化工仪表及自动化(第一章+3、4节)

（2）衰减比n
B B’
衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。
定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。
衰减比n
n
B B'
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衰减比n
n
B B'
n>1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳 定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统 的过渡过程接近于非振荡过程。
n=1:等幅振荡。
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阶跃干扰 在某一瞬间t0，干扰（即输入量）突然地跃
迁式的加到系统上，并继续保持在这个幅度。
输 入 量
0 t0
突然 危险 影响大
时间t
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▪ 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控
图1-14 联系线的表示法
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第五节 工艺管道及控制流程图
3. 仪表（包括检测、显示、控制）的图形符号
仪表的图形符号是一个细实线圆圈，直径约10mm，对于 不同的仪表安装位置的图形符号如下表所示。
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表1-1 仪表安装位置的图形符号表示
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二、自动控制系统的过渡过程
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，它随时间而变化 的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个 平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系 统都是稳定系统）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，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的 情况。
化工仪表及自动化 第一章
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
自动控制系统方块图
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一、控制系统的静态与动态 控制系统的输入有设定作用和扰动作用。
静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若能 建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输 出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关 系称为系统的静态特性。
温度 ℃
230
210 205 200
5
20 22
t/min
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四、影响控制系统过渡过程品质的主要因数 ❖被控对象： 过渡过程的品质好坏 很大程度上取
决于对象的性质。自动化装置应根据被控对象的 性质加以选择，两者要很好地配合。
❖ 自动化装置
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最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程 度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定 正常生产越不利。要求小。特别是对于一些 有约束条件的系统，如化学反应器的化合物 爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最 大偏差的允许值有所限制。
同时考虑到干扰会不断出现，当第一个 干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了， 偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差 的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值 时，要根据工艺情况慎重选择。
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（4）过渡时间 TS
过渡时间表示控制系统过渡过程的长短。
定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原 有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。
理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无 限长的时间。
B B’
稳态特性
C
0
TS
t
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在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中， 通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离 设定值的程度，一般超调量以百分数给出。
超调量：第一个
波的峰值与最终 A’
稳态值之差，即
B
B=A’-C’,如果系 C’
统的新稳态值C’
等于设定值，那
么最大偏差就等
于超调量。
C
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第五节 工艺管道及控制流程图
工艺流程和控制方案的确定后， 根据工艺设计给出的流程图， 按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及 自动信号与联锁保护系统等， 便成了工艺管道及控制流程图 （PID图）。
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第五节 工艺管道及控制流程图
序 安装位 图形符号 备注 号置
序 安装位置 图形符 备注
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪
表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表
盘后安装 仪表
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安装方式
就地就是现场显示或控制, 安装在被测对象和被控对象 附近的仪表，一般在室外。如弹簧管压力表，热电偶， 热电阻，玻璃管水位计等。 集中即是所有显示或控制远传到某个集中点（如中控 室）进行显示或控制.
A B B’
稳态特性
C
0
TS
t
1. 最大偏差A；
2. 衰减比n=(A-C)/(B-C)
3. 余差C；
4. 过渡时间Ts；
5. 振荡周期T。
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例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃 干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别 求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间 （设定值为200℃）。
积分、累积 安全
积分、累积 记录或打印 开关、联锁 传送 阀、挡板、百叶窗 套管 继动器或计算器 驱动、执行或未分类的终端执行机构
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第五节 工艺管道及控制流程图
举例
以脱乙烷塔控制流程图，来说明如何以字母代号 的组合来表示被测变量和仪表功能。
塔顶的压力控制系统中的PIC-207，其中第一 位字母P表示被测变量为压力，第二位字母I表示 具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能， 因此，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力 控制器。该控制系统是通过改变气相采出量来维 持塔压稳定的。
静态特性： 系统中各信号的变化率为零。
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❖ 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 开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中， 整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之 中，这种状态称为动态。
干扰是客观存在、不可避免的
温度 ℃
230
解：
210 205 200
5
(1)最大偏差：
20 22
t/min
emax 230 200 30 (℃)
(2)余差： C 200 205 5(℃)
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(3)衰减比：
第一个波的振幅 B 230 205 25 (℃)
第二个波的振幅 B' 210 205 5 (℃)
衰减比
温度 ℃
230
210 205 200
5
n 25:5 5:1
t/min 20 22
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(4)过渡时间：
过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有 关，假设为 2%，就可以认为过渡过程已经结束， 那么限制范围为
205 (2%) 4.1(℃)
那么，在新稳态值（205℃）两侧以限制范围 为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。 因此，过渡过程为22min.
