些参数或多或少地波动，偏离了正常的工艺条件，为此。就需要用一些自动控制装置，对生产中某些关键性参数进行自动控制、使它们在受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。291.2自控系统的基本组成及方块图一．人工控制：自动控制的基础检测运算(思考)执行301.2自控系统的基本组成及方块图人工控制系统的组成：眼睛—观察玻璃管液位计(测量元件)指示的高度。头脑—将液位高度与期望高度进行比较，经过思考估算出需要改变的流出量，然后发出控制命令。手—根据命令改变出口阀门开度，相应地增减流量，使液位保持在合理的范围内。阀门、对象。311.2自控系统的基本组成及方块图机械化人工控制向自动控制转变人脑眼睛四肢控制器检测装置执行器321.2自控系统的基本组成及方块图二．自动控制以液体贮槽的液位控制为例，来说明工业过程控制系统的基本构成。331.2自控系统的基本组成及方块图该系统是由两部分构成的：控制装置：起到控制作用的全套仪表、自动装置。通常包括测量元件、变送器、控制器和执行器等。被控对象：控制装置所要控制的生产设备。该系统的任务：当被控对象受到干扰使被控参数产生偏差时，能够及时检测并反馈到控制器，通过控制器产生控制信号，调节阀门开度使被控参数回到给定值。341.2自控系统的基本组成及方块图变送器—检测并变换成统一标准信号送到控制器（相当于人的眼睛）控制器—接收变送器信号与液位期望值进行比较，根据偏差按某种规律运算，结果送给执行器（相当于人的大脑）执行器—将控制器指令信号转换成相应的位移信号，驱动阀门动作，改变液体流出量，实现液位的自动控制（相当于人的手）。351.2自控系统的基本组成及方块图三．方框图方框图是从信号流的角度出发，依据信号的流向将组成控制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达方式。对自动控制系统进行分析研究时，经常用方框图来表示一个自动控制系统的组成。361.2自控系统的基本组成及方块图环节在方框图中，每个组成部分用一个方框表示并标上该组成部分的名称，称之为环节。一个方框可以对应于一个元件、一个设备或几个设备的组合，或一个局部的生产过程。环节371.2自控系统的基本组成及方块图输入和输出箭头指向方框的信号X表示该环节的输入，称为输入变量。箭头离开方框的信号Y表示该环节的输出，称为输出变量。箭头所指的方向就是信号的流向，它表明信号的作用方向。环节XY381.2自控系统的基本组成及方块图相加点C=A+BC=A-B分支点B=C=AACBACBABC391.2自控系统的基本组成及方块图给定值（设定值）按照生产工艺的要求为被控变量规定的所要求达到或保持的数值称为给定值。被控变量对象中需要进行控制（保持数值在某一范围内或按预定规律变化）的物理量称为被控变量。操纵变量受到控制装置的操纵，用以使被控变量保持在设定数值的物料或能量的表示参数称为操纵变量。401.2自控系统的基本组成及方块图操纵介质具体实现控制作用的物料叫操纵介质。干扰（扰动）除操纵变量外，作用于对象并使被控变量发生变化的因素称为干扰。偏差在理论上偏差应该是给定值与被控变量的实际之差。但是我们只能获得测量值，所以通常把给定值与测量值之差作为偏差。41例题下图为一换热器的控制系统流程图。问：被控变量？操纵变量？被控对象？画出控制系统方框图。42例题被控变量：物料出口温度操纵变量：蒸汽流量被控对象：换热器换热器控制系统方框图：控制器阀门换热器温度检测干扰给定值测量值偏差控制信号蒸汽流量出口温度431.2自控系统的基本组成及方块图同一形式的方框图可以代表不同的控制系统。控制器执行器对象测量变送干扰给定值测量值偏差控制信号操纵变量被控变量xzepqyF441.2自控系统的基本组成及方块图表示方法：方块图表示流程图表示+给定值x测量值-z变送器ep调节作用调节器q被调参数y干扰作用f调节对象控制器控制器输出进料出料TCTT凝液蒸汽区别？451.2自控系统的基本组成及方块图四．闭环负反馈把系统或环节的输出信号或经过一些环节重新返回输入端的做法叫做反馈。如何区别正反馈和负反馈？46练习题A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度。试分别指出控制对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量的干扰是什么？画出该温度控制系统的方块图。TCAB47练习题在下面一段文章中，试分别指出被控变量、操作变量、干扰、控制对象、控制方式。“发动机内的燃烧是由空气燃料比(空气量／燃料喷射量)来控制。通过控制燃料喷射量，使空气与燃料的比值保持一定，不受空气量变化影响，特别是消除外部干扰的影响。”481.3自动控制系统的分类多种分类方法：1.按被控变量分类：温度、压力、流量、液位等2.按控制规律分类：比例P(Propotional)、比例积分PI(PropotionalIntegral)、比例积分微分PID(