化工自动化及仪表概述

静态（定态）：当输入 恒定不变时，整个系统 汽包 若能建立平衡，系统中
LT
LC
各个环节将暂不动作，
它们的输出都处于相对 省煤器
静止状态。此时输入与
给水
输出之间的关系称为系 统的静态特性。
锅炉汽包自动控制系统示意图
环节的静态特性
动态：由于输入的变 化，输出随时间变化， 其间的关系称为系统 的动态特性。也就是 说，从输入变化开始， 经过控制直到再建立 静态，在这段时间中， 汽包 整个系统的各个环节 和变量都处于变化的 省煤器 过程之中，这种状态 称为动态。
适用范围： 高维线性系统
智能控制理论:不需要建立被控对象的数学模型
➢控制系统结构及仪表的发展 •控制系统结构的发展
基地式：20世纪50年代，适用于单回路（就地式液 位控制器及自力式温度控制器）
单元组合式（按功能划分，然后组合）： 有DDZ, QDZ，20世纪60年代，仪表之间用标准统一信号联 系计算机：DDC,20世纪70年代
y
稳态特性
B B’
早期使用模拟仪表的中央控制室
早期的DCS控制系统
现在的DCS控制系统
该课程的内容
1、自动控制系统概述 2、过程特性 3、检测变送 4、显示仪表 5、执行器 6、控制器 7、自动控制系统的设计 8、复杂控制系统 9、计算机控制系统
1 自动控制系统概述
本章的主要内容：
1.1 自动化及仪表发展概述 1.2 自动控制系统 1.3 控制系统过渡过程及品质指标
➢闭环控制的缺点：
设定值 输入
LT
LC
控制不够及时；如果系统 省煤器
给水
内部各环节配合不当，系
统会引起剧烈震荡，甚至
锅炉汽包自动控制系统示意图
会使系统失去控制。
开环控制：根据扰动信号的变化来进行控制。 开环的液位控制系统又称前馈控制。
➢开环控制的特点（优 点）：
不需要对被控变量进 行测量，只根据输入 信号进行控制，控制 很及时。
DCS（集散控制系统）
先进控制和优化控制：CIPS、FCS，20世纪80年代 以后
• 自动化仪表的发展 模拟仪表 数字仪表 智能仪表
➢当前自动控制系统发展的一些主要特点
•过程优化受到普遍关注 •传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 •综合自动化系统（CIPS）是发展方向
1.2 自动控制系统
1.2.1自动控制系统 自动控制的必要性
蒸汽
汽包
锅炉设备的控制任务主 要是：
根据生产负荷的需要，供应 一定规格（压力、温度）的 蒸汽，同时使锅炉在安全、 经济的条件下运行。
锅炉设备的主要控制系 统有：
源自文库
省煤器
给水 图1-1 锅炉汽包示意图
（1）锅炉汽包水位的控制 （2）锅炉燃烧的控制 （3）过热蒸汽系统的控制
控制器
扰动
比较
f(t) 广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环 控制 系统 组成
从整个系统来看，输入信号： 设定值和扰动
输出信号： 被控变量（或测量值）
控制器
扰动
比较
f(t) 广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
给水
省煤器
锅炉汽包自动控制系统示意图
FT
LT
Fd1fCF
蒸汽
给水
开环控制
1.2.3自动控制系统的组成及方框图
在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统 各环节之间的关系，也可采用方框图（方块图）。每个 方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头 的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
汽包水位是锅炉运行的主要
蒸汽
指标，维持水位在一定范围
内是锅炉安全运行的首要条
汽包
件。
省煤器
给水 图1-1 锅炉汽包示意图
水位过高：影响汽包内的汽 水分离，饱和水蒸汽带水过 多，会使过热器管壁结垢导 致损坏，同时过热蒸汽温度 急剧下降，作为汽轮机动力 的话会损坏叶片，影响运行 的安全及经济性。
蒸汽
蒸汽
LT
LC
给水
环节的动态特性
锅炉汽包自动控制系统示意图
1.3.2自动控制系统的过渡过程
蒸汽
当自动控制系统的输
入发生变化后，被控变
量（即输出）随时间不 断变化，它随时间变化 汽包
LT
LC
的过程称为系统的过渡
过程。也就是系统从一 省煤器
个平衡状态(静态)过渡
给水
到另一个平衡状态（静 态）的过程。
锅炉汽包自动控制系统示意图
汽包
省煤器 给水
图1-1 锅炉汽包示意图
水位过低：汽包内水较少， 负荷很大时，水的汽化速 度加快，汽包内水量急速 减少，如不能及时得到控 制，则会烧干，烧坏水冷 壁，甚至爆炸。
蒸汽
汽包
省煤器 给水
图1-1 锅炉汽包示意图
手动控制的步骤：
(1)观察液位数值；
(2)把观察到的实际数值 与设定值加以比较，根 据偏差的大小及变化情 况做出判断，并发布命 令。
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
操纵变量：进水流量 扰动：进水压力、蒸汽流量
操纵变量：
受控制器操纵的 用以克服干扰的 影响，使被控变 量保持设定值的 物料量或能量
扰动：
除操纵变量外， 作用于被控过程 并引起被控变量 变化的因素
蒸汽
设定值：
设定值
工艺参数所要求
输入
保持的数值
汽包
广义对象
闭环
设定值 r(t)
机构 e(t)
-
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
被控变量
控制 系统
c(t)
组成
测量值 y(t)
几个重要概念：
检测元件、变送器
（1）信息：图中的r(t)、y(t)、f(t)等既是实际的物 理量，又作为信息来转换和作用。前一环节的输出是 后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信 号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。
化工自动化及仪表
华东理工大学信息学院自动化系
学习这门课的必要性：
1、自动控制系统应用非常普遍
用在国民生活的各个方面，化工领域的应用 更加普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过 程、涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制 药等等。
2、工艺人员应该掌握一定的控制系统的知识
才能设计合理的工艺，充分了解所用的控制 系统，以及控制系统的特性，便于使用与维护。
➢定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称
为定值控制系统。
1.2.4 自动控制系统的分类
➢随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统
的输出（被控变量）随之而变化。
➢程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，
即根据需要按一定时间程序变化。
例题：
