2021《化工检测与控制技术》教案

序号1周次1授课形式讲授授课章节名称1-1化工自动化发展概况 1-2自动化系统的组成与分类教学目的通过讲解，使学生了解化工自动化的发展概况，基本掌握自动化系统的组成框图与自动化系统的分类。教学重点自动化系统的基本组成，自控系统方框图教学难点自动化系统的基本组成，自控系统方框图使用教具未使用教具。课外作业复习所学内容 课后体会这部分内容学生掌握得较好，完成教学任务。授课主要内容简要分析一下整个课程内容。从自动化技术引入化工自动化的概念。一、化工自动化的发展概况1. 仪表自动化阶段由20世纪40年代前的机械式和液动式仪表到基地式仪表，再到气动、电动单元组合仪表（、型），目前型普及使用，部分型仍在使用，型表已淘汰。2. 计算机控制阶段出现了以微处理器为核心的新型智能仪表。把工业控制计算机、微机、顺序控制装置、过程输入输出装置、现场仪表等有机融合在一起的集散型控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）已成为大型工业企业的主流自动化控制系统。3. 综合自动化阶段综合自动化系统称管理控制一体化系统，也称为计算机集成过程系统（CIPS），将计划优化、生产调度、经营管理和决策引入计算机控制系统，使市场意识与优化控制相集合，管理与控制相集合，促使计算机控制系统更加完善二、自动化系统的组成与分类1自动化系统的组成（1）生产装置被控对象生产过程中，需控制工艺参数的生产设备或机器、管道。一个设备上有多个控制系统时，各控制系统的对象可以是生产设备的某一个部分。（2）自动化装置现场仪表：安装在生产装置上的各种参数的检测仪表（传感器及变送器）与执行器。传感器：检测元件；变送器：将传感器输出的信号变换成统一的标准信号进行远距离传送，如010mA电信号（电动型表）、420mA电信号（电动型）、20100Kpa气压信号（气动仪表）。执行器：包括执行机构与调节阀，按能源分有气动、电动和液动三种。控制装置：包括气动、电动控制器及可编程控制器、计算机控制装置等类型。显示仪表：以图表、数字、指示等方式显示被测参数。包括模拟仪表、数字仪表和计算机显示器，与记录仪表（有纸、无纸记录仪）。（3）自控系统方框图方框图有四个要素：信号线、信号相加点、信号分支点和环节。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分（环节）。以蒸汽加热器温度控制系统为例，介绍自控系统方框图。图中带箭头的线段仅表示各环节间信号的流向，并不表示物料的流向，有时会与物料的流向相反，这与工艺流程图不同。自动控制系统必须是闭环负反馈系统，否则会引起事故。显示仪表在闭环以外，所以不在框图中出现。图中，被控变量：对象内想要达到设定数值的工艺参数。设定值：被控变量的预定值。偏差：被控变量设定值与测量值之差。操作变量：受控制器操纵、用来克服干扰影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。2自动化系统的分类（1）按生产过程的要求分：自动检测系统：对生产过程中的各种工艺变量自动、连续地进行测量和显示，以供操作者观察或直接自动地进行监督和控制生产。自动信号报警及联锁保护：在事故发生前，信号系统自动发出声光报警信号；联锁系统立即采取紧急措施，以保护人身和设备安全。自动操纵系统：按预定的步骤，自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动控制系统：利用自动控制装置，对生产中某些关键性变量进行自动控制，使其保持在规定范围内，保证生产过程正常进行。（2）按控制系统结构分闭环控制系统：分定值控制（设定值为常数）、随动控制（设定值不定）和程序控制（设定值为时间函数）三种形式。开环控制系统：控制器与被控对象间只有正向作用没有反向联系，未构成闭合回路。（3）按生产过程的变量数分单输入单输出系统：可为单回路或多回路控制，主反馈只有一个。多输入多输出系统：有多个输入输出信号，且相互间有耦合。复杂控制系统。三、小结：1. 化工自动化的发展分为仪表自动化阶段、计算机控制阶段和综合自动化阶段。2. 自动化系统的方框图有信号线、信号相加点、信号分支点和环节四个要素，构成闭环负反馈系统，图中箭头只表示信号流向，并不表示物料流向。3. 自动化系统按生产过程的要求可分为自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制四种类型。四、作业 复习所学内容 序号2周次1授课形式讲授授课章节名称1-3控制系统的过渡过程 1-4工艺管道及控制流程图教学目的通过讲解，使同学们掌握自动控制系统过渡过程的基本形式及其质量指标，基本掌握工艺管道及控制流程图。教学重点过渡过程的质量指标及其表示方法，工艺管道及控制流程图教学难点过渡过程的质量指标及其表示方法，工艺管道及控制流程图使用教具未使用教具。课外作业1复习所学内容 2P.17：2、6、8课后体会少部分学生对过渡过程的质量指标掌握得不够好，完成作业有困难，需进一步讲解。授课主要内容复习提问：自动控制系统的组成框图由哪几部分组成？如果干扰出现，系统将会这样动作？引入新课。一、过渡过程和品质指标 （一）过渡过程1. 控制系统的状态（1）静态（稳态）：被控变量不随时间变化的平衡状态。（2）动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。（3）过渡过程：从原有平衡状态过渡到新的平衡状态的过程，即从干扰开始，经过控制，直到系统重新达到新的平衡状态。也是控制作用不断克服干扰作用的过程。（4）干扰作用：破坏系统平衡，使被控变量偏离设定值的各种外来因素。2. 自动控制系统的过渡过程基本形式 （1）发散振荡：被控变量越来越偏离设定值，是不稳定状态，易引起事故。 （2）等幅振荡：被控变量始终在设定值附近上下波动，介于稳定和不稳定之间，是临界状态。 （3）衰减振荡：被控变量经振荡，越来越靠近设定值，是稳定状态。 （4）单调过程：属稳定状态，但变化过程过于缓慢。（二）品质指标1最大偏差最大偏差是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。它描述了被控变量偏离设定值的程度。超调量max：被控变量最大指示值与新稳态值之差。即以稳态值为基准的第一个波峰。max =B2衰减比：过渡过程曲线上同向相邻两个波的振幅之比。N=B/B 介于4:110:1之间 是动态指标。3余差：过渡过程结束时的残余偏差，为设定值与稳态值之差。余差是静态指标、精度指标。控制系统按有无余差分为有差控制系统（C0）和无差控制系统（C=0）。4过渡时间：过渡过程所经历的时间。是快速性指标。控制系统受到干扰作用后，被控变量从原有稳定状态过渡到新稳态值的5%（或2%）范围内，且不再越出时，所经历的时间。过渡时间越短，表示过渡过程进行得越迅速，越容易克服扰动。5振荡周期：过渡过程曲线上同向相邻两波峰间的时间间隔。振荡周期越短，过渡过程时间越短，越易克服扰动。（三）系统响应从五个基本指标看系统的响应，可从稳定性、快速性、精确性三个方面考虑。二、影响系统品质指标的因素1. 对象特性2. 自动化装置的性能三、管道及控制流程图1化工生产的基本流程：原料输入设备前处理过程（分离或精制）化学反应过程后处理过程（提纯反应生成物、回收未反应原料及副产品）输出设备成品2工艺管道及控制流程图（P&ID）图：在工艺流程图上按流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统、自动报警及联锁保护系统等所构成的图。（1）标注含义：P&ID图中，每个仪表都有由字母代号组合和回路编号组成的仪表位号。字母代号中第一字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能。回路编号第一位数表示工序号，后续数字(二位或三位)表示顺序号。（2）示例： 图中，圆圈外加方框表示集散型控制系统，圆圈外不加方框表示离散仪表；圆圈中无横线表示现场安装，有横线表示集中盘面安装（装于仪表盘）。图1表示温度检测，装于第一个工序第01个回路（位置）。图2表示第106号位置为液位指示控制回路（液位指示控制器装于仪表盘上）。图3表示第598号位置为流量指示控制单元（现场安装的集散型控制系统）四、小结：1. 掌握衰减振荡的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间及振荡时间等。必须根据具体的控制要求，优先保证主要的质量指标满足要求。2. 应能看懂工艺管道及控制流程图，找出测量点、控制点、控制系统等，明确其标注含义。五、作业：1. 复习所学内容 2. P.17：2、6、8序号3周次2授课形式讲授授课章节名称2-1概述 2-2检测环节的质量指标教学目的通过讲解，使学生基本掌握自动检测系统的组成与检测环节的质量指标。教学重点检测仪表的质量指标。教学难点检测仪表的质量指标。使用教具未使用教具。课外作业复习所学内容课后体会少数学生对精度的计算掌握得不好，需进一步讲解。授课主要内容复习上一章节的内容，由检测仪表引入新课。一、概述1自动检测系统的组成 自动检测系统中主要的自动化装置为传感器和显示仪表。其中传感器一般包括敏感元件、传感元件（转换元件）和测量转换电路三部分。显示仪表是自动检测系统显示或输出被测量数值的装置。其显示方式可以是指针式（模拟式）、数字式、图形显示等几种。2. 检测环节常见信号类型化工生产中，常见的被测量类型有热工量、机械量、物质的性质和成分量、电工量等。为了便于传输、处理和显示，非电量的被测参数通常转换成电气、压力、光等信号类型。 3. 检测环节中的信号传递形式模拟信号、数字信号、开关信号。二、测量过程与测量误差（一）测量过程：被测变量信号通过能量的不断变换和传递，并与相应的测量单位进行比较的过程。（二）测量误差：测量值与被测参数真实值之间的差距。1. 测量误差的分类（1）系统误差：误差的大小和符号均不随测量过程而改变，有规律，可修正。主要由仪表本身的缺陷，观测者的习惯、单因素环境条件的变化等引起。（2）随机误差：同样测量条件下，多次测量结果都不重复的误差。 随机误差在多次测量时，其总体服从统计规律，大多服从正态分布，具有对称性、有界性、抵偿性和单峰性等特点。（3）疏忽误差：由测量者在测量过程中疏忽大意造成，应避免。2. 测量误差的表示方法：（1）绝对误差：测量值与真实值之差。=（2）相对误差：绝对误差与真实值的百分比。 （3）相对百分误差（允许误差）：绝对误差限与仪表量程的百分数表示。=m/(仪表上限-仪表下限)*100%三、检测仪表的质量指标1精度（准确度）：一般用引用误差表示。引用误差用仪表的绝对误差与该仪表量程的百分比表示，即将最大引用误差的“”和%去掉后的数值与国标规定的精度等级相靠拢。工业用表的精度等级有：0.5、1.0、1.5、2.5、4.0。2回差（恒定度）：用同一仪表对相同变量值进行正、反行程测量时，其指示值间的最大差值，用输出量程的百分数表示。注意：正常仪表的回差应小于其允许误差，否则，应及时检修。3灵敏度与灵敏限灵敏度指仪表稳定后，指针位移量与被测变量的变化量之比。 灵敏限指引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。一般仪表的灵敏限不大于仪表允许绝对误差的一半4线性度：反映检测仪表输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。用实际测得的输入-输