1、緒論主要內容： 生產過程自動化的含義 實現生產過程自動化的意義 生產過程自動化的發展狀況 現代自動化技術特點 學習本課程的重要性第1頁/共53頁一、生產過程自動化的含義在生產設備上配備一些自動化的裝置,代替操作人員的部分直接勞動,使生產在不同程度上自動地進行的過程稱生產過程自動化。二、實現生產過程自動化的意義加快生產速度,降低生產成本,提高產品產量和質量；減輕勞動強度,改善勞動條件；能夠保證生產安全,防止事故發生或擴大,延長設備使用壽命,提高設備利用率；能根本改變勞動方式,提高工人文化水平,逐步消除腦力勞動和體力勞動之間的差別。第2頁/共53頁三、生產過程自動化的發展狀況 20世紀40年代以前

2、,主要是人工調節,憑經驗指導生產,生產效率低。 20世紀5060年代,應用簡單自動化技術,如基地式儀表。 20世紀70年代開始,控制理論和控制技術及計算機技術的應用推動了生產過程自動化,出現了各種新型控制系統,如集散控制系統、二級優化控制等。 近年來,現代自動化技術已不只局限于對生產過程中重要參數的自動控制,已發展為綜合自動化。第3頁/共53頁四、現代自動化技術特點 已發展為綜合自動化,其應用的領域和規模越來越大,控制與管理一體化的系統已提到日程,因此,其社會、經濟效益也越來越大。 顯示了知識密集化、 高技術集成化的特點,它是信息技術、自動化技術、管理科學等相結合的現代高技術。 自動化過程中的

3、智能化程度日益增加,各種智能儀表不斷出現,控制的精度越來越高,控制的方式日益多樣化,它不僅減輕和代替了人們的體力勞動,而且也在很大程度上代替了人們的腦力勞動。第4頁/共53頁五、學習本課程的重要性 本門課是一門綜合性的技術學科,通過學習自動化、儀表方面的知識,對于管理與開發現代化生產過程是十分重要的。第5頁/共53頁第一部分 自動控制系統基本概念主要內容： 生產自動化的主要內容 自動控制系統的組成 自動控制系統方框圖 自動控制系統的分類 自動控制系統的過渡過程和品質指標第6頁/共53頁第一節第一節 生產自動化的主要內容生產自動化的主要內容 生產自動化,一般包括自動檢測、自動保護、自動操縱、自動

4、控制系統。自動檢測系統 ?利用各種檢測儀表對生產過程的主要工藝參數(如溫度、壓力、流量等)進行測量、指示或記錄的。 第7頁/共53頁自動信號和聯鎖保護系統(自動保護)當生產過程出現危險時,自動信號系統發出聲、光等報警信號,自動聯鎖保護系統立即作出反應,通過改變閥門的開啟度或切斷某些通路,或進行緊急停車,以防止事故的發生或擴大。它是生產過程中的一種安全裝置。自動操縱及自動開停車系統(自動操縱)自動操縱系統:按照預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性的操作。可減輕工人的重復性體力勞動。自動開停車系統:按照預先規定的步驟自動地將生產過程投入運行或自動停車。第8頁/共53頁自動控制系統:它是對生

5、產中某些關鍵性的參數進行自動調節,使它們在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態時,能自動地調回到規定的數值范圍內,是生產過程自動化的核心部分。第9頁/共53頁第二節第二節 自動控制系統的組成自動控制系統的組成 生活環境中的自動控制系統 空調;電飯煲;電冰箱;洗衣機等。 工業生產中的自動控制系統 液位控制:人工自動;溫度控制等。第10頁/共53頁眼看腦想手動QoQi人工操作進行工作的三個方面:(1).檢測:用眼睛看液位的高低。(2).運算、命令:大腦根據眼睛看到液位的高低,加以思考和比較得出偏差,發出命令。(3).執行:根據大腦發出命令,改變閥門開度,以改變出口流量Qo,保持液位的高低在規定位置。第

6、11頁/共53頁 自動控制系統的組成1.被控對象:對其工藝參數進行控制的機器或設備。它可以是一段管道、一臺設備或設備的某一部分,如各種反應器、換熱器等。第12頁/共53頁 自動控制系統的組成2.自動化裝置：測量元件及變送器:檢測參數(液位)并將檢測結果變成標準統一信號進行輸出,如液位的測量及變送。自動控制器:接受變送器送來的信號,與工藝需要保持的參數值(液位)進行比較得出偏差,并按某種運算規律算出結果,然后將此結果以特定信號(如電壓、電流)發送出去。執行器:通常指控制閥,它自動地根據控制器發出的信號值改變閥門的開啟度,從而改變操縱變量,給對象施加調節作用。第13頁/共53頁第三節第三節 自動控

