自动化仪表 作业论文

《过程自动化仪表》大作业

专业 电气自动化

班级 自动化 097

姓名指导教师

黑龙江建筑职业技术学院

材料学院

工艺概况；锅炉气泡水位控制

自动化及仪表发展概述

* 控制系统结构及仪表的发展

基地式：20世纪50年代，适用于单回路

单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 20世纪60年代，之间用标准统一信号联系

计算机： DDC, DCS 20世纪70年代

先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代以后

自动控制系统的组成

* 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。

* (3)根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。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)。

* 控制器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。

* 执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。

* 被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置。

通过上述示例的对比分析知道，一般过程控制系统是由被控对象、测量变送器、控制器、控制阀四个基本环节所组成 简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求，因而应用广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后和时间常数较小，负荷和干扰变化比较平缓或者对被控变量要求不太高的场合。按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制系统。

在集散控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（PLC）中，过去的调节器的功能是由软件实现的。一般为控制器系统软件中的一个功能函数。此功能函数可以通过简单的组态实现非常复杂的控制功能，组成简单控制系统只是其中的应用之一。和过去的常规模拟仪表不同，复杂的控制系统与简单控制系统相比，在硬件上并不增加多少投资，硬件安装复杂程度也没增加。那么是不是应该更多的使用复杂控制系统来取代简单控制系统呢？笔者不这么看，在选择控制方案时，应该一切从实际出发，能满足控制要求就可以了，毕竟简单控制系统结构简单，调整和投运比较容易。先进技术的采用只是一种手段，并不是我们所要的效果。只有合理地使用才能真正提高自动化水平，提高产品的质量和数量，改善劳动条件，在经济效益上也会反映出来。不从具体实际出发，一味的追求复杂高级，甚至认为控制系统越复杂就越先进，效果就越好的看法是错误的。对于一个搞自动化的工程技术人员来说，掌握一些先进的控制技术不是最难的，最难的就是怎样合理的应用这些技术。

比例积分调节器的输出信号不仅仅与输入偏差保持比例关系，还与输入偏差对时间的积分成正比。只要有偏差存在，调节器的输出就要变化，直到输入偏差等于零为止，所以使用比例积分调节器能消除被控变量的余差。比例积分调节器的特性式如下:

式中，Kc*e是比例输出项，是积分输出项，Ti称作积分时间。在同样比例度δ情况下， 积分时间Ti越短，积分作用越强，消除余差能力强。

* 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。

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。 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。

①被控对象（工艺对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。

②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。

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（流过控制阀介质的流量）。

④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（使被控变量偏离

设定值：工艺参数所要求保持的数值

⑥偏差：被控变量设定值与实际值之差

⑦负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减

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。

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。

* 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)。 * 控制器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。

* 执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。

* 被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置。

* 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)。

* 控制器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。

* 执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。

* 被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置。

比例积分调节器的输出信号不仅仅与输入偏差保持比例关系，还与输入偏差对时间的积分成正比。只要有偏差存在，调节器的输出就要变化，直到输入偏差等于零为止，所以使用比例积分调节器能消除被控变量的余差。比例积分调节器的特性式如下:

式中，Kc*e是比例输出项，是积分输出项，Ti称作积分时间。在同样比例度δ情况下， 积分时间Ti越短，积分作用越强，消除余差

能力强

1. 被控变量的选择

在一个生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的变量都要加以控制。一个化工厂的操作控制大体上可以 分为三类，即物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制、限制条件或软限保护的控制。因而在进行自动控制系统 设计时，应深入了解工艺过程，找出对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变 量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量来设计自动控制系统。作

为物料平衡控制 的工艺变量常常是流量、液位和压力，它们可以直接被检测出来作为被控变量。而作为产品质量控制的成分往往找不到合适 的、可靠的在线分析仪表，因而常常采用反应器的温度、精馏塔某一块灵敏板的温度或温差来代替成分作为被控变量。这个 间接的被控变量—温度或温差，只要与成分有对应关系，并且有足够的灵敏度，则完全是合适的。这种做法在石油化工生产 中是常见的，并且是一个

行之有效的好办法。

2. 操纵变量的选择

在生产过程中，工艺总是要求被控变量能稳定在设计值上，因为工艺变量的设计值是按一定的生产负荷、原料组分、质量要 求、设备能力、安全极限以及合理的单位能耗等因素综合平衡而确定的，工艺变量稳定在设计值上一般都能得到最大的经济 效益。然而由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在着干扰，因而在进行自动控制系统设计时必须深 入研究工艺过程，认真分析干扰产生的原因，正确选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，以确保生产过

程的平稳操作。 选择操纵变量时，主要应考虑如下的原则：

（1）首先从工艺上考虑，它应允许在一定范围内改变；

（2）选上的操纵变量的调节通道，它的放大系数要大，这样对克

服干扰较为有利；

（3）在选择操纵变量时，应使调节通道的时间常数适当小一些，

而干扰通道的时间常数可以大一些；

（4）选上的操纵变量应对装置中其它控制系统的影响和关联较小，

不会对其它控制系统的运行产生较大的干扰。

使用比例积分调节器应注意以下问题:

1. 当给定值或扰动变化时，待系统稳定后，被控变量没有余差。

2. 比例调节器控制作用没有相位滞后，纯积分调节器控制作用的相位滞后为90度，比例积分调节器的相位滞后可以在0度～90度范围内变化。因而应合理设置比例度和积分时间，以求得较好的调节品质。积分作用的相位滞后容易引起振荡，所以比例度δ应相应加大，如果振荡仍较严重，还可以适当加大积分时间Ti。但Ti也不能太大，因为那样被控变量的回复速度就很慢。

3. 在一些软限保护中使用的比例积分调节器，由于正常时被控变量与给定值之间总有偏差存在，调节器的积分作用就要使输出不断变化，达到其极限值，因而出现积分饱和，当偏差为零或反向时，调节器输出的变化不能及时给出，会带来一些不利的影响。采取防积分饱和措施能避免这种现象。

4. 比例积分调节器适用于对象纯滞后不大，时间常数也不大，而又不允许被控变量有余差的场合。在比例积分调节器中有宽窄比例范围和快慢积分时间之分，可根据不同需要进行选用。一般液位均匀控制可选用宽比例范围的调节器，对于时间常数很小的流量和液体压力控制，可选用快积分时间的调节器。对于纯滞后和时间常数都较大的温度、成分对象，由于积分作用的滞后，将使调节作用不及时，超调

量增加，过程振荡，回复时间加长，因而此时应增加微分作用，才能改善调节品质。

在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。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。

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