n<1:发散振荡。n越小，意味着控制系统 的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，
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根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，
一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应
的衰减比在4:1到10:1的范围内。
y
衰减率： B B'
B
衰减比4:1—衰减率0.75
B B’ A 0
衰减比10:1—衰减率 0.90
C
t
稳态特性
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（3）余差
定义：控制系统过渡过程终了时被控变量稳 态值与给定值之差。
余差是反映控制准确性的一个重要稳态 指标，一般希望其为零，或不超过预定的 范围。
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B B’
稳态特性
C
在控制系统中，对余差的要求取决于 生产过程的要求，并不是越小越好。例如 储槽液位，余差可大一些；化学反应器的 温度控制要求高，余差就要小一些。
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（1）最大偏差（emax）或超调量（ ）
y为被控变量离开 给定值的变化量。
稳态特性
A
最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最 大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态 指标。
对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指 被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中， 最大偏差就是第一个波的峰值。为A
B B’
5% 2%
稳态特性
C
0
Βιβλιοθήκη BaiduTS
t
实际上，被控变量接近于新稳态值的 5%或
或 3%的范围内2且%不再越出时为止所经历的
时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间
短一些。
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(5) 振荡周期或频率
B B’
稳态特性
C
0
TS
t
❖ 过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间 叫振荡周期，其倒数称为振荡频率。
塔底的液位控制系统中的LICA-202代表一台具有指示、 报警功能的液位控制器，它是通过改变塔底采出量来维持 塔釜液位稳定的。
❖振荡次数： 过渡过程内被控变量振荡的次数。
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总结：
主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过 渡时间、振荡周期。在实际的系统中如何确 定这些指标，要根据实际情况来定。 原则：对生产过程有决定性意义的主要品质 指标应该优先保证。
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小结
举例
右图是乙烯生产过 程中脱乙烷塔的工 艺管道及控制流程 图
图1-12 脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图举例
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第五节 工艺管道及控制流程图
❖一、图形符号
▪ 1. 测试点（包括检出元件、取样点）
检试点是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆 圈的连接线的起点，一般无特定的图形符号，如下图 所示。必要时，检测元件也可以用象形或图形符号表 示。
盘面（盘装）仪表即安装在仪表盘正面供操作人员监 视和操作的仪表。如记录仪，调节器。 盘后仪表通常指在仪表盘内和仪表机柜内的仪表。如 仪表电源、安全栅、温度变送器、阻抗转换器，声光 电源等。
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第五节 工艺管道及控制流程图
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
等幅震荡过程 ？变的量范允围许内在振工荡艺（许主可要
指在位式控制时）， 才可采用。
发散震荡过程
X
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三、控制系统的品质指标
❖ 控制系统的过渡过程 是 衡量控制系统品质的依据。
•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. 最大偏差A； 2. 衰减比n=(A-C)/(B-C) 3. 余差C； 4. 过渡时间Ts； 5. 振荡周期T。
图1-15 复式仪表的表示法
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第五节 工艺管道及控制流程图
❖ 二、字母代号 在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的
上半圆内，一般写有两位（或两位以上）字母，常 用字母代号见下表。 第一位字母表示被测变量 后继字母表示仪表的功能
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表1-2 被测变量和仪表功能的字母代号
字母
A C D E F I K L M P Q R S T V W Y Z
第一位字母
后继字母
被测变量
修饰词 功能
分析 电导率 密度 电压 流量 电流 时间或时间程序 物位 水分或湿度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 黏度 力 供选用 位置
差 比（分数）
报警 控制（调节）
检测元件
指示 自动-手动操作器
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第五节 工艺管道及控制流程图
回流罐液位控制系统中的LIC-201是一台具有指示功 能的液位控制器，它是通过改变进入冷凝器的冷剂量来维 持回流罐中液位稳定的。
塔下部的温度控制系统中的TRC-210表示一台具有记 录功能的温度控制器，它是通过改变进入再沸器的加热蒸 汽量来维持塔底温度恒定的。
图1-13 测试点的一般表示方法
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第五节 工艺管道及控制流程图
▪ 2. 连接线
通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉 及相接时，采用下图的形式。必要时也可用加箭头的方 式表示信号的方向。在需要时，信号线也可按气信号、 电信号、导压毛细管等采用不同的表示方式以示区别。