化工儀表第一、二章

1、化工儀表及自動化 楊國農(nóng)82066362(H)緒論自動化技術是當今舉世矚目的高新技術之一，也是中國今后重點發(fā)展的一個高科技領域自動化技術的研究開發(fā)和應用水平是衡量一個國家發(fā)達程度的重要指標，也是現(xiàn)代化社會的一大標志在化工生產(chǎn)中采用自動化裝置來管理化工生產(chǎn)過程的辦法，稱為化工自動化實現(xiàn)化工生產(chǎn)自動化的目的（）加快生產(chǎn)速度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)能和質(zhì)量（）減輕勞動強度，改善勞動條件（）能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的（）能從根本上改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步消滅體力勞動和腦力勞動之間的差異創(chuàng)造條件 化工儀表的發(fā)展過程 20世紀40

2、年代以前絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀態(tài),儀表主要是應用一些自動檢測儀表來監(jiān)視生產(chǎn).。主要的生產(chǎn)造作是靠工人來依照自己的工作經(jīng)驗來完成生產(chǎn)造作。年代后到年代由于化工生產(chǎn)向著大規(guī)模、高效率、連續(xù)化、綜合利用的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的方法不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。這時就產(chǎn)生了簡單的化工自動控制，這個階段的過程控制結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸出和單輸入定值控制系統(tǒng)，主要工具主要是基地式電動、氣動儀表及單元組合式儀表主要缺陷是還不能深入的了解化工對象的動態(tài)特性學習 動化儀表的發(fā)展經(jīng)歷了如下過程： 模擬儀表數(shù)字儀表智能儀表當前自動控制系統(tǒng)發(fā)展的一些主要特點生產(chǎn)裝置實施先進控制成為發(fā)展主流；過程優(yōu)化受到普遍關注；傳統(tǒng)的DCS

3、(集散控制系統(tǒng))在走向國際統(tǒng)一標準的開放式系統(tǒng)；綜合自動化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向?qū)W習化工自動化的必要性由于現(xiàn)代自動化技術的發(fā)展，在化工行業(yè)，生產(chǎn)工藝、設備、控制與管理以逐漸成為一個有機的整體。要求化工工藝技術人員必須具有相應的自動控制知識，掌握一定的自動化控制理論對于生產(chǎn)工程的管理，生產(chǎn)工藝的改進提出合理的建議，對于熟悉化學工程學科的人員如果再學習和掌握一些檢測技術和控制系統(tǒng)方面的知識，必然在推進我國的化工自動化事業(yè)中，起到事半功倍的作用。第一章自動控制系統(tǒng)基本概念第一節(jié)化工自動化的主要內(nèi)容：自動檢測自動保護自動操縱自動控制.自動檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)進行測量、指示或紀錄的

4、稱為自動檢測系統(tǒng)。起到了人眼睛的作用。如圖熱交換器的檢測系統(tǒng)。帶控制點的工藝流程圖控制系統(tǒng)示意圖.自動信號和連鎖保護系統(tǒng) 生產(chǎn)過程有很多時候有些偶然的因素會導致工藝參數(shù)超出允許的變化范圍如果處理不及時將會引起事故的發(fā)生.如在工況已達到危險狀態(tài)時,連鎖系統(tǒng)立即自動的采用緊急措施,打開安全閥門或切斷某些通路,必要時緊急停車,以防止事故的發(fā)生和擴大. 3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)小結(jié)自動檢測系統(tǒng)只能完成”了解”生產(chǎn)過程進行情況的任務;信號連鎖保護系統(tǒng)只能在工藝條件進入某種極限狀態(tài)時,采取安全措施,以避免事故的發(fā)生;自動操縱系統(tǒng)只能按照預先規(guī)定好的步驟進行周期性操作;只有自動控制系統(tǒng)才

5、能自動地排除各種干擾因素對工藝參數(shù)的影響,使它們始終保持在預先規(guī)定的數(shù)值上,保證生產(chǎn)正?；蜃罴训墓に嚥僮鳡顟B(tài).因此,自動化控制系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)中的核心部分,也是我們學習了解的重點.第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的組成自動化裝置的三個組成部分:(1)測量元件與變送(2)自動控制器(3)執(zhí)行器1.2 自動控制系統(tǒng) 1.2.1自動控制系統(tǒng) 首先我們來研究圖1-2的液體儲罐圖1-1 鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟：(1)觀察液位數(shù)值；(2)把觀察到的實際數(shù)值與設定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設定值。1Ff FT LT FdC 第三節(jié) 工藝管道及控制

6、流程圖我們來分析右圖在工藝流程確定后，工藝人員和自動控制設計人員應共同研究確定控制方案?？刂品桨傅拇_定包括流程中個測量點的選擇、控制系統(tǒng)的確定及有關自動信號、。連鎖保護系統(tǒng) 的設計。在控制方案確定以后，根據(jù)工藝設計給出的流程圖，按照流程順序標出相應的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與保護系統(tǒng)等，變成了工藝管道及控制系統(tǒng)流程圖。一、圖形符號1.測量點檢測點或者取樣點2.連接線儀表與檢測點撿的連線3.儀表：儀表的圖形符號是一個細實線的園，直徑約10mm,對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如表1-1所示 二、字母 在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半園內(nèi)，一般寫有兩位字母，第一位字母表示被測變

