化工儀表及自動(dòng)化第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念

內(nèi)容提要化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素1內(nèi)容提要工藝管道及控制流程圖圖形符號(hào)字母代號(hào)儀表位號(hào)2第一節(jié)化工自動(dòng)化的主要內(nèi)容3.自動(dòng)操縱及自動(dòng)開停車系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。自動(dòng)開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動(dòng)地投入運(yùn)行或自動(dòng)停車4.自動(dòng)控制系統(tǒng)在受到外界干擾（擾動(dòng)）的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。利用各種檢測(cè)儀表對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、指示或記錄的，稱為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。它代替了操作人員對(duì)工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1熱交換器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖

4圖1-2人工操作圖圖1-3液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖人工操作與自動(dòng)控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動(dòng)控制的方塊圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。下頁圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)地方塊圖每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。6方塊圖中，

x

指設(shè)定值；z

指輸出信號(hào)；e

指偏差信號(hào)；p指發(fā)出信號(hào)；q

指出料流量信號(hào)；y

指被控變量；f

指擾動(dòng)作用。當(dāng)x

取正值，z取負(fù)值，e=x-z，負(fù)反饋；x

取正值，z取正值，e=x+z，正反饋。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖液位自動(dòng)控制的方塊圖圖1-4液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖7第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖其他控制系統(tǒng)

用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-5蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)

當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個(gè)控制系統(tǒng)同樣可以用上頁中的方塊圖表示8第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動(dòng)控制系統(tǒng)有負(fù)反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的。10舉例化肥廠的造氣自動(dòng)機(jī)就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子自動(dòng)操縱裝置對(duì)象操縱作用工藝參數(shù)操縱指令第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及方塊圖小結(jié)開環(huán)系統(tǒng)：自動(dòng)機(jī)在操作時(shí)，一旦開機(jī)，就只能是按照預(yù)先規(guī)定好的程序周而復(fù)始地運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)被控變量如果發(fā)生了變化，自動(dòng)機(jī)不會(huì)自動(dòng)地根據(jù)被控變量的實(shí)際工況來改變自己的操作。比較閉環(huán)系統(tǒng)：有針對(duì)性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。11第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類幾種分類方法按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較普通。14第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)15自動(dòng)控制目的：希望將被控變量保持在一個(gè)不變的給定值上，這只有當(dāng)進(jìn)入被控對(duì)象的物料量（或能量）和流出對(duì)象的物料量（或能量）相等時(shí)才有可能。

靜態(tài)——被控變量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)（變化率為0，不是靜止）。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）和輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。16第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)二、控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程。18當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，?jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例圖1-7控制系統(tǒng)方塊圖第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。

19第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。圖1-8階躍干擾作用20第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。22圖1-10過渡過程品質(zhì)指標(biāo)示意圖假定自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)23五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1.最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四4.過渡時(shí)間

從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間叫過渡時(shí)間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個(gè)小范圍，當(dāng)被控變量進(jìn)入該范圍并不再越出時(shí)，就認(rèn)為被控變量已經(jīng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個(gè)范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的±５％（也有的規(guī)定為±２％）。26第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五5.震蕩周期或頻率

過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)28某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間（給定值為200℃）。舉例圖1-11溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)解

最大偏差A(yù)＝230-200＝30℃余差C＝205-200＝５℃由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B＝230-205＝25℃，第二個(gè)波峰值B′＝210－205＝5℃，故衰減比應(yīng)為B:B′＝25:5＝5:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期T＝20-5＝15（min）29第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)

分析

過渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的±2％，就可以認(rèn)為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200×（±2％）＝±4℃，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±４℃畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線的區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過渡時(shí)間為22min。30第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)四、影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素31一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以概括成兩大部分，即工藝過程部分（被控對(duì)象）和自動(dòng)化裝置部分。前者指與該自動(dòng)控制系統(tǒng)有關(guān)的部分。后者指為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所必需的自動(dòng)化儀表設(shè)備，通常包括測(cè)量與變送裝置、控制器和執(zhí)行器等三部分。第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，過渡過程品質(zhì)的好壞，在很大程度上決定于對(duì)象的性質(zhì)。例如在前所述的溫度控制系統(tǒng)中，屬于對(duì)象性質(zhì)的主要因素有：換熱器的負(fù)荷大小，換熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)等，換熱器內(nèi)的換熱情況、散熱情況及結(jié)垢程度等。不同自動(dòng)化系統(tǒng)要具體分析。32第五節(jié)工藝管道及控制流程圖

