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1、仪表及自动控制基础知识,1.1 控制的基本概念 炼油化工生产过程中的各种参数和变量都是通过各种仪表来测量，并以此来进行工艺操作和稳定生产。测量的准确性关系到工艺操作的平稳和生产人员、设备的安全。 学习并掌握仪表的相关知识对成为一名合格的操作人员非常有必要。,第一节 仪表基本概念,1.1.1 仪表误差的概念 任何先进的测量方法，任何准确的测量仪器，均不可能使测量的误差等于零。误差自始自终存在于一切科学实验和测量的过程之中。 1.测量误差的定义：测量误差是指测量值与被测量的真值之差。它有绝对误差和相对误差两种表达方式：,第一节 仪表基本概念,（1）绝对误差：绝对误差 x是测量值x与其真值x0 之差
2、，即： x=x - x0 绝对误差是带符号的变量。(可正可负） （2）相对误差：相对误差 是绝对误差 x与其真值x0 之比： 即：,第一节 仪表基本概念,2、测量误差的来源： （1）测量器具（仪器仪表）本身的结构、工艺、调整以及磨损、老化引起的误差。 （2）测量方法（或理论)不完善，采用近似测量方法和近似计算方法所引起的误差。 （3）测量环境的各种条件、如温度、湿度、气压、电场、磁场与振动引起的误差。 （4）由于观测者的主观因素和实际操作引起的误差。,第一节 仪表基本概念,3.测量误差的分类 分为三类：系统误差、随机误差和粗大误差。 4.仪表的主要性能指标 （1）精确度：就是仪表测量值接近真值
3、的准确程度通常用引用误差表示。仪表精确度不仅和绝对误差有关，还和仪表的量程有关。 精确度是仪表很重要的一个质量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最大引用误差去掉正负符号和百分比。,第一节 仪表基本概念,按国家统一规定划分的等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。数值越小，说明仪表的精确度越高。 （2）变差：指仪表被测变量多次从不同方向达到同一数值时仪表指示值之间的最大差值。变差大小取决于最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分比。,第一节 仪表基本概念,（3）灵敏度:指仪表对被测变量的灵敏程度。定义为输出变化增量对输入变化增量
4、的比值 即： （4）稳定性：在规定工作条件内，仪表某些性能随时间保持不变的能力。通常用仪表的零点漂移来衡量仪表的稳定性。,第一节 仪表基本概念,1.1.2 常规控制的概念,第一节 仪表的基本概念,锅炉汽包水位控制示意图,1.控制系统的工作原理及组成 上图的锅炉水位控制系统中，检测元件及变送器（LT)是用来检测水位高低，当水位高度与给定水位之间出现偏差时，控制器（LC)就会立刻根据偏差的大小、正负及变化速率去控制给水调节阀的开度，使水位保持在工艺所规定的范围之内。从而实现生产过程的自动化控制。 自动控制系统由被控对象、检测元件及变送器、调节器和调节阀四个部分所组成。,第一节 仪表的基本概念,第一
5、节 仪表的基本概念,名词解释,2、自动控制系统的方块图 方块图用来表示控制系统的组成和作用。图中的每一个方块代表系统中的一个组成部分，称做“环节”，两个方块之间用一条带箭头的线段相联系表示信号的流向。作用于方块的信号称为该环节的输入信号，它送出的信号称为该环节的输出信号。,第一节 仪表的基本概念,方块图上的每一个环节代表着一个实物。方块之间带箭头的线段表示它们之间信号的联系及流向。 任何一个信号只要沿着箭头方向前进，最后都会回到原来的起点。这种把系统的输出信号重新返回到系统输入端的做法称为“反馈”。一个稳定的控制系统采用的一定是“负反馈”。（反馈信号相对于设定值取负值）,第一节 仪表的基本概念
6、,3. 控制系统的分类 按控制系统的基本结构分类，可以分为闭环控制系统和开环控制系统。 （1）闭环控制系统：系统的输出信号返回到系统的输入端（反馈），对系统起控制作用，整个系统构成了一个闭合的反馈回路，也称为反馈控制系统。,第一节 仪表的基本概念,（2） 开环控制系统：系统的输出信号没有反馈到系统的输入端，因而也不对控制作用产生影响的系统。 4.闭环控制系统的过渡过程及其品质指标 （1）闭环控制系统的过渡过程 一个控制系统在外界干扰作用下，从原有稳定状态过渡到新的稳定状态的整个过程，称为控制系统的过渡过程。控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质优劣的重要依据。,第一节 仪表的基本概念,（2）过渡
