最新化工仪表及自动化第二学期教案.docx
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最新化工仪表及自动化第二学期教案
化工仪表及自动化
第七章自动控制系统概述
第七章自动控制系统概述
一、教学目标
1、了解自动控制系统的组成
2、掌握自动控制系统的方块图和简化方块图的表示和意义
3、了解自动控制系统的分类
4、了解过渡过程和品质指标
5、掌握工艺管道及控制流程图的意义
二、教学重点和难度
1、自动控制系统的方块图和简化方块图的掌握
2、工艺管道及控制流程图的表示和了解
三、授课班级
09应用化工技术一班，09应用化工技术二班
四、教学方法和时数
讨论法、教授法、多媒体法6个时数
第一节自动控制系统的组成
人工操作与自动控制比较图
表7-1被测变量和仪表功能的字母代号
字母
第一位字母
后继字母
被测变量
修饰词
功能
A
C
D
E
F
I
K
L
M
P
Q
R
S
T
V
W
Y
Z
分析
电导率
密度
电压
流量
电流
时间或时间程序
物位
水分或湿度
压力或真空
数量或件数
放射性
速度或频率
温度
黏度
力
供选用
位置
差
比（分数）
积分、累积
安全
报警
控制（调节）
检测元件
指示
自动-手动操作器
积分、累积
记录或打印
开关、联锁
传送
阀、挡板、百叶窗
套管
继动器或计算器
驱动、执行或未分类的终端执行机构
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。
在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。
第二节自动控制系统的方块图
一、信号和变量
载有变量信息的物理变量是信号。
二、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。
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。
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。
为了便于分析,有时将控制器以外的各个环节（包括被控对象、测量元件及变送器、控制阀）组合在一起看待,称之为广义对象,这样,整个系统可认为是由控制器与广义对象两者所构成,其方块图可简化。
三、反馈
自动控制系统是一个闭环系统，是由于反馈的存在造成的
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
它与自动测量、自动操纵等开环系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有无负反馈存在。
四、自动控制系统的分类
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；
按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统；
将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
1.定值控制方法
“定值”是恒定给定值的简称。
工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。
2.随动控制系统（自动跟踪系统）
给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。
3.程序控制系统（顺序控制系统）
给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。
这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。
第三节过渡过程和品质指标
一、控制系统的静态与动态
自动控制目的：
希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。
静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。
当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态。
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态。
从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。
结论：
在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。
因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。
二、控制系统的过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。
被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。
在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。
在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。
采用阶跃干扰的优点：
Ø这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。
如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。
Ø这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
三、控制系统的控制指标
控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。
多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。
控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一类是时间域的综合指标。
五种重要品质指标
（1）最大偏差或超调量
最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。
在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。
特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。
超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。
（2）衰减比
衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。
习惯表示为n:
1，一般n取为4～10之间为宜。
（2）余差
当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。
有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。
反之就为无差调节和无差系统。
（4）过渡时间
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。
一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±5％（也有的规定为±2％）
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。
在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。
时间域的综合指标
综合性指标往往通过偏差的某些函数对时间的积分值来表达,以兼顾最大偏差、超调量、衰减比、过渡时间等各方面的因素。
以偏差e表示过渡过程中被控变量与新稳态值的差值,即e（t）=y（t）-y（∞）。
三种综合指标
①偏差绝对值对时间的积分,简记为IAE
采用绝对值,可避免正负积分面积相消的现象。
②偏差绝对值与时间乘积对时间的积分,简记为ITAE
它对后期的偏差值加大权值,因此对消除偏差所需的时间比较敏感。
③偏差平方值对时间的积分,简记为ISE
采用平方值,同样可以避免正负偏差积分时的相消现象。
与IAE相比,它对最大偏差的数值更加敏感。
四、影响控制指标的主要因素
一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。
