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石油仪表及自动化,教材及主要教学参考书,教材:石油化工仪表及自动化郑方明 主编，中国石化出版社出版参考书：钻采仪表及自动化王大勋 主编，石油工业出版社出版 石油仪表及自动化王克华 主编，石油工业出版社出版,本课程为石油工程专业的一门专业任选课。开课目的：1）了解石油生产过程自动化的基础知识;2）初步掌握它们在石油生产过程中的基本应用;3）拓宽知识面，为石油工程设计及学生日后工作奠定良好基础。,课程性质：,第1章 概论 3学时第2章 常用测量仪表 11学时第3章 控制器与执行器 6学时第4章 简单控制系统与集散控制系统 4学时第5章 钻井参数测量仪表(钻井专业方向)8学时 井下测试仪表(油气开采专业方向),学时安排：,课堂教学28学时,实验6学时,共计32学时,1）课堂纪律要求；上课注意听讲，认真做好笔记；2）课程考核方式：作业5次：大部分完成（无抄袭）,缺一次作业扣总分的2分;实验两个：参加并完成实验报告,缺一次实验扣总分的5分;旷课一次扣总分5分，3次迟到或早退计1次旷课，3次以上旷课取消考试资格。,课程基本要求：,第1章,概 论,第1章 概论,1.1 生产自动化的意义及应用1.2 自动化概念及分类1.3 自动化的发展概况1.4自动控制系统基本概念 1.5 自动控制系统过渡过程品质指标,1.1 生产自动化的意义及应用,1.1.1 生产自动化的意义自动化是一门应用非常广泛的学科，在日常生活和工作，工业生产、军事、航空、航天等领域都有应用。自动化水平是一个国家技术先进程度、生产力发达程度的重要标志。,1.1.1 自动化在钻井过程中的应用,钻井井身轨迹控制自动化,钻井地面作业自动化,钻井液自动化处理系统,控制系统,主要有：机械控制、电控、气控、液控和混合电液控等5种,1.1.2 自动化在油气开采中的应用,机采井监控,采油厂监控室,井下压力、流量、温度监测,注水设备、注水量的监控,原油加热炉温度监控,原油稳定处理的自动控制,1.2 自动化概念及分类,1.2.1 生产过程自动化基本概念 在生产过程中，利用自动化装置来检测、显示、控制生产过程的重要工艺参数，自动地维持生产过程的正常进行，当工艺参数受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动调回规定的参数范围内。1.2.2生产过程自动化系统分类：自动检测系统、自动信号联锁保护系统、自动操作系统、自动控制系统。,1.3 自动化发展概况,在本世纪四十年代前后，工业生产大多数处于手工操作状态。五十年代和六十年代，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。七十年代以来，生产过程自动化向综合自动化发展。,自动化发展的两个阶段,1.3 自动控制系统基本概念,知识点：自动控制系统的组成自动控制系统方块图自动控制系统的特点,人工控制 眼 脑 手,液位人工控制过程,分析判断发布命令,开大关小阀门,观察液位,1.3.1 自动控制系统的组成,液位自动控制,自动化装置,测量变送器,控制器,执行器,被控对象,眼,脑,手,自动控制系统组成,生产设备,1.3.2 自动控制系统的方块图,控制器,执行器,被控对象,测量变送器,设定值,被控变量,偏差,控制信号,操纵变量,测定值,干扰,每个方块表示组成系统的一部分，也称为环节。,自动控制系统常用术语,被控对象：被控制的哪部分设备被控变量：需要保持恒定的工艺参数操纵变量：实现自动控制的物料量干扰：引起被控变量变化的外界因素,1.3.3 自动控制系统特点,信号流具有单向性 有两个相互矛盾的通道有差控制具有负反馈的闭合回路 系统的输出信号经过测量变送返回输入端的做法叫反馈。反馈信号使原来信号增加称为正反馈，反之称为负反馈。,控制器,执行器,被控对象,测量变送器,设定值,被控变量,偏差,控制信号,操纵变量,测定值,干扰,开环系统：实例：路灯自动开关,D1是一只光电二极管，在无光照时阻值较大。在白天,D1阻值很小，三极管BG1处于饱和状态，三极管BG2截止状态，继电器J释放，常开接点J-1切断交流电源，路灯就不亮。,等到天黑路灯亮。,控制系统中:,被控对象：灯输入量：自然光传感器：光电二极管控制电路：由BG1、BG2组成的两极反相，延时电容C。执行机构：继电器、交流接触器系统组成：传感器、控制电路及执行机构。输出：灯光,输入量,传感器,控制电路,执行机构,对象,输出,在这个方框图中，没有反馈，不存在封闭的环路，因而称为开环控制系统。综上所述，自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。