7、过程的质量指标包括衰减比（B/B)、余差(C)、最大偏差(A)、过渡过程时间和振荡周期,第一节 仪表的基本概念,衰减比（n）：它是衡量系统稳定程度的指标。有n1;n=1和n1三种情况。一般希望n在4-10范围内较为理想。 最大偏差A：它是描述被控变量偏离设定值最大程度的指标。 余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变量的新稳态值与设定值之间的偏差。 过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态值的5%或3%所需时间。 振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。,第一节 仪表的基本概念,调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过程被控变量的测量值与设定值
8、进行比较，得出偏差，根据偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。,第二节 调节器及基本调节规律,1、常用的基本调节规律有： 比例（P)、积分（I）、微分（D）。,1.1 比例控制（P） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量成比例。起数学表达式为： 从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始终是有偏差存在的。,第二节 调节器及基本调节规律,1.2 积分控制（I） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比，数学表达式为： 或 从该表达式看出：其输出信号的大小
9、，不仅与偏差的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。所以，积分控制是一种没有偏差的控制（理想情况下）。,第二节 调节器及基本调节规律,1.3 微分控制（D） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时间的微分成正比，数学表达式为： 从该表达式看出：其输出信号的大小，只与偏差变化的速度有关，而与偏差的大小无关。当偏差很大而无变化时，该调节器的输出也为零。,第二节 调节器及基本调节规律,1.4 几种基本控制规律的组合PID 根据实际情况，把三种基本控制规律进行适当组合，可以得到更好的控制效果。 这种组合控制规律称为比例积分微分控制（PID)。这里有三个可以调整的参数：放大倍数KP、积分时间T
10、I、微分时间TD 。,第二节 调节器及基本调节规律,第二节 调节器及基本调节规律,各种控制作用过渡过程的比较,1.5 PID调节器的应用 PID调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围广。 各种化工过程常用的控制规律如下： 液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。 流量：一般用PI控制作用。 压力：用P或PI控制作用。 温度：用PID控制作用。,第二节 调节器及基本调节规律,2、调节器的类型 按结构和组成的形式分有基地式调节器、单元组合式调节器、组合式电子控制装置、可编程调节器和集中分散型控制装置五种。我厂现在主要使用的是可编程调节器和集中分散型控制装置。 3.调节器的
11、正反作用形式 若调节器的输入信号增加，其输出信号也增加，称为正作用；反之称为反作用。,第二节 调节器及基本调节规律,2.1 集中分散型控制装置（集散型控制系统DCS） 集中分散型控制是把整个控制系统分成若干级，最基层的是直接数字控制，上一级是优化控制，这样既能发挥计算机多功能控制的特点，满足现代化工生产集中操作、显示和报警的要求，又能避免危险过分集中，整个控制系统安全可靠。,第二节 调节器及基本调节规律,集散型控制系统在结构上是由下位机操作站和上位监控计算机组成。每个操作站可以控制十几个到几十个回路，有专用微处理机进行有效地控制，各操作站与上位机之间用网络相连接，构成各种各样的、能适应不同过程
