化工自动化及仪表电子教案 第一章 过程控制基本概念(DOC 12页).docx

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1、第一章过程限制基本概念教学要求：了解过程限制的发展概况及特点：驾驭过程限制系统各部分作用,系统的组成：驾驭管道及仪表流程图绘制方法，相识常见图形符号、文字代号：学会绘制简洁系统的管道及仪表流程图；与驭限制系统的基本限制要求（稔定、快速、精确）；驾驭静态、动态及过渡过程概公；驾驭品质指标的定义，学会计舞品质指标.来点：自动限制系统的组成及各部分的功能：负反馈概念；限制系统的基本限制要求及质量指标.难点：常用术语物理意义操纵变盘与扰动依区分）：依据限制系统要求绘制方框图；静态,过渡过程概念.自动限制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着特别取耍的作用，自动限制水平的凹凸也是衡盘一个国家科学技

2、术先进与否的重要标记之一.朋看国民经济和国防建设的发展,自动限制技术的应用日益广泛，其曳要作用也越来越显著.生产过程自动限制（简称过程限SM）自动限制技术在石油、化工、电力、冶金、机械、轻工、纺税等生产过程的详细应用，是自动化技术的道要祖成部分。1.1过程限制的发展概况及特点一、过程限制的发展概况在过程限制发展的历程中,生产过程的需求、限制理论的开拓和限制技术工具和手段的进展三拧相互影响、相互促进，推动了过程限制不断的向前发展.纵观过程限制的发屣历史，大致经验了以下几个阶段：20世纪40年头：手工操作状态.只有少量的检测仪表用于生产过程,操作人员主要依据观测到的反映生产过程的关堆参数,用人工来

3、变更操作条件,凭问历去限制生产过程.20世纪40年头末50年头：过程限制系统：多为单输入、单输出简洁限制系统过程检测：采纳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仅去化和局部自动化限制理论：以反馈为中心的经典限制理论20世纪60年头：过程限制系统：串级、比值、匀称、前馈和选择性等多种困难限制系统.自动化仪表：单元组合仪表（气动H型和电动H型）成为主流产品60年头后期,出现了特地用于过程限制的小型计算机,干脆数字限制系统和监督计算机限制系统起先应用于过程眼科领域。限制理论：出现了以状态空间方法为基础，以微小值原理和动态规划等最优限制理论为基本特征的现代限制理论.传

4、统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域，、型、型20世纪7080年头：微电子技术的发展，大规模集成电路制造胜利且集成度越来越高（80年头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,他型计算机的出现及应用都促使限制系统发展.过程限制系统：最优限制、非战性分布式参数限制、解朋限制、模糊限制自动化仪表；气动IH星和电动川型，以微处理器为主要构成单元的智能限制装置。集散限制系统（DCSX可眼制器（P1.C）.工业PC机、和数字限制器等，已成为限制装置的主流，集散限制系统实现了限制分散、危急分散,操作监测和管理集中.限制理论：形成了大系统理论和智能限制理论.模糊限制、专家系统限制、模

5、式识别技术20世纪90年头至今：信息技术飞速发展过程限制系统：管控一体化现场，绘合自动化是当今生产过程限制的发展方向，自动化仪表：总战限制系统的出现，引起过程限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限制系统”各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪人工智能、神经网络限制二、自动化技术的应用瓶1 .宇航方面：（现代奴制埋论）同步卫星与地面接收站干腌对应，偏差影响收看效果（随动限制系统卫星的放射与回收（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（病虫吉防治、专家系统社会科学（安排生育，

6、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，办公活动相关的语吉、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、发群派三、过程限制系筑的特点过程限制系统与其他自动限制系统相比，有如下几个特点：1 .生产过程的连嫔性在过程限制系统中.大多数被控过程都是以长期的或间歇形式运行.在密闭的设鲁中被控变成不断的受到各种扰动的影响.2 .被控过程的困魔性过程限制涉及范用广：石化过程的精t塔、反应器：热工过程的换热器、锅炉等.被抄对象较困难：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 .限制方案的多样性被控过程而象特性各异，

