化工自动化基础

第二节 调节器及基本调节规律
1.2 积分控制（I） 它的控制规律是：调节器的输出变化量 与输入偏差随时间的积分成正比，数学表 达式为： 1 edt C K edt 或 C
I

从该表达式看出：其输出信号的大小， 不仅与偏差的大小有关，还与偏差存在的 时间长短有关。所以，积分控制是一种没 有偏差的控制（理想情况下）。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
锅炉蒸汽压力选择性控制系统的工作过 程： 上图中的LS为低值选择器，正常情况下 b<a，LS连通b，由蒸汽压力调节器控制燃 料调节阀的开度，控制蒸汽管网的压力在 工艺规定的范围。 燃料调节阀的阀后压力过大会发生“脱 火”事故；而阀后压力过低会发生“回火” 事故。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
串级控制系统的构成及方块图：
串级控制系统是由两个检测变送器、两 个调节器、一个调节阀组成。两个调节器 是串联工作的，其中主调节器的输出作为 副调节器的设定值，副调节器输出控制调 节阀。
第五节 复杂控制系统
串级控制系统方块图：
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
第四节 单回路控制系统
1、单回路控制系统
只有一个被控过程、一个检测变送器、 一个调节器和一个执行器所组成的单闭环 系统称为单回路控制系统。
第四节 单回路控制系统
第四节 单回路控制系统
第四节 单回路控制系统
第四节 单回路控制系统
第五节 复杂控制系统
所谓“复杂”是相对于“简单”而言。 通常指由两个或两个以上的检测变送器、 调节器和执行器所组成的多回路的，或控 制要求特殊的；或控制规律不同于PID的控 制系统。复杂控制系统的种类较多，常使 用的有串级、均匀、比值、前馈、分程、 选择性控制系统等。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
2、均匀控制系统
第五节 复杂控制系统
为了解决前后工序的供求矛盾，做到统 筹兼顾，协调操作，使两个变量在规定的 范围内缓慢变化的系统，称为均匀控制系 统。 特点： 1、表征前后两个供求矛盾的两个变量， 在控制过程中应该是缓慢变化的。 2、前后互相联系又互相矛盾的两个变量 应该在工艺所允许的范围内变化。
第一节 化工自动化的基本概念
3.2、检测元件及变送器：它将需要监测的 工艺变量的变化转换成特定信号（电信 号），为自动控制系统提供控制的依据。
3.3、调节器：它把检测元件与变送器送来 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，根据偏差的正负、大小 及变化趋势，按预先设计好的控制规律进 行运算后，输出相应的控制作用给执行机 构。
1、常用的基本调节规律有：
比例（P)、积分（I）、微分（D）。
第二节 调节器及基本调节规律
1.1 比例控制（P） 它的控制规律是：调节器的输出变化量 与输入变化量成比例。起数学表达式为：
C K P e
从该表达式看出：比例控制克服偏差及 时、有力。要使调节器有输出就必须要有 偏差存在，因此比例控制始终是有偏差存 在的。
第一章 化工自动化基础
第一节 化工自动化的基本概念
1、化工生产过程
化工生产过程是工艺变量（温度T、压力 P、流量F、液位L、浓度γ等）在工艺所规 定的条件下进行安全、高效生产的过程。
化工生产常用的设备：机泵、热交换器、 锅炉、加热炉、分馏塔、压缩机、反应器等。
第一节 化工自动化的基本概念
1.1 生产过程自动化 以锅炉水位控制为例： 看如何由人工控制
例如：控制加热炉燃 如何选择？
第三节 执行器—气动薄膜调节阀
控制进入加热炉燃料气流量的调节阀， 应该选用气开式，当气压信号中断时，应 该切断进炉的燃料，以避免炉温过高而出 事故；而控制锅炉给水流量的调节阀应该 选用气关式，当气压信号中断时，阀门处 于全开状态，给水继续流入锅炉，以保证 锅炉不致烧干。
上图为反应器热点极值选择性控制系统。 在固定床反应器中，为了防止温度过高烧 坏触媒，在反应器的四个不同部位设臵了 温度检测点。各温度变送器的输出端引入 高值选择器，选出其中最高的信号值作为 调节器控制冷却剂调节阀的依据。这样， 系统将按反应器的最高温度控制冷却剂流 量，从而保证了反应器触媒层的安全。
自动控制
第一节 化工自动化的基本概念
用自动控制装臵来代替人工控制，使生 产过程在不需要人干涉的情况下自动安全、 高效地进行。这就是生产过程自动化。
2. 自动控制系统常用术语
2.1 被控过程：也称为被控对象。自动控制 系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设 备或机械。如上例中锅炉的汽包。 2.2 被控变量：被控过程内要求保持设定数 值的工艺变量。如锅炉汽包的水位。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
5、选择性控制系统