,方块图,1.3.4 自动控制系统分类,一、定值控制系统 给定值在控制过程中恒定不变。二、随动控制系统 给定值随时间不断变化。三、程序控制系统 给定值按一定时间程序变化（间歇生产中常用）。,小时,温度,作业题与思考题,作业题：P18 1、2题思考题:什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？自动控制系统由哪几部分组成？指出系统中的被控对象、被控变量、控制作用和干扰因素？,图1 温度控制系统,概 论,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:自动控制系统的组成自动控制系统方块图自动控制系统的特点思考题:什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？自动控制系统由哪几部分组成？指出图1中的被控对象、被控变量、控制作用和干扰因素？,图1 温度控制系统,1.5 自动控制系统的品质指标,1.5.1控制系统的静态与动态 静态：被控变量不随时间变化的平衡状态 动态：控制参数随时间而变化的不平衡状态。1.5.2控制系统的过渡过程 定义：系统从一个平衡状态过渡到另一平衡状态的过程。,过渡过程的形式,（a）非周期衰减过程（b）衰减振荡过程（c）等幅振荡过程（d）发散振荡过程,过渡过程的几种基本形式,1.5.3控制系统的品质指标,最大偏差（A）要求：小超调量（B）衰减比要求：一般讲n410为宜余差（C）要求：小,阶跃干扰作用时过渡过程品质指标示意图,过渡时间（TC）：被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的时间。要求：越短越好,第二章 常用测量仪表,第二章 测量仪表,主要内容：测量基本知识压力测量及仪表流量测量及仪表液位测量及仪表温度测量及仪表,2.1 测量基本知识,2.1.1 测量过程,用一个已知量（单位）与被测量比较，收集信息过程。,式中：g测量比值 Ux测量单位,2.1.2 测量仪表的基本组成,2.1.3 测量误差及仪表性能指标,测量误差 真实值：用标准值、理论值代替误差分类系统误差 产生的原因，主要是仪表本身的缺陷，观察者的习惯和偏向，单因素的环境条件变化等。随机误差 在同样的测量条件下，反复测量，每次结果均不重复的误差。这种误差的原因是偶然原因所引起。疏忽误差 产生原因是测量者在测量过程中的疏忽大意。,1）绝对误差、相对误差 绝对误差式中：X测量值；X0标准表值 相对误差2）引用误差（用来表示仪表的准确度）式中:引用误差；xmax仪表测量的上限值；xmin仪表测量的下限值。,仪表性能指标,产生的原因：传动机构间隙、弹性元件滞后,3）回差（变差）,精度（精确度）是精密度和准确度的综合。根据仪表使用要求，规定一个正常情况下允许的最大误差允许误差。式中：max为最大绝对误差 a-b为仪表量程 精度等级：去掉允许误差的号和%号剩下的数值。,4）精度及精度等级,式中：仪表实际的最大引用误差；仪表允许的引用误差最大值。例：仪表出时通过实验测得：我国生产的仪表常用的精度等级：0.005；0.02；0.05；0.1；0.2；0.4；0.5；1.0；1.5；2.5；4.0等。,仪表出厂时要求：,5）灵敏度、灵敏限及分辩率6）其它指标：反映时间、可靠性例：有一块压力表测量范围0150Kpa，测量100Kpa这一点，测得上行值为98Kpa，下行值为101Kpa，其它各点误差均小于此点，问此压力表实际的最大引用误差、变差、精度应为多少？,作业题,作业题：P19 8题 P99 4、5题,压力测量及变送,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:自动控制系统品质指标测量仪表的性能指标,2.2 压力测量及仪表,问题：压力是怎么定义？为什么要测压力？压力怎么测量？,2.2 压力测量及变送,本小节重点：压力的单位，表示方法；弹簧管压力表的结构及原理；压力表的选用和校验；电容式差压变送器和智能变送器简单原理；变送器输出值计算。主要内容：概述 弹性式压力计 压力传感器与变送器 压力表的选用和校验,石油生产中的压力测量实例,式中：P表示压力；F表示作用力；S表示受力面积。根据国际单位制（代号为SI）规定，压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）。帕为1牛每平方米，即,帕表示的压力较小，工程上经常使用兆帕（MPa）,压力 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，故可用下式表示：,2.2.1 概述,大气压：大气自重产生的压力 表 压：以大气压作为基准的压力 绝 压：以绝对真空为基准的压力 真空度：大气压力与绝对压力之差 关系式：,工程上经常用表压或真空度来表示压力的大小。