化工自动化及仪表 方框图 方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示,是控制系统进 行理论分析、设计中常用到的一种形式。 1.方框图组成 方框-—每一个方框表示系统中的一个组成部分(也称为环节),方框内添入表示 其自身特性的数学表达式或文字说明; 信号线一信号线是带有箭头的直线段,用来表示环节间的相互关系和信号的流 向:作用于方框上的信号为该环节的输入信号,由方框送出的信号称 为该环节的输出信号 比较点一比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算,“+”号表示相加,“ 号表示相减 引出点一表示信号引出,从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。 A B A A G(s) 带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 图1.3方框的组成单元示意图 系统中的每一个环节用一个方框来表示,四个方框分别表示:被控对象(锅炉汽包)、 测量变送装置、控制器和执行器。每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。如被控 对象环节,给水流量变化会引起汽包水位的变化,因此给水流量(操纵变量)作为输入 信号作用于被控对象,而汽包水位(被控变量)则作为被控对象的输出信号:引起被控 变量(汽包水位)偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动 量,它们也作为输入信号作用于被控对象 控制器 扰动量 操纵变量 设定值偏差 被控变量 控制器 执行器 锅炉汽包 测量值 测量变送 图14锅炉汽包水位控制系统方框图 2.负反馈概念 反馈一—通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端,这种把系统的输 出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。分为和 反馈-负反馈(引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈)用“-”号表示 正反馈(引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈)用“+”号表示 在绘制方框图时应注意
化工自动化及仪表 6 一、 方 框 图 方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进 行理论分析、设计中常用到的一种形式。 1. 方框图组成 方框----每一个方框表示系统中的一个组成部分（也称为环节），方框内添入表示 其自身特性的数学表达式或文字说明； 信号线---信号线是带有箭头的直线段，用来表示环节间的相互关系和信号的流 向；作用于方框上的信号为该环节的输入信号，由方框送出的信号称 为该环节的输出信号。 比较点----比较点表示对两个或两个以上信号进行加减运算，“+”号表示相加，“-” 号表示相减； 引出点----表示信号引出， 从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。 带有输入输出信号的方框 比较点 分支点 图 1.3 方框的组成单元示意图 系统中的每一个环节用一个方框来表示，四个方框分别表示：被控对象（锅炉汽包）、 测量变送装置、控制器和执行器。每个方框都分别标出各自的输入、输出变量。如被控 对象环节，给水流量变化会引起汽包水位的变化，因此给水流量（操纵变量）作为输入 信号作用于被控对象，而汽包水位（被控变量）则作为被控对象的输出信号；引起被控 变量（汽包水位）偏离设定值的因素还包括蒸汽负荷的变化和给水管压力的变化等扰动 量，它们也作为输入信号作用于被控对象。 图 1.4 锅炉汽包水位控制系统方框图 2. 负反馈概念： 反馈——通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的输入端，这种把系统的输 出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫做反馈。分为和 反馈-----负反馈（引回到输入端的信号是减弱输入端作用的称为负反馈）用“-” 号表示 正反馈（引回到输入端的信号是增强输入端作用的称为正反馈）用“+”号表示。 在绘制方框图时应注意
化工自动化及仪表 1.方框图中每一个方框表示一个具体的实物 2.方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系,与工艺设备间物料的流向无关。 方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外,还包含另一种方向性的含义,即所谓单向 性。对于每一个方框或系统,输入对输出的因果关系是单方向的,只有输入改变了才会 引起输出的改变,输出的改变不会返回去影响输入。例如冷水流量会使汽包水位改变, 但反过来,汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变 3.比较点不是一个独立的元件,而是控制器的一部分。为了清楚的表示控制器比较 机构的作用,故将比较点单独画出 二、管道及仪表流程图 管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过 程控制的原理图,是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。该图在工艺流程图的 基础上,按其流程顺序,标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护 系统等。由工艺人员和自控人员共同研究绘制。在管道及仪表流程图的绘制过程中所采 用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。下面结合化工部《过程检测和控 制系统用文字代号和图形符号》HG20505-92,介绍一些常用的图形符号和文字代号 1.图形符号 过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线(引线、信号线)和仪表圆圈等。 (1)测量点 测量点 (2)连接线 交又 相接 表示信号方向 (a) (3)仪表 常规仪表图形符号是直径为12mm(或10mm)的细实线圆圈 (4)执行器 执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成
