第一章 儀表及自動化介紹.

1、儲運儀表及自動化（適用于儲運專業(yè)）目的和意義在儲運等生產(chǎn)設(shè)備上，配備一些自動化裝置，代在儲運等生產(chǎn)設(shè)備上，配備一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進行，稱為上自動地進行，稱為儲運自動化儲運自動化。實現(xiàn)化工自動化的目的是：實現(xiàn)化工自動化的目的是：1.加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品數(shù)量和提高產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量。質(zhì)量。2.降低勞動強度，改善勞動成本。降低勞動強度，改善勞動成本。3.確保生產(chǎn)安全確保生產(chǎn)安全學(xué)習(xí)本課程的意義在于：擴大知識面，適應(yīng)生產(chǎn)學(xué)習(xí)本課程的意義在于：擴大知識面，適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)代化需要

2、；擴大就業(yè)途徑。現(xiàn)代化需要；擴大就業(yè)途徑?；ぷ詣踊陌l(fā)展歷程1950s1960 s 基地式氣動單元儀表，基地式電動單元儀表，膜片式儀表。為儲運單元操作的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。1970 s1980 s 單元組合型儀表：QDZ，DDZ 1990 s 單元組合型儀表：QDZ ，DDZ 本課程主要內(nèi)容基本概念 控制系統(tǒng) 控制對象儀器儀表測量顯示調(diào)節(jié)執(zhí)行控制系統(tǒng)（簡單系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)）計算機控制系統(tǒng)（系統(tǒng)構(gòu)成、接口與轉(zhuǎn)換）第一章 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本概念第一節(jié) 自動化的主要內(nèi)容第二節(jié) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成第三節(jié) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的表示方法第四節(jié) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類第五節(jié) 自動調(diào)節(jié)的過渡過程和系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)第一節(jié) 自動

3、化的主要內(nèi)容自動檢測自動保護與報警自動操縱與啟停自動調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成要求觀察思考調(diào)節(jié)變換顯示記錄調(diào)節(jié)給定值執(zhí)行機構(gòu)檢測儀表記錄儀顯示器調(diào)節(jié)器四四部分：測量儀表、顯示記錄儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)部分：測量儀表、顯示記錄儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)+給定值x測量值-z變送器ep調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)器q被調(diào)參數(shù)y干擾作用f調(diào)節(jié)對象控制器控制器輸出第三節(jié) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的表示方法方塊圖表示方式流程圖表示方式進料出料TCTT凝液蒸汽自動控制的基本概念 1.1自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 飛球調(diào)節(jié)器的發(fā)飛球調(diào)節(jié)器的發(fā)明進一步推動了明進一步推動了蒸汽機的應(yīng)用，蒸汽機的應(yīng)用，促進了工業(yè)生產(chǎn)促進了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。的發(fā)展。 圖

4、1.1 飛球調(diào)節(jié)器原理圖 關(guān) 汽閥聯(lián)結(jié)器 開 調(diào)節(jié)器軸 套環(huán) 汽輪機軸 控制流程圖符號意義序序號號安裝位置安裝位置圖形符號圖形符號備注備注序序號號安裝位置安裝位置圖形符號圖形符號備注備注1 1就地安裝就地安裝儀表儀表4 4集中儀表集中儀表盤后安裝盤后安裝儀表儀表嵌在嵌在管管道中道中2 2集中儀表集中儀表盤面安裝盤面安裝儀表儀表5 5就地儀表就地儀表盤后安裝盤后安裝儀表儀表3 3就地儀表就地儀表盤面安裝盤面安裝儀表儀表控制流程圖字母意義字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能被測變量修飾詞功能A分析報警P壓力C電導(dǎo)率控制Q數(shù)量積分累積D密度差R放射性記錄E電壓S速度安全開關(guān)

5、F流量比T溫度傳送I電流指示V粘度閥K時間W力L物位YM水分Z位置執(zhí)行機構(gòu)第四節(jié) 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類按被調(diào)參數(shù)分類：流量調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、物位調(diào)節(jié)等；按調(diào)節(jié)規(guī)律分類：比例調(diào)節(jié)、比例微分調(diào)節(jié)、比例積分調(diào)節(jié)、比例微分積分調(diào)節(jié)按被調(diào)參數(shù)的變化規(guī)律分類：定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：給定值為常數(shù)；隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：給定值為變數(shù)，要求跟隨變化；程序控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)：按預(yù)定時間順序控制參數(shù)。按信號種類分類：氣動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電動調(diào)節(jié)系統(tǒng)第五節(jié) 自動調(diào)節(jié)的過度過程和系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)1. 控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程：在擾動或給定值變化的情況下，被控量偏離給定值和在控制調(diào)節(jié)作用下，接近給定值或跟隨給定值變化的過程。控制系統(tǒng)的

