化工儀表自動化四川理工學院電信系自動化教研室化工儀表自動化四川理工學院電信系自動化教研室課程介紹課程名稱：化工儀表自動化學時（學分）：40（3/2.5）類型：專業選修課、考查課教材：厲玉鳴.化工儀表及自動化（第四版）[M].北京:化學工業出版社，20062課程介紹課程名稱：化工儀表自動化2課程特點課程內容涵蓋面廣化工原理自動控制原理檢測技術控制儀表及裝置過程計算機控制集散控制系統現場總線控制系統內容以敘述性為主，理論推導較少3課程特點課程內容涵蓋面廣3課程任務《化工儀表自動化》是綜合性較強、跨多門學科的一門專業課程，通過本課程的學習，使學生掌握最基本的過程控制方面的知識，對常見過程參數的測量原理、常規儀表的基本功能、自動控制系統基于微分方程的基本分析方法等有一個基本性的及系統性的了解。便于在生產實踐中能根據生產工藝及自動控制兩個方面的要求，為自動控制系統的設計提供合理的、準確的工藝條件及數據。選用適當的自動化儀表和計算機等裝置組成實用型過程控制系統。4課程任務《化工儀表自動化》是綜合性較強、跨多門學科的一門專業學習及考核學習方式：課堂講授+同學自學總評成績=平時×40%+期末測試×60%平時成績=課堂回答問題10%+作業及小測驗30%答疑安排每周二晚19:00-21:00實驗樓5415學習及考核學習方式：課堂講授+同學自學5參考書目侯志林.過程控制與自動化儀表[M].北京:機械工業出版社，2003楊麗明，張光新.化工自動化及儀表[M].北京:化學工業出版社，2004王化祥.自動檢測技術[M].北京:化學工業出版社，2004張毅.自動檢測技術及儀表控制系統[M].北京:化學工業出版社，20056參考書目侯志林.過程控制與自動化儀表[M].北京:機械緒論目的2發展歷程33化工自動化的定義31學習目的47緒論目的2發展歷程33化工自動化的定義31學習目的47化工自動化的定義在化工等連續性生產設備上，配備一些自動化裝置，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，稱為化工自動化。8化工自動化的定義在化工等連續性生產設備上，配備一些自動化裝置實現化工自動化的目的加快生產速度，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，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的。生產過程自動化的實現，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創造條件。9實現化工自動化的目的加快生產速度，降低生產成本，提高產品產量實現化工自動化的目的（續）高嶺土在不同溫度下煅燒時，其化學反應式如下：10實現化工自動化的目的（續）高嶺土在不同溫度下煅燒時，其化學反化工自動化的發展歷程20世紀40年代手工操作狀態，只有少量的檢測儀表用于生產過程。20世紀40年代末～50年代自動化儀表：采用基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動Ⅰ型和電動Ⅰ型）控制理論：以反饋為中心的經典控制理論控制系統：多為單輸入、單輸出簡單控制系統11化工自動化的發展歷程20世紀40年代11化工自動化的發展歷程（續）20世紀50年代～70年代自動化儀表：單元組合儀表（氣動Ⅱ型和電動Ⅱ型）成為主流產品。60年代后期，出現了專門用于過程控制的小型計算機，直接數字控制系統和監督計算機控制系統開始應用于過程控制領域。控制理論：出現了以狀態空間方法為基礎，以極小值原理和動態規劃等最優控制理論為基本特征的現代控制理論，傳統的單輸入單輸出系統發展到多輸入多輸出系統領域。控制系統：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復雜控制系統。12化工自動化的發展歷程（續）20世紀50年代～70年代12氣動基地式儀表KFL現場型基地式氣動液位指示調節儀13氣動基地式儀表KFL現場型基地式氣動液位指示調節儀13電動基地式儀表LD301壓力差壓變送器14電動基地式儀表LD301壓力差壓變送器14氣動單元組合儀表氣動指示記錄儀氣動調節儀15氣動單元組合儀表氣動指示記錄儀氣動調節儀15電動單元組合儀表16電動單元組合儀表16使用常規儀表的中央控制室17使用常規儀表的中央控制室17化工自動化的發展歷程（續）20世紀70～80年代自動化儀表：氣動Ⅲ型和電動Ⅲ型，以微處理器為主要構成單元的智能控制裝置。集散控制系統（DCS）、可編程邏輯控制器(PLC)、工業PC機（工控機）和數字控制器等，已成為控制裝置的主流。控制理論：出現了以狀態空間方法為基礎，以極小值原理和動態規劃等最優控制理論為基本特征的現代控制理論，傳統的單輸入單輸出系統發展到多輸入多輸出系統領域。控制系統：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復雜控制系統。18化工自動化的發展歷程（續）20世紀70～80年代18化工自動化的發展歷程（續）20世紀90年代至今自動化儀表：信息技術飛速發展，現場總線控制系統（FCS）的出現，引起過程控制系統體系結構和功能結構上的重大變革。現場儀表的數字化和智能化，形成了真正意義上的全數字過程控制系統。出現各種智能儀表、變送器、無紙紀錄儀。控制理論：人工智能、神經網絡控制。控制系統：管控一體化現場，綜合自動化是當今生產過程控制的發展方向。19化工自動化的發展歷程（續）20世紀90年代至今19早期的DCS控制系統20早期的DCS控制系統20現代的DCS控制系統21現代的DCS控制系統21現代FCS操作室22現代FCS操作室22學習目的應能了解化工自動化的基本知識、理解自動控制系統的組成、基本原理及各環節的作用；能根據工藝要求、與自控設計人員共同討論和提出合理的自動控制方案；能在工藝設計或技術改造中、與自控設計人員密切合作，綜合考慮工藝與控制兩個方面，并為自控設計人員提供正確的工藝條件與數據，能了解化工對象的基本特性及其對控制過程的影響；能了解基本控制規律及其控制器參數與被控過程的控制質量之間的關系，能了解主要工藝參數(溫度、壓力、流量及物位)的基本測量方法和儀表的工作原理及其特點；23學習目的應能了解化工自動化的基本知識、理解自動控制系統的組成學習目的（續）在生產控制、管理和調度中、能正確地選用和使用常見的測量儀表和控制裝置，使它們充分發揮作用；能在生產開停車過程中，初步掌握自動控制系統的投運及控制器的參數整定；能在自動控制系統運行過程中，發現和分析出現的一些問題和現象，以便提出正確的解決辦法；能在處理各類技術問題時，應用一些控制論、系統論、信息論的觀點來分析思考，尋求考慮整體條件、考慮事物間相互關聯的綜合解決方法。24學習目的（續）在生產控制、管理和調度中、能正確地選用和使用常第一章自動控制系統基本概念自動控制系統的組成2自動控制系統的分類33化工自動化的主要內容31過渡過程和品質指標