,压力表示方法,压力计的类型,1)液柱式压力计,2)弹性式压力计,3)电气式压力计 压力传感器和压力变送器,4)活塞式压力计,特点:测量精度很高，允许误差可小到0.050.02%。用途:作为标准压力表，检验其它类型的压力计。,图28 活塞式压力计1测量活塞；2砝码；3活塞柱；4螺旋压力发生器；5工作液；6压力表；7手轮；8丝杆；9工作活塞；10油杯；11进油阀；a、b、c切断阀；d进油阀,弹性元件,单圈弹簧管多圈弹簧管弹性膜片弹性膜盒波纹管,2.2.2 弹性式压力计,用于中、高压测量,用于低压测量,测量范围较窄,用于微压与低压的测量,1）组成(结构)弹簧管 扁平中空，横截面为椭圆形作用：感受压力信号，将其转换为位移信号。齿轮、杠杆转动机构作用：转递放大（改变调整螺灯8的位移，可改变量程）游丝 克服齿轮间的间隙，减小变差。指针及表盘 指示,弹簧管压力计表,）弹簧管测压原理,式中,h为弹簧管的壁厚;为弹簧管材料的柏松系数;E为弹簧管材料的弹性模数;为几何参数；、与 有关的系数。,)特点：就地指示。,）工作原理,弹簧管位移,一级放大（扇形齿轮）,二级放大（中心齿轮）,指示,压力,压力测量 就地指示式：弹簧管压力表 信号远传式：传感器、变送器传感器：能将非电量被测参数按确定关系转换成电量的设备/器件。变送器：变送：将被测参数成比例转换成标准统一信号，并能将统一信号在有限距离远转。可调量程：把同一参数不同测量范围转换成为成比例的统一信号参数。,2.2.3 压力传感器及变送器,1）类型 压阻式、应变式、电容式、电感式、振弦式。2）霍尔片式压力传感器(a)霍尔片（半导体元件）(b)结构:,压力传感器,图27 霍尔片式压力传感器1弹簧管；2磁钢；3霍尔片,(c)测量原理,图26 霍尔效应,N,S,在霍尔变送器中，将电流恒定，磁场强度B变化，并且是均匀的线性变化。,霍尔电势：,图27 霍尔片式压力传感器1弹簧管；2磁钢；3霍尔片,1)结构2)原理,电容式压力（差压）变送器,PX作用下,测量膜片位移,电容C1、C2电容值改变,测量电路420mA(DC)信号,3)测量电路,当,当,电容式智能差变送器变是利用微处理实现自动调零、调量程、自诊断等功能的一种新型差压变送器,电容式智能差压变送器,变送器输出的统一信号：QDZ气动变送器输出：0.020.1MPaDDZ电动差压变送器输出:010mA，420mA输出值计算通用式：,变送器输出值计算：,例：,一台DDZ-差压变送器测量范围为2.510MPa，当所测压力为5MPa时，变送器的输出是多少？,类型选择1）必须满足工艺对压力测量的要求2）被测介质的性质 普通压力计弹簧管采用铜合金，高压和氨用压力计采用碳钢(或不锈钢）。,2.2.4 压力表的选择,3）现场安装条件（电磁场的影响）,1）平稳压力测量 最大工作压力小于2/3量程2）测量脉冲压力 最大工作压力小于1/2量程3）被测压力最小值不低于1/3量程量程靠级：01.0，1.6，2.5，4，6,n10MPa精度等级选择在满足精度等级前提下，尽量选低精度的。,量程选择,例：,某输气管道内天然气工作压力为1.11.5MPa，工艺要求就地指示管道内压力，最大测量误差不得大于0.05MPa，试选择一合适的压力表，说明其类型、量程和精度等级。,压力表校验的目的 检查压力测量仪表使用一段时间后，其精度和变差是否在规定的范围内。校验周期：36个月，腐蚀性大的三个月。,2.2.5 压力表的校验,1）结构2）原理,式中：A活塞的截面积；m0托盘质量；m 砝码质量,校验压力表的仪器活塞式压力计,原则:标准表的允许绝对误差一般应小于被校仪表的绝对误差的1/3，标准表的量程一般应比被校表量程大一档。例:被校表的量程:010MPa，精度为1.5级,标准表的精度应为0.2级。,标准仪表的选取,作业题与思考题,作业题：P101 28、32题,流量测量及仪表,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点：弹簧管压力表的结构及原理；电容式差压变送器简单原理；压力表的选用和校验；变送器输出值计算。,流量测量及仪表,问题流量怎么定义的？为什么要测流量？流量怎么测量？,重点：流量表示方法，单位；流量仪表的原理、结构、特点和实际应用场合。流量测量目的1)构成流量自控系统2)计量核算3)监督设备的工况,2.3 流量测量及仪表,流量流体流径某一截面的流体的数量。1)瞬时流量：单位时间内流体流径某一截面的流体的数量 体积流量 质量流量 2)累积流量某段时间内流体的总和。