第一章测量仪表及自动化

测量仪表与自动化电子工程学院自动化系沙林秀测量仪表与自动化课时安排授课内容有侧重点。教学（50学时）实验教学（4学时）考查方式闭卷考试卷面成绩70％，平时成绩30％（作业+提问）备注：平时点名的原则：第一次点名没到扣总成绩的30%，第二次点名没到扣总成绩的20%。主要参考书目1.化工仪表及自动化（第五版）厉玉鸣主编，化学工业出版社2.化工仪表及自动化习题集厉玉鸣主编，化学工业出版社3.过程控制工程蒋慰孙俞金寿编著，石化工业出版社4.自动化仪表与过程控制施仁刘文江编；电子工业出版社测量仪表与自动化第一章绪论第二章检测仪表与传感器（测量元件及变送）第三章执行器第四章自动控制仪表第五章简单控制系统第六章过程特性及其数学模型（建模）第七章复杂控制系统（过程控制工程）第八章典型过程单元控制目的和意义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。它是化工、炼油、食品及轻工等化工类型生产过程的简称。实现化工自动化的目的是：①加快生产速度，降低生产成本，提高产品数量和质量。②降低劳动强度，改善劳动成本。③确保生产安全，提高设备的利用率，延长设备的寿命。目的和意义学习本课程的意义在于：化工生产过程自动化是将自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科的一门综合性的技术学科。熟悉生产过程自动化实现方法及控制原理，扩大知识面，为日后的工作实际中完成相关自动控制工程设计打下基础；适应生产现代化需要；扩大就业途径。化工自动化的发展历程1950s~1960s单元组合式仪表基地式气动单元仪表，基地式电动单元仪表，膜片式仪表。为化工单元操作的发展提供了技术支撑。1970s~1980s单元组合Ⅱ型仪表：QDZⅡ，DDZⅡ1990s~单元组合Ⅲ型仪表：QDZⅢ，DDZⅢ第一章自动控制系统基本概念第一节化工自动化的主要内容第二节自动控制系统的组成及方框图★第三节自动控制系统的表示方法第四节自动控制系统的分类第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标★-控制系统的静态与动态–控制系统的过渡过程–控制系统的品质指标–影响控制系统过渡过程品质的主要因素第一节化工自动化的主要内容1.自动检测系统2.自动保护及报警3.自动操纵及启停系统4.自动控制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，起到人的眼睛的作用。图1-1热交换器自动检测系统示意图当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。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。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数值范围内。第二节自动控制系统的组成要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器手动控制图1-2人工操作图第二节自动控制系统的组成要求观察思考调节变换显示记录调节给定值执行机构检测仪表记录仪显示器调节器图1-3液位自动控制系统图第二节自动控制系统的组成自动控制系统的组成组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器第三节自动控制系统的表示方法1.方块图表示方式方块图中，x指设定值；z指输出信号；e指偏差信号；p指控制器的发出信号；q指出执行器的输出信号；y指被控变量；f指扰动作用。当x取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；当x取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。图1-4液位自动控制系统方块图第三节自动控制系统的表示方法*用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统图1-5蒸汽加热器温度控制系统当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。TC第三节自动控制系统的表示方法2.工艺管道及控制流程图（PID图）：确定工艺流程和控制方案，根据工艺设计给出的流程图；按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。控制流程图符号意义序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表4集中仪表盘后安装仪表嵌在管道中2集中仪表盘面安装仪表5就地仪表盘后安装仪表3就地仪表盘面安装仪表控制流程图字母意义字母第一位字母后继字母字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能被测变量修饰词功能A分析报警P压力C电导率控制Q数量积分累积D密度差R放射性记录E电压S速度安全开关F流量比T温度传送I电流指示V粘度阀K时间W力L物位YM水分Z位置执行机构图1-12脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例右图是乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例序号安装位置图形符号1就地安装仪表2集中仪表盘面安装仪表3就地仪表盘面安装仪表控制流程图字母意义举例以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能。塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一位字母P表示被测变量为压力，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的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维持塔压稳定的。控制流程图字母意义回流罐液位控制系统中的LIC-201是一台具有指示功能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维持回流罐中液位稳定的。塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸汽量来维持塔底温度恒定的。塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持塔釜液位稳定的。门站压差指示压力指示温度指示第四节自动控制系统的分类按被调参数分类：流量控制、温度控制、压力控制、物位控制等；按控制规律分类：比例控制、比例微分控制、比例积分控制、比例微分积分控制按给定信号分类：定值控制系统：给定值为常数；随动控制系统：给定值为变数，要求跟随变化；程序控制系统：按预定时间顺序控制参数。按控制信号种类分类：气动控制系统，电动控制系统其中第三种分类方法最普遍“定值”是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用使得被控制工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。(物料出口温度控制)1.定值控制方法2.随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化，该系统的目的就是使被控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。（PH值控制）3.程序控制系统（顺序控制系统）给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。（金属热处理温度控制）按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。如：给定值被控变量干扰f控制器检测变送器执行器被控对象+e实测值－反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。2）开环控制系统控制系统没有被控变量的反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。如：设定值被控量干扰f控制器执行器被控对象开环控制系统原理框图3）复合控制系统前馈与反馈相结合，优势互补。如：给定值被控变量干扰f控制器1变送器1执行器被控对象+e实测值－变送器2控制器2++前馈-反馈复合控制系统原理框图基本原理：根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，是控制维持在设定值上小结–自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。–与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输入端的。举例化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子。自动操纵装置对象操纵作用工艺参数操纵指令小结开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。比较闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标一、控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程：–在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值和在控制作用下，接近给定值或跟随给定值变化的过程。控制系统的动态特性–被控参数向给定值变化过程的特性。控制系统的静态特性–经过控制作用后，被控参数处于稳定范围时的特性。第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标静态：当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标一、控制系统的过渡过程系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。举例图1-7控制系统方块图干扰第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标一、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，其中常用的是单位阶跃干扰。（采用阶跃干扰的分析系统的原因：干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大；这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。）第五节自动控制的过渡过程和系统品质指标飞升曲线：(单位阶跃响应曲线)–在单位阶跃输入（因扰动或设定值变化，使被控参数和设定值之间出现阶跃性变化）下，过渡输出参数的变化曲线。输入量时间t0t0自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程（响应、飞升曲线）的四种形式3.等幅振荡过程1.非周期衰减过程0t0yy0t004.发散振荡过程tt0t2.衰减振荡过程yty0t0t对于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），才可采用。1.系统阶跃响应的性能指标性能指标包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面的评价。二、控制性能指标控制系统的过渡过程是衡量系统品质的依据。控制性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。1）衰减比n和衰减率ψ设第一个波振幅为y1、第三个波振幅为y3闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy(∞)TpTSTt13yny13111yyyn•给定值•稳态值衰减比n和衰减率ψ是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。衰减比n与衰减率ψ之间有简单的对应关系：n=4:1~10:1就相当于ψ=75%～90%yry1y3Cy(∞)TpTSTt最大动态偏差是控制系统动态准