4工藝管道及控制流程圖3525第一章自動控制系統基本概念自動控制系統的組成2自動控制系1.1化工自動化的主要內容自動檢測系統利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統。它代替了操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄、因此起到人的眼睛的作用。261.1化工自動化的主要內容自動檢測系統261.1化工自動化的主要內容自動信號和聯鎖保護系統生產過程中，有時由于一些偶然因素的影響，導致工藝參數超出允許的變化范圍而出現不正常情況時，就有引起事故的可能。為此，常對某些關鍵性參數設有自動信號聯鎖裝置。自動操縱及自動開停車系統自動操縱系統可以根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。271.1化工自動化的主要內容自動信號和聯鎖保護系統271.1化工自動化的主要內容自動控制系統生產過程中各種工藝條件不可能是一成不變的。特別是化工生產，大多數是連續性生產，各設備相互關聯著，當其中某一設備的工藝條件發生變化時，都可能引起其他設備中某些參數或多或少地波動，偏離了正常的工藝條件，為此。就需要用一些自動控制裝置，對生產中某些關鍵性參數進行自動控制、使它們在受到外界干擾(擾動)的影響而偏離正常狀態時，能自動地控制而回到規定的數值范圍內，為此目的而設置的系統就是自動控制系統。281.1化工自動化的主要內容自動控制系統281.2自控系統的基本組成及方塊圖人工控制：自動控制的基礎檢測運算(思考)執行291.2自控系統的基本組成及方塊圖人工控制：自動控制的基礎檢1.2自控系統的基本組成及方塊圖

人工控制系統的組成：眼睛—觀察玻璃管液位計(測量元件)指示的高度。頭腦—將液位高度與期望高度進行比較，經過思考估算出需要改變的流出量，然后發出控制命令。手—根據命令改變出口閥門開度，相應地增減流量，使液位保持在合理的范圍內。閥門、對象。301.2自控系統的基本組成及方塊圖人工控制系統的組成：301.2自控系統的基本組成及方塊圖機械化人工控制向自動控制轉變人腦眼睛四肢控制器檢測裝置執行器311.2自控系統的基本組成及方塊圖機械化人工控制向自動控制轉1.2自控系統的基本組成及方塊圖自動控制以液體貯槽的液位控制為例，來說明工業過程控制系統的基本構成。321.2自控系統的基本組成及方塊圖自動控制321.2自控系統的基本組成及方塊圖該系統是由兩部分構成的：控制裝置：起到控制作用的全套儀表、自動裝置。通常包括測量元件、變送器、控制器和執行器等。被控對象：控制裝置所要控制的生產設備。該系統的任務：當被控對象受到干擾使被控參數產生偏差時，能夠及時檢測并反饋到控制器，通過控制器產生控制信號，調節閥門開度使被控參數回到給定值。331.2自控系統的基本組成及方塊圖該系統是由兩部分構成的：31.2自控系統的基本組成及方塊圖變送器—檢測并變換成統一標準信號送到控制器（相當于人的眼睛）控制器—接收變送器信號與液位期望值進行比較，根據偏差按某種規律運算，結果送給執行器（相當于人的大腦）執行器—將控制器指令信號轉換成相應的位移信號，驅動閥門動作，改變液體流出量，實現液位的自動控制（相當于人的手）。341.2自控系統的基本組成及方塊圖變送器—檢測并變換成統一標1.2自控系統的基本組成及方塊圖方框圖方框圖是從信號流的角度出發，依據信號的流向將組成控制系統的各個環節相互連接起來的一種圖解表達方式。對自動控制系統進行分析研究時，經常用方框圖來表示一個自動控制系統的組成。351.2自控系統的基本組成及方塊圖方框圖351.2自控系統的基本組成及方塊圖環節在方框圖中，每個組成部分用一個方框表示并標上該組成部分的名稱，稱之為環節。一個方框可以對應于一個元件、一個設備或幾個設備的組合，或一個局部的生產過程。環節361.2自控系統的基本組成及方塊圖環節環節361.2自控系統的基本組成及方塊圖輸入和輸出箭頭指向方框的信號X表示該環節的輸入，稱為輸入變量。箭頭離開方框的信號Y表示該環節的輸出，稱為輸出變量。箭頭所指的方向就是信號的流向，它表明信號的作用方向。

