过程自动检测与控制技术_CHAPT1_概述

过程自动检测与控制技术孙洪程[e-mail]课程介绍该课程是为化学工程等非自动化开设的。该课程总学时为32学时。教学目的是使得学生掌握一些基本的自动化技术。这是现代石油、化工等过程工业不可缺少的重要技术成分。该课程主要内容分三部分：自动检测、基本控制系统与方案、自控工程基础。教材采用的是化工出版社出版的，孙洪程，魏杰，王俭编的《过程自动检测与控制技术》。教材采用的是化工出版社出版的，厉玉鸣编的《化工仪表及自动化（第四版）》。关于自控工程设计基础部分，可参考化学工业出版社出版的孙洪程，翁唯勤编写的《过程控制工程设计》一书。第一章概述生产过程中自然需要对物料流、能量流进行管理。但是仅仅有这些还是不够的。生产过程中还有一种流，那就是信息流。外部干预信息系统内作用信息系统提供信息图1．1-3生产过程中的信息流生产过程检测问题执行干预控制策略第一节、过程自动检测技术概述信息的提取过程实际上是一个测量过程。假定用一个装置进行测量，将测量装置看作一个环节，该装置的输入是被测取的物理量，输出是信号。用x表示被测变量，用y表示测量信号。被测量x是生产过程中需要关注的量，例如温度、压力、位移、速度等。测量信号y是能够表征被测量的，能够方便的进行处理、记录、阅读的另外一种物理量，例如电压、电流、电阻、气压、指针偏转、液柱高度、电位开关等。这里需要注意，信号不仅仅指一些物理信号，一些可由人感官的观察到的量也是信号。第一节、过程自动检测技术概述信息提取装置xy信息提取过程示意图一、测量基本关系yymaxyminyxxmaxxminx00图1．1-5测量基本关系yymaxyminyxxmaxxminx00ab一、测量基本关系被测变量的变化范围叫作测量范围，与之相对应的信号变化范围叫作信号范围。信号变化范围所对应的被测变量变化范围也叫作测量装置的量程。被测变量的最小数值叫作量程下限，被测变量的最大数值叫作量程上限。信号的最小数值叫作信号的下限（或零点），信号的最大数值叫作信号的上限（或满度）。测量的基本要求是输出信号与被测变量在测量范围内有有单值对应关系，即一点测量信号数值有一点被测变量数值对应。这种对应关系可以是线性的也可以是非线性的某种函数关系。一、测量基本关系a。线性关系经整理可得：minminmaxminmaxminyyxxyyxxminmaxminminmaxminxxyyyyxx一、测量基本关系b。非线性关系经整理可得：minminmaxminmaxminyyxxfyyxxminmaxminminmaxminxxyyyfyxx[例题1]：已知热电偶测量范围0~1700℃，对应毫伏信号为0~20．222mV。忽略热电偶测量的非线性。写出毫伏与温度之间的表达式。根据线性测量关系，则有：TTVTTTTVVV0119.01700222.20minminminmaxminmax[例题2]：用压力变送器测量压力，压力变化范围0~2.5MPa，对应信号为4~20mA。写出压力测量关系表达式。根据线性测量关系，则有：44.64)0(05.2420minminminmaxminmaxPPIPPPPIII二、测量过程指标1、测量误差a、绝对误差设被测值为x0、测量值x，则绝对误差：Δ=x-x0由于测量过程中无法获得被测值，所以只能用标准测量值xs来代替被测值x0，因此，绝对误差：Δ=x-xs二、测量过程指标b、相对误差相对误差是绝对误差与工作点之比，既：ssxxxy二、测量过程指标c、最大相对百分误差最大相对百分误差是全量程内，最大相对误差的百分表示。即：这个指标意味着，在整个测量范围内任何点的测量相对误差都不会超过这个误差。%100max测量下限测量上限二、测量过程指标2、测量的时间响应时间响应是关于获得稳定测量数值快慢的指标，既当被测量发生变化开始，到测量数值稳定这个过程的指标。由于测量装置（传感器、变送器）可能存在一些容量、阻力特性，或许还有一些质量、体积、间隙等特征，所以测量过程稳定是需要一定时间的。