自动化仪表讲义

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化工自动化及仪表 自动化仪表及其控制系统基本概念　控制系统　第一章　自动化仪表及其控制系统基本概念 教学要求：了解过程控制的发展概况及特点；　掌握过程控制系统各部分作用，系统的组成；　掌握管道及仪表流程图绘制方法，认识常见图形符号、文字代号；　学会绘制简单系统的管道及仪表流程图；　掌握控制系统的基本控制要求（稳定、快速、准确）　；　掌握静态、动态及过渡过程概念；　自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，自动　控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。

随着国民经济和　国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。

　生产过程自动控制（简称过程控制）自动控制技术在石油、化工、电力、冶金、　机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用，是自动化技术的重要组成部分。

控制系统　系统的发展概况及特点　§１．１　控制系统的发展概况及特点 一、过程控制的发展概况　在过程控制发展的历程中，生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具和手　段的进展三者相互影响、相互促进，推动了过程控制不断的向前发展。

纵观过程控制的　发展历史，大致经历了以下几个阶段：　２０　世纪　４０　年代：　手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观　测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制　生产过程。

　２０　世纪　４０　年代末～５０　年代：　过程控制系统：多为单输入、单输出简单控制系统　过程检测：　采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表　（气动Ⅰ型和电动Ⅰ型）　；　部分生产过程实现了仪表化和局部自动化　控制理论：以反馈为中心的经典控制理论　２０　世纪　６０　年代：　过程控制系统：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。

　自动化仪表：单元组合仪表（气动Ⅱ型和电动Ⅱ型）成为主流产品　６０　年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字　控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。

　控制理论：出现了以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划等最优 １ 控制理论为基本特征的现代控制理论，传统的单输入单输出系统发　展到多输入多输出系统领域。

　２０　世纪　７０～８０　年代：　微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高（８０　年　代初一片硅片可集成十几万个晶体管，于是　３２　位微处理器问世）　，微型计算　机的出现及应用都促使控制系统发展。

　过程控制系统：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制　自动化仪表：气动Ⅲ型和电动Ⅲ型，以微处理器为主要构成单元的智能控制　装置。

集散控制系统（ＤＣＳ）　、可编程逻辑控制器　（ＰＬＣ）　、工　业　ＰＣ　机、和数字控制器等，已成为控制装置的主流。

　集散控制系统实现了控制分散、危险分散，操作监测和管理集　中。

　控制理论：形成了大系统理论和智能控制理论。

模糊控制、专家系统控制、　模式识别技术　２０　世纪　９０　年代至今：信息技术飞速发展　过程控制系统：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方　向。

　自动化仪表：　总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结　构上的重大变革。

现场仪表的数字化和智能化，形成了真正　意义上的全数字过程控制系统。

各种智能仪表、变送器、无　纸纪录仪、人工智能、神经网络控制　二、自动化技术的应用范畴　１．宇航方面：　（现代控制理论）　同步卫星与地面接收站直接对应，偏差影响收看效果（随动控制系统）　卫星的发射与回收（神州　３　号卫星，哥伦比亚号航天飞机）自动关机、点火系统　２．军事方面：　火炮自动点火、巡航导弹　３．其他方面：农业（病虫害防治、专家系统）　社会科学（计划生育，人口增长模型）　４．现代管理：　办公自动化　（以计算机技术和现代通信技术为主体的综合处理与办公活　动相关的语言、数据、图像、文字等人及信息系统。

　５．工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐　三、控制系统的特点　过程控制系统与其他自动控制系统相比，有如下几个特点：　１．生产过程的连续性　生产过程的连续性　在过程控制系统中，大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行，在密闭的设备 ２ 化工自动化及仪表 中被控变量不断的受到各种扰动的影响。

　２．被控过程的复杂性　被控过程的复杂性　过程控制涉及范围广：石化过程的精馏塔、反应器；热工过程的换热器、锅炉等。

　被控对象较复杂：动态特性多为大惯性，大滞后形式，且具有非线性、分布参数和　时变特性。

　３．控制方案的多样性　控制方案的多样性　被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不同，　过程控制系统的控制方案非常　丰富。

　包括：常规　ＰＩＤ　控制、改进　ＰＩＤ　控制、串级控制、前馈－反馈控制、解耦控制；　为满足特定要求而开发的比值控制、均匀控制、选择性控制、推断控制；　新型控制系统，如模糊控制、预测控制、最优控制等。