化工自动化及仪表 7 1. 方框图中每一个方框表示一个具体的实物。 2. 方框之间带箭头的线段表示它们之间的信号联系，与工艺设备间物料的流向无关。 方框图中信号线上的箭头除表示信号流向外，还包含另一种方向性的含义，即所谓单向 性。对于每一个方框或系统，输入对输出的因果关系是单方向的，只有输入改变了才会 引起输出的改变，输出的改变不会返回去影响输入。例如冷水流量会使汽包水位改变， 但反过来，汽包水位的变化不会直接使冷水流量跟着改变。 3. 比较点不是一个独立的元件，而是控制器的一部分。为了清楚的表示控制器比较 机构的作用，故将比较点单独画出。 二、管道及仪表流程图 管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过 程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示形式。该图在工艺流程图的 基础上，按其流程顺序，标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与连锁保护 系统等。由工艺人员和自控人员共同研究绘制。在管道及仪表流程图的绘制过程中所采 用的图形符号、文字代号应按照有关的技术规定进行。下面结合化工部《过程检测和控 制系统用文字代号和图形符号》HG20505-92，介绍一些常用的图形符号和文字代号。 1．图形符号 过程检测和控制系统图形符号包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈等。 ⑴测量点 （2）连接线 (a) (b) (c) （3）仪表 常规仪表图形符号是直径为 12mm(或 10mm)的细实线圆圈。 ⑷执行器 执行器的图形符号是由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。 测量点
化工自动化及仪表 2.仪表位号 在检测、控制系统中,构成回路的每个仪表(或元件)都用仪表位号来标识。仪表 位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中的第一个字母表示被测变量, 后继字母表示仪表的功能;回路的编号由工序 号和顺序号组成,一般用三位至五位阿拉伯数字表示,如下例所示: 顺序号(一般用两位数字,也可以用三位数字) 工序号(一般用一位数字,也可以用两位数字) 功能字母代号 被测变量字母代号 在管道及仪表流程图中,仪表位号的标注方法是:字母代号填写在仪表圆圈的上半 圆中;回路编号填写在下半圆中 (a)就地安装 (b)集中盘面安装 3.字母代号 仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代号见P表1.3 管道及仪表流程图实例 图1.8和图1.9为简化的锅炉汽包管道及仪表流程图和发酵罐管道及仪表流程图。图 1.10为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及仪表流程图 二氧化 精浆液 精浆液 贮槽
化工自动化及仪表 8 2. 仪表位号 在检测、控制系统中，构成回路的每个仪表（或元件）都用仪表位号来标识。仪表 位号由字母代号组合和回路编号两部分组成。仪表位号中的第一个字母表示被测变量， 后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序 号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示，如下例所示： 顺序号（一般用两位数字，也可以用三位数字） 工序号（一般用一位数字，也可以用两位数字） 功能字母代号 被测变量字母代号 在管道及仪表流程图中，仪表位号的标注方法是：字母代号填写在仪表圆圈的上半 圆中；回路编号填写在下半圆中。 (a)就地安装 （b）集中盘面安装 3. 字母代号 仪表信号中表示被测变量和仪表功能的字母代号见 P9 表 1.3。 管道及仪表流程图实例 图 1.8 和图 1.9 为简化的锅炉汽包管道及仪表流程图和发酵罐管道及仪表流程图。图 1.10 为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及仪表流程图。 T RC 1 31 TRC 101 PI 121 精浆液 二氧化 碳 精浆液 PI TI 102 102 贮槽 FIC Q 101 HIC 101 LIC 1O 1 TI 101 PI 101
化工自动化及仪表 0)表示为第一工序第01个流量控制回路(带累计指示,累计指示仪及控制器安装 在控制室。 J01/表示为第一工序第01个带指示的手动控制回路,手动控制器(手操器)安装在 控制室。 10l 表示为第一工序第01个带指示的液位控制回路,液位指示控制器安装在控制室 表示为第一工序第01、02个温度检测回路,温度指示仪安装在现场。 m)(m)表示为第一工序第0、0个压力检测回路,压力指示仪安装在现场 §14过程控制系统的主要类型 按系统功能-温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等; 按系统性能-线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统; 按被控变量的数量-单变量控制系统和多变量控制系统: 按采用的控制装置-常规仪表控制系统、计算机控制系统 按控制系统基本结构形式-闭环控制系统和开环控制系统。 闭环控制系统 闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺冋控制又有反冋联系的控制系统 闭环控制系统优点--不管仼何扰动引起被控变量偏离设定值,都会产生控制作 用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有 较高的控制精度和较好的适应能力,其应用范围非常广泛 缺点--闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生,当系 统的惯性滞后和纯滞后较大时,控制作用对扰动的克服不 及时,从而使其控制质量大大降低 在闭环控制系统中,根据设定值的不同形式,又可分为定值控制系统,随动控制系 统和程序控制系统 1.定值控制系统 特点:设定值是固定不变 作用:保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上 2.随动控制系统