【注意】：与压力(P)和温度(T)有关 对液体：P变化变化小；T变化10，变化1%左右。对气体：P变化10Kpa，变化10%左右；T变化10，变化3%左右。,2.3.1 概述,m3/s m3/h,t/h kg/h,流量计的类型,1)速度式流量计 差式流量计,涡轮流量计,转子流量计,2)容积式流量计,齿轮流量计、腰轮流量计,3)质量流量计,组成1）节流装置：局部收缩的节流元件和取压装置总称。作用：2）三阀组引压管：引压3）差压计（变送器）,1节流元件；2引压管路；3三组阀；4差压计,差压式液位计是基于流体流动的节流原理，利用节流装置前后的压差与流量关系来测量流量。,2.3.2 差压式流量计,1）节流现象液体通过节流装置，在节流装置的上下游之间产生压差的现象。2）节流现象分析 改变管道中流体流通面积的元件称为节流元件，如孔板。,流体在接近孔板时,流体流动质点发生倾斜，形成流束收缩。,节流原理,截面处流速V2大于截面处流速V1;截面处静压力小于截面处静压力;可见，流体通过孔板后，会产生静压差。,孔板装置及压力、流速分布图,2）节流现象分析,3)流量方程,目的：明确流量与压差的函数关系，影响因素。方法：先假设流体是理想流体，再修正得实际情况。依据:（1）能量守恒定律在流体力学中具体应用（2）连续流动方程经推导得：,式中：为流量系数;A0为孔板开孔截面积;为膨胀系数,引入压缩因子,令,用,代替,引入修正系数,4)标准节流装置（结构、尺寸和技术条件都有统一标准）,(a)差压(或智能)变送器(b)双波纹管差压计(就地指示型仪表)线性(等百分)刻度 非线性刻度,5)差压计,变送器刻度,2.3.3 涡轮流量计,原理,流体,涡轮周期性地扫过磁钢,涡轮旋转,磁电感应线圈产生与流速成正比的脉冲信号,电信号经前置放大器放大,电子计数器,指示累积流量,电子频率计,指示瞬时流量,结构,特点：测量精度高（误差0.20.5%）;量程比较宽；适宜测高粘度流体；安装方便；对被测液体清洁度要求高。椭圆齿轮流量计1)结构,2.3.4 容积式流量计,2)原理,式中：n椭圆齿轮旋转速度 V0半月型测量室容积,液体,两齿轮相互交替驱动,液体不断排出流量计,传动齿轮系转动,数字轮转动,显示流量,磁电转换装置,2）原理 与齿轮流量计基本相同,腰轮流量计的工作过程1壳体；2转动轴；3驱动齿轮；4腰轮；5计量室,腰轮流量计,1）结构,磁电转换装置，将椭圆齿轮的转数转换成电脉冲信号,速比调整,减速装置,积算,指示,远传,椭圆齿轮,S,N,3）显示部分,数字轮转动显示流量计,2.3.5 流量检测仪表的选用,作业题与思考题,作业题：P100 18、25题,思考题：栯圆齿轮流量计与腰轮流量计有何异同之处,液位测量及仪表,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点：流量表示方法，单位；孔板流量仪表、涡轮流量计的原理、结构；流量计的特点和实际应用场合。,液位测量及仪表,问题液位怎么定义的？为什么要测液位？液位怎么测量？,重点：恒浮力式液位计结构、原理及适用场合，差压式液位计的原理及在实际应用中注意的问题。液位测量的目的：1)计量 2)监护生产,2.4 液位测量及仪表,液位计的类型1）直读式液位计（应用连通器原理）玻璃管式：长度300 1200mm压力1.5MPa,2.4.1 概述,玻璃板式液位计,2)长度500 1700mm 压力5MPa,磁翻板式,2)浮力式液位计（应用浮力原理）,恒浮力法(测量过程中浮力保持不变),变浮力式液位计(浮筒式液位计),浮筒在液体内浸没的深度不同而所受浮力不同,3)液柱式液位计(应用静压原理),4)其它液位计,雷达液位计,恒浮力法液位测量示意图,液位,浮力,浮子重量-浮力,锤下移,平衡锤重量,原理：,2.4.2 浮力式液位计,恒浮力式液位计,浮标式液位传感器a（1环形磁铁：2铁芯：3防爆护壳：4电位器轴：5链条：6浮漂）b（1漂浮：2导向绳索：3防爆护壳：4电位器轴：5钢丝绳：6平衡锤）,浮力式液位计,电位器的表示符号及电路,滑槽齿条结构,浮力式液位计,式中:C为弹簧刚度；x为弹簧压缩的位移；A为浮筒的截面积；H为浮筒被液体浸没的深度；当液位升高h，则浮筒上移动x，此时关系式为:,(2),两式相减得:,(1),变浮力式液位计(沉筒式液位计),原理：浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的重量被弹簧力所平衡，平衡时的关系式为：,结构,原理,铁芯处于中心位置时：,铁芯向上移动,铁芯向下移动,差动变压器结构图,差压变压器,差动变压器输出特性曲线,u,从上图中可看出：,e！