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1、华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师:朱红路,化工仪表及过程控制,授课人简介: 朱红路,2010年毕业于华北电力大学自动化系,留校于可再生能源学院能源工程及自动化教研室任教(太阳能中心)。 研究方向与兴趣:太阳能清洁利用,电力生产过程建模,可再生能源生产过程建模、系统集成,嵌入式系统及智能仪表开发。 联系方式: 华北电力大学主楼B座604室, 邮箱: 办公电话:010-61772816,引子: 什么叫化工过程? 什么叫做化工仪表? 什么叫做过程控制? 化学反应是化工生产的核心部分,它决定着产品的收率,对生产成本有着重要影响。尽管如此,在早期因
2、其复杂性而阻碍了对它的系统研究。直到20世纪中叶,在单元操作和传递过程研究成果的基础上,在各种反应过程中,如氧化、还原、硝化、磺化等发现了若干具有共性的问题,如反应器内的返混、反应相内传质和传热、反应相外传质和传热、反应器的稳定性等。对于这些问题的研究,以及它们对反应动力学的各种效应的研究,构成了一个新的学科分支即化学反应工程,从而使化学工程的内容和方法得到了充实和发展。,引子: 什么叫化工过程? 什么叫做化工仪表? 什么叫做过程控制? 化工过程是研究化学工业和其它过程工业(process industry)生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。这些工业从石油、煤、天然气、盐
3、、石灰石、其它矿石和粮食、木材、水、空气等基本的原料出发,借助化学过程或物理过程,改变物质的组成、性质和状态,使之成为多种价值较高的产品。,引子: 什么叫化工过程? 什么叫做化工仪表? 什么叫做过程控制?,化工仪表:对化工、炼油等生产过程中的各种变量(温度、压力、液位、流量、成分等)进行自动检测、显示和控制的仪表。,过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。,化工仪表及过程控制概述: 本课程是应用化学专业的一门专业基础课。课程的任务是使学生初步掌握化工仪表及过程控制方面的基础知识和技能。通过本课程的学习,应能了解化工自动化的基本知识,理解自动控制系统的组成,基
4、本原理及各环节的作用,能根据工艺需要和自控人员共同讨论制定合理的控制方案,能正确选用和使用常见的测量仪表和控制仪表。使学生最终掌握化工仪表是化工生产过程中获取信息的工具,过程控制技术是实现生产过程自动化的必要手段。,本门课程主要内容: 化工自动控制系统(自动控制系统)的基本概念 化工过程的特点及其描述方法 化工过程的辨识方法 检测仪表与传感器 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 PID控制系统的设计与整定 分散式控制系统及复杂控制系统,化工仪表及过程控制课程要求: 1、严格落实点卯制度,杜绝缺课现象:点卯无故缺课一次在考试成绩上扣5分; 2、最终成绩 考试成绩(80分)+平时作业(20分)=
5、100分 3、课上请务必坐前排,推荐教材和教学参考书 推荐教材: 化工仪表及自动化,厉玉鸣等编著,化学工业出版社。 参考书: 过程辨识,方崇智等编著,清华大学出版社。 检测技术与应用,常太华等编著,中国电力出版社。 自动控制原理,于希宁等编著,中国电力出版社。,绪论 1、化工自动化及仪表的概念 2、实现化工自动化的目的 3、化工自动化的发展,实现化工自动化的目的: 加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。 减轻劳动强度、改善劳动条件。 能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,达到延长设备使用寿命,提高设备利用率、保障人身安全的目的。 生产过程自动化的实现,能根本改变劳动方式,提高工人文化
6、技术水平,以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。,化工自动化的发展: 20世纪40年代以前:绝大多数化工生产处于手工操作状况。-凭经验进行操作。 20世纪50年代到60年代:人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工。-温度、压力、流量、液位检测基础上。 20世纪70年代:计算机开始用于控制生产过程,出现了计算机控制系统。-单片机 20世纪80年代末至90年代:现场总线和现场总线控制系统得到了迅速的发展大型控制系统,例1:人如何用手拿书本?,用眼睛观察书的位置; 用眼睛观察手的位置; 大脑估算两者之间的差距; 指挥手向书靠近; 上述过程反复进行; 拿到书。,关键:利用手和书之间的差距,
7、来缩小两者之间的差距。,被控对象:手(手臂); 被控量:手的位置; 测量元件:眼睛。,人取书的反馈控制系统方块图,测量元件,被控对象,比较和控制器元件,被控对象:温箱; 被控量:温箱的温度; 测量元件:温度计,例2:人如何控制设备:温箱的温度控制,人工控制恒温箱的功能框图,关键:利用温度偏差,减小偏差。,例3:加热电炉的自动控制系统,反馈控制的原理:不断发现偏差(测量和比较),利用偏差消除偏差(控制)。,结构与组成:,简单控制系统:由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭环系统。,简单控制系统方框图,特点:结构简单,易分析设计、投资少、便于施工,并能满足一般生产过
8、程的控制要求,应用广泛。,简单控制系统的设计:适用于简单回路,设计内容包括:,合理选择被控变量与操纵变量;,选择合适的检测元件及检测位置;,选用合适的执行器;,选用合适的控制器以及控制规律;,整定控制器的参数到最佳值(工程整定)。, 1 被控变量的选择,合理选择被控变量是单回路控制设计的第一步,同时也是关系到控制方案成败的关键。,选择时:,1、选择直接变量:直接选择液位 2、选择与直接变量有单值关系的间接变量:例如成分控制,注意:考虑工艺的合理性、被控变量必须是独立可控。, 2 操纵变量的选择:阀门开度,选择时考虑:,1、工艺合理性:操纵变量直接调节被控变量 2、被控对象的特性,(a)使被控对
9、象控制通道的放大倍数较大,时间常数较小,纯滞后越小越好; (b)使被控对象干扰通道的放大倍数尽可能小,时间常数越大越好,对象,被控变量 y,操纵变量 q,干扰,例:加热炉,t,选: t为被控变量;,q燃为操纵变量。,对于加热炉,如何选择 被控变量和操纵变量?,检测变送环节是控制系统获取信息装置,也是系统进行控制的依据。,选择主要从其特性的三个方面考虑:,1、纯滞后,测量信号不能及时跟随被控变量变化。,影响:降低系统的控制质量,主要原因:检测点位置,2、测量滞后,测量元件本身特性所引起的动态误差,T,解决方法:选用快速测量元件,必要时可引入微分作用。,3、传递滞后,信号传送过程需要的时间,解决方法:尽量采用电信号,减短信号传送路径。,检测变送环节的选择,作用:接受控制器的控制信号,改变操纵变量的大小,1、考虑类型,2、选择作用方式,如:气动执行器或电动执行器。,3、选择执行器的特性,(1)快开特性,(2)直线特性,(3)等百分比(对数)特性,4 执行器选择,The end!,
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