过程控制与自动化仪表

第一章第一章绪论绪论 1 1、过程控制概述、过程控制概述 过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、核能等 工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重 要组成部分。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术 经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生 等方面起着越来越大的作用。 过程控制通常是对生产过程中的压力、液位、流量、温度、PH 值、成分和物 性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生 产安全，并使生产过程按最优化目标自动尽行。 2 2、过程控制的特点、过程控制的特点 （1）系统由被控过程和检测控制仪表组成； （2）被控过程复杂多样，通用控制 系统难以设计； （3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高； （4）控制过程大多属 于慢变过程与参量控制； （5）定值控制是过程控制的主要形式。 3 3、过程控制的要求与任务、过程控制的要求与任务 要求： （1）安全性：针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障 诊断，容错控制。 （2）稳定性：抑制外界干扰，保证正常运行。 （3）经济性：降低 成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的 技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。 任务：指在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用 控制理论分析和设计符合上述三项要求的过程控制系统， 并采用适宜的技术手段 （如 自动化仪表和计算机）加以实现。 4 4、过程控制的功能、过程控制的功能 测量变送与执行功能；操作安全与环境保护功能；常规控制与高级控制功能； 实时优化功能；决策管理与计划调度功能。 5 5、过程控制系统的组成、过程控制系统的组成 被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数； 控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能 量； 干扰量 f(t)：作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数； 设定值 r(t)：与被控参数相对应的设定值； 1 反馈值 z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值； 偏差 e(t)：设定值与反馈值之差； 控制作用 u(t)：控制器的输出值。 6 6、过程控制系统的分类、过程控制系统的分类 （1）按结构分类：a.反馈控制系统：是将系统的输出量反馈到输入端构成闭合 回路，所以也称为闭环控制系统。是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的， 最后达到消除或减小偏差的目的。b.前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工 作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。c.前馈-反馈 复合控制系统：前馈控制的主要作用是及时地克服主要干扰对被控量的影响，反馈 控制则负责检查控制的最终效果。 （2）按设定值分类：a.定值控制系统；b.随动控制系统；c.顺序控制系统。 7 7、过程控制系统的性能指标、过程控制系统的性能指标 当设定值发生变化或受到外界干扰时，要求被控量能平稳、迅速和准确地趋近 或回复到设定值。因此，通常在稳定性、准确性和快速性三个方面提出各种单项性 能指标和综合性能指标。 （1）单项性能指标：a.衰减比 n：是衡量系统振荡过程衰减程度的指标，它定 义为两个相邻的，同向波峰值之比，即 n  B 1 ，衡量衰减程度的另一指标是衰减率， B 2 它定义为一个周期后波动幅度衰减的程度，即  B 1  B 2 。b.最大动态偏差 A 和超调 B 1 量：最大动态偏差是指在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳 态值的幅度。最大动态偏差占被控量稳态值的百分比成为超调量，即  y(t p) y() y() 100% 。对于二阶振荡系统，超调量与衰减比 n 有单值对应关系， 2 即  1 100%。c.残余偏差：是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值 y()与设 n 定值 r 之间的差值，它是控制系统的稳态指标，即e()  r  y()，在定值控制系统 中，由于r=0，从而有e()  y()。d.调节时间 ts、峰值时间tp 和振荡频率：调节 时间是指系统从干扰开始到被控量进入新稳态值的±5% （或±2%）范围内所需要 的时间。峰值时间是指系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需要的时间。它们 均是衡量控制系统快速性的重要指标。 （2）综合性能指标：a.偏差绝对值积分 IAEb.偏差平方积分 ISEc.偏差绝对 值与时间乘积积分 ITAEd.时间乘偏差平方积分 ITSE 8 8、自动化仪表的分类、自动化仪表的分类 （1） 按安装场地分： 现场类仪表 （一次仪表） 、 控制室类仪表 （二次仪表） ； （2） 按能源形式分：气动控制仪表、电动控制仪表、液动控制仪表 （少） ； （3）按信号 形式分：模拟式仪表、数字式仪表； （4）结构形式分：基地式仪表、单元组合式仪 表、组装式仪表、集中/分散式仪表。 9 9、单元组合式仪表、单元组合式仪表 单元组合式仪表是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求制成的模块 化仪表（称为单元）的总称。各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。有电 动单元组合仪表(DDZ 型)和气动单元组合仪表(QDZ 型)两大类型。单元组合仪表分 为：变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单元、运算单元、显示单元 和辅助单元。其中，变送单元是将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位、成 分等物理量的大小变换成统一标准测量信号传送给指示、记录和控制装置等。 1010、模拟仪表的信号制、模拟仪表的信号制 模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号和电动仪表的模拟信号。 气动仪表的输入/输出模拟信号统一使用 0.02M Pa ---0.1M Pa 的气压信号。 电动仪表的输入/输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四 种，各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。 按 IEC 规定， 过程控制系统的模拟直流电流信号为 4~20mA （II 型为 0~10mA） DC，负载电阻为250；模拟直流电压信号为1~5V DC。我国的DDZ-III 型电动单 元组合仪表也采用了这一国际统一信号标准。 第二章第二章 过程参数的检测与变送过程参数的检测与变送 3 1 1、检测仪表、检测仪表 过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。 （1）传感器：国标《GB7665-87》规定： “能感受规定的被测量，并按照一定 的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成” 。 （2）变送器：将输出信号变成统一标准信号的传感器。早期的统一标准信号有 0~10mA DC的模拟电流信号、0~2V DC 的模拟电压信号和 20~100kPa 的模拟气压 信号等 （II 型标准） 。 目前统一国际标准信号即各仪表之间的通信协议： 4~20mA、 1～ 5V、数字信号。 2 2、检测误差、检测误差 （1）真值：即被测物理量的真实（或客观）取值。 （2）最大绝对误差：仪表的实测示值 x 与“真值”xa 的最大差值，记为，   x-x a 即。 （3）相对误差（或