7、工艺条件及要求不同，过程限制系统的限制方案特别丰富.包括：常规P1.D限制、改进PID限制、中级限制、前馈-反馈限制、蟀耦农制：为涧遐特定要求而开发的比值限制、匀称限制、选择性限制、推断限制；新型限制系统，如模糊限制、预料限制、最优限制等。四、过程限制的主襄内容1 .自动检窝系疑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 .自动信号和联俄爱护系统自动信号系统：当工艺参数超出要求范国，自动发出声光信号联锁爱护系统：达到危急状态，打开平安阀或切断某些通路，必要时紧急停车如：反应等淑度、压力进入危急限时,加大冷却剂价或关闭进料阀3自动摄纵及自动开停车系统自动操纵系统：依

8、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容车系统：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 .自动限制系统；利用自动限制装置对牛.产中某线关键性参数进行自动限制,使他们在受到外界扰动的影响而偏禽正常状态时,能自动的回到规定范围.本书介绍的重点内容） 1.2 程限制系统的组成利用自动限制装置构成的过程限制系统,可以在没行人干脆参加的条件下，使这些工之参数能自动依据预定的规律变更.一、过程限制系统实例1 .锅炉汽包水位限制.在悒炉正常宏行中.汽包水位是一个揖要的参数.它的凹凸干脆影响着

9、蒸汽的品质及悒炉的平安.水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，汽包内的液体珞全部汽化，导致辆炉烧干头至会引起爆炸；水位过诲会影响汽包的汽水分别，产生然汽带液现效，降低了蒸汽的质量和产量，严峻时会损坏后续设备.1.1耦炉汽包水位双制示点图眼检测元件（变送器）要想实现对汽包水位的限期，首先应随时与取水位的变更状况脑X限制器限制案将接收到的测录信号与预先规定的水位高度进行比较,暇如两个信号不相等,表明实际水位与规定水位有偏差，此时限制器将依据保茏的大小向执行推输出一个限制信号.手执行器执行器即可依据限制信号来变更阀门的开度，从而使进入锅炉的水i发生变更，达到限制锅炉汽包水位的目的.2.发酵燧温度限制

10、参见教材Ps）发群税是间歇发酵过程中的虫要设密，广泛应用于跟生物制药、食品等行业，发醉黛的温度是影响发解过程的一个重要参数。因为微生初防体本身对Jfi度特别取感，只有在相宜的温咬下才能正常生长代谢,而且涉及菌体生长和产物合成的梅也必需在肯定的温度下才能具彳工商的活性.温度还会影响发酵产物的组成,因此，按肯定的规律限制发醛部的温度就显褥特别jR要。（b）图1.2发曲MiM慢限制系统示造图影响发酵过程谓度的主：要因素有微生物发酵热、电机搅拌热、冷却水的流状及本身的温度变更以及四周环境温度的变更等做采纳通冷却水带走反应热的方式使斌内温度保持工艺要求的数值.对于小型发醉球，通常采纳夹套式冷却形式。如

11、图12a）所示，实现对发赭域温度的限制,可运用温度检测仪表（如热电偶、热电阻等）测量培中的实际温度，格测得的数值送入限制器,然后与工艺要求保持的温侬数位进行比较.假如两个信号不相等，则由限制器的输出限制冷却水阀门的开度，变更冷却水的流量，从而达到限制发醉探温度的目的，二、过程限制系毓的蛆成一个过程限制系统一般由两部分组成。须要限制的工艺设符或机器（被控过程）+自动限制装置（反应渊、精谕塔、换热潺、压力雄（限制潺、执行零、测成元件及变送器储槽、加热炉、压缩机、泉、冷却塔）几个常用术语:被控过程（对象）工艺参数球要限制的生产过程设备或机器等,如锅炉汽包,发博瑞.被控变成被控对象中要求保持设定值的工

12、艺参数.如汽包水位、发酵温度.操纵变址受限制器操纵，用以克服扰动的影响使被控变吊保持设定值的物料址或能Ift.如揭炉给水量和发解掷冷却水星。扰动fit除操纵变册外作用干被控对象并引起被控变量变更的因素.如蒸汽负荷的变更、冷却水溺度的变更等.设定值被控斐域的预定伯。偏差（e）被控变量的设定值与实际值之差,在实际限制系统中，能够干脆获得的信息是被捽变就的测盘值而不是实际值因此,通常把设定值与冽豉值之差作为偏差.513过程跟制系统的两种表示形式一、方框图方框图是限制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图裤在示，是限制系统进行埋论分析、设计中常用到的一种形式。1 .方框图加成方框每一个方框表示系统中