工藝流程和控制方案的確定后，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的流程圖，按其流程順序標(biāo)注出相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)、控制系統(tǒng)及自動(dòng)信號(hào)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等，便成了工藝管道及控制流程圖（PID圖）。33第五節(jié)工藝管道及控制流程圖34圖1-12脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例右圖是乙烯生產(chǎn)過程中脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例第五節(jié)工藝管道及控制流程圖一、圖形符號(hào)1.測(cè)試點(diǎn)（包括檢出元件、取樣點(diǎn)）35

檢試點(diǎn)是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點(diǎn)，一般無特定的圖形符號(hào)，如下圖所示。必要時(shí)，檢測(cè)元件也可以用象形或圖形符號(hào)表示。圖1-13測(cè)試點(diǎn)的一般表示方法第五節(jié)工藝管道及控制流程圖2.連接線36

通用的儀表信號(hào)線均以細(xì)實(shí)線表示。連接線表示交叉及相接時(shí)，采用下圖的形式。必要時(shí)也可用加箭頭的方式表示信號(hào)的方向。在需要時(shí)，信號(hào)線也可按氣信號(hào)、電信號(hào)、導(dǎo)壓毛細(xì)管等采用不同的表示方式以示區(qū)別。圖1-14聯(lián)系線的表示法第五節(jié)工藝管道及控制流程圖3.儀表（包括檢測(cè)、顯示、控制）的圖形符號(hào)

儀表的圖形符號(hào)是一個(gè)細(xì)實(shí)線圓圈，直徑約10mm，對(duì)于不同的儀表安裝位置的圖形符號(hào)如下表所示。

37第五節(jié)工藝管道及控制流程圖38序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注序號(hào)安裝位置圖形符號(hào)備注1就地安裝儀表嵌在管道中4集中儀表盤后安裝儀表2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤面安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表表1-1儀表安裝位置的圖形符號(hào)表示第五節(jié)工藝管道及控制流程圖39對(duì)于處理兩個(gè)或兩個(gè)以上被測(cè)變量，具有相同或不同功能的復(fù)式儀表時(shí)，可用兩個(gè)相切的圓或分別用細(xì)實(shí)線圓與細(xì)虛線圓相切表示（測(cè)量點(diǎn)在圖紙上距離較遠(yuǎn)或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-15復(fù)式儀表的表示法第五節(jié)工藝管道及控制流程圖二、字母代號(hào)

在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測(cè)變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號(hào)見下表。40字母第一位字母后繼字母被測(cè)變量修飾詞功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析電導(dǎo)率密度電壓流量電流時(shí)間或時(shí)間程序物位水分或濕度壓力或真空數(shù)量或件數(shù)放射性速度或頻率溫度黏度力供選用位置差比（分?jǐn)?shù)）積分、累積安全報(bào)警控制（調(diào)節(jié)）檢測(cè)元件指示自動(dòng)-手動(dòng)操作器積分、累積記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖傳送閥、擋板、百葉窗套管繼動(dòng)器或計(jì)算器驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)表1-2被測(cè)變量和儀表功能的字母代號(hào)41第五節(jié)工藝管道及控制流程圖42舉例以脫乙烷塔控制流程圖，來說明如何以字母代號(hào)的組合來表示被測(cè)變量和儀表功能。

塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測(cè)變量為壓力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的組合就表示一臺(tái)具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩(wěn)定的。第五節(jié)工藝管道及控制流程圖

回流罐液位控制系統(tǒng)中的LIC-201是一臺(tái)具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進(jìn)入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩(wěn)定的。

塔下部的溫度控制系統(tǒng)中的TRC-210表示一臺(tái)具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變