環節XY371.2自控系統的基本組成及方塊圖輸入和輸出環節XY371.2自控系統的基本組成及方塊圖相加點C=A+BC=A-B分支點B=C=AACBACBABC381.2自控系統的基本組成及方塊圖相加點ACBACBABC31.2自控系統的基本組成及方塊圖給定值（設定值）按照生產工藝的要求為被控變量規定的所要求達到或保持的數值稱為給定值。被控變量對象中需要進行控制（保持數值在某一范圍內或按預定規律變化）的物理量稱為被控變量。操縱變量受到控制裝置的操縱，用以使被控變量保持在設定數值的物料或能量的表示參數稱為操縱變量。391.2自控系統的基本組成及方塊圖給定值（設定值）391.2自控系統的基本組成及方塊圖操縱介質具體實現控制作用的物料叫操縱介質。干擾（擾動）除操縱變量外，作用于對象并使被控變量發生變化的因素稱為干擾。偏差在理論上偏差應該是給定值與被控變量的實際之差。但是我們只能獲得測量值，所以通常把給定值與測量值之差作為偏差。401.2自控系統的基本組成及方塊圖操縱介質40例題下圖為一換熱器的控制系統流程圖。問：被控變量？操縱變量？被控對象？畫出控制系統方框圖。41例題下圖為一換熱器的控制系統流程圖。41例題被控變量：物料出口溫度操縱變量：蒸汽流量被控對象：換熱器換熱器控制系統方框圖：42例題被控變量：物料出口溫度421.2自控系統的基本組成及方塊圖同一形式的方框圖可以代表不同的控制系統。431.2自控系統的基本組成及方塊圖同一形式的方框圖可以代表不1.2自控系統的基本組成及方塊圖表示方法：方塊圖表示流程圖表示區別？441.2自控系統的基本組成及方塊圖表示方法：區別？441.2自控系統的基本組成及方塊圖閉環負反饋把系統或環節的輸出信號或經過一些環節重新返回輸入端的做法叫做反饋。如何區別正反饋和負反饋？451.2自控系統的基本組成及方塊圖閉環負反饋45練習題A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷卻水流量來控制反應器內的溫度。試分別指出控制對象、被控變量、操作變量及可能影響被控變量的干擾是什么？畫出該溫度控制系統的方塊圖。46練習題A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷練習題在下面一段文章中，試分別指出被控變量、操作變量、干擾、控制對象、控制方式。 “發動機內的燃燒是由空氣燃料比(空氣量／燃料噴射量)來控制。通過控制燃料噴射量，使空氣與燃料的比值保持一定，不受空氣量變化影響，特別是消除外部干擾的影響。”47練習題在下面一段文章中，試分別指出被控變量、操作變量、干擾、1.3自動控制系統的分類多種分類方法：按被控變量分類：溫度、壓力、流量、液位等按控制規律分類：比例P(Propotional)、比例積分PI(PropotionalIntegral)、比例積分微分PID(PropotionalIntegralDerivative)等481.3自動控制系統的分類多種分類方法：483.按被控對象的特征分類在石油、化工、冶金等行業，生產過程具有水流一樣的連續特征，稱之為流程工業，其自動化系統稱之為連續生產過程自動化或過程自動化。在機械、汽車、電子等行業，工業生產具有間斷的、按件料加工的特征，其自動化系統稱之為斷續生產過程自動化或制造工業自動化。在食品、制藥、選礦等行業，生產同時具有連續和間斷的待征，稱之為混合型工業自動化。493.按被控對象的特征分類在石油、化工、冶金等行業，生產過程具4.按控制的設定值分類(1)定值控制系統是指設定值恒定的控制系統。其基本任務是克服擾動對被控變量的影響，使被控變量保持在設定值。如常見的熱水器的溫度控制就是定值控制系統的一個例子。工業生產大部分控制系統都屬于這種類型。504.按控制的設定值分類(1)定值控制系統504.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統這類系統的特點是設定值不斷地變化，而且這種變化是隨機的、不可預知的。隨動系統的主要目的是使被控變量能盡快地、準確地跟蹤設定值的變化。也稱自動跟蹤系統。例如航空上的導航雷達系統、電視臺的天線接收系統都均屬于隨動控制系統。514.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統514.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統放大器被測電壓ut可逆電機指示記錄儀滑線電阻Eup自動平衡電位差計的方框圖