6、動態(tài)特性被控參數(shù)向給定值變化過程的特性?？刂葡到y(tǒng)的靜態(tài)特性經(jīng)過調(diào)節(jié)作用后，被控參數(shù)處于穩(wěn)定范圍時的特性。第五節(jié) 自動調(diào)節(jié)的過度過程和系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)飛升曲線：在單位階躍輸入（因擾動或設(shè)定值變化，使被控參數(shù)和設(shè)定值之間出現(xiàn)階躍性變化）下，過度參數(shù)的變化曲線。輸入量時間t0t0飛升曲線的四種形式3. 等幅振蕩過程1. 非周期衰減過程0t0yy0t004. 發(fā)散振蕩過程tt0t2. 衰減振蕩過程yty0t0t控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1.最大偏差A(yù)；2.衰減比(A-C)/(B-C)；4:110:13.余差C；4.過渡時間t；5.振蕩周期T。ytABCT誤差范圍 例例1.1 1.1 熱力系統(tǒng)熱力系統(tǒng) 如圖如圖1.

7、21.2所示為一個熱力系統(tǒng)。所示為一個熱力系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)蒸汽閥門，使流出的熱通過調(diào)節(jié)蒸汽閥門，使流出的熱水保持一定的溫度。如果由手工水保持一定的溫度。如果由手工控制，就要求控制者觀測溫度計控制，就要求控制者觀測溫度計的指示值，調(diào)節(jié)閥門開關(guān)的開度。的指示值，調(diào)節(jié)閥門開關(guān)的開度。 調(diào)節(jié)方法為：如果溫度調(diào)節(jié)方法為：如果溫度 計的指計的指值高于期望值，則關(guān)小閥門，降值高于期望值，則關(guān)小閥門，降低熱水溫度；否則，開大閥門，低熱水溫度；否則，開大閥門，升高熱水溫度，從而使流出的熱升高熱水溫度，從而使流出的熱 水保持設(shè)定的溫度。水保持設(shè)定的溫度。 圖 1.2 熱 力 系 統(tǒng)溫 度 計熱 水排 水蒸 汽冷 水

8、例例1.2 1.2 直流電動機速度控制系統(tǒng)直流電動機速度控制系統(tǒng) 如圖如圖1.31.3所示直流電動機速度控制系統(tǒng)?？刂颇繕?biāo)是所示直流電動機速度控制系統(tǒng)?？刂颇繕?biāo)是使電動機穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速上運行。從圖中可見，使電動機穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速上運行。從圖中可見，對應(yīng)滑動電阻器的觸點的某一位置，有一給定電壓，對應(yīng)滑動電阻器的觸點的某一位置，有一給定電壓，經(jīng)過放大器放大為，即為電動機電樞電壓。在沒有經(jīng)過放大器放大為，即為電動機電樞電壓。在沒有任何擾動的情況下，對應(yīng)滑動電阻器的觸點的某一任何擾動的情況下，對應(yīng)滑動電阻器的觸點的某一位置，則有一電機轉(zhuǎn)速與之對應(yīng)。位置，則有一電機轉(zhuǎn)速與之對應(yīng)。 圖 1.3 直 流

9、電 動 機 速 度 控 制 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 速 表 放 大 器 U g U d U D 常 數(shù) f I 上述兩個系統(tǒng)都是由人工控制的，可以看出，人在控制過程中起三個作用： （1）觀測：用眼睛去觀測溫度計和轉(zhuǎn)速表的指示值；觀測：用眼睛去觀測溫度計和轉(zhuǎn)速表的指示值；（2）比較與決策：人腦把觀測得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)比較與決策：人腦把觀測得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)相比較，并進行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控?fù)?jù)相比較，并進行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控制量；制量； （3）執(zhí)行：根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門執(zhí)行：根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門開度、改變觸點位置。開度、改變觸點位置。 在自動控制中，用控

