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冶金过程控制基础及应用授课教师：吕国志授课班级：冶1305-1308授课时间：1-10周本科生课程第一章控制系统的基本概念概念1成套过程装置是组成过程工业的工作母机群，它通常是一系列的过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，既能平稳连续地把以流体为主的各种流程性材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程性材料产品。第一节概述概念2过程装备单元过程设备（如塔、换热器、反应器与储罐等）与单元过程机器（如压缩机、泵与分离机等）二者统称。第一节概述第一节概述概念3：过程装备控制：是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使设计、制造、装备、安装等在不同程度上自动地进行。第一章控制系统的基本概念第一节概述概念4：生产过程自动化：利用自动化装置来管理生产过程的方法。第一章控制系统的基本概念问题一：生产过程自动化系统包含的内容？四个部分的内容：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统第一章控制系统的基本概念第一节概述1.自动检测系统采用各种检测仪表(如热电偶、热电阻、压力传感器等)自动连续地对各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位等)进行测量，并将测量结果用仪表(如动圈仪表、电子电位差计等)指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送给控制系统，作为自动控制的依据。第一章控制系统的基本概念第一节概述作用：通过随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况，来控制不断进行着各种物理化学变化的生产过程。第一章控制系统的基本概念第一节概述8220系列压力变送器是瑞士trafag公司新推出的溅射薄膜通用产品之一，具有较高的精度，耐高温，小巧紧凑。精度高，耐腐蚀，耐高温，您最好的选择8891瑞士Trafag公司为世界知名的压力传感器生产商。其液压系统专用的8891（8251）系列是欧洲著名品牌，有着很大的市场份额。在中国很多直接从欧洲进口的机械设备中都能见到该款产品的身影。好产品能经的起时间的考验。MST系列温度传感器变送器广泛应用于电力、石油、化工、建材、科研等行业的温度测量。磁致伸缩位移传感器是采用磁致伸缩原理开发而成的高精度超长行程绝对位置测量传感器，它不但可以测量运动物体的直线位移，同时给出运动物体的位移速度模拟信号，极为方便的多种输出方式可满足各种测量、控制、检测的要求；由于采用非接触测量方式，不致由于摩擦、磨损等原因造成传感器的使用寿命降低电流传感器，安装于印刷线路板上。其优点在于：出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强。主要应用于：交流变频调速、伺服电极，直流电机牵引的静电转化，电池电源，不间断电源开关电源和电焊机电源。采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构尺寸小，安装方便频响高，精度高，输出mV信号，性能稳定可靠适用于各种动、静态，气、液体介质的压力测量LUGB-A型系列智能涡街流量计是以涡街流量传感器为主体,以微功耗单片微处理器为核心的现场显示型仪表。该仪表采用的微机技术与微功耗技术，功能强、结构紧凑、操作简单，是石油、化工、电力、冶金等行业流体计量的理想仪表。该仪表可用来测量液体、气体和蒸汽的流量第一章控制系统的基本概念第一节概述2.信号联锁系统信号联锁系统是一种安全装置。在生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响会导致某些工艺变量超出允许的变化范围，使生产不能正常运行。严重时甚至会引起燃烧、爆炸等事故。为了确保安全生产，常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置。第一章控制系统的基本概念第一节概述作用：是在事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施。若工况已接近危险状态，信号联锁系统将启动：打开安全阀，切断某些通路或紧急停车，从而防止事故的发生或扩大。第一章控制系统的基本概念第一节概述3.自动操纵系统这是一种根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。例如，合成氨造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的，如自动进行吹风、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期性地接通空气与水蒸气，实现自动操纵。第一章控制系统的基本概念第一节概述4.自动控制系统利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围之内，从而保证生产的正常进行。问题二：过程装备控制的内容？过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数进行控制。主要参数：第一章控制系统的基本概念第一节概述温度压力流量液位（物位）成分物性问题三：工业生产过程对过程装备控制的要求？很多，主要有三项要求：安全性经济性稳定性第一章控制系统的基本概念第一节概述第一章控制系统的基本概念第一节概述1.安全性是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。方法：通常是采用越限报警、事故报警和连锁保护等措施加以保证。随着控制技术和计算机技术的不断发展，在线故障预测和诊断、容错控制等技术可以进一步提高系统的安全性。第一章控制系统的基本概念第一节概述2.经济性是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少。也就是要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。第一章控制系统的基本概念第一节概述3.稳定性是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。在生产过程中，原材料成分变化、反应器内催化剂老化、换热器表面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。问题四：过程装备控制的任务？在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等相结合而构成的一门综合性应用科学。第一章控制系统的基本概念第一节概述第二节控制系统的组成一、过程装备的控制工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的范围之内。