524.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統放大器被測電壓ut4.按控制的設定值分類(3)程序控制系統其設定值也是變化的，但它是時間和條件的已知函數，即設定值按規定的時間和條件(按照設定的程序)變化。這類系統在斷續生產過程中應用比較普遍。如自動洗衣機控制就屬于此類。534.按控制的設定值分類(3)程序控制系統535.按控制系統的結構分類(1)開環控制系統若系統的輸出信號不反饋到輸入端，也就不能形成閉合回路，這樣的系統就稱為開環控制系統。開環系統的構成特點是簡單、實用，但由于無反饋信息，控制的效果取決于控制模型是否準確適當、組成開環系統的各個環節是否穩定，系統任何部分的變化都可能影響控制的最終結果。545.按控制系統的結構分類(1)開環控制系統545.按控制系統的結構分類(2)閉環控制系統系統的輸出(被控變量)通過某種方式一般為測量傳感器送回到控制系統的輸入端。這樣控制系統就形成了一個閉合的環路，稱閉環控制系統。在電子學中，將輸出信號引回到輸入端叫做反饋。同理，閉環控制系統也是反饋控制系統，而且常用的是負反饋，負反饋可以使控制系統穩定。多數控制系統都是閉環負反饋控制系統。555.按控制系統的結構分類(2)閉環控制系統55習題試列舉幾個生活中開環控制系統和閉環控制系統的實例，并分析它們的工作原理。家用電冰箱的控制方式是開環還是閉環控制方式，試分析冰箱控制系統的工作原理。并畫出系統方框圖。56習題試列舉幾個生活中開環控制系統和閉環控制系統的實例，并分析1.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態在自動化領域中，把被控變量不隨時間而變化的平衡狀態稱為系統的靜態，而把被控變量隨時間變化的不平衡狀態稱為系統的動態。靜態的特點：系統輸入x、f不變，系統輸出y不變，其他量如z、e、p、q均不變，但生產照常進行。靜態是相對而暫時的。動態的特點：輸入變化引起輸出變化，其他量也跟著變化，以求系統建立新平衡。動態是經常和絕對的。571.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態571.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的過渡過程自動控制系統的過渡過程：自動控制系統在動態過程中，被控變量是不斷變化的，它隨時間而變化的過程稱為自動控制系統的過渡過程，也就是說，系統從一個平衡狀態（靜態）經過動態過渡到另一個新的平衡狀態的過程。系統在過渡過程中，被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，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。581.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的過渡過程581.4自控系統的過渡過程和品質指標常見典型信號：階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。當A=1時稱為單位階躍信號。階躍干擾（階躍輸入）的特點：比較突然、比較危險、對被控變量的影響最大，如果一個系統，能有效地克服這類干擾，對其他干擾就能很好地克服，同時數學處理和分析簡單。591.4自控系統的過渡過程和品質指標常見典型信號：階躍信號、1.4自控系統的過渡過程和品質指標過渡曲線的四種形式601.4自控系統的過渡過程和品質指標過渡曲線的四種形式601.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標控制系統的過渡過程是衡量控制系統品質的依據。由于在多數情況下振蕩過程，所以取衰減振蕩的過渡過程形式來討論控制系統的品質指標。CBAB’TtytG611.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標CBA1.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標最大偏差或超調量：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值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值，在圖中以A表示。有時也可以用超調量來表征被控變量偏離給定值的程度。在圖中超調量以B表示。從圖中可以看出，超調量B是第一個峰值A與新穩定值C之差，即B＝A一C。CBAB’TtytG621.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標CBA1.4自控系統的過渡過程和品質指標衰減比：是表示衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。在圖中衰減比是B:B’。習慣上表示為n:1。一般取4:1~8:1之間。CBAB’TtytG631.4自控系統的過渡過程和品質指標衰減比：是表示衰減程度的1.4自控系統的過渡過程和品質指標余差：當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差,或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差，在圖中以C表示。偏差的數值可正可負。CBAB’TtytG641.4自控系統的過渡過程和品質指標余差：當過渡過程終了時，1.4自控系統的過渡過程和品質指標過渡時間：從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經歷的時間叫過渡時間。CBAB’TtytG651.4自控系統的過渡過程和品質指標過渡時間：從干擾作用發生1.4自控系統的過渡過程和品質指標振蕩周期或頻率：過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。上升時間也是一個品質指標。它是指干擾開始作用起至第一個波峰時所需要的時間。顯然，上升時間以短一些為宜。CBAB’TtytG661.4自控系統的過渡過程和品質指標振蕩周期或頻率：過渡過程1.4自控系統的過渡過程和品質指標例題：某換熱器的溫度調節系統在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1—15所示。試分別求出最大偏差、余差、袁減比、振蕩周期和過渡時間(給定值為200℃)。671.4自控系統的過渡過程和品質指標例題：某換熱器的溫度調節1.4自控系統的過渡過程和品質指標解:最大偏差：A＝230一200＝300℃

余差C＝205—200＝50℃

由圖上可以看出，第一個波峰值B＝230一205＝250℃

，第二個波峰值B’＝210—205＝50℃

衰減比應為B：B’＝25：5＝5：1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期T＝20一5＝15(min)

過渡時間與規定的被控變量限制范圍大小有關，假定被控變量進入額定值的土2％，就可以認為過渡過程已經結束，那么限制范圍為200×(±2％)＝土4℃

，這時，可在新穩態值(205℃)兩側以寬度為土4℃畫一區域，圖1—15中以畫有陰影線的區域表示，只要被控變量進入這一區域且不再超出，過渡過程就可以認為已經結束。因此，從圖上可以看出，過渡時間為22min。681.4自控系統的過渡過程和品質指標解:最大偏差：A＝1.4自控系統的過渡過程和品質指標21題：某化學反應器工藝規定操作溫度為(900±10℃)。考慮安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃

。現設計的溫度定值控制系統，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1—18所示。試求該系統的過渡過程品質指標：最大偏差、越調量、衰減比和振蕩周期，并回答該控制系統能否滿足題中所給的工藝要求？691.4自控系統的過渡過程和品質指標21題：某化學反應器工藝1.4自控系統的過渡過程和品質指標影響自動控制系統過渡過程品質的主要因素：過渡過程品質品質的好壞，很大程度上取決于對象的特性。自動化裝置的選擇和調整不當，也會直接影響控制質量。影響自動控制系統過渡過程品質的因素眾多，在系統設計和運行過程中應予以充分考慮。701.4自控系統的過渡過程和品質指標影響自動控制系統過渡過程1.5工藝管道及控制流程圖一、圖形符號1．測量點(包括檢出元件、取樣點)2．連接線3．儀表(包括檢測、顯示、控制)的圖形符號711.5工藝管道及控制流程圖一、圖形符號711.5工藝管道及控制流程圖控制流程圖符號意義序號安裝位置圖形符號備注序號安裝位置圖形符號備注1就地安裝儀表4集中儀表盤后安裝儀表嵌在管道中2集中儀表盤面安裝儀表5就地儀表盤后安裝儀表3就地儀表盤面安裝儀表721.5工藝管道及控制流程圖控制流程圖符號意義序號安裝位置圖1.5工藝管道及控制流程圖二、字母代號字母第一位字母后繼字母字母第一位字母后繼字母被測變量修飾詞功能被測變量修飾詞功能A分析報警P壓力C電導率控制Q數量積分累積D密度差R放射性記錄E電壓S速度安全開關F流量比T溫度傳送I電流指示V粘度閥K時間W力L物位YM水分Z位置執行機構731.5工藝管道及控制流程圖二、字母代號字母第一位字母后繼字1.5工藝管道及控制流程圖三、儀表位號由字母代號組合和阿拉伯數字編號兩部分組成。字母代號意義如前。阿拉伯數字編號寫在圓圈的下半部，第一位數字表示工段號，后續數字表示儀表序號。741.5工藝管道及控制流程圖三、儀表位號74本章作業P16：第12、22題作業暫時不交，接通知以后統一交到實驗樓541要求書寫工整，嚴禁抄襲75本章作業75ThankYou!ThankYou!化工儀表自動化四川理工學院電信系自動化教研室化工儀表自動化四川理工學院電信系自動化教研室課程介紹課程名稱：化工儀表自動化學時（學分）：40（3/2.5）類型：專業選修課、考查課教材：厲玉鳴.化工儀表及自動化（第四版）[M].北京:化學工業出版社，200678課程介紹課程名稱：化工儀表自動化2課程特點課程內容涵蓋面廣化工原理自動控制原理檢測技術控制儀表及裝置過程計算機控制集散控制系統現場總線控制系統內容以敘述性為主，理論推導較少79課程特點課程內容涵蓋面廣3課程任務《化工儀表自動化》是綜合性較強、跨多門學科的一門專業課程，通過本課程的學習，使學生掌握最基本的過程控制方面的知識，對常見過程參數的測量原理、常規儀表的基本功能、自動控制系統基于微分方程的基本分析方法等有一個基本性的及系統性的了解。便于在生產實踐中能根據生產工藝及自動控制兩個方面的要求，為自動控制系統的設計提供合理的、準確的工藝條件及數據。選用適當的自動化儀表和計算機等裝置組成實用型過程控制系統。80課程任務《化工儀表自動化》是綜合性較強、跨多門學科的一門專業學習及考核學習方式：課堂講授+同學自學總評成績=平時×40%+期末測試×60%平時成績=課堂回答問題10%+作業及小測驗30%答疑安排每周二晚19:00-21:00實驗樓54181學習及考核學習方式：課堂講授+同學自學5參考書目侯志林.過程控制與自動化儀表[M].北京:機械工業出版社，2003楊麗明，張光新.化工自動化及儀表[M].北京:化學工業出版社，2004王化祥.自動檢測技術[M].北京:化學工業出版社，2004張毅.自動檢測技術及儀表控制系統[M].北京:化學工業出版社，200582參考書目侯志林.過程控制與自動化儀表[M].北京:機械緒論目的2發展歷程33化工自動化的定義31學習目的483緒論目的2發展歷程33化工自動化的定義31學習目的47化工自動化的定義在化工等連續性生產設備上，配備一些自動化裝置，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，稱為化工自動化。84化工自動化的定義在化工等連續性生產設備上，配備一些自動化裝置實現化工自動化的目的加快生產速度，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，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的。生產過程自動化的實現，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創造條件。85實現化工自動化的目的加快生產速度，降低生產成本，提高產品產量實現化工自動化的目的（續）高嶺土在不同溫度下煅燒時，其化學反應式如下：86實現化工自動化的目的（續）高嶺土在不同溫度下煅燒時，其化學反化工自動化的發展歷程20世紀40年代手工操作狀態，只有少量的檢測儀表用于生產過程。20世紀40年代末～50年代自動化儀表：采用基地式儀表和部分單元組合儀表（氣動Ⅰ型和電動Ⅰ型）控制理論：以反饋為中心的經典控制理論控制系統：多為單輸入、單輸出簡單控制系統87化工自動化的發展歷程20世紀40年代11化工自動化的發展歷程（續）20世紀50年代～70年代自動化儀表：單元組合儀表（氣動Ⅱ型和電動Ⅱ型）成為主流產品。60年代后期，出現了專門用于過程控制的小型計算機，直接數字控制系統和監督計算機控制系統開始應用于過程控制領域。控制理論：出現了以狀態空間方法為基礎，以極小值原理和動態規劃等最優控制理論為基本特征的現代控制理論，傳統的單輸入單輸出系統發展到多輸入多輸出系統領域。控制系統：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復雜控制系統。88化工自動化的發展歷程（續）20世紀50年代～70年代12氣動基地式儀表KFL現場型基地式氣動液位指示調節儀89氣動基地式儀表KFL現場型基地式氣動液位指示調節儀13電動基地式儀表LD301壓力差壓變送器90電動基地式儀表LD301壓力差壓變送器14氣動單元組合儀表氣動指示記錄儀氣動調節儀91氣動單元組合儀表氣動指示記錄儀氣動調節儀15電動單元組合儀表92電動單元組合儀表16使用常規儀表的中央控制室93使用常規儀表的中央控制室17化工自動化的發展歷程（續）20世紀70～80年代自動化儀表：氣動Ⅲ型和電動Ⅲ型，以微處理器為主要構成單元的智能控制裝置。集散控制系統（DCS）、可編程邏輯控制器(PLC)、工業PC機（工控機）和數字控制器等，已成為控制裝置的主流。控制理論：出現了以狀態空間方法為基礎，以極小值原理和動態規劃等最優控制理論為基本特征的現代控制理論，傳統的單輸入單輸出系統發展到多輸入多輸出系統領域。控制系統：串級、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復雜控制系統。94化工自動化的發展歷程（續）20世紀70～80年代18化工自動化的發展歷程（續）20世紀90年代至今自動化儀表：信息技術飛速發展，現場總線控制系統（FCS）的出現，引起過程控制系統體系結構和功能結構上的重大變革。現場儀表的數字化和智能化，形成了真正意義上的全數字過程控制系統。出現各種智能儀表、變送器、無紙紀錄儀。控制理論：人工智能、神經網絡控制。控制系統：管控一體化現場，綜合自動化是當今生產過程控制的發展方向。95化工自動化的發展歷程（續）20世紀90年代至今19早期的DCS控制系統96早期的DCS控制系統20現代的DCS控制系統97現代的DCS控制系統21現代FCS操作室98現代FCS操作室22學習目的應能了解化工自動化的基本知識、理解自動控制系統的組成、基本原理及各環節的作用；能根據工藝要求、與自控設計人員共同討論和提出合理的自動控制方案；能在工藝設計或技術改造中、與自控設計人員密切合作，綜合考慮工藝與控制兩個方面，并為自控設計人員提供正確的工藝條件與數據，能了解化工對象的基本特性及其對控制過程的影響；能了解基本控制規律及其控制器參數與被控過程的控制質量之間的關系，能了解主要工藝參數(溫度、壓力、流量及物位)的基本測量方法和儀表的工作原理及其特點；99學習目的應能了解化工自動化的基本知識、理解自動控制系統的組成學習目的（續）在生產控制、管理和調度中、能正確地選用和使用常見的測量儀表和控制裝置，使它們充分發揮作用；能在生產開停車過程中，初步掌握自動控制系統的投運及控制器的參數整定；能在自動控制系統運行過程中，發現和分析出現的一些問題和現象，以便提出正確的解決辦法；能在處理各類技術問題時，應用一些控制論、系統論、信息論的觀點來分析思考，尋求考慮整體條件、考慮事物間相互關聯的綜合解決方法。100學習目的（續）在生產控制、管理和調度中、能正確地選用和使用常第一章自動控制系統基本概念自動控制系統的組成2自動控制系統的分類33化工自動化的主要內容31過渡過程和品質指標