,e2,x,0,压力式适用于敞口容器 差压式适用于密封容器 工作原理：,对敞口容器,对密封容器,压力表测量液位的原理图,2.4.3 差压力式液位计,零点迁移问题,H0时,2）,1）,不迁移,零点迁移,目的：使变送器的输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。,正迁移,3）,负迁移,作业题与思考题,作业题：P101 35、36题,思考题：生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及液位的原理。试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密度的方案。,温度测量及仪表,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:恒浮力式液位计结构、原理;差压式液位计的原理及在实际应用中注意的问题。思考题:生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及液位的原理。试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密度的方案。,问题：,什么是温度为什么要测温度用什么方法来测温度,2.5 温度测量及仪表,2.5 温度测量及仪表,重点：温度表示方法，热电阻温度计结构、原理及适用场合，数字式显示仪表组成及原理。温度测量的意义：1)任何化学变化和物理变化与温度有关。2)是保证生产稳定、高产、安全、优质的关键之一。,2.5 温度测量及仪表,本质 温度是表征物体冷热程度的参数，是分子平均动能的量度。特性1)两个温度不同物体相接触必须产生热交换，直到达到平衡。2)物体温度发生变化时，某些性质必发生变化。,2.1 概述,温标,温标即是温度测量的标尺，它规定温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。摄氏温标华氏温标规定：标准大气压下，纯净水的冰熔点为“32”，沸点为212。中间等分180份，每份为1度，用表示。,测温方法的比较,液体膨胀温度计（例水银温度计）固体温度计（例双金属温度计）1）结构2)原理,2.2 膨胀式温度,双金属片,受热后弯曲,温度越高弯曲弧度就越大,工业用双金属温度计,受热后自由端旋转,螺旋形感温元件,芯轴上的指针转动,指示温度,2.3 热电阻温度计,组成：,电阻体,+,连接导线,+,显示仪表,电阻体,金属电阻,半导体电阻,显示仪表,电子平衡电桥,数字显示仪表,测温原理,式中：R0电阻0的阻值,温度变化,电阻变化,例如：Pt,Cu,常用热电阻,铂电阻,分度号 P10:R0=10分度号 P100:R0=100,铜电阻,分度号:R0=0分度号 00:R0=100,热电阻的结构,普通型热电阻,主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。将电阻丝绕制在具有固定形状的支架上，这个整体称为电阻体。,电阻的信号连接方式,热电阻的引线方式主要有以下三种方式,1）二线制,RiRt2r,只适用于测量精度耍求较低的场合,2）三线制,工业过程中最常用的引线方式,3）四线制,主要用于高精度的温度检测,2.4 自动电子平衡电桥,平衡电桥测温原理,滑动触点在RP的左端，此时电桥的平衡条件是,当被测温度升高后的平衡条件是,自动电子平衡电桥,检流计,电子放大器,可逆电机推动滑动触点,手移动滑动触点,取代,代替,数字式仪表加上微处理器就是微机化显示仪表,2.5 微机化显示仪表,数字式显示仪表组成及原理,1)原理：,2)组成：,模数转换、非线性补偿、标尺变换、显示等部分,模数转换的主要任务是使连续变化的模拟量转换成与其成比例的断续变化的数字量。,模拟量数字量的整量化示意图,A/D转换方式：电压转换型：单积分、双积分、逐步比较 脉冲宽度调整型 电压频率型,模数转换A/D转换,非线性补偿:显示值与仪表输入值之间具有一定规律的非线性关系以补偿输入信号与被测参数之间的非线性关系，从而使得显示值与被测参数之间呈线性关系。非线性补偿方法：摸拟式非线性补偿法非线性模/数转换补偿法、数字式非线性补偿法。,非线性补偿,数字式非线性补偿法,.将具有明显斜率变化的曲线段分成几段具有较好线性的近似直线段.对不不同斜率的直线段乘以不同的直线斜率,使之正好能转换为统一的线性，（同一斜率输出）这样实现线性化。,mv,K1,K2,K3,K,标度变换 将信号转换后所得到的数字量转换成测量参数所对应的工程量显示的过程称为标度变换。例:测量温度为1000，经转换后输出1250个脉冲，那么乘以一个0.8的系数，则得到1000这个数，再用计数器计数1000，从而显示出1000。