Chemical Instrumentation & Automation

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1 Chemical Instrumentation & Automation
化工仪表及自动化 Chemical Instrumentation & Automation 鲍鸿 2012年1月

2 课程的成绩评定 课程安排（32学时） 讲课：28 实验：4 成绩评定： 考试：70% 出勤：10% 作业：10% 实验：10%

3 如何控制发酵条件？ 专家研究了发酵条件（初始食盐浓度、发酵温度、花椒和碘）对自然发酵泡菜液中微生物菌系的影响。 研究表明：
在较高温度下发酵，不利于乳酸菌形成生长优势； 在较低温度下发酵，6％ 的盐浓度比8％ 的盐浓度能更好地促进乳酸菌的生长； 花椒和碘可使参与发酵的主要菌群乳酸菌和酵母菌加快生长和繁殖。 这些初始条件（初始食盐浓度、发酵温度、花椒和碘的含量）如何控制？

4 啤酒发酵的温度和压力如何控制？ 啤酒发酵就是把糖化麦汁中的糖类分解成为C2H5OH、CO2、H2O的过程，释放出大量的热量，同时在发酵过程中还会产生的中间代谢产物(发酵副产物)，其和酒花成份一起对啤酒的质量和口味起着决定性的影响。整个发酵过程需要根据厂方提供的工艺温度曲线，将发酵温度控制在给定温度的±0.3℃范围之内，同时保证发酵罐内存在一定的温度梯度。另外，还必须对压力进行控制。 啤酒发酵过程的温度和压力如何控制？

5 啤酒发酵过程中的温度控制

6 鲜奶的发酵过程 研究表明，鲜奶在发酵过程中，组织状态、风味和酸度，受菌种接种比例、发酵时间、发酵温度和加糖量的影响，加糖量是影响发酵奶风味的主要因素。 最佳工艺参数是：发酵温度37 ℃ 、43 ℃的分段发酵，发酵时间为2.5 h，菌种接种比倒是酵母菌：乳酸菌为2：3，加糖量为6％，酸度为84oT的发酵奶能够获得最佳的效果。 鲜奶在发酵过程中的发酵温度、发酵时间、菌种接种比倒、加糖量和酸度如何控制？

7 相关产品的生产 我们专业还有那些相关的生产过程？ 巴氏杀菌酸奶生产工艺： 烟叶发酵： 你还知道其他与你所学专业相关的产品吗？
开菲尔酸奶：发酵温度是影响开菲尔酸奶品质的最主要因素，发酵时间次之，接种量相对影响较小。 巴氏杀菌酸奶生产工艺： 牛奶+脱脂乳粉(乳清浓缩蛋白) →复合型亲水胶体→物料混合(50℃,10分钟) →水合(10 ℃ ,30分钟) →超高温灭菌(137℃ ,4秒)、均质(20Mpa)、冷却到42±1 ℃ →接种和培养( 小时,pH4.1～4.2, 95oT-100oT)→杀菌(71 ℃ ,60秒) →冷却(25 ℃) →无菌灌装 烟叶发酵： 控制发酵库的温度、湿度，使温度值和湿度值保持在预定曲线所确定的数值上，可以让烟叶发酵达到理想的效果。 你还知道其他与你所学专业相关的产品吗？

8 实验室里的发酵罐控制 通过计算机对发酵罐上的各种装置进行自动记录和自动控制。
例如，对溶氧量的控制，可以通过通气和搅拌速度来调节；对温度控制，可以通过发酵罐上的温度自动测试、控制装置进行检测和调整；对pH的控制，可以通过加料装置，添加酸或碱进行调节，也可以在培养基中添加PH缓冲液等。

9 教学目标 绪 论 何为过程(化工)自动化？ 如何来构建一个简单控制系统 ？ 自动化技术、自动化仪表的简要发展过程 本课程的主要知识点

10 自动化 什么是自动化？ 机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。
自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。 采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。 因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