13、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：信号戏-一信号钱是带有漪头的口钱段，用来表示环节间的相互关系和信号的流向；作用于方柢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舱出信号.比较点一一比较点表示对两个或两个以上信号诳行加战运算,“+”号表示相加，号表示相减：引出点一一表示信号引出，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。击在输入输出信号的方框比较点分支点图1.3力板的组成雌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）、测地变送装?1.限制器和执行器。旬个方柩都分别标出各自的输入、输出变/，如被控对

14、象环节,给水流用变更会引起汽包水位的变更,因此给水波I#（操纵变50作为输入信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变IiD则作为被控对象的输出信号：引起被控变出（汽包水位）偕圈设定价的因素还包括蒸汽倒荷的变更和给水管压力的变更等扰动中，它们也作为输入信号作用于被控时象。图1.4锅炉汽包水位限制系统方掖图2 .负反馈摄念：反馈一一通过测量变送装置将被控变质的测Mtft送同到系统的输入端.这种把系统的怆出伯号干腌或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。分为和反馈负反馈(引回到输入端的信号是战弱输入端作用的称为他反馈)用J号表示、正反馈(引回到输入端的信号是增加输入端作用的称为正反馈f1.1.+”号

15、表示.在绘制方框图时应留点1 .方框图中每一个方程表示一个详细的实物。2 .方枢之间倚前头的线段表示它们之间的信号联系与工艺设备间物料的流向无关.方框图中伯号线上的解头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所iFi单向性.对于饵一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入变更了才会引起输出的变更，输出的变更不会返回去形峭:输入，例如冷水流域会使汽包水位变更，但反过来,汽包水位的变更不会干脆使冷水流肚跟着变更.3 .比较点不是一个独立的元件，而是限制器的一部分,为了清晰的表示限制器比较机施的作用，故将比较点的独画出。二、管道及仪衰漉程图管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图

16、形符号在工艺流程图上描述生产过程限制的原理图,是限制系统设计、66工中采纳的一种图示形式.该图在工2流程图的基础上.按此流程依次，标出相应的测状点、限制点、限制系统及自动伯号与连锁爱护系统等.由工艺人员和自控人员共同探片绘制，在管道及仪表流程图的绘制过程中所来姑的图形符号、文字代号应依据有关的技术规定进行.卜面结合化工部过程检测和限制系统用文字代号和图形符号HG2O5O5-92,介绍一些常用的图形符号和文字代号.1 .图形符号过程检测和限制系统图形符号包括测此点、连接线(引燃、信号践和仪表国圈等，测量点工序号（一殁用一位救字，也可以用两位数字）功能字母代号被测变量字母代弓在管道及仪表流程图中仪

17、表位号的标注方法是：字母代号填写在仪表阴曲的上半网中：回路编号填写在下半圆中.（八）就地安装图1.12按设定的IU制的开环限制案族2 .按扰动进行限制限制方式的晚理须要限制的仍旧是被控对象中的被控变依，而泅演的是破坏系统正常进行的扰动量。利用扰动信号产生限制作用，以补卷扰动对被控变量的影响,故称按扰动进行限制.由于测玳的是扰动依，这种限制方式只能对可测的扰动进行补偿。刻于不行测扰动及对象，各功能部件内部卷散的变更时被控变埴造成的影响，系统自身无法限制。因此限制精度仍旧受到原理上的限制.15过程限制系跳的性能指标及要求一、过程限制系统的过渡过程态“被控变曜不的时间而变更的平衡状态在这种状鱼系统的