12、的、积木式的分级控制结构，并通过屏幕和操作台，对整个生产过程进行集中监视、集中操作和集中管理，分散控制。它适用于大中型企业的大型生产装置。,第二节 调节器及基本调节规律,执行器在自动控制系统中的作用是接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器一般安装在生产现场，直接与工艺介质接触，常常在高温、高压、深冷、易漏、易堵、强腐蚀等恶劣环境下工作。 1、气动薄膜调节阀 在化工生产过程中使用的最多的执行器是气动薄膜调节阀。,第三节 执行器气动薄膜调节阀,第三节 执行器气动薄膜调节阀,图1-3 气动执行器外形图,图1-4 气动薄膜调节阀结构示意图,第三节 执行器气动薄膜调节阀
13、,图1-5 执行机构的正反作用示意图,图1-6 调节机构示意图,气动薄膜调节阀的执行机构由波纹膜片、上下膜盖、 平衡弹簧等部件组成。它接收20100KP的标准气压信号，并转换成推力。其动作的形式有正作用和反作用两种。 1.1 执行机构的正反作用 当信号压力增加，推杆向下移动的叫正作用；信号压力增加，推杆向上移动的叫反作用。,第三节 执行器气动薄膜调节阀,1.2 调节阀的气开、气关形式。 调节阀接受的控制信号是气压信号，当膜头输入信号增大，调节阀开度也增大时，称为气开阀，反之，膜头输入压力增大，调节阀开度减小，则称为气关阀。,第三节 执行器气动薄膜调节阀,第三节 执行器气动薄膜调节阀,图1-7
14、调节阀气开、气关组合方式图,1.3 调节阀的气开、气关形式的选择。 气动薄膜调节阀有气开和气关两种形式。选择气开或气关，主要是从工艺生产的安全要求出发，其选择可以依据四条原则： （1）首先从生产安全出发。当控制信号消失，阀位的自然位置应能够保证生产人员和工艺设备的安全不致于发生事故。 （2）从保证产品质量出发，不发生或尽量少发生产品质量事故。（精馏塔回流控制阀）,第三节 执行器气动薄膜调节阀,（3）从降低原料、成品动力损耗考虑。（精馏塔的进料阀应采用气开阀，避免原料的浪费） （4）从介质的特点考虑。（若塔釜液是易凝、易聚合、易结晶的物料时，调节阀应该选用气关阀）,第三节 执行器气动薄膜调节阀,
15、例题：控制加热炉燃料气的调节阀，如何选择？控制锅炉给水流量的调节阀应该如何选择？,第三节 执行器气动薄膜调节阀,图1-8 加热炉出口温度控制系统,图1-9 锅炉汽包水位控制系统,控制进入加热炉燃料气流量的调节阀，应该选用气开式，当气压信号中断时，应该切断进炉的燃料，以避免炉温过高而出事故；而控制锅炉给水流量的调节阀应该选用气关式，当气压信号中断时，阀门处于全开状态，给水继续流入锅炉，以保证锅炉不致烧干。,第三节 执行器气动薄膜调节阀,1、单回路控制系统 只有一个被控过程、一个检测变送器、一个调节器和一个调节阀所组成的单闭环系统称为单回路控制系统。,第四节 单回路控制系统,图1-10 单回路控制
16、系统方块图,调节 阀,调节 器,2、如何选择控制回路中调节器的正反作用 （1）首先分析控制回路中每一个环节的输入、输出特性，确定每一个环节的正反作用形式 （2）根据构成反馈必须为负反馈的原则选择调节器的正反作用。 （3）有些对象的正反作用特性是不变的，如：检测变送器、气开阀为正作用；气关阀为反作用，被控对象则要具体分析。,第四节 单回路控制系统,第四节 单回路控制系统,图1-11 锅炉水位控制系统,图1-12 换热器出口温度控制,第四节 单回路控制系统,图1-13 流量控制系统,图1-14 换热器温度控制系统,第四节 单回路控制系统,图1-15 塔釜液位控制系统,图1-16 加热炉出口温度控制系统,所谓“复杂”是相对于“简单”而言。通常指由两个或两个以上的检测变送器、调节器和执行器所组成的多回路的，或控制要求特殊的；或控制规律不同于PID的控制系统。复杂控制系统的种类较多，常使用的有串级、均匀、比值、前馈、分程、选择性控制系统等。,第五节 复杂控制系统,1、串