11 自动化的研究内容 自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。
它的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等， 从应用观点来看，研究内容有： 过程自动化（化工自动化） 机械制造自动化 管理自动化 实验室自动化 家庭自动化

12 过程（化工）自动化 石油炼制和化工等工业中流体或粉体的化学处理自动化。
一般采用由检测仪表、调节器和计算机等组成的过程控制系统，对加热炉、精馏塔等设备或整个工厂进行最优控制。 采用的主要控制方式有反馈控制、前馈控制和最优控制等。

13 机械制造自动化 机械制造自动化 这是机械化、电气化与自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。 20世纪60年代以后，由于电子计算器的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算器辅助设计、计算器辅助制造、自动化仓库等。 研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统 (FMS)。以柔性制造系统为基础的自动化车间，加上信息管理、生产管理自动化，出现了采用计算器集成制造系统(CIMS)的工厂自动化。

14 汽车电子测量系统

15 管理自动化 管理自动化 工厂或事业单位的人、财、物、生产、办公等业务管理自动化，是以信息处理为核心的综合性技术，涉及电子计算器、通信、系统与控制等学科。 一般采用由多台具有高速处理大量信息能力的计算器和各种终端组成的局部网络。 现代已在管理信息系统的基础上研制出决策支持系统(DSS)，为高层管理人员决策提供备选的方案。

16 自动化应用前景 70年代以来，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化， 例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。 自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。 工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。

17 自动收费系统

18 机器人——自动化技术的代言人

19 何为过程(化工)自动化 从工艺的眼光来看 从控制的眼光来看 最高目标 换一种说法：
在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：用自动化装置来管理设备（生产过程），使之正常运行。 换一种说法： 所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或者状态上，或者使生产过程按照一定的程序或者步骤运行，保证生产过程运行在最佳状态(理解) 从控制的眼光来看 最高目标

20 自动控制 所谓“自动控制”是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。 为什么要实现自动控制？ 原因一：代替人的劳动，减轻劳动强度，提高生产效率。 原因二：炼油、化工、冶金、电力、生物、制药等工业过程的生产规模越来越向大型化、复杂化方向发展，各种类型的自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。

21 如何来构建一个控制系统？ 谁需要控制 控制什么 什么时候需要控制 拿什么来控 怎么构成一个自控回路 如果一个对象有很多很多控制回路怎么办？
如何把控制结果显示出来 怎么来控

22 人工操作VS自动控制 进料口 H 出料口 测量仪表 设定值 控制器 玻璃管液位计 人工操作 自动控制(Automatic control)

23 控制理论的简要发展过程 自动控制的本质：是指应用自动化仪器仪表、自动控制装置代替人，自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。 控制问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质和规律，运用适当的数学工具求取问题的解。 “控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，作为自动控制科学的核心的控制理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中发展起来。

24 经典控制理论 1868年 J.C. Maxwell “论调节器” 第一篇控制理论论文。
1877年 E.J. Routh和1895年 A. Hurwitz Routh稳定性判据，它是最基础的稳定性分析工具之一。 1932年 Nyquist “Nyquist稳定性判据”。 1945年 Bode （Bode图法）。 之后， Wienner、Nichols等人 经典的反馈控制和频域理论，并于20世纪50年代趋于成熟。 经典控制理论应用广泛，直到目前，在工业过程控制系统中，经典控制理论应用占90％以上。

25 现代控制理论 由于工业生产过程也向着大型化、连续化的方向发展。 导致 （a）控制系统渐趋复杂：
在整体结构上，表现为非线性、不确定性、无穷维、多层次等； 在被处理的信息上，表现为信号的不确定性、随机性、不完全性等。 （b）控制要求越来越高，除了实现单纯的稳定控制以外，控制器的设计往往还要追求最佳的性能要求。 经典控制理论已无法满足解决多变量、非线性、不确定性以及最佳性能要求等问题的需要，这在客观上促使现代控制理论得以建立和发展。