,标度变换,自动零位校准和自动精密校准。自动切换量程，通过软件判断自动切换到所需量程。功能选择，可以巡回显示多个参数。自动数据处理，误差修正，线性化，误差分析，求平均值。定时控制。自诊断功能，故障自诊断。,微机化显示仪表功能：,作业题与思考题,作业题：P100 11、15题思考题:热电阻与电子自动平衡电桥配合使用。当热电阻短路、断路或电源停电时，指针应指在什么地方？为什么？,控制器与执行器,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:1.热电阻温度计结构、原理及适用场合，2.数字式显示仪表组成及原理。,第三章 控制器与执行器,第三章 控制器与执行器,主要内容：基本控制规律控制器执行器,3.1 基本控制规律,3.1.1 人工控制经验与控制器控制规律,粗调,人工控制,控制器控制,比例控制,用数学式子描述：,控制器输出变化量；,偏差（控制器输入）。,式中：,控制器的控制规律就是控制器的输出信号随输入信号变化的规律。,液位人工控制过程,液位自动控制,数学式子描述：,人工控制,控制器控制,细调,积分控制,式中:,积分时间；,积分速度,液位人工控制过程,液位自动控制,3.1 基本控制规律,例：温度上升快，将蒸气阀门关小，然后慢慢调节。,式中：TD微分时间,抓苗头、看趋势控制,按偏差变化的速度来控制,人工控制,控制器控制,3.1 基本控制规律,微分控制,用数学式子描述：,工人师傅经验挖掘出来用数学式子描述。比例控制。简称P控制积分控制。简称I控制微分控制。简称D控制组合，可能有PD、PI、PID控制,3.1.2 双位控制,双位控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用普遍。,双位控制示例,理想的双位控制特性,3.1.3 比例控制,简单的液位比例控制示意图,水槽水位控制实例,1）e、p变化方向相反,称为反作用控制器,2）从静态看，e、p成比例,3）从动态看e、p的变化是同步的。,特性方程：,p比例放大系数,o,e,P,a,比例控制器实际上是一个放大系数可调的放大器。,式中：,p越大,比例作用越强,控制作用越强,改变支点的位置，可以改变控制作用强弱。,比例度（仪表不刻放大系数）,对于单元组合仪表而言,4,的定义：,越小，比例作用越强，所以工业用的控制器采用比例来代替。,控制对控制质量的影响,1）e、p是同步变化的，控制作用及时快速。2）e、p成比例的根据偏差的大小进行控制，调不准，系统存在余差c;3）Kp过大（或过小）系统可能出现不稳定。,比例度对过渡过程的影响,3.1.4 积分控制（I控制）,若e为一常数A则,由此可见：TI越小，p越大，控制作用越强。对（1）式微分得,从上式可看出：只有当e=0、p不再变化，即积分控制可以消除余差。,理想的I控制,（1）,PI控制（粗调和细调结合起来）,比例积分控制器特性,比例控制及时，但存在余差；,积分控制过程缓慢，但能消除余差；,比例积分控制,两者优点综合,当不需要积分控制时：,将调到,I控制对控制质量的影响,1）快速性比P控制差；2）调节准确，即余差为零；3）I控制会使系统稳定性降低，特别是TI过小。,积分时间对过渡过程的影响,D特性,可见：1）,TD越大，表示微分作用越强,3）p与偏差的大小无关,3.1.5 微分控制,2）,偏差存在但不变化时，微分作用就没有输出,D控制器,4）属理想状态。,p,这种控制规律难于实现,又没有实用价值,故称理想微分控制.,A,t,t,实际微分控制规律及微分时间,实际微分控制器的输出由比例作用和近似微分作用两部分组成，而且比例作用的比例度为100%。式中：KD微分放大倍数,当,D控制对控制的影响,1）使系统的稳定性提高；。2）间接使c下降；3）若TD过大系统稳定性反而降低。,微分时间对过渡过程的影响,3.1.6 PID调节,开始微分起主导作用，使总的输出大辐度变化，产生强烈的调节作用后，微分作用消失；积分占主导地位，至到余差完全消失，积分作用才停止。,PID控制器输出特性,作业题与思考题,作业题：P151 3、4 题,控制器,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:P控制、I控制、D控制数学表达式；P控制、I控制、D控制的特点；P控制、I控制、D控制的控制器参数；P控制、I控制、D控制对控制质量的影响。,控制规律,特点,控制器参数,控制及时快速,存在余差,比例度,比例度越小，控制作用越强，比例作用太强引起振荡。,1.比例控制,2.积分控制,控制规律,特点,控制器参数,控制过程缓慢,可消除余差,积分时间,积分时间越短，控制作用越强，积分作用太强引起振荡。