化工自动化讲义

化工自动化讲义××大学化工与高分子科学系朴哲2003.8绪论二、什么是化工自动化三、实现化工生产过程自动化的目的(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。一、学习本课程的目的和意义化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替换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，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。四、化工自动化发展概况1）20世纪40年代以前，绝大多数化工生产处于手工操作状况。20世纪50~60年代，人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。20世纪70年代，化工自动化技术又有了新的发展。在自动技术工具方面，仪表的更新非常迅速，特别是计算机在自动化中发挥越来越重要的作用，这对常规仪表产生了，—系列的影响。近年来，现代自动化技术由生产过程在工重要参数的控制已发展为综合自动化，其应用的领域和规模越来越大，控制与管理—体化的系统已提到议事日程。五、学习要求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；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。第一章自动控制系统基本概念第一节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。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。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。第二节自动控制系统的组成1.人工操作（或人工控制）(1)检测用眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。（2）运算(思考)、命令大脑根据眼睛看到的液位高度、加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。(3)执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Qo，从而使液位保持在所需高度上。2.自动控制系统（1）测量元件与变送器它的功能是测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、统一的输出信号(如气压信号或电压、电流信号等)；（2）自动控制器它接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的液位高度相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号(气压或电流)发送出去；（3）执行器通常指控制阀，它与普通阀门的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。(4)被控对象工艺设备（或其一部分）或管道。*自动化系统：被控对象（工艺设备，管道或其一部分）+自动化装置。第三节工艺管道及控制流程图一、图形符号1．测量点(包括检出元件、取样点)2．连接线3．仪表(包括检测、显示、控制)的图形符号二、字母代号三、仪表位号第四节自动控制系统方块图控制系统的特点：闭环系统；具有负反馈。反馈：正反馈负反馈负反馈的作用第五节自动控制系统的分类一、按被控变量来分类，温度、压力、流量、液位控制系统。二、按控制器具有的控制规律来分类，比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统。三、按给定值是否变化和如何变化来分类，1．定值控制系统2．随动控制系统(自动跟踪系统)3．程序控制系统(顺序控制系统)第六节自动控制系统的过渡过程和品质指标一、控制系统的静态与动态在自动化领域中,把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。静态的特点：系统输入x、f不变，系统输出y不变，其他量如z、e、p、q均不变，但生产照常进行。静态是相对而暂时的。动态的特点：输入变化引起输出变化，其他量也跟着变化，以求系统建立新平衡。动态是经常和绝对的。自动控制系统的过渡过程：自动控制系统在动态过程中，被控变量是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程，也就是说，系统从一个平衡状态（静态）经过动态过渡到另一个新的平衡状态的过程。二、控制系统的过渡过程系统在过渡过程中，被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰，如图1—12所示。阶跃干扰（阶跃输入）的特点：比较突然、比较危险、对被控变量的影响最大，如果一个系统，能有效地克服这类干扰，对其他干扰就能很好地克服，同时数学处理和分析简单。根据系统输入不同过渡过程可分两类：1）f↑→y↑→z↑→e↓→p↓→q↓→y↓2）x↑→e↑→p↑→q↑→y↑→z↑→e↓三、过渡过程的基本形式1．非周期衰减过程被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为非周期衰减过程，如曲线(a)所示。2．衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式为衰减振荡过程，如曲线(b)所示。3．等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变，这种情况称为等幅振荡过程，如曲线(c)所示。4．发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定位越来越远，这种情况称为发散振荡过程，如曲线(d)所示。以上过渡过程的四种形式可以归纳为三类。(1)过渡过程(d)是发散的，称为不稳定过渡过程，应竭力避免。(2)过渡过程(a)和(b)都是衰减的，稳为稳定过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态，这是所希望的。对于非周期的衰减过程，由于过渡过程变化较慢，被控变量在控制过程中长时间地偏离给定值，而不能很快恢复平衡状态，所以一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。对于衰减振荡过程．由于能够较快地使系统达到稳定状态，所以在多数情况下，都希望自动控制系统在阶跃输入作用下，能够得到如曲线(b)所示的过渡过程。(3)过渡过程形式(c)介于不稳定与稳定之间，一般也认为是不稳定过程，生产上不能采用。只是对于某些控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡〔主要指在位式控制时〕，那么这种过渡过程的形式是可以采用的。四、控制系统的品质指控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。由于在多数情况下振荡过程，所以取衰减振荡的过渡过程形式来讨论控制系统的品质指标。自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如图所示。这是属于衰减振荡的过渡过程。控制系统的质量,习惯上采用过渡过程的下列几个品质指标来评价：1．最大偏差或超调量最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值，在图中以A表示。有时也可以用超调量来表征被控变量偏离给定值的程度。在图中超调量以B表示。从图中可以看出，超调量B是第一个峰值A与新稳定值C之差，即B＝A一C。2．衰减比衰减比是表示衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。在图中衰减比是B：B’。习惯上表示为n：1。一般取4：1~8：1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，能比较快地达到一个峰值，然后马上下降又较快地达到一个低峰值，而且第二个峰值远远低于第一个峰值。3.余差当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差,或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差，在图中以C表示。偏差的数值可正可负。4．过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止．过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般是在稳态值的上下规定一个小的范围，当被控变量进入这一范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束。这个范围一般定为稳态值的士5%(也有的规定为士2%)。按照这个规定，过渡时间就是从干扰开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的±5％(或土2％)的范围内且不再越出时为止所经历的时间。5．振荡周期或频率过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。还有一些次要的品质指标，其中振荡次数，是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。上升时间也是一个品质指标。它是指干扰开始作用起至第一个波峰时所需要的时间。显然，上升时间以短一些为宜。综上所述，过渡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间等。例题某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图l—15所示。试分别求出最大偏差、余差、袁减比、振荡周期和过渡时间(给定值为2000C)。解:最大偏差：A＝230一200＝300C余差C＝205—200＝50C由图上可以看出，第一个波峰值B＝230一205＝250C，第二个波峰值B’＝210—205＝50C衰减比应为B：B’＝25：5＝5：1。振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20一5＝15(min)过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的土2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝土40C，这时，可在新稳态值(2050C)两侧以宽度为土40C画一区域，固1—15中以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再超出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。作业：21题作业：21题某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10oC)。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80oC。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1—18所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、越调量、衰减比和振荡周期，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？第二章被控对象的数学模型第一节化工对象的特点及其描述方法一、化工对象的特点1.对控制质量影响程度相差很大2.类型繁多，特性相差悬殊3.非线性、分布参数较多二、对象特性所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。在建立对象数学模型(建模)时，一般将被控变量看作对象的输出量，有时也叫输出变量，