凡是在自动控制系统中引入了选择器并 按照工艺过程限制条件的逻辑关系工作的 系统，都称为选择性控制系统。其工作状 况是：当生产过程趋向限制条件时，选择 器自动选择一个取代调节器取代正常工作 状况下的调节器，通过取代调节器的控制 作用，使生产过程脱离危险状态，生产操 作重新回到安全范围后，取代调节器自动 退出，转为备用状态，正常调节器恢复工 作。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
前馈控制与反馈控制的几点不同： 1、系统检测信号的不同:反馈控制检测的 是被控变量；前馈控制检测的是扰动量。 2、系统控制的依据不同：反馈控制依据 是偏差大小；前馈控制的依据是扰动量的大 小。 3、控制模式不同：反馈控制采用常规的 PID控制调节器；前馈控制采用的是引入补 偿装臵对扰动量进行补偿校正。补偿效果不 通过反馈进行检验。
第五节 复杂控制系统
通过分析可以看出，f1 和f2的影响可以 通过炉膛温度较快的反应出来，而稳定炉 膛温度可以有效地减小f1和f2对炉出口温度 影响。
第五节 复杂控制系统
所以选定炉膛温度为副变量，由副变送 器、副调节器、副过程（炉膛）、执行机 构（调节阀）构成副回路；以炉出口温度为 主变量，由主变送器、主调节器、主过程 （炉出口管）构成主回路，主调节器的输 出作为副调节器的设定值，由副调节器的 输出控制调节阀，这就是加热炉出口温度 串级控制系统。
第二节 调节器及基本调节规律
1.5 PID调节器的应用 PID调节器综合了各种控制规律的优点， 具有较好的控制性能，应用范围广。 各种化工过程常用的控制规律如下： 液位：一般控制要求不高，用P或PI控制 作用。 流量：一般用PI控制作用。 压力：用P或PI控制作用。 温度：用PID控制作用。
第二节 调节器及基本调节规律
2、 调节器的类型
按结构和组成的形式分有基地式调节器、 单元组合式调节器、组合式电子控制装臵、 可编程调节器和集中分散型控制装臵五种。 我厂现在主要使用的是可编程调节器和集 中分散型控制装臵。
第二节 调节器及基本调节规律
2.1 集中分散型控制装臵（集散型控制系 统DCS） 集中分散型控制是把整个控制系统分 成若干级，最基层的是直接数字控制，上 一级是优化控制，这样既能发挥计算机多 功能控制的特点，满足现代化工生产集中 操作、显示和报警的要求，又能避免危险 过分集中，整个控制系统安全可靠。
第三节 执行器—气动薄膜调节阀
执行器在自动控制系统中的作用是接受 调节器的控制信号，改变操纵变量，使生 产过程按预定要求正常进行。执行器一般 安装在生产现场，直接与工艺介质接触， 常常在高温、高压、深冷、易漏、易堵、 强腐蚀等恶劣环境下工作。
1、气动薄膜调节阀
在化工生产过程中使用的最多的执行器 是气动薄膜调节阀。
第一节 化工自动化的基本概念
3、自动控制系统的组成
自动控制系统主要由两大部分组成，一 部分是起控制作用的全套自动化装臵，它 主要包括检测元件及变送器、调节器和执 行器；另一部分是自动化装臵控制下的被 控过程。 3.1、被控过程：自动控制系统中，工艺变 量需要控制的生产过程、设备或机器称被 控过程。化工生产中的各类塔器、反应器、 泵、压缩机以及各种容器、储槽（罐）， 甚至一段输送流体的管道都可以是被控过
第二节 调节器及基本调节规律
集散型控制系统在结构上是由下位机操 作站和上位监控计算机组成。每个操作站 可以控制十几个到几十个回路，有专用微 处理机进行有效地控制，各操作站与上位 机之间，用数字通讯电缆连接起来，构成 各种各样的、能适应不同过程的、积木式 的分级控制结构，并通过屏幕和操作台， 对整个生产过程进行集中监视、集中操作 和集中管理，分散控制。它适用于大中型 企业的大型生产装臵。
第三节 执行器—气动薄膜调节阀
第三节 执行器—气动薄膜调节阀
1.2 调节阀的气开、气关形式的选择。
气动薄膜调节阀有气开和气关两种形式。 选择气开或气关，主要是从工艺生产的安 全要求出发，其选择的依据是：当输入的 控制信号中断时，调节阀的自然位臵应该 保证设备和人员的安全。
第三节 执行器—气动薄膜调节阀
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
3、比值控制系统
使两个或两个以上物料量保持一定比值 关系以达到某种控制要求的控制系统，称 为比值控制系统。
第五节 复杂控制系统
第五节 复杂控制系统
4、前馈控制系统
前馈控制是改善和克服反馈控制不及 时的另一种控制方法。它是利用补偿原理， 采用开环结构，按扰动作用的大小进行控 制。 前馈控制相对于反馈控制来说，控制 作用及时，对扰动的影响理论上可以完全 补偿，使用恰当可大大提高控制质量。
第一节 化工自动化的基本概念
2.3 操纵变量：通常指受控于调节阀用于克 服扰动的影响，使被控变量保持在设定值附 近的物料量或能量。如锅炉的给水量。 2.4 扰动：也称为干扰。除操纵变量外，引 起被控变量变化的因素。如锅炉负荷的变化。 2.5 设定值：被控变量的预定值。如锅炉汽 包水位的预先设定值。 2.6 偏差：被控变量的设定值与实际值（测 量值）之差。