前者指与该自动控制系统有关的部分。
后者指为实现自动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。
对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。
例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：
换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。
不同自动化系统要具体分析。
第九章基本控制规律
一、教学目标
1、了解积分控制的基本规律
2、了解微分控制的基本规律
3、掌握位式控制的基本规律，双位控制的特性和规律
二、教学重点和难度
1、掌握位式控制的基本规律
2、双位控制的特性和规律
三、授课班级
09应用化工技术一班，09应用化工技术二班
四、教学方法和时数
讨论法、教授法、多媒体法6个时数
五、教学内容
概论
控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系：
即
在研究控制器的控制规律时：
经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。
控制器的基本控制规律
位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）。
第一节位式控制
一、双位控制
理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为
二、具有中间区的双位控制
将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。
由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。
结论：
双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标
被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。
双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。
三、多位控制
对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程度增加。
第二节比例控制
在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。
一、比例控制规律及其特点
比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量
如上图，根据相似三角形原理
所以，对于具有比例控制的控制器
二、比例度及其对控制过程的影响
1.比例度
比例度是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。
将式（9-7）改写后得
对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的,令
（9-9）
对一只控制器来说，K是一个固定常数。
将式（9-9）代入式（9-8），得
而
在单元组合式仪表中
优点：
反应快，控制及时
缺点：
存在余差
结论
若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。
反之，比例度就要选大些以保证稳定。
第三节积分控制
一、积分控制规律及其特点
当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。
积分控制作用的输出变化量Δp与输入偏差e的积分成正比，即
当输入偏差是常数A时
对式（9-12）微分,可得
结论
积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差信号的大小,而且主要取决于偏差存在的时间长短。
积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。
积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。
第十章自动控制仪表
一、教学目标
1、掌握控制仪表的作用与分类
2、掌握模拟式仪表的特点与作用
3、了解数字式仪表的特点与作用
二、教学重点和难度
1、模拟式的结构及特点
2、数字式仪表的规律与作用
三、授课班级
09应用化工技术一班，09应用化工技术二班
四、教学方法和时数
讨论法、教授法、多媒体法6个时数
五、教学内容
概述控制仪表的作用与分类
控制仪表或称控制器,它将被控变量测量值与给定值相比较后产生的偏差,进行一定的运算,并将运算结果以一定信号形式送往执行器,以实现对被控变量的自动控制。
一、控制仪表的能源形式
二、控制仪表的结构形式
按控制仪表与自动控制系统中的检测、变送、显示等各部分的组合方式不同,主要可以分为基地式控制仪表与单元组合式控制仪表等。
基地式控制仪表
基地式控制仪表是将测量、变送、显示及控制等功能集于一身的一种控制仪表。
结构比较简单,常用于单机控制系统。
单元组合式仪表
单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求，分成若干独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号联系。
使用时，针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合，可以组成各种各样的自动检测和控制系统。
优点
①可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。
②可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。
③由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。
④仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。
⑤由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。
⑥有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。
三、分类
根据使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。
单元组合仪表一般可以分为七大类单元。
Ø变送单元（B）
Ø显示单元（X）
Ø给定单元（G）
Ø辅助单元（F）
Ø控制单元（T）
Ø计算单元（J）
Ø转换单元（Z）
在电动单元组合仪表中还包括执行单元（K）。
气动单元组合仪表是以0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的0.02～0.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为1级。
电动单元组合式仪表的发展阶段：
DDZ-Ⅰ型——电子管器件为主要器件
DDZ-Ⅱ型——晶体管等分立元件为主要器件
DDZ-Ⅲ型——线性集成电路作为核心器件
3、控制仪表的信号形式
第一节模拟式控制器
一、概述
模拟式控制仪表所传送的信号形式为连续的模拟信号。
基本功能
✓PID运算功能
✓测量值、给定值与偏差显示
✓输出显示
✓手动与自动的双向切换
✓内、外给定信号的选择
✓正、反作用的选择
二、DDZ-Ⅲ型电动控制器
1.DDZ-Ⅲ型仪表的特点
（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。
优点
Ø电气零点不是从零开始，且不与机械零点重合，这不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。
Ø本信号制的电流-电压转换电阻为250Ω。
Ø由于联络信号为1～5VDC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。
（2）广泛采用现性集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。
优点
Ø由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。