化工自动化及仪表 9 表示为第一工序第 01 个流量控制回路（带累计指示），累计指示仪及控制器安装 在控制室。 表示为第一工序第 01 个带指示的手动控制回路，手动控制器（手操器）安装在 控制室。 表示为第一工序第01个带指示的液位控制回路，液位指示控制器安装在控制室。 表示为第一工序第 01、02 个温度检测回路，温度指示仪安装在现场。 表示为第一工序第 01、02 个压力检测回路，压力指示仪安装在现场。 §1.4 过程控制系统的主要类型 按系统功能---温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统、流量控制系统等； 按系统性能--线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统； 按被控变量的数量---单变量控制系统和多变量控制系统； 按采用的控制装置----常规仪表控制系统、计算机控制系统； 按控制系统基本结构形式-----闭环控制系统和开环控制系统。 一、 闭环控制系统 闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。 闭环控制系统 优点----不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作 用去克服被控变量与设定值的偏差。因此闭环控制系统有 较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。 缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系 统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不 及时，从而使其控制质量大大降低。 在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系 统和程序控制系统。 1. 定值控制系统 特点：设定值是固定不变 作用：保证在扰动作用下使被控变量始终保持在设定值上 2. 随动控制系统 FICQ 101 HIC 101 LIC 101 TI 101 TI 102 PI PI 101 102
化工自动化及仪表 特点:设定值是一个未知的变化量 作用:保证在各种条件下系统的输出(被控变量)以一定的精度跟随设定值的变化 而变化 3.程序控制系统 特点:设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数 作用:保证在各种条件下系统的输出(被控变量)以一定的精度跟随设定值的变化 而变化 如:机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控 制系统。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况,其分析硏究方法与随动控 制系统相同。 开环控制系统 开环控制系统-—-控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。 操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量,但被控变量不会通过控制装 置去影响操纵变量。从信号传递关系上看,未构成闭合回路 1.按设定值进行控制 控制方式的原理:需要控制的是被控对象中的被控变量,而测量的只是设定值 如图1.12(a)所示的换热器。换热器的工作原理是:冷物料与载热体(蒸汽)在换热器中 进行热交换,使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。因此,系统中被控变量为冷物 料出口温度,操纵变量为蒸汽流量。操纵变量与设定值保持一定的函数关系,当设定值 变化时,操纵变量随之变化进而改变被控变量 设定值控制装置 蒸汽设定值 扰动 冷物料 被控变量 控制器}执行器}换热器 图1.12按设定值控制的开环控制系统 2.按扰动进行控制 控制方式的原理-需要控制的仍然是被控对象中的被控变量,而测量的是破坏系统 正常进行的扰动量。利用扰动信号产生控制作用,以补偿扰动 对被控变量的影响,故称按扰动进行控制。 控制装置 扰动 测量 控制器}执行器换热舒控变量 由于测量的是扰动量,这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。对
化工自动化及仪表 10 特点：设定值是一个未知的变化量 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化 而变化。 3. 程序控制系统 特点：设定值是一个按一定时间程序变化的时间函数 作用：保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定的精度跟随设定值的变化 而变化。 如：机械行业的数控车床、间歇生产过程中化学反应器的温度控制等都属于这类控 制系统。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控 制系统相同。 二、 开环控制系统 开环控制系统-----控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的控制系统。 操纵变量可以通过控制对象去影响被控变量，但被控变量不会通过控制装 置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。 1. 按设定值进行控制 控制方式的原理：需要控制的是被控对象中的被控变量，而测量的只是设定值。 如图 1.12(a)所示的换热器。换热器的工作原理是：冷物料与载热体（蒸汽）在换热器中 进行热交换，使冷物料出口温度上升至工艺要求的数值。因此，系统中被控变量为冷物 料出口温度，操纵变量为蒸汽流量。操纵变量与设定值保持一定的函数关系，当设定值 变化时，操纵变量随之变化进而改变被控变量。 (a) (b) 图 1.12 按设定值控制的开环控制系统 2. 按扰动进行控制 控制方式的原理----需要控制的仍然是被控对象中的被控变量，而测量的是破坏系统 正常进行的扰动量。利用扰动信号产生控制作用，以补偿扰动 对被控变量的影响，故称按扰动进行控制。 由于测量的是扰动量，这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。对