下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要求 画出以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽流 量为操纵变量的控制系统带检测控制点的工艺 流程图，指明该控制系统中的被控变量、操纵 变量、过程以及主要扰动，画出控制方案的方 块图。
蒸汽
闭环控制：
在反馈控制系统中，
被控变量的值被送回
输入端，与设定值进 汽包 行比较，根据偏差去
设定值 输入
LT
LC
控制被控变量，这样，省煤器
整个系统构成了一个
给水
闭环。
锅炉汽包自动控制系统示意图
➢闭环控制的特点（优
点）：
蒸汽
按偏差进行控制，使偏差 减小或消除，达到被控变 量与设定值一致的目的。
汽包
1.3.2自动控制系统的过渡过程
所有正常工作的反馈系统都是稳定系统,对于一 个稳定的系统,要分析其稳定性、准确性和快速性， 常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例， 因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，其他类 型的干扰都是阶跃信号的变种。
定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动)
•发散振荡 •单调发散 •等幅振荡 •衰减振荡 •单调衰减
现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展
其主要内容为： （基础）线性系统理论，最优控制理
论，最佳估计理论，系统辨识等。
特点： 从输入-状态-输出的关系全面地分析 与研究系统。
适用范围： 不限于线性定常系统，也适用于线
形时变，非线性及离散系统，多输
入、
多输出的情况。
大系统理论:20世纪70年代开始 将现代控制理论与系统理论相结合 核心思想： 系统的分解与协调
(3)根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。
锅炉汽包液位自动控制系统
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包液位自动控制系统示意图
LT：Level Transmitter LC：Level Controller
加热炉温度自动控制系统
被加热原料
TT
T 出口温度
TC 燃料油
管式加热炉较为 常见，温度的高 低直接影响产品 质量，温度过高 物料在加热炉中 会分解，甚至会 结焦，会烧坏炉 管
汽包 省煤器
FT
LT
Fd1fCF
蒸汽
给水
➢开环控制的缺点：
由于不测量被控变 量，也不与设定值相 比较，所以系统受到 其他扰动作用后，被 汽包 控变量偏离设定值， 无法消除偏差，这是 省煤器 开环控制的缺点。
FT
LT
Fd1fCF
蒸汽
给水
开环控制与闭环控制实例比较
蒸汽
闭环控制
汽包 省煤器
LT
LC 汽包
•执行器的作用是接收控制器送来的u(t)，相应地去改 变操纵变量q(t)。
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
通常将过程、执行器、检测元件与变送器的组合 称为广义对象。
控制器
扰动
比较
f(t)
c(t) (a)发散振荡
c(t) (c)等幅振荡
c(t) (e)单调衰减
c(t)
t
t
(b)单调发散
c(t) t
t
(d)衰减振荡
最常 用
t
稳定的过
渡过程
1.3.3 自动控制系统的品质指标
•单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 稳定性、准确性和快速性 •综合控制指标
（1）最大动态偏差（emax）或超调量（ ）
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环控制系统组成
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
闭环 控制 系统 组成
（2）闭环：按信息的流向来说 （3）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。 扰动作用使被控变量偏离设定值，控制作用又使它回 到设定值。
1.2.4 自动控制系统的分类
按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
热物料
蒸汽
冷物料
蒸汽加热器
解：
蒸汽加热器控制系统带检测控制点的工艺流程 图如下：
TC
TT
X
热物料
蒸汽
冷物料
蒸汽加热器控制系统的方块图如下：
f
r(t) e(t)
u(t)
q(t)
c(t)
TC
蒸汽阀
蒸汽加热器
-
TT
1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标
1.3.1静态与动态
蒸汽
控制系统的输入有设定 作用和扰动作用。
闭环控制系统组成
•检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测 量值y(t)。
•比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出 其差值。
控制器
扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
•控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况， 按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。比较机构和 控制装置通常组合在一起，称为控制器。
LT
LC
偏差：
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
被控变量实际值 与设定值之差
负反馈：
将被控变量送回 输入端并与输入 变量相减
加热炉温度控制系统
TT
TC
被加热原料
T 出口温度
燃料油
过程：
加热炉
被控变量： 物料出口温度
操纵变量： 燃料油流量
扰动： 被加热原料油温度、燃料油热值等
1.2.2闭环控制与开环控制
TT：Temperature Transmitter
TC：Temperature Controller
蒸汽
汽包
LT
LC
省煤器
给水
锅炉汽包自动控制系统示意图
过程：锅炉汽包 被控变量： 汽包液位
术语 过程（被控对象）： 自动控制系统中， 工艺参数要满足要 求需要控制的生产 过程、设备或机器。
被控变量： 被控过程内要求保 持设定值的工艺参 数
1.1 自动化及仪表发展概述
➢控制理论的发展 经典控制理论:20世纪40年代～20世纪50年代 Nyquist(1932)频域分析技术 Bode(1945)图 根轨迹分析方法(1948)
特点：主要从输出与输入量的关系方面分析与研究 问题。
适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。
以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控 制系统进行分析与设计 PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一