　四、控制系统的主要内容　控制系统的主要内容　系统　１．自动检测系统　自动检测系统　———利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录　如：加热炉温度、压力检测　２．自动信号和联锁保护系统　自动信号和联锁保护系统　自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号　联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车　如：反应器温度、压力进入危险限时，加大冷却剂量或关闭进料阀　３．自动操纵及自动开停车系统　自动操纵及自动开停车系统　自动操纵系统：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　如：合成氨造气车间煤气发生炉，按吹风、上吹、下吹、吹净等　步骤周期性地接通空气和水蒸汽　自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运行或自动停车　４．自动控制系统：　自动控制系统：　自动控制系统　利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使他们在受到外界　扰动的影响而偏离正常状态时，　能自动的回到规定范围。

　（本书介绍的重点内容） 过程控制系统的组成　§１．２　过程控制系统的组成 利用自动控制装置构成的过程控制系统，可以在没有人直接参与的条件下，使这些　工艺参数能自动按照预定的规律变化。

　一、　过程控制系统实例　１．　锅炉汽包水位控制。

　在锅炉正常运行中，汽包水位是一个重要的参数，它的高低直接影响着蒸汽的品质　及锅炉的安全。

水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体将全部汽化，　导致锅炉烧干甚至会引起爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象，　降低了蒸汽的质量和产量，严重时会损坏后续设备。

３ 蒸汽　汽包　汽包 加热室 蒸汽　液位变送 加热室 控制器　给水 给水 执行器 （ａ） 锅炉汽包水位控制示意图　图　１．１　锅炉汽包水位控制示意图 （ｂ） 眼 检测元件（变送器）　要想实现对汽包水位的控制，首先应随时掌握水位的变化情况　控制器　控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较。

如果两　个信号不相等，表明实际水位与规定水位有偏差，此时控制器将根据　偏差的大小向执行器输出一个控制信号，　执行器　执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度，从而使进入锅炉的水量　发生变化，达到控制锅炉汽包水位的目的。

脑 手 ２．　发酵罐温度控制（参见教材　Ｐ　４）　发酵罐是间歇发酵过程中的重要设备，广泛应用于微生物制药、食品等行业。

发酵　罐的温度是影响发酵过程的一个重要参数。

因为微生物菌体本身对温度非常敏感，只有　在适宜的温度下才能正常生长代谢，而且涉及菌体生长和产物合成的酶也必须在一定的　温度下才能具有高的活性。

温度还会影响发酵产物的组成。

因此，按一定的规律控制发　酵罐的温度就显得非常重要。

温度变送　控制器　执行器　冷却水　冷却水 （ａ） 图　１．２　发酵罐温度控制系统示意图 （ｂ） ４ 化工自动化及仪表 影响发酵过程温度的主要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流量及本身　的温度变化以及周围环境温度的改变等。

一般采用通冷却水带走反应热的方式使罐内温　度保持工艺要求的数值。

对于小型发酵罐，通常采用夹套式冷却形式。

如图　１．２（ａ）所　示。

　实现对发酵罐温度的控制，可使用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量罐中　的实际温度，将测得的数值送入控制器，然后与工艺要求保持的温度数值进行比较。

如果　两个信号不相等，则由控制器的输出控制冷却水阀门的开度，改变冷却水的流量，从而　达到控制发酵罐温度的目的。

　二、　过程控制系统的组成　一个过程控制系统一般由两部分组成。

　需要控制的工艺设备或机器（被控过程）　＋　自动控制装置　（反应器、精馏塔、换热器、压力罐　（控制器、执行器、测量元件及变送器）　储槽、加热炉、压缩机、泵、冷却塔）　几个常用术语：　被控过程（对象）工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等。

如锅炉汽包，发酵　罐。

　被控变量　被控对象中要求保持设定值的工艺参数。

如汽包水位、发酵温度。

　操纵变量　受控制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或　能量。

如锅炉给水量和发酵罐冷却水量。

　扰动量　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。

如蒸汽负　荷的变化、冷却水温度的变化等。

　设定值　被控变量的预定值。

　偏　差（ｅ）　被控变量的设定值与实际值之差。

在实际控制系统中，能够直接获取的　信息是被控变量的测量值而不是实际值，因此，通常把设定值与测量值之差作为偏差。

　§１．３　过程控制系统的两种表示形式　一、　方　框　图　方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进　行理论分析、设计中常用到的一种形式。

　１．　方框图组成　方框每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节）　，方框内添入表示　其自身特性的数学表达式或文字说明；　信号线信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流　向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称　为该环节的输出信号。

　比较点比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，　号表示相加，　“＋”　“－” ５ 号表示相减；　引出点表示信号引出，　从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。

带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 图　１．３　方框的组成单元示意图 系统中的每一个环节用一个方框来表示，　四个方框分别表示：　被控对象　（锅炉汽包）　、　测量变送装置、控制器和执行器。

每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。

如被控　对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入　信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控　变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动　量，它们也作为输入信号作用于被控对象。