26 现代控制理论 现代控制理论发展的基础 现代控制理论主要研究分支有：自适应控制 鲁棒控制 非线性控制 大系统理论 模糊控制 神经网络控制
Pontryagin提出的“极大值原理” Bellman提出的动态规划理论 Kalman滤波及其能控、能观和反馈镇定理论 Lyapunov稳定性理论 现代控制理论发展的基础 现代控制理论主要研究分支有：自适应控制 鲁棒控制 非线性控制 大系统理论 模糊控制 神经网络控制 预测控制 ……

27 经典控制理论和现代控制理论的关系 对于经典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论而言，并非意味着相互的否定和排斥，它们之间有着共同发展、互相渗透、相互结合的发展关系。 需要提出的是，在当今的过程控制领域中，几乎有90％以上的控制回路仍然沿用经典的PID控制算法或PID控制算法的变形，并能够获取比较满意的控制效果 。

28 仪表的简要发展过程 控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统 常见的化工参数：T、P 、L 、F 、A (五大参数)(含义？)
化工仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器 控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统

29 仪表的简要发展过程 只具备简单测控功能，其信号一般仅在本仪表内起作用，各测控点间的信号难以相互沟通，操作人员只能通过巡视生产现场来了解生产状况。（目前已淘汰） 基地式仪表 随着生产规模的扩大和工艺要求的提高，操作人员需要掌握多点的运行参数和信息，需要按多点的运行信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往集中控制室，在控制盘上连接。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况。 QDZ：气动单元组合仪表，气源(140kPa)，信号(20－100kPa)。主要有力平衡型和力矩平衡型两类，气动单元组合仪表已基本淘汰。 DDZ：电动单元组合仪表。 DDZ－II型：电源220VAC，信号0～10mA DDZ－III型：电源24VDC，信号4～20mA、1～5VDC 单元组合仪表 目前，应用最多的测控仪表主要是DDZ－III模拟仪表和部分智能型仪表。考虑到控制系统逐渐向FCS方向发展，因此现场总线技术和现场总线仪表的应用将日渐广泛。 仪表中含有微处理器，功能强，往往具备数字信号传输和模拟信号传输两种功能。 智 能 仪 表 现场总线仪表 简而言之就是满足现场总线协议标准的智能仪表。

30 自动化装置的简要发展过程 常规仪表控制系统 单元组合仪表： 调、变、执、算 (DDZ-II、III、QDZ) 第1代 集中型计算机控制系统
基地式系统 基地式仪表 第0代 DDC控制 变、执 (DDZ-II、III) DCS OS：小型机、IPC CS：IPC、PLC、 智能调节器 现场仪表：DDZ-III为主 第3代* 第2代 FCS 将全厂最基础的现场级仪表和装置均通过现场总线连接起来，实现全数字化通讯。 现场仪表：总线仪表 第4代* 分布式IO DCS 现场信号根据传输距离或功能不同连接到现场I/O设备上，各现场I/O设备与控制站间通过网络（现场总线）连接。 现场仪表：DDZ-III、总线仪表 过渡型*

31 本课程的主要知识点 ·自动控制究竟是一个什么“东西”？——不是名词解释 ·怎么样来构建一个自动控制回路？ ·如何工程实施？
需要学习自控回路（系统）的组成、基本工作原理、如何评价自动质量…… ·怎么样来构建一个自动控制回路？ 需要学习构建自控回路的各环节的作用，各环节的特性对自控系统的影响，（最常用）检测仪表、控制仪表的基本工作原理，如何选择合适的自控设备（仪表）…… ·如何工程实施？ ——即使一个象空调器温度控制那么简单的自动控制回路的实施？ 需要学习自动系统的设计、控制参数的整定…… ·更复杂的控制回路如何工程实施？ ·计算机控制是什么一回事？怎么样来设计一个计算机控制系统？ ……

32 主要参考书目 化工仪表及自动化 林德杰 主编，机械工业出版社 自动化与仪表工程师手册 王树青 主编，化学工业出版社
化工仪表及自动化习题集（第2版） 厉玉鸣 主编，化学工业出版社 过程控制仪表及控制系统（第2版）