7、量，后繼字母表示儀表的功能，常用被測變量和儀表功能能的字母代號見表1-21.4 自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖 在研究自動控制系統(tǒng)時，為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)系；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。 首先我們來研究圖1-2液位控制系統(tǒng)，我們可以來研究它們在實現(xiàn)控制過程中的相互作用閉環(huán)控制系統(tǒng)組成動畫鏈接按鈕基本術語 被控對象：自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、設備或機器。被控變量：被控過程內(nèi)要求保持設定值的工藝參數(shù)操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影

8、響，使被控變量保持設定值的物料量或能量擾動：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設定值：工藝參數(shù)所要求保持的數(shù)值偏差：被控變量設定值與實際值之差負反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減1.4. 閉環(huán)控制與開環(huán)控制 閉環(huán)控制： 在反饋控制系統(tǒng)中，被控變量送回輸入端，與設定值進行比較，根據(jù)偏差進行控制，控制被控變量，這樣，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)。閉環(huán)控制的特點（優(yōu)點）：按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設定值一致的目的。 閉環(huán)控制的缺點：控制不夠及時；如果系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)配合不當，系統(tǒng)會引起劇烈震蕩，甚至會使系統(tǒng)失去控制。開環(huán)控制： 不需要對被控變量進行測量，只根據(jù)

9、輸入信號進行控制，控制很及時（優(yōu)點）。由于不測量被控變量，也不與設定值相比較，所以系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量偏離設定值，并無法消除偏差，這是開環(huán)控制的缺點。 分配器步進電機 精 密傳動機構(gòu)工作臺 數(shù)字程序控制機床精密定位控制系統(tǒng)（按設定值控制） 開環(huán)的液位控制系統(tǒng) （按擾動控制，又稱前饋控制）開環(huán)控制舉例1Ff FT LT FdC 蒸汽汽包省煤器給水檢測元件和變送器的作用是把被控變量y(t)轉(zhuǎn)化為測量值z(t)。比較機構(gòu)的作用是比較給定值x(t)與測量值z(t)并輸出其差值e?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規(guī)律給出控制作用p(t)。比較機構(gòu)和控制裝置通常組合

10、在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的p(t)，相應地去改變操縱變量q(t)。 1.5 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)有多種分類方法按被控變量如:溫度、壓力、流量、液位按控制規(guī)律如：比例、比例積分、比例微分、比例微積分自動控制系統(tǒng)的特性的分類：通常是按照被控變量的定值是否變化和如何變化來分.如下： 將自動控制系統(tǒng)分為三類: 定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng) 設定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。 隨動控制系統(tǒng) 設定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統(tǒng)的輸出（被控變量）隨之而變化。 程序控制系統(tǒng) 設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函

11、數(shù)，即根據(jù)需要按一定時間程序變化 1.6自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標1.6.1靜態(tài)與動態(tài)我們認為控制系統(tǒng)的輸入有設定作用和擾動作用。靜態(tài)（定態(tài)）：當輸入恒定不變時，整個系統(tǒng)若能建立平衡，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止狀態(tài)。此時輸入與輸出之間的關系稱為系統(tǒng)的靜態(tài)特性?；蚍Q為；環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性動態(tài)：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。也就是說，從輸入開始，經(jīng)過控制直到再建立靜態(tài)，在這段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和變量都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)?；颦h(huán)節(jié)的動態(tài)特性。 我們重點來討論動態(tài)過程，下面我們先討論控制過程中過渡過程1.6.2自動控制系

12、統(tǒng)的過渡過程過渡過程 當自動控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統(tǒng)的過渡過程。也就是系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。研究系統(tǒng)的過渡過程我們以階躍干擾為研究對象 對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)（所有正常工作的反饋系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)）要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經(jīng)常遇到，且這類輸入變化對系統(tǒng)來講是比較嚴重的情況。 階躍干擾如圖 輸入量時間定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式(階躍擾動) 發(fā)散振蕩單調(diào)發(fā)散等幅振蕩衰減振蕩單調(diào)衰減我們研究控制系統(tǒng)的品質(zhì)是以衰減振蕩過程作為研究對象如

13、下圖 1.6.3 自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標 ytBBCA0我們需要了解下面幾個定義 最大動態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設定值最大程度的物理量，也是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。 對于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動態(tài)偏差是指被控變量第一個波的峰值與設定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值，為A。 最大偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應器的化合物爆炸極ytBBCA0 （1）最大動態(tài)偏差（emax）或超調(diào)量（ ）控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標示意圖動畫鏈接按鈕限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏

14、差的允許值有所限制。同時考慮到干擾會不斷出現(xiàn)，當?shù)谝粋€干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現(xiàn)了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據(jù)工藝情況慎重選擇。在設定作用下的控制系統(tǒng)（隨動控制系統(tǒng)）中，通常采用超調(diào)量這個指標來表示被控變量偏離設定值的程度，一般超調(diào)量以百分數(shù)給出。ytBBCA0超調(diào)量定義：第一個波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差，即B=A-C,如果系統(tǒng)的新穩(wěn)態(tài)值等于設定值，那么最大偏差就等于超調(diào)量?？刂葡到y(tǒng)的品質(zhì)指標示意圖動畫鏈接按鈕衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動態(tài)指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。 （2）衰減比nytBBCA0衰減比n控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標示意圖動畫鏈接按鈕ytBBCA0根據(jù)實際操作經(jīng)驗，為保持足夠