(2024年)厲玉鳴第四版化工儀表及自動化緒論

厲玉鳴第四版化工儀表及自動化緒論12024/3/26緒論化工測量儀表自動控制基礎(chǔ)知識過程控制技術(shù)計算機控制系統(tǒng)自動化儀表及控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢contents目錄22024/3/2601緒論32024/3/2603優(yōu)化生產(chǎn)質(zhì)量自動化控制可以精確控制生產(chǎn)過程中的各種變量，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。01提高生產(chǎn)效率通過自動化設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用，可以顯著提高化工生產(chǎn)的效率，降低人工操作成本和誤差率。02保障生產(chǎn)安全自動化設(shè)備和系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，確保生產(chǎn)安全?；ぷ詣踊囊饬x42024/3/26早期的化工生產(chǎn)主要依賴人工操作和經(jīng)驗控制，生產(chǎn)效率低下且存在安全隱患。初級階段隨著計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，化工自動化逐漸得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了從局部到全局的自動化控制。發(fā)展階段當前，化工自動化已經(jīng)進入到成熟階段，形成了完整的自動化體系和標準，為化工生產(chǎn)的高效、安全和優(yōu)質(zhì)提供了有力保障。成熟階段化工自動化的發(fā)展概況52024/3/26本課程主要介紹化工儀表及自動化的基本原理、方法和技術(shù)，包括測量儀表、自動控制原理、控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用等方面的內(nèi)容。內(nèi)容本課程是一門理論與實踐相結(jié)合的專業(yè)課程，旨在培養(yǎng)學生掌握化工儀表及自動化的基本理論和技能，具備從事化工生產(chǎn)自動化控制的能力。同時，本課程也是化工類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程之一，為后續(xù)專業(yè)課程的學習和實踐打下基礎(chǔ)。性質(zhì)本課程的內(nèi)容與性質(zhì)62024/3/2602化工測量儀表72024/3/26化工測量儀表的分類按測量對象可分為壓力、流量、物位、溫度等儀表；按工作原理可分為機械式、電子式、智能式等儀表。化工測量儀表的發(fā)展趨勢向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，實現(xiàn)高精度、高可靠性、高自動化水平?；y量儀表的定義用于化工生產(chǎn)過程中各種工藝參數(shù)的測量、顯示、記錄或控制的儀表。概述82024/3/26彈性式壓力計利用彈性元件受壓變形的原理來測量壓力，如彈簧管壓力表、膜片壓力表等。負荷式壓力計通過測量承重元件上的負荷來推算壓力值，如活塞式壓力計、浮球式壓力計等。電測式壓力計將壓力轉(zhuǎn)換為電信號進行測量，如壓電式、壓阻式、電容式等壓力傳感器。壓力測量儀表92024/3/26利用流體通過節(jié)流裝置產(chǎn)生的差壓來測量流量，如孔板流量計、噴嘴流量計等。差壓式流量計通過測量流體對轉(zhuǎn)子的推動力來推算流量，如浮子流量計、渦輪流量計等。轉(zhuǎn)子流量計利用電磁感應(yīng)原理來測量導電流體的流量，具有寬測量范圍和高精度特點。電磁流量計流量測量儀表102024/3/26直讀式物位計通過直接讀取液位高度來測量物位，如玻璃板液位計、磁翻板液位計等。浮力式物位計利用浮力原理來測量物位，如浮球液位計、浮筒液位計等。電測式物位計將物位轉(zhuǎn)換為電信號進行測量，如電容式、超聲波式、雷達式等物位傳感器。物位測量儀表112024/3/26熱電偶溫度計利用熱電效應(yīng)原理來測量溫度，具有寬測量范圍和高精度特點，但需要冷端補償。熱電阻溫度計利用金屬或半導體材料的電阻隨溫度變化的特性來測量溫度，具有高精度和穩(wěn)定性好的特點。膨脹式溫度計利用測溫元件受熱膨脹的原理來測量溫度，如玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計等。溫度測量儀表122024/3/2603自動控制基礎(chǔ)知識132024/3/26自動控制系統(tǒng)的基本概念穩(wěn)定性、準確性和快速性。自動控制系統(tǒng)的性能要求由被控對象、測量變送環(huán)節(jié)、控制器和執(zhí)行器等組成的，能自動完成某種控制任務(wù)的系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的定義按控制原理可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；按給定值的變化規(guī)律可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類142024/3/26過渡過程的定義系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)的過程。改善過渡過程品質(zhì)的方法選擇合適的控制器參數(shù)、采用串級控制或前饋控制等。過渡過程的品質(zhì)指標最大偏差、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等。自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標152024/3/26在自動控制系統(tǒng)中，需要對其進行控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程。被控對象的定義放大系數(shù)、時間常數(shù)、滯后時間等。被控對象的特性參數(shù)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性。被控對象特性的影響被控對象的特性162024/3/26測量變送環(huán)節(jié)的定義將被控對象的被控變量轉(zhuǎn)換為標準信號的環(huán)節(jié)。測量變送環(huán)節(jié)的特性參數(shù)輸入/輸出范圍、精度等級、線性度等。測量變送環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響影響系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。測量變送環(huán)節(jié)的特性030201172024/3/26接收控制信號，并驅(qū)動被控對象實現(xiàn)控制任務(wù)的環(huán)節(jié)。執(zhí)行器的定義輸入/輸出范圍、靈敏度、死區(qū)等。