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1、化工自动化及仪表化工自动化及仪表学习这门课的必要性学习这门课的必要性：1、自动控制系统应用非常普遍、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、制程、涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。药等等。2、工艺人员应该掌握一定的控制系统的知识、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。系统，以及控制系
2、统的特性，便于使用与维护。早期使用模拟仪表的中央控制室早期使用模拟仪表的中央控制室早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统现在的现在的DCSDCS控制系统控制系统该课程的内容该课程的内容1、自动控制系统概述、自动控制系统概述2、过程特性、过程特性3、检测变送、检测变送4、显示仪表、显示仪表5、执行器、执行器6、控制器、控制器7、自动控制系统的设计、自动控制系统的设计8、复杂控制系统、复杂控制系统9、计算机控制系统、计算机控制系统1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述本章的主要内容：本章的主要内容：1.1.1 1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述1.1.2 2 自动控制系统自动控制系统
3、1.3 1.3 控制系统控制系统过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述控制理论的发展控制理论的发展经典控制理论经典控制理论:2020世纪世纪4040年代年代2020世纪世纪5050年代年代Nyquist(1932)频域分析技术频域分析技术Bode(1945)图图根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948)特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系方面分析与研究的关系方面分析与研究问题。问题。适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。以以传递函数传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控为基
4、础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计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控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代获得迅猛发展年代获得迅猛发展其主要内容为：其主要内容为： （基础）线性系统理论，最优控制理（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。论，最佳估计理论，系统辨识等。特点：特点： 从从输入输入- -状态状态- -输出输出的关系全面地分析的关系全面地分析 与研究系统。与研究系统。适用范围：适用范围： 不限于不限于线性定常系统线性定常系统，也适用于，也适用于线线 形时变，非线性及
5、离散系统，多输形时变，非线性及离散系统，多输 入、多输出入、多输出的情况。的情况。大系统理论大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始将现代控制理论与系统理论相结合将现代控制理论与系统理论相结合智能控制理论智能控制理论: :不需要建立被控对象的数学模型不需要建立被控对象的数学模型核心思想：核心思想： 系统的分解与协调系统的分解与协调适用范围：适用范围： 高维线性系统高维线性系统控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展控制系统结构的发展控制系统结构的发展基地式基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路（就地式液年代，适用于单回路（就地式液位控制器及自力式温度控制器）位控
6、制器及自力式温度控制器）单元组合式单元组合式（按功能划分，然后组合）：（按功能划分，然后组合）： 有有DDZ, DDZ, QDZQDZ，2020世纪世纪6060年代，仪表之间用年代，仪表之间用标准统一标准统一信号联系信号联系计算机计算机：DDC,DDC,2020世纪世纪7070年代年代 DCS DCS（集散控制系统）（集散控制系统）先进控制和优化控制先进控制和优化控制：CIPSCIPS、FCSFCS，2020世纪世纪8080年代以年代以后后 自动化仪表的发展自动化仪表的发展模拟仪表模拟仪表数字仪表数字仪表智能仪表智能仪表当前自动控制系统发展的一些主要特点当前自动控制系统发展的一些主要特点过程优
7、化受到普遍关注过程优化受到普遍关注传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式系统在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向是发展方向1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图锅炉设备的控制任务主锅炉设备的控制任务主要是：要是：根据生产负荷的需要，根据生产负荷的需要，供应供应一定规格（压力、温度）的一定规格（压力、温度）的蒸汽，蒸汽，同时同时使锅炉在安全、使锅炉在安全、经济的条件下运行。经
8、济的条件下运行。锅炉设备的主要控制系锅炉设备的主要控制系统有：统有：（1）锅炉）锅炉汽包水位汽包水位的控制的控制（3）过热蒸汽系统的控制）过热蒸汽系统的控制（2）锅炉燃烧的控制）锅炉燃烧的控制汽包水位是锅炉运行的主要汽包水位是锅炉运行的主要指标，指标，维持水位在一定范围维持水位在一定范围内内是锅炉安全运行的首要条是锅炉安全运行的首要条件。件。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图水位过高：水位过高：影响汽包内的汽影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽带水过水分离，饱和水蒸汽带水过多，会使过热器管壁结垢导多，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度致损坏，同时