10、制裝置代替人來完成上述功能。例如，自動控制熱力系統(tǒng)如圖1.4所示。圖1.4 自動控制熱力系統(tǒng)溫度檢測熱水排水蒸汽放大器給定水溫實際水溫電動閥門冷水直流電動機自動調(diào)速系統(tǒng)如圖1.5所示。 因此所謂自動控制是在沒有人參與的情況下，系自動控制是在沒有人參與的情況下，系統(tǒng)的控制器自動地按照人預(yù)定的要求控制設(shè)備統(tǒng)的控制器自動地按照人預(yù)定的要求控制設(shè)備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。具有自或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。具有自動控制功能的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。動控制功能的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。 圖1.5 直流電動機速度自動控制系統(tǒng)測速發(fā)電機放大器UgUdUD常數(shù)fIUfU+1.2 自動控制系統(tǒng)的類型1

11、.2.11.2.1開環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng) 1.開環(huán)控制系統(tǒng) 如果控制系統(tǒng)的被控量對系統(tǒng)沒有控制作用，這種控 制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的控制原理 如圖1.6所示。 圖1.6 開環(huán)控制系統(tǒng)控制器被控對象擾動被控量參考輸入控制量 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng) 定義定義 如果系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或更直接地稱為反饋控制系統(tǒng)。 反饋控制系統(tǒng)的控制原理如圖1.7所示。 圖1.7 反饋控制系統(tǒng)控制器被控對象反饋環(huán)節(jié)擾動被控量控制量參考輸入 系統(tǒng)中存在采樣、保持、數(shù)字處理等過程，具有一些獨特的性能。隨計算機的發(fā)展自動化系統(tǒng)得到越來越

12、廣泛的應(yīng)用。 圖1.9 計算機控制系統(tǒng)反饋信號A/D 數(shù)字計算機被控對象反饋環(huán)節(jié)輸入信號誤差信號被控量D/A離散信號控制信號)(tr)(te)(tc)(1tu)(kTu)(kTe)(tf第二章 自動控制的基本概念自動控制系統(tǒng)組成及常用術(shù)語自動控制系統(tǒng)的方框圖過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo)2-1自動控制系統(tǒng)組成及常用術(shù)語組成受控對象（過程） ：工作的機器、裝備等，從傳感器到執(zhí)行器之間被控量：表征其工作狀態(tài)的物理量如T,P測量變送：對被控量進行測量（轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號）的裝置調(diào)節(jié)器：把測定值和設(shè)定值進行比較的裝置執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）：把調(diào)節(jié)器的指令成比例地轉(zhuǎn)換為直線或角位移地裝置自動控制系統(tǒng)：受控對象和控制裝置的總

13、體一、人工控制和自動控制人工控制：在人的直接參與下，使被控量等于給定值反應(yīng)不及時，可以處理復(fù)雜問題自動控制：在沒有人的直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使被控量等于給定值反應(yīng)快，按設(shè)定的程序控制，必須有模型人工控制人在完成一項有目的的任務(wù)所經(jīng)歷的過程眼睛觀察 大腦分析決策、預(yù)期目標(biāo)油門執(zhí)行 汽車受控對象分析決策觀察執(zhí)行觀察工作對象預(yù)期目標(biāo)干擾被控量分析決策觀察執(zhí)行觀察受控對象預(yù)期目標(biāo)干擾調(diào)節(jié)器測量執(zhí)行測量受控對象設(shè)定速度干擾人工控制和自動控制的類比比較計算測量執(zhí)行測量受控對象給定值干擾被控量分析決策觀察執(zhí)行觀察工作對象預(yù)期目標(biāo)干擾自動控制的基本方式開式控制之一：按給定值的操縱給定值計算執(zhí)行

14、受控對象被控量干擾閉式（反饋）控制：按偏差調(diào)節(jié)計算測量執(zhí)行受控對象干擾被控量開式控制之二：抗干擾補償比較計算執(zhí)行測量受控對象給定值被控量干擾二、自控系統(tǒng)的組成過程控制：石油、化工、冶金、機械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門的自動化過程控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)的被控制量是溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度以及PH值等的系統(tǒng)三、常用術(shù)語 被控過程（簡稱過程或稱被控對象）：在自動控制系統(tǒng)中，工藝變量需要控制的生產(chǎn)過程、設(shè)備或機械等，如鍋爐汽包。被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝變量稱為被控變量，例如鍋爐汽包內(nèi)的水位。操縱變量：指受控于調(diào)節(jié)閥，用以克服擾動的影響，使被控變量保持設(shè)定

