化工仪表及自动化电子档

绪论自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化简称化工自动化。即在化工设备上，配备一些自动化装置，自动测量生产过程中的重要工艺参数，并与计算机（或自动控制装置）、执行机构相配合实现对生产过程的自动控制。这种用自动化装置来管理化工生产过程叫化工自动化。实现化工生产自动化目的（重要意义）1．加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。2．减轻劳动强度，改善劳动条件，使工人从繁重的劳动中解脱出来。3．保证安全生产，防止事故发生与扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力。4．改变劳动方式，使工人逐步由体力劳动转向脑力劳动。组成一个完整的生产过程控制系统一般有控制器、执行器、被控过程（或被控对象）和测量变送器四个环节，其中控制器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表。一般认为自动控制系统由检测控制仪表和被控过程（被控对象）两部分组成。大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统生产自动化的发展过程可分为三个阶段。第一阶段：采用一些自动检测仪表检测主要工艺参数，第二阶段：采用先进的自动检测仪表和控制系统第三阶段：开始采用电子计算机控制，生产过程控制的发展由原来车间集中控制转向工厂综合自动化发展（平面化管理），这是目前自动化发展的一个重要方向。实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。自动检测系统:利用各种检测仪表对主要工艺参数进行自动检测、指示或记录，“了解”生产进行的情况。1．自动信号和连锁保护系统：是生产中的一种安全装置。自动信号和连锁保护系统:对某此关键性参数设有自动信号联锁装置，当工艺参数超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。自动操纵系统:根据预先规定的步骤自动地对生产设备或生产过程进行某种周期性的操作。自动开停车系统：按照预先规定的步骤，使生产过程自动投入运行或自动停车。自动控制系统:对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。自动控制系统是自动化生产的核心部分，（液位变送器）（控制器）（执行器）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、自动控制器、执行器，分别代替了人的眼、脑、手三个器官。1.自动控制系统的组成（1）被控对象:在自动控制系统中，我们将需要控制其工艺参数的生产设备或机器。（2）自动控制装置起控制作用。①测量元件与变送器检测工艺参数（或再转换成某一特定信号如电流、电压、气压信号）②自动控制器根据变送器送来的信号与工艺上要求的参数进行比较运算，并发出信号到控制阀。③执行器：根据控制器送来的信号对阀门的开度进行调解。2.信号和变量这个信息就是信号（电压、电流、压力、位移等等）也叫变量。指向方框的信号U表示施加到系统或环节上的独立变量，称为输入变量，离开方框的信号表示系统或环节送出的变量，称为输出变量设定值（给定值）：被控变量的目标值（预定值），称为设定值进水量Q1会引起水位变化，这种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（或扰动）引起水位变化的出水量Q2，它是执行器控制阀动作的结果，是控制系统来以补偿干扰的作用，Q2具有实现控制作用的参数叫操纵变量，即受控制器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料量或能量，称为操纵变量。控制阀输出的q的变化称为控制作用，控制作用和干扰都是作用于对象的输入信号，它们对对象的作用方向是相反的。Q2的流体叫操纵介质，可以是流入对象的，也可以是对象流出的。故自动控制系统是一个闭环系统。闭环系统自动控制系统的方块图中信号沿箭头方向前进,通过若干环节后,最后又返回到起始点。开环系统自动控制系统的方块图中信号沿箭头方向前进,最后返回不到起始点。控制系统的输出信号(被控变量)不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，称为开环控制系统。把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。在闭环控制系统中，把输出信号（被控变量）经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种系统的输出信号直接或经过一些环节返回到系统的输入端的做法叫反馈。负反馈反馈信号能使原来的信号减弱。与原来信号方向相反。正反馈反馈信号能使原来信号加强。自动控制系统控制方法基本上是采用负反馈的方法。自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，§1.3自动控制系统的分类1.按被控参数分类：温度、流量、压力、液位等控制系统。2.按控制系统所处理的信号方式来分：有模拟控制系统与数字控制系统。模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号，可转换为电信号。在生产过程中任何连续变化的物理量和物理量都属于模拟信号。数字信号：以离散形式出现的不连续的信号，数字量的增减只能一个一个单位增加或减小。模拟信号和数字信号可以互相转换。4.按控制器具有的控制规律分类：位式自动控制系统、比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)等控制系统。5.按控制系统的复杂程度简单控制复杂控制：均匀控制、串级控制、前馈控制（1）定值控制系统：被控变量的给定值恒定不变。定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，（2）随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值是不断变化的且无规律，是随机变化的。随动控制系统控制的目的，是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。（3）程序控制系统（顺序控制系统）：工艺参数的给定值按一定的规律变化，是已知的时间函数。即设定值按一定的时间程序变化。9.按信号种类分类：气动控制系统，电动控制系统§1.4自动控制系统的过渡过程和品质指标在自动化领域内要研究两种状态：静态和动态。