9、过热蒸汽温度急剧下降，作为汽轮机动力急剧下降，作为汽轮机动力的话会损坏叶片，影响运行的话会损坏叶片，影响运行的安全及经济性。的安全及经济性。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图水位过低：水位过低：汽包内水较汽包内水较少，负荷很大时，水的少，负荷很大时，水的汽化速度加快，汽包内汽化速度加快，汽包内水量急速减少，如不能水量急速减少，如不能及时得到控制，则会烧及时得到控制，则会烧干，烧坏水冷壁，甚至干，烧坏水冷壁，甚至爆炸。爆炸。手动控制的步骤：手动控制的步骤：蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图(2)把观察到的把观察到
10、的实际数值实际数值与与设定值设定值加以比较，根加以比较，根据据偏差偏差的大小及变化情的大小及变化情况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命令。令。(3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。使液位回到设定值。(1)观察液位数值；观察液位数值； LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统锅炉汽包液位自动控制系统LT：Level TransmitterLC：Level Controller T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉温度自动控制系统加热炉温度自动控制系统TT：T
11、emperature TransmitterTC：Temperature Controller管式加热炉较为管式加热炉较为常见，温度的高常见，温度的高低直接影响产品低直接影响产品质量，温度过高质量，温度过高物料在加热炉中物料在加热炉中会分解，甚至会会分解，甚至会结焦，会烧坏炉结焦，会烧坏炉管管 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图术语术语过程（被控对象过程（被控对象）：自动控制系统中，自动控制系统中，工艺参数要满足要工艺参数要满足要求需要控制求需要控制的生产的生产过程、设备或机器过程、设备或机器。过程：过程：锅炉汽包锅炉汽包被控
12、变量：被控变量：被控过程内要求保被控过程内要求保持设定值持设定值的工艺参的工艺参数数被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位操纵变量：操纵变量：受控制器操纵的受控制器操纵的用以克服干扰的用以克服干扰的影响，使被控变影响，使被控变量保持设定值量保持设定值的的物料量或能量物料量或能量扰动：扰动：除操纵变量外，除操纵变量外，作用于被控过程作用于被控过程并引起被控变量并引起被控变量变化变化的因素的因素操纵变量：操纵变量：进水流量进水流量 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图扰动：扰动：进水压力、蒸汽流量进水压力、蒸汽流量设定值：设定值：工艺
13、参数所要求工艺参数所要求保持的数值保持的数值偏差：偏差：被控变量实际值被控变量实际值与设定值之差与设定值之差负反馈：负反馈：将被控变量送回将被控变量送回输入端并与输入输入端并与输入变量相减变量相减 LT LC 设 定 值输入 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统过程过程：被控变量：被控变量：操纵变量：操纵变量：扰动：扰动：加热炉加热炉物料出口温度物料出口温度燃料油流量燃料油流量被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热值等闭环控制：闭环控制：
14、在反馈控制系统在反馈控制系统中，被控变量的值被中，被控变量的值被送回输入端，与设定送回输入端，与设定值进行比较，根据偏值进行比较，根据偏差去控制被控变量，差去控制被控变量，这样，整个系统构成这样，整个系统构成了一个闭环。了一个闭环。1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 LT LC 设 定 值输入 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制的特点（优闭环控制的特点（优点）点）：按按偏差偏差进行控制，使偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。量与设定值一致的目的。 闭环控制的缺
15、点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。会使系统失去控制。 LT LC 设 定 值输入 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图开环控制的特点开环控制的特点（优点）：（优点）：不需要对被控变量进不需要对被控变量进行测量，只根据输入行测量，只根据输入信号进行控制，信号进行控制，控制控制很及时。很及时。开环控制：开环控制：根据根据扰动扰动信号的变化来进行控制。信号的变化来进行控制。 1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包
16、汽包省煤器省煤器给水给水开环的液位控制系统又称前馈控制。开环的液位控制系统又称前馈控制。 由于不测量被控由于不测量被控变量，也不与设定值变量，也不与设定值相比较，所以系统受相比较，所以系统受到其他扰动作用后，到其他扰动作用后，被控变量偏离设定值，被控变量偏离设定值，无法消除偏差，这是无法消除偏差，这是开环控制的开环控制的缺点缺点。 1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水开环控制的缺点：开环控制的缺点：开环控制与闭环控制实例比较开环控制与闭环控制实例比较1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制闭环控制开环控制开环控制1.2.31.2.3自动控制系统的组成及方框图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，也可采用统各环节之间的关系，也可采用方框图方框图（方块图方块图）。每）。每个个方框方框表示组成系统的一个表示组成系统的一个环节环节，两个