为了实现控制要求，通常有两种方式可以选择：人工控制和自动控制。下面以锅炉汽包水位控制为例，说明人工控制与自动控制的执行过秤。第一章控制系统的基本概念第一章控制系统的基本概念（a）人工控制（b）自动控制图1-1锅炉水位控制示意图第二节控制系统的组成自动控制与人工控制比较：在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替人工控制中人的观察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度远远高于人的观察、思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。第一章控制系统的基本概念第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念二、控制系统的组成由两大部分组成：起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表、变送器、控制仪表以及执行器等；自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换热器等。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念图1-1(b)中，锅炉、差压变送器、调节器、执行器等构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念1.被控对象在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象，简称对象。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念在化工生产中，各种塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器、贮罐、贮槽，甚至一段输送流体的管道或者复杂塔器(如精馏塔)的某一部分都可以是被控对象。图1-1中的锅炉即为锅炉汽包水位控制系统中的被控对象。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念2.测量元件和变送器测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号(电流信号或气压信号)的仪器，在自动控制系统中起着“眼睛”的作用，因此要求准确、及时、灵敏。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念3.调节器又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值信号进行比较，得到偏差信号：根据这个偏差的大小按一定的运算规律计算出控制信号，并将控制信号传送给执行器。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念4.执行器接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能量或物料量。最常用的执行器是气动薄膜调节阀。当采用电动调节器时，调节阀上还需增加一个电气转换器。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念5.辅助装置例如给定装置、转换装置、显示仪表等。其中显示仪表可以是单独的仪表，也可以是测量仪表、变送器和调节器里附有的显示部分。第二节控制系统的组成第一章控制系统的基本概念第三节控制系统的方框图定义：在研究控制系统时，为了能够更清楚地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息联系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。第一章控制系统的基本概念第三节控制系统的方框图图1-2简单控制系统方框图21第一章控制系统的基本概念环节：图中的每一个方框代表控制系统的一个组成部分，称为“环节”。环节具有单向性，即任何环节只能由输入得到输出，不能逆行。加法器：方框图中的圆圈称为“加法器”，用于信号相加或相减，当两个信号相减即e=ys–ym，又称为比较元件。第三节控制系统的方框图第一章控制系统的基本概念箭头：连接两个环节的带箭头的线条表示控制系统中传递的信息，也就是系统中各环节输入输出的变量。箭头指出了信息的作用方向：箭头送入的信息为该环节的输入信号，箭头送出的信息为该环节的输出信号。每一个环节输出信号与输入信号之间的关系仅取决于该环节自身的特性。从整个系统来看，给定值信号和干扰信号是输入信号，被控变量或其测量值是系统的输出信号。第三节控制系统的方框图第一章控制系统的基本概念方框图中一些控制系统常用术语：被控变量y：需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器温度、燃料流量等。它是被控对象的输出信号。在控制系统方框图中，它也是自动控制系统的输出信号。但它是理论上的真实值，由测量变送器输出的信号是被控变量的测量值ym。第三节控制系统的方框图第一章控制系统的基本概念给定值(或设定值)ys：对应于生产过程中被控变量的期望值。当其值由工业调节器内部给出时称为内给定值。最常见的内给定值是一个常数，它对应于被控变量所需保持的工艺参数值；当其值产生于外界某一装置，并输入至调节器时称为外给定值。第三节控制系统的方框图第一章控制系统的基本概念测量值ym：由检测元件得到的被控变量的实际值。操纵变量（或控制变量）m：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号。在图l-1所示的例子中，就是锅炉的给水流量。化工、炼油等上厂中流过调节阀的各种物料或能量，或者由触发器控制的电压或电流都可以作为操纵变量。第三节控制系统的方框图第一章控制系统的基本概念干扰（或外界扰动）f：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。最常见的干扰因素是负荷改变，电压、电流的波动，气候变化等。锅炉水位控制中，蒸汽用量的变化就是一种干扰。第三节控制系统的方框图第一章控制系统的基本概念偏差信号e：在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差，而能够直接获取的信息是被控变量的测量值，因此，通常把给定值与测量值的差作为偏差，即e=ys-ym。在反馈控制系统中，调节器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。第三节控制系统的方框图按被控变量的不同按调节器的控制规律按给定值的特点按系统输出信号对操纵变量影响按系统的复杂程度按系统克服干扰的方法第一章控制系统的基本概念第四节控制系统的分类分析自动控制系统的特性时常用分类方法很多：分类一：按被控变量的不同温度控制系统流量控制系统压力控制系统液位控制系统