化工仪表第1章

锅炉汽包自动控制系统示意图
蒸汽
操纵变量：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。
LC
LT
汽包
扰动：除操纵变量外， 作用于被控过程并引起 被控变量变化的因素。
省煤器
给水
操纵变量：水的流量 扰动：水压力、蒸汽压力
锅炉汽包自动控制系统示意图
蒸汽
设定值：工艺参数所 要求保持的数值。 偏差：被控变量设定 值与实际值之差。
例：复杂的生产设备—蒸馏塔、吸收塔
塔顶温度、压力
中部进料流量
塔底温度、塔釜液位
1.2.2 自动控制系统方块图
在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析 研究，一般都用方块图来表示控制系统的组成。 下页图为液位自动控制系统地方块图每个环节 表示组成系统的一个部分，称为“环节”。 两个方块之间用一条带有箭头的线条表示其信 号的相互关系，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。 线旁的字母表示相互间的作用信号。
自动控制系统定义：
具有负反馈结构，系统能自动而连续的测量被控 量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极 性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所 存在的偏差。
1.2.4 管道及仪表流程图
1.化工生产基本流程
原料 输入 设备 （储槽）
前处理 过程
化学 反应 过程
后处理 过程
输出 成品 设备 （储槽）
LT
LC
汽包
省煤器
负反馈：将被控变量 送回输入端并与输入 变量相减。
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
加热炉的温度控制系 统
TT TC
被控对象 被控变量
T 被加热原料 出口温度
控制变量 干扰（扰动）
燃料油
设（给）定值
加热炉的温度控制系统
TT TC
T 被加热原料 出口温度
燃料油
被控过程：加热炉 被控变量：物料出口温度
相同设备序号 分类设备序号 工段（分区）序号 设备分类号
p1005a 、b
氨水泵
设备的标注方法
T RC- 1 31
顺序号（一般用两位数字，也可用三位数字） 工序号（一般用一位数字，也可用两位数字） 功能字母代号（纪录、控制） 被测变量字母代号（温度量） 就地安装 压力检测显示 测量点 集中盘面安装 流量指示报警
传感器
显示仪表
对被测变量 作出响应,把它 转换为适合测量 的物理量。
对检测元件 输出的物理量信 号作进一步信号 转换。
将检测结果以指 针位移、数字、图像 等形式,准确地指示、 记录或储存。
2.自动信号和联锁保护系统
对某些关键性参数设有自动信号联锁保护 装置，是生产过程中的一种安全装置。
3.自动操纵及自动开停车系统
偏差e
调节器
被控对象
输出信号 c(t )
反馈环节
1、开环控制系统：如果系统的输出端和输 入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的
控制作用没有影响，这样的系统成为开环控
制系统。

例：原始的数控机床进给系统就是开环控
制系统。指令输入到计算机控制系统之中，
带动步进电机运动，使工作台移动，产生位
移输出。
在日常生活中，许多控制系统都可以理解
反馈又称回馈，是控制论的基本概念，指将系统 的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进 而影响系统功能的过程。 反馈可分为负反馈和正反馈。 负反馈使输出起到与输入相反的作用，使系统输 出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；
正反馈使输出起到与输入相似的作用，使系统偏 差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。
1.2.1 自控系统的组成
进 料 口
变 送 器 调 节 器
执 行 器
图1 人工控制
图2 自动控制
人工控制与自动控制比较 人工调节过程:
检测水位
眼 脑
与希望高度比较
确定阀门开度与方向
执行
手
控制速度和精度不能满足大型 图1-2 人工操作图 现代化生产的需要
图
自 动 控 制 系 控制过程： 统 假设Hc↓→ 浮子↓（测量出Hc，和整定的位置Hg作比较）→阀 模 型
常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡 过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比 较严重的情况。
输 入 量 0 t0 时间t
•
定值控制系统过渡过程的几种形式(阶跃扰动)
•发散振荡
•单调发散 •等幅振荡 •衰减振荡 •非周期衰减
c(t) t (e)非周期衰减 (c)等幅振荡 c(t) t (d)衰减振荡 c(t) t (a)发散振荡 (b)单调发散 c(t) t
3
门↑→Q1↑→Hc↑
浮子——连杆——阀门 眼 —— 脑———手
三个主要环节的功能对照
眼－检测变送器：观察测量液位并将其转换为统一
的输出信号；
脑－调节器（控制器）：接受变送器送来的信号，