15、值的物料量或能量，稱為操縱變量。例如鍋爐給水。擾動（干擾）：除操縱變量外，作用于被控過程并引起被控變量變化的因素，稱為擾動。例如蒸汽負(fù)荷的變化。設(shè)定值：被控變量的預(yù)定值稱為設(shè)定值。例如鍋爐汽包中預(yù)先設(shè)定的水位值。偏差：是被控變量的設(shè)定值與實際值之差。但是，能夠直接獲取的信息是被控變量的測量值而不是實際值。因此，在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差作為偏差。 2-2自動控制系統(tǒng)的方框圖調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)閥：過程：從傳感器到調(diào)節(jié)閥之間的管道設(shè)備測量變送：調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)一、方框圖的畫法每個方框表示組成該系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)兩個方框之間一條帶有

16、箭頭的連線表示其相互關(guān)系，不表示方框之間的物料聯(lián)系調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)TCTT減溫器溫度測量冷水調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)液位控制器儲罐HTHC差壓變送器液位調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)干擾烤爐溫度控制示意圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)位置隨動系統(tǒng)原理圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (

17、t)調(diào)速系統(tǒng)圖調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)二、自控系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥過程測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)反饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程測量變送+x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)-z (t)前饋調(diào)節(jié)器擾動通道f (t)前饋調(diào)節(jié)器執(zhí)行器過程f (t)u (t)q (t)y (t)z (t)測量儀表按給定值信號的特點分類定值控制系統(tǒng)：將被控制量保持在某一定值或很小的范圍中的控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)：被控量的給定值隨時間任意地變化的控制系統(tǒng)程序

18、控制系統(tǒng)：被控量的給定值按預(yù)定的時間程序而變化的控制系數(shù) 一、系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)二、過渡過程基本形式三、品質(zhì)指標(biāo) 2-3過渡過程及其品質(zhì)指標(biāo)一、系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)：輸入不變，調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器的自動調(diào)節(jié)作用下，被調(diào)量不再隨時間變化的平衡狀態(tài)動態(tài)：被調(diào)量隨時間變化，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)一個運行的系統(tǒng)，時時刻刻都有擾動作用于對象，被調(diào)量偏離設(shè)定值，重點應(yīng)研究系統(tǒng)和環(huán)節(jié)的動態(tài)特性上。二、過渡過程基本形式發(fā)散振蕩等幅振蕩衰減振蕩發(fā)散振蕩012340.00.51.01.52.0t等幅振蕩02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t F1051015

19、20250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t最大偏差給定值余差tpts衰減振蕩(1)衰減振蕩(2)05100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 h(t)t（單調(diào)過程）無振蕩過程0246810120.00.20.40.60.81.0 h(t)t三、品質(zhì)指標(biāo) 余差（e） ：系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)穩(wěn)定值之差 最大偏差（A）：被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差衰減比（n）：振蕩過程的第一個波的振幅與第二個波的振幅之比衰減率（f）：經(jīng)過一個周期后，波動幅度衰減的百分比過渡過程時間（ts）：系統(tǒng)過渡過程曲線進入新的穩(wěn)定值的5%或2%范

20、圍內(nèi)所需的時間峰值時間（tp）：系統(tǒng)過渡過程曲線到達第一個峰值所需的時間，反映系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度典型的單位階躍響應(yīng)曲線（衰減振蕩形式）動態(tài)性能指標(biāo)主要有： a. 上升時間b. 超調(diào)量c. 超調(diào)時間d. 調(diào)節(jié)時間。不同的控制系統(tǒng)對于性能指標(biāo)的要求不同。Step Response00.511.5012345678超調(diào)時間tp上升時間tr調(diào)節(jié)時間tsTime(sec)Amplitude響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值5%的穩(wěn)態(tài)值超調(diào)量05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t最大偏差給定值余差衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo)05101520250.00.20.40.60.81.01.21.41.6 h(t)t給定值衰減振蕩的品質(zhì)指標(biāo)y2y1y1衰減比y2y1-y2衰減率y1過渡過程時間（ts）：系統(tǒng)過渡過程曲線進入新的穩(wěn)定值的5%或2%范圍內(nèi)所需的時間峰值時間（tp）：系統(tǒng)過渡過程曲線到達