Ø由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。
Ø由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。
（3）Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源。
优点
Ø各单元省掉了电源变压器，没有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。
Ø在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。
（4）内部带有附加装置的控制器能和计算机联用,在与直接数字计算机控制系统配合使用时,在计算机停机时,可作后备控制器使用。
（5）自动、手动的切换是双向无扰动的方式进行的。
（6）整套仪表可构成安全火花防爆系统。
2、DDZ-Ⅲ型电动控制仪表
Ⅲ型控制器有全刻度指示和偏差指示两个基型品种。
主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输出电路及指示电路等组成。
第二节数字式控制仪表
一、概述
数字式控制器与模拟式控制器的异同点：
不同点：
相同点：
仪表总的功能和输入输出关系基本一致。
2、可编程调节器的主要特点
1.功能丰富。
2.通用性强。
3.可靠性好。
3、可编程调节器的基本构成及原理
4、KMM可编程序调节器，是一种单回路的数字控制器。
可以接收5个模拟输入信号，4个数字输入信号，输出3个模拟信号，输出3个数字信号。
1.KMM调节器的面板及其功能键
2.KMM调节器的侧面
3.KMM的控制类型
KMM调节器内有两个PID运算式，即PID1和PID2，根据使用PID运算式的个数及给定方式的不同，又可以分为四种控制类型
（1）控制类型只用一个PID运算式，采用本机内给定（LSP），无串级（CAS）状态。
（2）控制类型1只用一个PID运算式，在“自动”时以LSP1为设定值（内给），在串级（CAS）状态时以RSP1为设定值（外给），来自其他调节器或运算器，也可来自本调节器内的其他运算单元的输出。
（3）控制类型2用两个PID运算式,在“自动”时,PID1的输出为PID2的给定,PID1为内给定（LSP1）。
（4）控制类型3用两个PID运算式,有手动、自动、串级三种状态（即M、A、C）,当处于自动状态时,PID2为本机给定（LSP2）；处于串级状态时，PID2为外给定（RSR2）。
RSP2可以是PID1的输出,也可以是外来的模拟输入或某些运算单元的输出。
表10-1各种控制类型下PV、SP的内容
4.KMM调节器的操作
（1）准备
（2）正常运行方式
①手动（MAN）方式②自动（AUTO）方式③串级（CAS）方式④跟踪（FOLLOW）方式
（3）非正常运行方式
①联锁手动方式（IM）②后备方式（S）
第十一章执行器
一、概述
执行器
作用接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。
按能源形式分类：
气动执行器
电动执行器
液动执行器
第一节气动执行器
一、气动执行器的组成与分类
1.组成
常用辅助设备
阀门定位器
手轮机构
2.执行机构的分类
薄模式结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。
活塞式推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。
长行程行程长、转矩大，适于输出转角（60°～90°）和力矩。
气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。
根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。
3.控制阀的分类
根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。
（1）直通单座控制阀
阀体内只有一个阀芯与阀座。
特点结构简单、价格便宜、全关时泄漏量少。
缺点在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。
（2）直通双座控制阀
阀体内有两个阀芯和两个阀座。
特点流体流过的时候，不平衡力小。
缺点容易泄漏
（3）角形控制阀
角形阀的两个接管呈直角形。
特点
流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直
角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮
物和固体颗粒状的场合。
流向一般是底进侧出。
（4）高压控制阀
高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺铬或镶以硬质合金,以适应高压差下的冲刷和汽蚀。
为了减少高压差对阀的汽蚀,有时采用几级阀芯,把高差压分开,各级都承担一部分以减少损失。
（5）三通控制阀
共有三个出入口与工艺管道连接。
按照流通方式分
合流型和分流型两种
（6）隔膜控制阀
采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。
特点
结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。
不易泄漏。
耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。
结论
①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。
②串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。
③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。
④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，串联管道时控制阀大开度时影响严重，并联管道时控制阀小开度时影响严重。
第三节电动执行器
一、概述
1.电动执行器的特点
①由于工频电源取用方便,不需增添专门装置,特别是执行器应用数量不太多的单位,更为适宜;
②动作灵敏、精度较高、信号传输速度快、传输距离可以很长,便于集中控制;
③在电源中断时,电动执行器能保持原位不动,不影响主设备的安全;
④与电动控制仪表配合方便,安装接线简单;
⑤体积较大、成本较贵、结构复杂、维修麻烦,并只能应用于防爆要求不太高的场合
2.电动执行器的组成
Ø两大部分电动执行机构
Ø调节机构
电动执行机构根据其输出形式不同
角行程电动执行机构
直行程电动执行机构
多转式电动执行机构。
二、角行程电动执行机构
DKJ型角行程电动执行机构以交流220V为动力,接受控制器的直流电流输出信号,并转变为0°～90°的转角位移,以一定的机械转矩和旋转速度自动操纵挡板、阀门等调节机构,完成调节任务。
三、直行程电动执行机构
直行程电动执行机构（DKZ型）是以控制仪表的指令作为输入信号,使电动机动作,然后经减速器减速并转换为直线位移输出,去操作单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式调节机构,以实现自动调节的目的。
第十二章简单控制系统
一、教学目标
1、掌握简单控制系统的组成
2、掌握被控变量的选择方法及原则
3、掌握操纵变量的选择方法，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的影响。
4、了解系统设计中的测量变送问题
5、掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择
6、了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法
7、通过单回路控制系统的设计实例讲解，掌握单回路控制系统的设计
二、教学重点和难度
1、重点：
被控变量、操纵变量的选择；控制器正反作用选择
2、难点：
操纵变量的选择；控制器正反作用选择
三、授课班级
09应用化工技术一班，09应用化工技术二班
四、教学方法和时数
讨论法、教授法、多媒体法8个时数
第一节概述
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
表1-2被测变量和仪表功能的字母代号
字母
第一
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