7、制系統方框圖自動控制系統方框圖方框圖的作用:用箭頭表示自動控制系統各個組成環節之間的相互影響和信號聯系。圖1-3液位自動控制系統方框圖如下。圖1-8 自動控制系統方框圖xez-控制器控制閥對象測量元件 變送器干擾作用 被控變量y測量值給定值pq偏差操縱變量f第14頁/共53頁自動控制系統方框圖xez-控制器控制閥對象測量元件 變送器干擾作用 被控變量y測量值給定值pq偏差操縱變量f第15頁/共53頁 方框圖中所涉及的概念被控對象:在生產過程中需保持其工藝參數穩定的設備或裝置。如冶金爐,加熱爐等,也可是一臺具體的設備或設備的某一部分,如一段管道(貯槽)。被控變量y:生產過程中需保持恒定的變量(液

8、位) 。干擾作用f:在生產過程中引起被控變量偏離給定值的外來因素,它是輸入信號 (進料流量的改變)。控制作用:用來克服外界干擾,使被控變量恢復到給定值的操作。操縱變量q:具體實現控制作用的變量(出料流量)。操縱介質:用來實現控制作用的物料(流過閥門流體)。第16頁/共53頁 方框圖中所涉及的概念給定值:工藝過程中被控變量的期望值,可以固定也可按程序變化。偏差:給定值與測量值之間的差值。輸入:自動控制系統方框圖中,指向該環節的信息稱該環節的輸入。輸出:自動控制系統方框圖中,背離該環節的信息稱該環節的輸出。第17頁/共53頁 自動控制系統是一個具有負反饋的閉環系統。反饋:把系統的輸出信號直接或經過

9、一些環節后送回到系統的輸入端,并加入到輸入信號中的作法。負反饋:反饋的信號使原來的輸入信號減弱。正反饋:反饋的信號使原來的輸入信號增強。第18頁/共53頁負反饋系統以液位控制為例分析其控制過程:當液位y由于某種干擾而上升時,其測量值z升高,偏差(e=x-z)降低,這時,控制器應發出控制信號使控制閥的開度發生變化,變化的方向為負,使被控變量y下降,回到給定值,抑制了干擾的影響,達到了控制目的。自動控制系統方框圖xez-控制器控制閥對象測量元件 變送器干擾作用 被控變量y測量值給定值pq偏差操縱變量f第19頁/共53頁正反饋系統當偏差e=x+z時,控制系統稱正反饋系統。當液位y由于某種干擾而上升時

10、,其測量值z升高,偏差e=x+z增大,這時,控制器應發出控制信號使e變大,從而y進一步上升, z進一步增大,增強了受干擾后的變化趨勢,導致系統崩潰或達到極限值,從而使系統不穩定。 例如炸彈的爆炸、電子振蕩器中振蕩過程的產生等都是正反饋系統。第20頁/共53頁 可見,自動控制系統是具有被控變量負反饋的閉環系統。由于具有負反饋的閉環系統,它可隨時了解被控對象的情況,有針對性地根據被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向,從而使系統的工作狀態始終等于或接近所希望的狀態這是閉環系統的優點。 自動檢測、自動操縱等開環系統由于沒有負反饋不能隨時了解被控對象的情況而改變自己的操作狀態,這是開環系統的缺點

11、。自動操縱裝置對象工藝參數操縱指令操縱作用圖1-10 自動操縱系統方框圖第21頁/共53頁第四節第四節 自動控制系統的分類自動控制系統的分類 各種分類方法按被控量分:如溫度、壓力、液位等控制系統。按控制器的控制規律分:比例控制、積分控制、微分控制、比例積分控制、比例微分控制、比例積分微分控制等。按系統功能與結構分:單回路簡單控制系統;串級、比值、選擇性、分程、前饋和均勻等常規復雜控制系統；解耦、預測、推斷等先進控制系統和程序控制系統。第22頁/共53頁按被控變量的給定值的變化情況分：定值控制系統:要求被控變量的給定值不變。(如溫度、液位)。隨動控制系統:給定值是隨機變化的。隨機系統的目的就是使