二、测量过程指标该问题描述如下：通常会认为，3倍时间常数T后，Att0xKAtt0yt1ab测量输入、输出的时间关系t20．632KA二、测量过程指标此处：τ=t1-t0；T=t2-t1τ为纯滞后时间，他表示当被测变量发生变化后，测量信号要多长时间才发生变化。一般是由测量装置的传动、间隙等因素造成的；T为滞后时间，他表明信号对被测变量响应的快慢。一般由测量装置的容量因素造成的，如容积、电容、运动部件质量等；K为测量灵敏度。三、装置测量的性能指标1、精度仪表的最大允许百分误差定义为；该公式规定：在正常使用条件下该测量装置的所有误差都不超过数值。将公式去掉百分号和±后，该数值即为测量装置的精度。精度是由国家标准所规定的数值，目前我国常用仪表精度有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。%100测量下限测量上限允允[例题1]：某生产过程需要测量温度。温度测量范围是0～500℃，正常工作温度为300±2℃。确定温度测量仪表的精度。测量最大误差为±2℃，测量范围0～500℃，计算最大百分误差，根据该计算结果应当选择0.2级精度。2100%0.4%5000[例题2]：用一台1.0级精度仪表测量压力，压力仪表量程为0～2500kPa。要求测量最大误差不超过±30kPa，该压力仪表符合测量要求么？生产上的最大百分误差为：该压力仪表的最大百分允许误差为：，由此可得：该数值小于±30kPa，故符合测量要求。30100%1.2%25000100%1.0%允250000.01=25允2500三、装置测量的性能指标2、灵敏度灵敏度是指测量信号输出的变化量与被测量的变化量之比，即被测量的单位变化可引起多少信号变化量。即：该数值越大则灵敏度越高，表示单位被测量的变化可引发比较大的信号变化。对于数字技术的测量装置常常会用另外一个叫作分辨率的名词。分辨率的含义是指该测量装置所能分辨被测量的最小数值。ysx三、装置测量的性能指标如果被测量的变化小于该数值，则该测量装置不能分辨这个变化。数字化测量装置会将被测量的整个变化范围转换为若干位二进制数字。位数的多少叫作字长，一定字长的二进制数对应一定的十进制数，例如有一个8位字长的测量装置，8位二进制所表示的数字范围是0~255，如果该装置将0~1000℃转换为0到255，那么八位字长的最后一位所代表温度为：如果测量装置具有12位字长，12位二进制所表示的数字范围是0~4095，则最后一位所代表的温度为：392/1000-0[度]分辨率=.度字255-0[字]024/1000-0[度]分辨率=.度字4095-0[字]第二节过程自动控制概述一、过程工业特点1）过程工业的物料通常是流体，物质形态与能量形态的改变是不可见的；2）生产环节之间关联很强。生产过程中一点的变化可向上游、下游扩散；3）由于流体形态下物质、能量的传递与交换的特点所决定，过程工业具有时间滞后特点；4）生产过程状态具有多样性。如化学反应过程，主反应进行时还伴随有若干副反应；5）现代过程工业常常在大负荷、高强度下生产，加上过程工业的时间滞后特性，所以正常状况的反映即有不及时的特点，同时又有变化剧烈，人力难以控制。根据过程工业，特别是现代过程工业的这些特点，靠人为观察，人的操作是难以控制生产过程的。所以自动检测与自动控制已经变成了现代过程工业的一个不可缺少的组成部分。第二节过程自动控制概述2、过程自动控制学科的特点1）与被控过程密切相关；2）与控制科学（控制原理、控制系统、人工智能等）密切相关；3）与自动化装置（检测技术、自动化仪表、计算机控制系统等）密切相关；4）与网络技术、计算机技术、通信技术密切相关。第二节过程自动控制概述3、自动控制系统分类1）自动检测系统；2）自动操作系统（自动开、停车系统、顺控系统等）；3）自动信号报警与连锁系统（SIS、ESD等）；4）自动控制系统（定值（调节）系统、控制系统）