与工艺上需要保持的信号比较得出偏差，并计算出
调节信号的大小； 手－执行器：根据调节器的输出信号调节阀门的大 小，进而影响被控量。
第四节
1.4.1
自动控制系统的过渡过程及品质指标
静态与动态
控制系统的输入有设定作用和扰动作用。 静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统 若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作， 它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与 输出之间的关系称为系统的静态特性。
环节的静态特性
动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其 间的关系称为系统的动态特性。也就是说，从 输入开始，经过控制直到再建立静态，在这段 时间中，整个系统的各个环节和变量都处于变 化的过程之中，这种状态称为动态。 环节的动态特性
报警等安全装置。
自动操纵及自动开停车系统：
按预定步骤完成周期性操作。
自动控制系统：
简单控制、串级、前馈等。
1.自动检测系统 利用各种仪表对生产过程中主要工艺 参数进行测量、指示或记录的部分。
作用 对过程信息的获取与记录作用。
图1-1
热交换器自动检测系统示意图
自动检测系统中主要的自动化装置
敏感元件
对负反馈的研究是控制论的核心问题。
进 料 口
变 送 器 执 行 器
控 制 站
图1-5 自动控制系统方块图
其他控制系统
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统。
•当进料流量或温度变化 等因素引起出口物料温 度变化时，可以将该温 度变化测量后送至温度 控制器TC。
•温度控制器的输出送至 控制阀，以改变加热蒸 汽量来维持出口物料的 温度不变。
公用工程
2.施工阶段工艺流程图
2.施工阶段工艺流程图
PG 13 10 -300
物料 代号 工 管道 公称 段 顺序号 直径 号
AIA-H
公称 压力 等级
管道线
管道 隔热或 材质 隔声带号
同类管道 顺序号
(a) 前、后标注
PG 13 10-300
AIA-H
管道线
(b) 上、下标注
管道标注方法
P 1 0 0 5 a、b
1.2.2自动控制系统的方块图
方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指 偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号； y 指被控变量；f 指扰动作用。当x 取正值，z 取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正 值， e= x+ z，正反馈。
图1-5 自动控制系统方块图
概念：正反馈与负反馈
PIJ 102
FIA 106 (a)水平管道 测量点
(b)设备
(b)垂直管道
压力 pressure
流el
控制系统常见的连接信号线的图示
第三 节 自动控制系统的分类
1、按给定值是否变化分： 恒值：给定值是一常数 随动：给定值是随机变化的 程序：给定值按某一函数规律变化，但是是事先设定的 2、按数学分析方法分： 线性、非线性 3、按系统信号形式分： 连续/离散 4、按输入、输出信号数量分： 单入单出SISO/多入多出MIMO
开环控制：
开环控制的特点（优点）：不需要对被控变 量进行测量，只根据输入信号进行控制，控 制很及时。
开环控制的缺点：由于不测量被控变量，也 不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用 后，被控变量偏离设定值，无法消除偏差。
开环控制系统
控制信号
输出信号
控制器
被控对象
闭环控制系统
输入信号 r (t )
（4）干扰（扰动） 除控制变量（操纵变量）以外，作用于
对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。
（5）设（给）定值 工艺规定被控变量所要保持的数值。
（6）偏差 偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。
注意：能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值， 因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
液位自动控制系统
进 料 口
变 送 器
执 行 器
调 节 器
进 料 口
变 送 器 执 行 器
控 制 站
完成自动控制贮槽中液位高低的任务
注意：
被控对象：需要控制其工艺参数的生产设 备或机器。常见的有各种塔器、反应器、 换热器、泵、压缩机和贮槽等。
遇到复杂控制对象时，只有塔的某一与控 制有关的相应部分才是某一控制系统的被 控对象。
图1-6 蒸汽加热器温度控制系统
•方块图：表示自动控制系统各环节之间的相互
影响和信号联系。 •基本组成：方块（环节）、带箭头的线条（信
号的流向）。 •主要包括被控对象（具体物理对象，如水槽、
锅炉等）、变送器（反馈环节）、控制器、执
行器。
自动控制系统中的术语和定义
系统框图、术语