12、所控制的工藝參數準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。(如導航雷達系統、火炮系統、生物反應、金屬熱處理爐)程序控制系統:給定值是變化的,但它是一個已知的時間函數,即生產技術指標須按一定的時間程序變化。一些定型或非定型的程控裝置越來越多地被應用到生產中。第23頁/共53頁第五節第五節 自動控制系統的過渡過程自動控制系統的過渡過程和品質指標和品質指標一. 控制系統的靜態與動態靜態:被控變量不隨時間變化、自動化裝置保持原狀的平衡狀態。當一個自控系統的輸入(給定和干擾)和輸出均衡不變時,整個系統就處于一種相對穩定的平衡狀態,即指系統中各信號的變化率為零,信號保持在某一常數不變化,而不是指物料不流動或能量

13、不交換。因為自動控制系統在靜態時,生產還在進行,物料和能量仍有進有出,只是平穩進行沒有改變。第24頁/共53頁動態:被控變量隨時間變化、自動化裝置改變原狀的不平衡狀態。若一個系統原先處于相對平衡狀態即靜態,由于干擾的作用而破壞了這種平衡時,被控變量就會發生變化,從而使控制器、控制閥等自動化裝置改變原來平衡時所處的狀態,產生一定的控制作用來克服干擾的影響,并力圖使系統恢復平衡。從干擾發生開始,經過控制,直到系統重新建立平衡,在這一段時間中,整個系統的各個環節和信號都處于變動狀態之中,所以這種狀態叫做動態。第25頁/共53頁二、控制系統的過渡過程過渡過程:系統受輸入(干擾)信號的作用從一個平衡狀態

14、過渡到另一個平衡狀態的過程稱為過渡過程。是被控量在干擾信號或控制信號的作用下隨時間不斷變化的過程,其變化規律與干擾信號的形式有關。階躍干擾作用:在某一瞬間t0,干擾突然地階躍式地加到系統上并保持該幅度。它比較突然,比較危險,對被控量影響最大。第26頁/共53頁系統的穩定性:如果系統在受到干擾信號作用后,輸出變量最終能返回到原平衡狀態或其附近,稱系統為穩定的;否則,稱系統不穩定。在階躍干擾作用下自動控制系統的過渡過程形式：(a)非周期衰減過程; (b)衰減振蕩過程; (c)等幅振蕩過程; (d)發散振蕩過程;(e)非振蕩發散過程。第27頁/共53頁三、階躍干擾作用下衰減振蕩過程的品質指標 橫坐標

15、t為時間,縱坐標y為被控變量離給定值的變化量。t=0時,系統穩定,y(0)=0;t時,系統也達到新的穩態,y()=C。最大偏差(A):在過渡過程中,被控量偏離給定值的最大量。最大偏差越小越好。超調量(B):在過渡過程中,第一個峰值A與新穩態值C之差,即B=A-C。第28頁/共53頁 余差(C):新的穩態值與之差。余差越小越好。過渡時間(ts):從干擾開始起,直到被控變量進入到距新穩態值的 5% (或2%)的范圍內且不再越出時為止所經歷的時間。過渡時間越短,系統控制質量高。第29頁/共53頁振蕩周期和頻率:兩個同向波峰(或波谷)之間的時間間隔,為振蕩周期;周期越短越好。頻率為周期的倒數。 這些指

16、標在不同的系統中各有其重要性,且互相間即有矛盾,又有聯系。要分清主次,首先保證對生產過程有決定性意義的主要品質指標。四、影響控制系統過渡過程品質的主要因素工藝過程部分(被控對象)和自動化裝置部分(測量與變送器、控制器、執行器)。主要是對象的性質,但自動化裝置應按對象的性質加以選擇和調整。第30頁/共53頁第二部分 自動化儀表概述 自動化儀表是實現工業生產過程自動化的重要工具，它被廣泛地應用于石油、化工等各工業部門。在自動控制系統中，過程檢測儀表將被控變量轉換成電信號或氣壓信號后，除了送至顯示儀表進行指示和記錄外，還需送到控制儀表進行自動控制，從而實現生產過程的自動化，使被控變量達到預期的要求。

17、第31頁/共53頁控制裝置執行器過程檢測元件、變送器r(t)比較機構-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動廣義對象被控變量測量值控制器設定值簡單控制系統的方塊圖簡單控制系統的方塊圖第32頁/共53頁 在過程自動化中要通過檢測元件獲取在過程自動化中要通過檢測元件獲取生產工藝變量，最常見變量是生產工藝變量，最常見變量是溫度、壓溫度、壓力、流量、物位（四大參數）力、流量、物位（四大參數）。 檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應工藝變量，并轉化成一個與它直接響應工藝變量，并轉化成一個與之成對應關系的輸出信號。這些輸出信之成對應關系的輸出信號。這些輸

