第一章控制系统的基本知识.

《工业过程仪器与控制》多媒体课件系部：机械工程系专业：化工过程机械专业制作：张琳关于《工业过程仪器与控制》这门课一课程基本情况●学分：2.0●总学时：32●授课学时：24●实验学时：8●课程性质：专业选修●先修课：化工原理、自动控制原理、过程流体机械、过程设备设计●教材：张宝芬、张毅、曹丽.自动检测技术及仪表控制系统.北京:化学工业出版社.2000.12二本课程的性质与教学目的《工业过程仪器与控制》课程是化工过程机械专业研究生的一门专业选修课程。在技术发展的今天化工过程机械专业的技术人员掌握过程参数的自动检测及自动化仪表、控制系统设计方面的知识，不但对于工业生产的正常运行是必要的、而且对于化工工艺及过程装备技术的改进也是必不可少的。本课程的教学目的是培养学生具有过程参数检测及自动化仪表、控制系统设计的基础理论和应用技术。三教学基本要求及内容掌握控制系统的基本概念、各种检测仪表的工作原理、控制系统的设计、了解计算机仪表控制系统和现场总线控制系统。通过本课程的学习培养学生在实践科研工作中能合理运用自动检测和控制技术。四教学环节内容和学时分配（一）理论教学24学时第1章控制系统的基本概念4学时第2章过程装备控制基础8第3章过程检测技术8第4章过程控制装置2第5章计算机控制系统2(二）实践教学8实验1：被控对象数学模型测试2实验2：简单控制系统实验3实验3：复杂控制系统实验3五参考书[1]厉玉鸣．化工仪表及自动化（第三版）．北京：化学工业出版社．1999.11[2]厉玉鸣．化工仪表及自动化例题习题集．北京：化学工业出版社．1999.10[3]付家才．工业控制工程实践技术．北京：化学工业出版社．2003.8[4]翁维勤，孙洪程．过程控制系统及工程（第二版）．北京：化学工业出版社．2002.7[5]俞金寿．化工自控工程设计．上海：华东化工学院出版社．1991.4[6]陈诗滔．工业过程仪表与控制．北京：中国轻工业出版社．1998.9[7]陈守仁．自动检测技术及仪表．北京：机械工业出版社．1989[8]王毅.过程装备控制技术及应用.北京:化学工业出版社，2001.7六考核方式平时成绩：30%考试成绩：70%教学要求与学习目标：1掌握自动控制系统的组成。2掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。3掌握方块图的画法。4掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。5掌握控制系统的分类教学内容:●§1.1化工自动化的主要内容▲§1.2控制系统的组成▲§1.3带控制点的工艺流程图▲§1.4自动控制系统方块图▲§1.5控制系统的分类▲§1.6自动控制系统的过渡过程和品质指标●本章学习要点●本章思考题及作业第1章自动控制系统基本知识§1.1化工自动化的主要内容化工过程生产自动化，包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录。它代替操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起着眼睛的作用。往复压缩机在线监测系统§1.1化工自动化的主要内容化工过程生产自动化，包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统是生产过程中的安全装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生前，信号联锁保护系统就自动地发生声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。若工况已达危险状态时，联锁系统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，以防事故发生和扩大。§1.1化工自动化的主要内容化工过程生产自动化，包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统是生产过程中的安全装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生前，信号联锁保护系统就自动地发生声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。若工况已达危险状态时，联锁系统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，以防事故发生和扩大。§1.1化工自动化的主要内容化工过程生产自动化，包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统可以根据预先规定的步骤自动的对生产设备进行某种周期性的操作。例如：煤气发生炉的造气过程（吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净）。自动开停车系统可以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。§1.1化工自动化的主要内容自动控制系统是自动化生产的核心部分，也是本课程了解和学习的重点化工过程生产自动化，包括以下四个的主要内容:1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统当某一设备的工艺条件发生变化时，自动控制系统能自动地排出各种干扰因素，使工艺参数始终保持在预先规定的数值范围内，以保证生产维持正常或最佳的工艺操作状态。§1.2自动控制系统的组成人工控制过程：（1）用眼观察温度计的指示值；（2）将观察值与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向，并传递给大脑；（3）大脑根据偏差的大小和方向，依据经验决定开关阀门开度的大小和方向，并指令手去执行；（4）手根据大脑的指令去执行控制阀门的动作。自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的，下面以换热器管程出口温度的控制为例，对人工控制和自动控制加以比较。提问？自动控制过程：（1）由测温度元件热电阻测的出口物料的温度，并转换成电信号，再由温度变送器将电信号转换成标准信号；（2）控制器将变送器送来的信号与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向；（3）控制器根据偏差的大小和方向，按照一定的控制规律输送出一个对应的信号去控制阀（执行器）的动作；（4）控制阀接受信号，改变控制阀的开度大小，从而改变了进入换热器的蒸汽量，达到调整温度的目的各环节的作用：被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器，如：换热器、塔器、反应器、泵、压缩机、管道、各种贮槽等。