这种被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态。动态:被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。系统从一个平衡态过渡到另一个平衡状态的整个过程叫系统的过渡过程。阶跃干扰，就是在某一瞬间，输入量突然阶跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅度上，自动控制系统的过渡过程实质上是控制作用不断克服干扰作用影响的过程。衡量系统的控制质量的依据是系统的过渡过程，在过渡过程中，被控变量是随时间变化的，不同的过渡过程，被控变量随时间的变化情况不一样1.非周期衰减过程被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。2.衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式叫衰减振荡过程。能使系统较快地稳定下来，希望是这种过程。（1、2都是衰减过程，称为稳定过程。）3.等副振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变，永久不会稳定下来。属于不稳定过程，在要求y稳定的系统不采用，调节质量要求不高时用。4.发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度越来越大，即偏离给定值越来越远。在自动控制系统应避免，以免出现危险事故。（3、4不稳定过程）一.控制系统的品质指标衡量系统控制的质量就是要依据过渡过程的品质指标。自动控制系统在阶跃干扰作用下，一般都希望得到衰减振荡过程。最大偏差或超调量：最大偏差（动态偏差）是指在过渡过程中，被控参数偏离给定值的最大数值A(最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度)。偏离越大，偏离的时间越长，系统离开规定的工艺参数指标就越远，甚至会造成一波未平一波又起，波峰叠加，使被控变量振荡加剧，对稳定正常生产不利，有的甚至会超过危险极限造成事故，故要加以限制，越小越好。最大动态偏差或超调量是描述被控参数偏离给定值的最大程度。最大动态偏差是反映控制系统动态准确性的指标，也是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比：衰减比是相邻两个峰值的比，衰减比是表示振荡过程衰减的程度，是衡量过渡过程稳定性的动态指标。1.余差：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差（C），或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有正有负。余差是衡量控制系统静态稳定性的指标。被控参数越接近给定值越好，亦即残差越小越好。2.过渡时间：从干扰作用发生的时刻起,直到系统重新建立新的平衡时止,过渡过程所经历的时间叫做过渡时间或控制时间.3.振荡周期（或频率）T：过渡过程两个相邻的同向波峰(或波谷)之间经历的时间叫振荡周期或工作周期.振荡周期的倒数称为振荡频率.频率=1/周期衰减比（反映被控变量振荡的程度）、最大偏差、超调量（稳定性）是表示系统的稳定性，过渡时间表示系统的快慢性能，余差表示系统静态特性的好坏，也反映了系统的精度。控制系统的品质指标是过程控制系统研究的核心标准问题。自动控制系统由两大部分组成:工艺过程部分（被控过程）和自动化装置部分。自动装置部分：实现自动控制必备的自动化仪表、设备。包括测量与变送装置、控制器和执行器三部分。自动控制系统是由被控对象、测量元件及变送器、控制器和执行器组成的，系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性和作用都有关系，特别是被控对象的特性对控制质量的影响，往往是确定控制方案的依据。干扰作用和控制作用都可以看成对象的输入量，可以叫输入变量。输出量(输出参数):被控变量（被控参数）。1．通道：由对象的输入变量至输出变量的信号联系称之为通道控制通道:控制作用至输出变量的信号联系。是描述操纵变量与被控变量之间的关系。干扰通道:干扰作用至输出变量的信号联系。是描述干扰与被控变量之间的关系。1．被控对象的特性：在给被控对象一个输入作用下，其输出变量是如何随着输入作用变化而变化，变化的快慢及最终变化的数值等。静态特性：给对象一个输入，当系统达到平衡状态时，输入变量与输出变量之间的关系。动态特性：指系统在受到输入作用时，由一个平衡态向另一个平衡态过渡的整个过程中，输出变量随输入作用的变化。静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。研究对象的动态特性，就是要找出描述对象动态的数学模型。二.建立对象数学模型的方法对象特性的研究一般有两种方法（1）机理分析法（亦称化工动态学的方法）对于简单的对象或系统各环节的特性，根据系统工艺实际过程的数质量关系，分析计算输入量与输出量之间的关系。即可以通过分析过程的机理、物料或能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的微分方程式，这种方法称为机理分析法。（机理模型）对象特性的机理分析法的最基本关系是物料平衡和能量平衡。在静态条件下，其关系是：单位时间流入对象的物料或能量==系统中流出的物料或能量在动态条件下，物料平衡和能量平衡的关系是：单位时间内进入系统的物料－单位时间内流出的物料==系统内物料贮存量的变化率（2）实验测定法（系统辨识）有些复杂系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的，对象的微分方程式很难建立，也不容易求解。所以，另一种方法是通过实验测定，需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系。对获得的数据进行科学处理而求得对象的微分方程式或传递函数，这种方法称为实验测定法。（经验模型）把两种方法结合起来，主要通过机理分析，得出模型的结构或函数形式，再通过实验测得输入输出数据确定其中的部分参数(参数估计)，得到的模型称为混合模型。三．数学模型的表示方法：非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系。特点：简单、形象、较易看出对象的特征。参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。（参量指变量，即输入变量、输出变量）一.一阶对象所谓单容过程是指只有一个储蓄容量的被控过程。当单位时间内流入对象的物料不等于流出对象的物料时，表征对象物料蓄存量的参数就