,3.微分控制,控制规律,特点,控制器参数,有超前控制的作用,微分时间,微分时间越长，控制作用越强，微分作用太强引起振荡。,对滞后大的对象有很好的效果，使控制过程的动偏差减小,3.2 控制器,3.2.1 概述 控制器的作用 比较 运算 输出信号 类型,执行器,PID运算,测量值与给定值比较,按能源分类,按信号类型分类,气动控制器,电动控制器,模拟式控制器,数字式控制器,3.2 控制器,3.2.1模拟式控制器 电动控制器 1）电动单元组合仪表（DDZ）概念 代替人脑、眼、手功能的仪表组成的仪表。2）发展历程 类 型 DDZ-DDZ-DDZ-电子元件 电子管 晶体管 集成电路 电 源 220VAe 220VAe 24VDC 信号范围 010mA 010mA 420mA,DDZ-型控制器,1）特点：采用标准信号，现场传输信号为420mA。采用集成电路仪表统一由电源箱供给24VDC电源结构合理整套系统可构成安全火花型防爆系统,2）作用 接收来自变送器或转换器的15V直流电流测量信号作为输入，与15V直流电流给定信号比较，然后对其偏差进行PID运算，输出420mA直流电流信号。3）组成 控制单元 指示单元,控制单元输入电路完成信号的综合放大；PD 电路完成PD运算；PI 电路比例积分运算；输出电路完成V/I 转换；操作电路输出一个手动控制信号。硬手动操作电路：没有时间，直接开大关小阀门。软手动操作电路：阀门需一定时间开、关。指示单元 测量指示 给定指示,3）组成,DDZ-型电动调节器结构方框图,4）调节器的四种工作状态,自动保持（调节器输出保持不变）软手动（调节器输出随时间按一定速度变化）硬手动 自动-手动切换过程中，阀门开度不允许突变。,5）七个开关,K1、K2 自动手动联动开关K3 P、PI开关K4 软手动开关K5 测量/校正开关K6 内外给定开关K7 正反作用开关正作用：测量信号 调节器输出反作用：测量信号 调节器输出,DZ型基型电动调节器正面图1自动A-软手动M-硬手动H切换开关；2双针垂直指示器；3内绐定设定轮；4输出指示器；5硬手动操作杆；6软手动操作板键；7外给定指示灯；8阀位指示器；9输出记录指示；10位号牌；11输人检测插孔；12手动输出插孔；13给定值指针（黑）；14测量值指针（红）；15输出值指针,3.2.2 可编程逻辑控制器和数字式控制器,可编程逻辑控制器（PLC）PLC（Pregranmable logic Contrower）主要用于顺序控制、逻辑控制，如机械加工控制，离散的生产过程、连续的生产过程中开停泵的启停顺序控制。现在的PLC增加了许多模拟控制器所具有的功能，使之功能更加丰富和完善。,PLC软件工作原理,循环扫描方式I/O刷新+执行指令,输入端子,输入映象寄存器,输出映象寄存器,输出锁存,输出端子,END,X1,X2,X3,Y0,Y1,输出设备,X1,X2,Xi,输入采样,执行程序,输出刷新,输出,刷新,PLC特点：,PLC突出的特点是可编程，通过编程来实现特定的控制功能，可靠性高，可在工业环境下可靠运行，控制方案实现简单。编程语言 助记符语言、梯形图语言、流程图语言、布尔代数语言以及一些高级语言(C BASIC PASCAL型式都有，一般用于中型或者大型的PLC的编程)。,梯形图语言,电源,CPU,DI,AI,AI,AO,AO,DI,线卡总线,梯形图语言是一种采用常开触点、常闭触点、线圈和功能块图形语言，它类似继电器线路图，直观易懂。,底槽,硬件的结构:模块化，如Sinemens S7-300模块,DO,DO,输入输出模块,数字式控制器,以微处理器为运算、控制核心，外形与模拟式控制器相似，由用户编程组织调节规律，也称为可编程调节器。1)特点：单路调节器的种类很多，但性能和设计思想基本相似，归纳起来具有如下特点：.具有常规模拟调节器同样的外特性。.具有更丰富的运算、控制功能。.灵活性好、控制功能多，组成方式灵活，还可根据需要进行修改。,.可靠性高，使用元件少，采用高可靠的集成电路。具有完备的自诊断功能和异常报警功能。.具有通信功能。2)PID运算 具有各种软件功能模块，功能模块的作用主要是运算和调节，其中运算模块数目比调节模块多。采用PID运算，完全通过公式运算来实现，因此可以更加准确地按公式来实现调节作用。,运算公式在计算机软件编程时不能直接采用模拟控制的计算公式，而应该使用离散的方程，必须把微分方程变成差分方程。采用的近似方法：式中：是采样周期，i和是采样序号。,作业题与思考题,作业题：P151 9题,执行器,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:,1.