化工自动化及仪表 第一章 自动控制系统基本概念

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1、化工自动化及仪表化工自动化及仪表第一章 自动控制系统基本概念100第一章授课教师：和萌林2101章节结构第一章 自动控制系统基本概念第一节 化工自动化的主要内容第二节 自动控制系统的基本组成及方块图第三节 自动控制系统的分类第四节 自控系统的过渡过程和品质指标一、控制系统的静态与动态二、控制系统的过渡过程三、控制系统的品质指标四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 第五节 工艺管道及控制流程图一、图形符号二、字母代号三、仪表位号第一章 基本概念第二章 对象数学模型第三章 仪表与传感器第四章 显示仪表第五章 自动控制仪表 第六章 执行器 第七章 简单控制系统 第八章 复杂控制系统 第九章 新型控

2、制系统第十章 计算机控制系统 第11章 典型控制方案 3教学基本要求：1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用 及相互影响关系；2. 理解自动控制系统中常用的各种术语，掌握方块图 的意义及画法；3. 熟悉管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的几种分类，掌握系统的动态与静态 ； 5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的几 种基本形式及过渡过程品质指标的含义。教学要求第 一 章第一节 主要内容第二节 系统组成 及方块图第三节系统分类第四节过渡过程和品质指标1.静态与动态2.过渡过程3.品质指标4.影响过渡过程品质主要因素 第五节工艺管道及控制流程图1.图形符号2.

3、字母代号3.仪表位号4第 一 章第一节 主要内容第二节 系统组成 及方块图第三节 系统分类第四节 过渡过程和品质指标1.静态与动态2.过渡过程3.品质指标4.影响过渡过程品质主要因素 第五节工艺管道及控制流程图1.图形符号2.字母代号3.仪表位号过程自动化 在生产设备上配置一些装置 ，代替人工的部分直接劳动，使生产过程在不同程 度上自动地进行。这种用自动化装置来管理生产过 程的方式称为过程自动化。自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统110第一节第一节 化工自动化的主要内容过程自动化化工自动化 化工类（化工、炼油、轻工、 食品）生产过程的自动化控制简称为“

4、化工自动化 ”。第一节 主要内容5111自动检测自动检测系统 利用各种检测仪器仪表对主要参数（温 度、压力、流量、料位 ）进行测量、指示或记录，“了解 ” 生产的任务，这种系统称为自动检测系统。1-1 化工自动化的主要内容自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统过程自动化图中热交换器是利用蒸汽来加热冷介质的，冷介质经加热后 的温度是否达到要求，可用测温元件配上平衡电桥来测量、指示 和记录；冷介质的流量可以用孔板流量计来检测，蒸汽压力可用 压力表来指示，这就是一些常用的、简单的自动检测系统。由此可见，自动检测仪表可包括包括压力、温度、流量、液 位等的简单测量仪

5、表或它们的传感器、变送器、显示表等。温度计 温度表 液位计浮子流量计弹簧管压力表 质量流量计自动检测系统实际上是代替了操作人员对工艺参数的观察与 记录，起到人的眼睛的作用。自动检测系统的本质（特点）:利用各种检测仪器仪表对主要工艺参数进行检测、指示或记 录，达到“了解” 生产任务的目的。6112联锁保护在生产过程中，有时由于偶然因素的影响，导致工艺参数超 出允许范围而出现不正常情况，有可能引起事故。为此常对一些 关键参数设置自动信号和联锁保护装置，当工艺参数超过允许范自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统过程自动化围，在事故发生以前，信号系统 会自动地发出

6、声光信号，告诫操 作人员及时采取措施。如工况已 到达危险状态，联锁系统会立即 自动采取紧急措施，打开安全阀 或切断某些通路，必要时紧急停 车，以防止事故的发生和扩大。自动信号和联锁保护系统是 生产过程中的一种安全装置。1-1 化工自动化的主要内容7113自动操纵自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统过程自动化根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作 ，这种系统称为自动操纵系统。例如：合成氨造气车间的煤气发生炉自动加料系统按照预先规定好的步骤，将 生产过程自动地投入运行或自动 停车，这种系统称为自动开停车 系统。1-1 化工自动化的主要内容811

7、4自动控制自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统过程自动化生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工 生产，大多数是连续性生产，设备之间相互关联，其中一台设备 的工艺条件发生变化时，会引起其他设备的某些参数波动，偏离 正常的工艺条件，因此需要设置 一些自动控制装置，对生产中一 些关键性参数进行自动控制，使 它们在受到外界干扰(扰动)的影 响而偏离正常状态时，能自动地 控制而回到规定的数值范围内， 为此目的而设置的系统就是自动 控制系统。1-1 化工自动化的主要内容9114自动控制a自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自

8、动控制系统过程自动化温度传感/变送器 控制器液位传感/变送器 执行器料位变送器压力变送器 流量变送器1-1 化工自动化的主要内容1011e化工生产的特点：（1）连续进行物理或化学反应（2）密闭空间，高压（3）高温（深冷）（4）易燃、易爆介质（5）有毒、强腐蚀性介质（6）类型纷繁，控制系统多种多样 对化工仪表、控制系统的要求：（1）适应生产环境 高温、高压、易燃、腐蚀（2）适应生产要求 控制稳定、准确、灵敏 1-1 化工自动化的主要内容1111e第一节小结1由以上介绍可以看出：自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行情况的任务；信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某种极限状态时，采 取安全措施，以