18、出信號包括號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓氣壓等。等。 第33頁/共53頁 由于檢測元件的輸出信號種類繁多，由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經過變送器處理，過變送器處理，轉換成標準統一的電氣信轉換成標準統一的電氣信號（如號（如4 420mA 20mA 或或 0 010mA10mA直流電流信直流電流信號號 ,20,20100KPa100KPa氣壓信號）送往顯示儀表，氣壓信號）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時送往控制器指示或記錄工藝變量，或同時送往控制器對被控變量進行控制。對被控變量

19、進行控制。有時將檢測元件、有時將檢測元件、變送器及顯示裝置統稱為檢測儀表變送器及顯示裝置統稱為檢測儀表, , 或者或者將檢測元件稱為一次儀表，將變送器和顯將檢測元件稱為一次儀表，將變送器和顯示裝置稱為二次儀表。示裝置稱為二次儀表。第34頁/共53頁檢測檢測實施正確控制的第一步實施正確控制的第一步變送變送將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉化成化成統一統一(標準標準)的電氣信號的電氣信號。 靜態：靜態：正確正確y(t)正確反映正確反映c(t)的值的值 可靠可靠長期工作長期工作動態：動態：迅速迅速y(t)迅速反映迅速反映c(t)的變化的變化過程控制對檢測儀表要求

20、過程控制對檢測儀表要求：第35頁/共53頁1 1、自動化儀表的分類、自動化儀表的分類1)、按能源形式分類：液動控制儀表、氣動控制儀表和電動控制儀表。2)、按結構形式分類：基地式控制儀表、單元組合式控制儀表、組件組裝式控制儀表等。 基地式控制儀表以指示、記錄儀表為主體，附加某些控制機構而組成。基地式控制儀表特點：般結構比較簡單、價格便宜它不僅能對某些工藝變量進行指示或記錄，而已還具有控制功能，因此它比較適用于單變量的就地控制系統。 目前常使用的XCT系列動圈式控制儀表和TA系列簡易式調節器即屬此類儀表。第36頁/共53頁 單元組合式控制儀表 將整套儀表劃分成能獨立實現一定功能的若干單元，各單元之

21、間采用統一信號進行聯系。使用時可根據控制系統的需要，對各單元進行選擇和組合，從而構成多種多樣的、復雜程度各異的自動檢測和控制系統。特點：使用靈活，通用性強，同時，使用、維護更作也很方便。它適用于各種企業的自動控制。 廣泛使用的單元組合式控制儀表有電動單元組合儀表(DDZ型)和氣動單元組合儀表(QD2型)。第37頁/共53頁 組件組裝式控制儀表是一種功能分離、結構組件化的成套儀表(或裝置)。它以模擬器件為主，兼用模擬技術和數字技術。整套儀表(或裝置)在結構上由控制柜和操作臺組成，控制柜內安裝的是具有各種功能的組件板，采用高密度安裝，結構緊湊。這種控制儀表(或裝置)特別適用于要求組成各種復雜控制和

22、集中顯示操作的大、中型企業的自動控制系統。 其中國產的TF型、MZ型以及SPEC200等組裝儀表即屬此類控制儀表。第38頁/共53頁3)、按信號形式分類：模擬控制儀表和數字控制儀表兩大類。其中DDZ型儀表和QDZ型儀表都屬于模擬控制儀表；SLPC可編程調節器、KMM可編程調節器、PMK可編程調節器等都屬于數字控制儀表。第39頁/共53頁4.按信息的獲得.傳遞.反映和處理過程分類檢測儀表檢測儀表:主要用于測量某些工藝參數主要用于測量某些工藝參數,如溫度如溫度.壓力、壓力、流量流量.物位等物位等,并將被測參數的大小按比例地轉換成電并將被測參數的大小按比例地轉換成電信號或氣信號。信號或氣信號。顯示儀

23、表顯示儀表:將檢測儀表獲得的信息顯示出來。如指示將檢測儀表獲得的信息顯示出來。如指示儀表儀表.記錄儀記錄儀.工業電視工業電視.圖像顯示器。圖像顯示器。集中控制裝置集中控制裝置:包括巡回檢測儀包括巡回檢測儀.巡回控制儀巡回控制儀.程序控制程序控制儀儀.數字處理機數字處理機.計算機以及儀表控制盤和操作臺等。計算機以及儀表控制盤和操作臺等。控制儀表控制儀表:根據需要對輸入信號進行各種運算。包括根據需要對輸入信號進行各種運算。包括電動電動.氣動的控制器及代替模擬控制儀表的微處理器氣動的控制器及代替模擬控制儀表的微處理器等。等。執行器執行器:接受控制儀表的輸出信號或直接接受操作人接受控制儀表的輸出信號或