4工藝管道及控制流程圖35101第一章自動控制系統基本概念自動控制系統的組成2自動控制系1.1化工自動化的主要內容自動檢測系統利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統。它代替了操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄、因此起到人的眼睛的作用。1021.1化工自動化的主要內容自動檢測系統261.1化工自動化的主要內容自動信號和聯鎖保護系統生產過程中，有時由于一些偶然因素的影響，導致工藝參數超出允許的變化范圍而出現不正常情況時，就有引起事故的可能。為此，常對某些關鍵性參數設有自動信號聯鎖裝置。自動操縱及自動開停車系統自動操縱系統可以根據預先規定的步驟自動地對生產設備進行某種周期性操作。1031.1化工自動化的主要內容自動信號和聯鎖保護系統271.1化工自動化的主要內容自動控制系統生產過程中各種工藝條件不可能是一成不變的。特別是化工生產，大多數是連續性生產，各設備相互關聯著，當其中某一設備的工藝條件發生變化時，都可能引起其他設備中某些參數或多或少地波動，偏離了正常的工藝條件，為此。就需要用一些自動控制裝置，對生產中某些關鍵性參數進行自動控制、使它們在受到外界干擾(擾動)的影響而偏離正常狀態時，能自動地控制而回到規定的數值范圍內，為此目的而設置的系統就是自動控制系統。1041.1化工自動化的主要內容自動控制系統281.2自控系統的基本組成及方塊圖人工控制：自動控制的基礎檢測運算(思考)執行1051.2自控系統的基本組成及方塊圖人工控制：自動控制的基礎檢1.2自控系統的基本組成及方塊圖