控制器的作用2.模拟式控制器组成及原理3.数字式控制器特点4.集散控制系统概念,3.3 执行器,3.3.1 概述 作用 类型 步进电机 调节阀 变频调速器。,控制信号,操纵变量变化,相应的操作,执行器,执行机构 调节机构,调节阀组成,3.3.2 执行机构,概述1)作用 2)类型 气动动力 液动 电动,控制信号,产生推力和位移,调节机构动作,压缩空气,液压力,电,特点是结构简单，安全防爆，低成本。,特点功率大动作快，但成本高，复杂结构。,特点易与电动仪表连接，功率大，动作快，但应注意防爆。,执行机构,气动薄膜执行机构,1）组成：上膜盖 玻纹膜片 下膜盖 推杆 弹簧 行程标尺,2）原理,向下的推力：PAe 弹簧的反作用力：LK 平衡时 PAe=LK 式中：Ae薄膜面积；L弹簧位移量；K弹簧刚度。,P,20100kPa压缩空气,执行机构的正反作用,信号增大时推杆下移为正作用，反之为反作用。,正作用,反作用,3.3.3 调节机构,调节机构带动下,作用,调节阀,流通面积改变,流量变化,3.3.3 调节机构,组成：阀盖、填料 阀体、阀杆 阀座、阀芯 下阀盖。,种类,按照阀芯动作方式不同分,直行程阀,角行程阀,调节机构的正反作用,正作用是阀杆下移，阀关小（正装），反之为反作用。正 反,3.3.4 调节阀的流量特性,定义：,式中：,相对流量,相对开度，既调节阀某一开度行程与全开行程之比。,理想特性铭牌上标的特性,调节阀的理想流量特性及阀芯形状,由阀心形状确定,.特性方程 单位相对位移引起相对流量变化量是一个常数。,1)直线流量特性,称为阀的可调比,式中：Qmax最大流量；Qmin最小流量。,特点：,a.特性曲线为直线b.放大系数为常数c.在不同开度下，相同行程变化引起的相对流量变化不等。,%：0 10 20 30 40 50 60 7 0 80 90 100,%：3.3 13.0 22.7 32.3 42.0 51.7 61.3 71.0 80.6 90.3 100,阀门由1020%流量相对变化,5060%流量相对变化,8090%流量相对变化,例：,特性方程定义：单相行程变化所引起相对流量变化与该点的流量变化 成正比。,2)对数流量特性,特点：a.等百分比变化；b.K是递增。,例：,：0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100,：3.3，4.67，6.58，9.26，13，18.3，25.6，36.2，58.8，91.2，100,阀门由1020%流量相对变化,5060%流量相对变化,8090%流量相对变化,3.3.5 执行器的选择,正,反,气动执行器的正、反作用,执行器,反,P,P,反,反,正,正,正,Q,P,P,P,P,Q,Q,Q,正作用气开式,正作用气开式,反作用气关式,反作用气关式,执行器正、反作用选择,气开式：压力信号由0.02MPa变到0.1MPa，阀由全开到全关。气关式：压力信号由0.02MPa变到0.1MPa，阀由全关到全开。,选择原则：保证执行器信号中断时阀门自动归位到工艺安全位置。,气动执行器的正、反作用选择,调节阀气开、气关的确定,贮液罐液位控制,加热炉出口温度控制,图97 分离器出口天然气压力控制系统,图97 分离器出口天然气压力控制系统,3.3.6 电气阀门定位器,作用1)具有电气转换作用 用电动控制器输出的420mADC信号支操纵气动执行机构。2)具有气动阀门定位作用 可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位。,结构及原理,图828电/气阀门定位器结构原理图1永久磁钢；2输入线圈；3支点；4杠杆；5反馈弹簧；6反馈杆（滚轮）；7凸轮；8比例臂；9推杆；10调节阀；11调零弹簧；12喷嘴；13挡板；14气动放大器,作业题与思考题,作业题：P151 11、12题思考题:什么是干扰作用？什么是控制作用？试说明两者之间的关系？,控制系统,知识在积累勤奋出天才,上节课知识回眸,知识点:,1.执行器的作用2.调节阀的构成3.调节阀的流量特性4.执行器正、反作用选择,第四章,简单控制系统与集散控制系统,第四章 控制系统,主要内容：控制系统的设计控制系统参数整定集散控制系统,4.1 系统设计简介,4.1.1 简单控制系统的组成（单回路控制系统）,4.1.2 被控变量的选择（需控制什么）,方法：直接参数选择法 直接表征产量、质量、成本等指标（温度、压力、流量、液位、成分等）作被控变量。间接参数选择法 间接反映产品质量、产量的差数作被控变量。注意：a.间接参数必须可测量 b.必须灵敏 c.间接参数与直接参数需有单值函数关系。,4.1.3 操纵变量的选择,操纵变量：用于克服干扰对被控变