執(zhí)行器的特性參數(shù)影響系統(tǒng)的快速性和準確性。執(zhí)行器對系統(tǒng)性能的影響執(zhí)行器的特性182024/3/2604過程控制技術(shù)192024/3/26比例控制（P控制）根據(jù)偏差的比例進行調(diào)節(jié)，快速響應(yīng)但可能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制（D控制）預(yù)測偏差變化，提前進行調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分控制（I控制）消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加系統(tǒng)超調(diào)和振蕩。常規(guī)控制規(guī)律202024/3/26前饋控制系統(tǒng)通過引入前饋信號，提前對干擾進行補償，提高系統(tǒng)抗干擾能力。大滯后控制系統(tǒng)針對具有大滯后特性的被控對象，采用特殊控制策略以改善系統(tǒng)性能。串級控制系統(tǒng)由兩個或更多控制器串聯(lián)組成，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度。復雜控制系統(tǒng)212024/3/26自適應(yīng)控制根據(jù)被控對象特性的變化，自動調(diào)整控制器參數(shù)，保持系統(tǒng)性能最優(yōu)。預(yù)測控制基于被控對象的模型預(yù)測未來輸出，實現(xiàn)優(yōu)化控制。智能控制利用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)復雜過程的智能優(yōu)化控制。魯棒控制針對被控對象的不確定性和干擾，設(shè)計魯棒性強的控制器，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。先進控制技術(shù)222024/3/2605計算機控制系統(tǒng)232024/3/26123利用計算機技術(shù)實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的自動檢測、控制、優(yōu)化和管理的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的定義從早期的直接數(shù)字控制（DDC）到監(jiān)督控制（SCC），再到集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力、輕工等流程工業(yè)，以及機械制造、汽車制造等離散工業(yè)。計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域概述242024/3/26計算機控制系統(tǒng)的組成包括被控對象、測量變送器、控制器、執(zhí)行器和人機接口等部分。計算機控制系統(tǒng)的分類根據(jù)控制策略的不同，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)控制器的不同，可分為數(shù)字控制器和模擬控制器；根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，可分為集中式控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的組成及分類252024/3/26計算機控制系統(tǒng)的硬件和軟件計算機控制系統(tǒng)的硬件包括計算機主機、輸入輸出接口、通信接口、人機接口等。計算機控制系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、編程語言等，應(yīng)用軟件如控制算法、數(shù)據(jù)處理程序等。262024/3/26計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟包括需求分析、系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試與測試等步驟。計算機控制系統(tǒng)的實施方法包括硬件安裝與調(diào)試、軟件編程與調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與試運行等步驟。在實施過程中，需要注意系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性等問題。計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施272024/3/2606自動化儀表及控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢282024/3/26應(yīng)用領(lǐng)域：自動化儀表廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力、輕工等流程工業(yè)領(lǐng)域，用于測量和控制各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位等。選型原則：在選擇自動化儀表時，應(yīng)遵循以下原則根據(jù)測量對象和要求選擇合適的儀表類型?？紤]測量精度和穩(wěn)定性要求?？紤]工作環(huán)境和安裝條件。考慮經(jīng)濟性和維護方便性。自動化儀表的應(yīng)用領(lǐng)域及選型原則292024/3/26實例一溫度控制系統(tǒng)在聚合反應(yīng)中的應(yīng)用。通過自動化儀表測量反應(yīng)釜內(nèi)溫度，并將信號傳遞給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差輸出控制信號，調(diào)節(jié)加熱或冷卻裝置的功率，使反應(yīng)釜內(nèi)溫度保持恒定。實例二壓力控制系統(tǒng)在氣體壓縮中的應(yīng)用。通過自動化儀表測量壓縮機出口壓力，并將信號傳遞給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差輸出控制信號，調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速或閥門的開度，使出口壓力保持穩(wěn)定。實例三流量控制系統(tǒng)在液體輸送中的應(yīng)用。通過自動化儀表測量管道內(nèi)液體流量，并將信號傳遞給控制器，控制器根據(jù)設(shè)定值與測量值的偏差輸出控制信號，調(diào)節(jié)閥門的開度或泵的轉(zhuǎn)速，使管道內(nèi)液體流量保持恒定。控制系統(tǒng)在化工過程中的應(yīng)用實例分析302024/3/26隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，自動化儀表將具備更強的數(shù)據(jù)處理和學習能力，實現(xiàn)自適應(yīng)控制和優(yōu)化控制。