24、直接接受操作人員的指令員的指令,對生產過程進行操作或控制。包括電動對生產過程進行操作或控制。包括電動.氣氣動動.液動執行機構和控制閥。液動執行機構和控制閥。第40頁/共53頁第41頁/共53頁2 2、自動化儀表的發展、自動化儀表的發展 自動化儀表的主體是氣動控制儀表和電動控制儀表，它們的發生和發展分別經歷了基地式、單元組合式(型、型、型)、組裝式及數字智能式等幾個階段。第42頁/共53頁3 3、自動化儀表的信號制與傳輸方、自動化儀表的信號制與傳輸方式式 為方便有效地把自動化系統中各類現場儀表與控制室內的儀表和裝置連接起來，構成各種各樣的控制系統，儀表之間應有統的標準信號進行聯絡和合適的傳輸。第

25、43頁/共53頁4、性能指標性能指標(1)精確度（精度）精確度（精度） 表示儀表測量結果的可靠程度。表示儀表測量結果的可靠程度。 儀表的儀表的精度等級精度等級是按國家統一規定的允許誤差大是按國家統一規定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。小來劃分成若干等級的。儀表精度等級數值越小，儀表精度等級數值越小，說明儀表測量準確度越高。說明儀表測量準確度越高。 精度等級：精度等級：允許誤差去掉允許誤差去掉“”號及號及“%”后，后，系系列化圓整后列化圓整后的數值。的數值。第44頁/共53頁 儀表的精度等級以一定的符號形式表儀表的精度等級以一定的符號形式表示在儀表標尺板上，如示在儀表標尺板上，如1.01.0外

26、加一個圓圈外加一個圓圈或三角形。精度等級或三角形。精度等級1.01.0，說明該儀表允，說明該儀表允許誤差為許誤差為1.0%1.0%。目前我國生產的儀表的精度等級有：目前我國生產的儀表的精度等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.01.5,2.5,4.0等等1.01.0第45頁/共53頁 例例1 1 某臺測溫儀表的量程是某臺測溫儀表的量程是600600-11001100，其最，其最大絕對誤差為大絕對誤差為4 ，試確定該儀表的精度等級。，試確定該儀表的精度等級。max

27、4100%0.8%1100600 由于國家規定的精度等級中沒有由于國家規定的精度等級中沒有0.80.8級儀表，級儀表，而該儀表的最大引用誤差超過了而該儀表的最大引用誤差超過了0.50.5級儀表的允許級儀表的允許誤差，所以這臺儀表的精度等級應定為誤差，所以這臺儀表的精度等級應定為1.01.0級。級。解解 儀表的最大允許誤差為儀表的最大允許誤差為第46頁/共53頁 例例2 2 某臺測溫儀表的量程是某臺測溫儀表的量程是600600-11001100，工藝工藝要求要求該儀表指示值的誤差不得超過該儀表指示值的誤差不得超過4 ，應選，應選精度精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求。等級為多少的儀表才能滿足工

28、藝要求。max4100%0.8%11006000.8%介于允許誤差介于允許誤差0.5%與與1.0%之間，如果選之間，如果選擇允許誤差為擇允許誤差為1.0%,則其精度等級應為則其精度等級應為1.0級。量程級。量程為為6001100，精確度為，精確度為1.0級的儀表，可能產生的級的儀表，可能產生的最大絕對誤差為最大絕對誤差為5，超過了工藝的要求。所以只，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺允許誤差為能選擇一臺允許誤差為0.5%，即精確度等級為，即精確度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝要求。級的儀表，才能滿足工藝要求。解解 根據工藝要求，儀表的最大允許誤差為根據工藝要求，儀表的最大允許誤差為第47頁/共53頁結論：結論：校表：校表： 選表：選表：max系列化計算max系列化計算儀表量程的上限：儀表量程的上限：Ymax: 4/33/2倍（被測變量）倍（被測變量） 波動較大時：波動較大時：3/22倍（被測變量）倍（被測變量）下限：一般地，被測變量的值不低于全量程的下限：一般地，被測變量的值不低于全量程的1/3。 儀表精度與量程有關，量程是根據所要測量的儀表精度與量程有關，量程是根據所要