从上面的人工控制及自动控制过程可看出：自动控制系统由以下环节组成：▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器控制（调节）器执行器（控制阀）各环节的作用：▲测量元件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号：如气压信号（0.02～0.1MPa）电流信号（0～10mA或4～20mA）从上面的人工控制及自动控制过程可看出：自动控制系统由以下环节组成：▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器控制（调节）器执行器（控制阀）各环节的作用：▲控制（调节）器：将检测元件及变送器送来的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较，得出偏差的大小，根据偏差的大小及变化趋势，按照预先设定好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器（控制阀）。从上面的人工控制及自动控制过程可看出：自动控制系统由以下环节组成：▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器控制（调节）器执行器（控制阀）从上面的人工控制及自动控制过程可看出：自动控制系统由以下环节组成：▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器控制（调节）器执行器（控制阀）各环节的作用：▲执行器（控制阀）：接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而相应地改变流入（或流出）被控对象的物料流量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。常见的有：气动薄膜执行器，电动执行器▲带控制点的工艺流程图：在控制方案确定后，用自动控制系统设计规定的文字符号和图形符号在工艺流程图上标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。流程图中设备间连线表示物料流动的方向。例如▲§1.3带控制点的工艺流程图（补充）HGJ7-87《化工过程检测.控制系统设计符号统一规定》一图形符号仪表:用直径约10mm的细实线圆圈表示。测量点:是由工艺设备轮廓或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点,无特定的符号。连接线：仪表到测量点之间的信号连接线用细实线表示仪表的安装位置见表1-1补充图仪表及测量点的表示下面介绍控制流程中统一的符号规定南京化学工业公司磷酸中控室某钢铁厂中控室某钢铁厂中控室扬子芳烃厂中控室（亚洲最大的中控室）扬子芳烃厂表1-1仪表安装位置的图形符号表示（补充）二字母代号①仪表圆圈的上半圆内：用英文字母表示被测变量和仪表的功能。第一位字母表示被测变量；第二位起后续字母表示仪表功能。②仪表圆圈的下半圆内：用阿拉伯数字表示仪表的位置编号。第一位数字表示工段号；第二位起后续数字表示仪表的序号。常见被测变量和仪表功能的字母代号见表1-2√√√√√√√√√√（补充）补充图控制点的工艺流程图——表示测量点在塔顶的压力指示控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为07。——表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装仪表，工段号为2，仪表序号为06。LICA202——表示测量点在塔的下部温度记录控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为10。FR212TRC210PIC207PI206LIC201HL——表示测量点在回流罐封头处的液位指示控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为01。——表示测量点在塔的下部的液位指示、报警控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为02。H、L表示仪表具有高、低报警功能。——表示测量点在进口管线上的孔板流量记录仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为12。例题1注意：6大要点▲设计以及读带控制点的工艺流程图时。①测量点②被测变量③仪表功能④仪表安装位置⑤工段号⑥仪表序号思考题：扬子芳烃厂100单元带控制点的流程图。1与课堂上讲的有什么不同？2具体含义？•流程图中的箭头：设备间连线表示物料流动的方向•方块图中的箭头：表示信号的流向和相互关系一自动控制系统方块图：是用一个方块代表自动控制系统中的一个组成环节，用箭头表示两个环节的信号联系和传递方向，用规定的字母表示方块间相互作用的信号参数。特别提醒§1.4自动控制系统方块图图1-2简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量二自动控制系统中的常用术语被控变量y——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。测量值ym——由检测元件检测到的被控变量的实际值。设（给）定值ys——被控变量的预定值。图1-2简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量二自动控制系统中的常用术语操纵变量m——受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量f——除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。图1-2简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量二自动控制系统中的常用术语偏差信号e=ym－ys——被控变量的实际测量值与设定值之差。控制信号u——控制器按输入的偏差信号按一定规律计算得到的量。图1-2简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量二自动控制系统中的常用术语反馈——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入端的做法。负反馈——反馈信号的作用与设定信号相反，使偏差信号减弱的反馈（e=ym－ys），叫负反馈。正反馈——使偏差信号加强的反馈，即（e=ys+ym）。图1-2简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量三例题讲解例题2：锅炉化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，