人工控制系統的組成：眼睛—觀察玻璃管液位計(測量元件)指示的高度。頭腦—將液位高度與期望高度進行比較，經過思考估算出需要改變的流出量，然后發出控制命令。手—根據命令改變出口閥門開度，相應地增減流量，使液位保持在合理的范圍內。閥門、對象。1061.2自控系統的基本組成及方塊圖人工控制系統的組成：301.2自控系統的基本組成及方塊圖機械化人工控制向自動控制轉變人腦眼睛四肢控制器檢測裝置執行器1071.2自控系統的基本組成及方塊圖機械化人工控制向自動控制轉1.2自控系統的基本組成及方塊圖自動控制以液體貯槽的液位控制為例，來說明工業過程控制系統的基本構成。1081.2自控系統的基本組成及方塊圖自動控制321.2自控系統的基本組成及方塊圖該系統是由兩部分構成的：控制裝置：起到控制作用的全套儀表、自動裝置。通常包括測量元件、變送器、控制器和執行器等。被控對象：控制裝置所要控制的生產設備。該系統的任務：當被控對象受到干擾使被控參數產生偏差時，能夠及時檢測并反饋到控制器，通過控制器產生控制信號，調節閥門開度使被控參數回到給定值。1091.2自控系統的基本組成及方塊圖該系統是由兩部分構成的：31.2自控系統的基本組成及方塊圖變送器—檢測并變換成統一標準信號送到控制器（相當于人的眼睛）控制器—接收變送器信號與液位期望值進行比較，根據偏差按某種規律運算，結果送給執行器（相當于人的大腦）執行器—將控制器指令信號轉換成相應的位移信號，驅動閥門動作，改變液體流出量，實現液位的自動控制（相當于人的手）。1101.2自控系統的基本組成及方塊圖變送器—檢測并變換成統一標1.2自控系統的基本組成及方塊圖方框圖方框圖是從信號流的角度出發，依據信號的流向將組成控制系統的各個環節相互連接起來的一種圖解表達方式。對自動控制系統進行分析研究時，經常用方框圖來表示一個自動控制系統的組成。1111.2自控系統的基本組成及方塊圖方框圖351.2自控系統的基本組成及方塊圖環節在方框圖中，每個組成部分用一個方框表示并標上該組成部分的名稱，稱之為環節。一個方框可以對應于一個元件、一個設備或幾個設備的組合，或一個局部的生產過程。環節1121.2自控系統的基本組成及方塊圖環節環節361.2自控系統的基本組成及方塊圖輸入和輸出箭頭指向方框的信號X表示該環節的輸入，稱為輸入變量。箭頭離開方框的信號Y表示該環節的輸出，稱為輸出變量。箭頭所指的方向就是信號的流向，它表明信號的作用方向。

環節XY1131.2自控系統的基本組成及方塊圖輸入和輸出環節XY371.2自控系統的基本組成及方塊圖相加點C=A+BC=A-B分支點B=C=AACBACBABC1141.2自控系統的基本組成及方塊圖相加點ACBACBABC31.2自控系統的基本組成及方塊圖給定值（設定值）按照生產工藝的要求為被控變量規定的所要求達到或保持的數值稱為給定值。被控變量對象中需要進行控制（保持數值在某一范圍內或按預定規律變化）的物理量稱為被控變量。操縱變量受到控制裝置的操縱，用以使被控變量保持在設定數值的物料或能量的表示參數稱為操縱變量。1151.2自控系統的基本組成及方塊圖給定值（設定值）391.2自控系統的基本組成及方塊圖操縱介質具體實現控制作用的物料叫操縱介質。干擾（擾動）除操縱變量外，作用于對象并使被控變量發生變化的因素稱為干擾。偏差在理論上偏差應該是給定值與被控變量的實際之差。但是我們只能獲得測量值，所以通常把給定值與測量值之差作為偏差。1161.2自控系統的基本組成及方塊圖操縱介質40例題下圖為一換熱器的控制系統流程圖。問：被控變量？操縱變量？被控對象？畫出控制系統方框圖。117例題下圖為一換熱器的控制系統流程圖。41例題被控變量：物料出口溫度操縱變量：蒸汽流量被控對象：換熱器換熱器控制系統方框圖：118例題被控變量：物料出口溫度421.2自控系統的基本組成及方塊圖同一形式的方框圖可以代表不同的控制系統。1191.2自控系統的基本組成及方塊圖同一形式的方框圖可以代表不1.2自控系統的基本組成及方塊圖表示方法：方塊圖表示流程圖表示區別？1201.2自控系統的基本組成及方塊圖表示方法：區別？441.2自控系統的基本組成及方塊圖閉環負反饋把系統或環節的輸出信號或經過一些環節重新返回輸入端的做法叫做反饋。如何區別正反饋和負反饋？1211.2自控系統的基本組成及方塊圖閉環負反饋45練習題A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷卻水流量來控制反應器內的溫度。試分別指出控制對象、被控變量、操作變量及可能影響被控變量的干擾是什么？畫出該溫度控制系統的方塊圖。122練習題A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷練習題在下面一段文章中，試分別指出被控變量、操作變量、干擾、控制對象、控制方式。 “發動機內的燃燒是由空氣燃料比(空氣量／燃料噴射量)來控制。通過控制燃料噴射量，使空氣與燃料的比值保持一定，不受空氣量變化影響，特別是消除外部干擾的影響。”123練習題在下面一段文章中，試分別指出被控變量、操作變量、干擾、1.3自動控制系統的分類多種分類方法：按被控變量分類：溫度、壓力、流量、液位等按控制規律分類：比例P(Propotional)、比例積分PI(PropotionalIntegral)、比例積分微分PID(PropotionalIntegralDerivative)等1241.3自動控制系統的分類多種分類方法：483.按被控對象的特征分類在石油、化工、冶金等行業，生產過程具有水流一樣的連續特征，稱之為流程工業，其自動化系統稱之為連續生產過程自動化或過程自動化。在機械、汽車、電子等行業，工業生產具有間斷的、按件料加工的特征，其自動化系統稱之為斷續生產過程自動化或制造工業自動化。在食品、制藥、選礦等行業，生產同時具有連續和間斷的待征，稱之為混合型工業自動化。1253.按被控對象的特征分類在石油、化工、冶金等行業，生產過程具4.按控制的設定值分類(1)定值控制系統是指設定值恒定的控制系統。其基本任務是克服擾動對被控變量的影響，使被控變量保持在設定值。如常見的熱水器的溫度控制就是定值控制系統的一個例子。工業生產大部分控制系統都屬于這種類型。1264.按控制的設定值分類(1)定值控制系統504.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統這類系統的特點是設定值不斷地變化，而且這種變化是隨機的、不可預知的。隨動系統的主要目的是使被控變量能盡快地、準確地跟蹤設定值的變化。也稱自動跟蹤系統。例如航空上的導航雷達系統、電視臺的天線接收系統都均屬于隨動控制系統。1274.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統514.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統放大器被測電壓ut可逆電機指示記錄儀滑線電阻Eup自動平衡電位差計的方框圖