18、输入（设定值和扰动量）及输出被控变量都保持不变,系统内各组成环节都不变更其原来的状态.其物入、输出信号的变更率为+.而此时生产仍在进行,物料和能Ji1.仍旧有进行出.因此峥态反映的是相对平衡状态.动态一被控变1:随时间而变更的不平衡状态当一个原来处于相对平衡状态的系统受到扰动作用的影响后.其平衡状态受到破坏，被控变玳偏盲设定值,此时限制器会变更原来的状态，产生相应的限制作用.变更掾次变瘠去克服扰动的影响，力图红原平衡状态。过渡过程-在设定值发生变更或系统受到扰动作用后,系统将从原来的平衡状鱼经粉一个过程进入另一个新的平衡状态.般来说.一个限制系统的好坏在静态时是难以判别的，只有在动态过程中才能

19、充分反映出来,系统在其进行过程中，会不断受到扰动的频繁作用，系统自身通过限制装货.不断地施:加限制作用去克服扰动的影响,使被控变相保持在工艺生产所规定的技术指标上,因此，我们对系统探讨的重点应放在限制系统的动态过程.过渡过程的几种拳式在阶原信号作用下,被控变量随时间的变更有以下几种形式。如图1.15所示。图中,Y表示被控变S1.1 .发放振荡过程如图1.15中曲襄所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变破上下波动，且儡度越来越大，即被控变量信离设定使越来越远，以致超越工艺允许的范囹.2 .非振荡衰减过程如图1.15中曲线所示.它农明被控变址受到扰动作用后,产生总网变更，经过一段时间最终能稳定下来

20、3 .等幅抿荡过程如图1.15中曲线所示.它表明系统受到扰动作用后,被控变出做I二下振帕枪定的振荡，即被控变最在设定值的某一范围内来I可波动.4,衰减振荡过程如图1.1.S中曲线所示，它表明系统受到扰动作用后，被控变电上下波动，且波动的幅度渐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来.5 .非振荡发散过程如图1.15中曲戏所示。它表明系统受到扰动作用后，被控变Ift的调变更偏离设定值翅来越远，以致超出工艺设计的范困。图1.15过赛过印的某本形支上面五种过程形式中，带振荡衰减过程和衰及振荡过程是柳定过程，能基本满意限制饕求.常见的典型信号限制系统在其运行的过程中，不断受到各种扰动的影响，这些扰动不仅形

21、式各异，对被控变量的影响也各不相同。为了便于对系统进行分析、探讨，通常选择几种具有确定性的典型信号来代昔系统运行过程中受到的大量的无规则随机信号。有：阶次信号、斜坡信号、脓冲信号、加速度信号和正弦信号等,其中阶跃信号对被控变H的影响最大，旦阶跋扰动及为常见。S0r(00T当A=I时称为单位阶跃信号。二、过程限制系饿的网猫指标殖量指标I在比较不同限制方案时,应首先规定评价限制系统的优劣程度的性能指标,一般状况下.主要采纳以阶跃响的曲跳形式农示的质限指标”限制系统地志向的过渡过程应具有什么形态,没有肯定的标准,主要依据工艺要求而定,除少数状况不希望过渡过程有振荡外，大多数状况则希望过渡过程是略带振

22、荡的衰减过程,在阶跃伯号作用下常以下面几个特征参数作为场量指玩，衰诚比这是表示裒减过程响应曲城哀域程度的指标。数值上等于同方向两个相邻波峰值之比,即：明显当n=1.为等幅振荡：nv为发放振荡：n1.为哀犍振荡.为保持系统有足弊的枪定程度.工程上常取衰减比为4:110:1.（2）峰值时间tp好值时间是指过渡过程曲线达到第一个峥伯所须要的时间.Tp愈小表明限制系统反应愈灵敏，这是反映系统快速性的一个动态指标.（3）过渡时间U过渡时间是指限制系统受到扰动作用后,被控变鼠从过渡状态复原到新的平衡状态所经验的城短时同。一大偏差A对于一个稳定的定（ft限制系统来说,最大倒差是指被控变量第一个波峰值与设定值的差.最大偏差（或超调最）表示了被控变讣假岗设定值的程度，A（或。）愈大，表示偏离生产规定的状会愈远，特殊是对一些有危急限制的状况，如化学反应器的化合物爆炸极限等，应特殊慎重,以确保生产平安进行.余差C余差是指过渡过程终了时新稳态侑与设定值之差,它是反映限制系统限制精度的僧态指标,一般希望它为零或不超过工艺设计的范恸