9、避免生产事故的发生；自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行某种周期性的 操纵；只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因素对工艺参数 的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在 正常或最佳的工艺操作状态。因此，自动控制系统是自动化生产中的核心部分，也是本课 程了解和学习的重点。自动检测系统 自动信号和联锁保护系统 自动操纵及自动开停车系统 自动控制系统过程自动化1-1 化工自动化的主要内容12120第二节自动控制系统是在人工控制的基础上产生 和发展起来的。所以，在开始介绍自动控制 的时候，先分析人工操作，并与自动控制加 以比较，可以帮助我们分析和了解自动控制 系统。 人工控制自动

10、控制第 一 章第一节 主要内容第二节 系统组成 及方块图第三节 系统分类第四节 过渡过程和品质指标1.静态与动态2.过渡过程3.品质指标4.影响过渡过程品质主要因素 第五节工艺管道及控制流程图1.图形符号2.字母代号3.仪表位号第二节 系统组成 及方块图第二节 自动控制系统的基本组成及方块图13121人工控制人工控制自动控制执行 (手)行动: 根据大脑发出的命令，通过手去改变阀 门开度，以改变出口流量Qo，从而使液位保持在所需高度上。运算 (脑)思考、判断、决策、命令: 大脑根据眼睛看到 的液位高度，加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大 小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出

11、命令。检测 (眼)观察: 用眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)中 液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。动 手脑 想眼 看1-2 自动控制系统的组成及方框图14121自动控制检测器 (变送 器) 将某一物理量（如：液位、流 量、压力、压差或温度等）转变成 可利用信号；变送器将该信号转变 成标准信号。 控制器 根据变送器信号和工艺需求， 算出偏差，经过某种运算发出控制 信息。 执行器 根据控制器的控制信息，改变阀门开度。 人工控制自动控制检测元件与变送器 自动控制器（控制器） 执行器（调节阀、控制阀）自动化系统组成自动控制系统是在人工控制的基础上产生和 发展起来的，其主要装置包括测量元件与变送器 、

12、控制器、执行器，分别代替了人的眼、脑、手 三个器官的功能。1-2 自动控制系统的组成及方框图15121系统组成在自动控制系统的组成中，除了必须具有前述的自动化装置 外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机 器叫做被控对象，简称对象。前面举例中液体贮槽化工生产中的各种容器、反应器、换热器、泵和压缩机甚至一段输气管道精馏塔、吸收塔等一个设备可能有几个控制回路被控对象检测元件与变送器 自动控制器（控制器） 执行器（调节阀、控制阀）自动化系统组成1-2 自动控制系统的组成及方框图16122方块图在研究自动控制系统时，为了能清楚地表示出自动控制系 统中

13、各个组成环节之间的相互影响和信号联系，便于对系统 分析研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。1、方块图的组成 2、开环与闭环 3、正反馈与负反馈1-2 自动控制系统的组成及方框图171、“方块图”的组成：这种表示方式称 为自动控制系统方块图。方块之间用一条 带有箭头的线条表示其信号的相互作用关系，箭头指向方块表示 为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环节的输出；122用方块表示控制系统的每个组成部分(环节)；线 条旁的字母或文字表示环节间相互作用的变量。对象？ 测量元件、变送器 ？ 控制器？ 执行器？给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测量元件 变送器控制器测

14、量值 z干扰作用f+1-2 自动控制系统方块图及方框图181221对象a对 象自动控制系统中，将需要控制 其工艺参数的生产设备或机器（有 时是生产设备或机器的一部分）叫 做被控对象，简称对象。 ? 换热器给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测量元件 变送器控制器测量值 z干扰作用f+换热器1-2 自动控制系统方块图及方框图191221b对象的输出y,y(t)在生产过程中需要保持恒定 的变量称为被控变量。出口物料温度T给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测量元件 变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2 自动控制系统方块图及方框图201221c

15、对象的输入q,q(t)具体实现控制作用的变 量称为操纵变量。用来实现控制作用的物 料称为操纵介质或操纵剂。蒸汽流量Q给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测量元件 变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2 自动控制系统方块图及方框图211221d对象的输入f,f(t)引起被控变量波动的外来因 素在自动控制系统中称为干扰作 用（扰动作用）。蒸汽温度T 蒸汽压力P进料温度T 进料流量P进料组分给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测量元件 变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2 自动控制系统方块图及方框图221222测量元 件a测量元件、变送器将某一物理量(如：液位、流量、压 力、压差或温度等)转变成可以利用的信 号的元件称为测量元件；进一步将该信 号转变成标准信号的仪表称为变送器。给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测量元件 变送器控制器测量值 z干扰作用f+测温元件 变送器1-2 自动控制系统方块图及方框图231222b测量元件的输入y,y(t)出口物料温度T给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y 执行器对 象测