1284.按控制的設定值分類(2)隨動控制系統放大器被測電壓ut4.按控制的設定值分類(3)程序控制系統其設定值也是變化的，但它是時間和條件的已知函數，即設定值按規定的時間和條件(按照設定的程序)變化。這類系統在斷續生產過程中應用比較普遍。如自動洗衣機控制就屬于此類。1294.按控制的設定值分類(3)程序控制系統535.按控制系統的結構分類(1)開環控制系統若系統的輸出信號不反饋到輸入端，也就不能形成閉合回路，這樣的系統就稱為開環控制系統。開環系統的構成特點是簡單、實用，但由于無反饋信息，控制的效果取決于控制模型是否準確適當、組成開環系統的各個環節是否穩定，系統任何部分的變化都可能影響控制的最終結果。1305.按控制系統的結構分類(1)開環控制系統545.按控制系統的結構分類(2)閉環控制系統系統的輸出(被控變量)通過某種方式一般為測量傳感器送回到控制系統的輸入端。這樣控制系統就形成了一個閉合的環路，稱閉環控制系統。在電子學中，將輸出信號引回到輸入端叫做反饋。同理，閉環控制系統也是反饋控制系統，而且常用的是負反饋，負反饋可以使控制系統穩定。多數控制系統都是閉環負反饋控制系統。1315.按控制系統的結構分類(2)閉環控制系統55習題試列舉幾個生活中開環控制系統和閉環控制系統的實例，并分析它們的工作原理。家用電冰箱的控制方式是開環還是閉環控制方式，試分析冰箱控制系統的工作原理。并畫出系統方框圖。132習題試列舉幾個生活中開環控制系統和閉環控制系統的實例，并分析1.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態在自動化領域中，把被控變量不隨時間而變化的平衡狀態稱為系統的靜態，而把被控變量隨時間變化的不平衡狀態稱為系統的動態。靜態的特點：系統輸入x、f不變，系統輸出y不變，其他量如z、e、p、q均不變，但生產照常進行。靜態是相對而暫時的。動態的特點：輸入變化引起輸出變化，其他量也跟著變化，以求系統建立新平衡。動態是經常和絕對的。1331.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的靜態與動態571.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的過渡過程自動控制系統的過渡過程：自動控制系統在動態過程中，被控變量是不斷變化的，它隨時間而變化的過程稱為自動控制系統的過渡過程，也就是說，系統從一個平衡狀態（靜態）經過動態過渡到另一個新的平衡狀態的過程。系統在過渡過程中，被控變量隨時間的變化規律首先取決于作用于系統的干擾形式。在生產中，出現的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質。在分析和設計控制系統時，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。1341.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的過渡過程581.4自控系統的過渡過程和品質指標常見典型信號：階躍信號、斜坡信號、脈沖信號、加速度信號和正弦信號等。當A=1時稱為單位階躍信號。階躍干擾（階躍輸入）的特點：比較突然、比較危險、對被控變量的影響最大，如果一個系統，能有效地克服這類干擾，對其他干擾就能很好地克服，同時數學處理和分析簡單。1351.4自控系統的過渡過程和品質指標常見典型信號：階躍信號、1.4自控系統的過渡過程和品質指標過渡曲線的四種形式1361.4自控系統的過渡過程和品質指標過渡曲線的四種形式601.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標控制系統的過渡過程是衡量控制系統品質的依據。由于在多數情況下振蕩過程，所以取衰減振蕩的過渡過程形式來討論控制系統的品質指標。CBAB’TtytG1371.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標CBA1.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標最大偏差或超調量：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值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值，在圖中以A表示。有時也可以用超調量來表征被控變量偏離給定值的程度。在圖中超調量以B表示。從圖中可以看出，超調量B是第一個峰值A與新穩定值C之差，即B＝A一C。CBAB’TtytG1381.4自控系統的過渡過程和品質指標控制系統的品質指標CBA1.4自控系統的過渡過程和品質指標衰減比：是表示衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。在圖中衰減比是B:B’。習慣上表示為n:1。一般取4:1~8:1之間。CBAB’TtytG1391.4自控系統的過渡過程和品質指標衰減比：是表示衰減程度的1.4自控系統的過渡過程和品質指標余差：當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與給定值之間的偏差叫做余差,或者說余差就是過渡過程終了時的