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一、二月份： 高级篇 第1章 石油化工自动化基本知识 运用石油化工自动化技术，建立石油化工自动控制系统的目的，就是为了使石油化工生产装置安全、稳定、高效地运行，为此，必须了解自动控制系统的被控对象，研究其动态特性，为建立控制系统提供依据。 本章结合石油化工生产过程的特点，主要介绍被控对象的类型和特性参数等基本概念，为学习自动控制系统奠定基础。 1.1 被 控 对 象 自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系，而且被控对象的特性对控制质量的影响很大。本章着重研究被控对象的特性，而所采用的研究方法对研究其他环节的特性也是同样适用的。 在石油化工自动化中，常见的对象有各类换热器、精馏塔、流体输送设备和化学反应器等。此外，在一些辅助系统中，气源、热源及动力设备（如空压机、辅助锅炉、电动机等）也可能是需要控制的对象。本章着重研究连续生产过程中各种对象的特性，因此有时也称研究过程的特性。 各种对象千差万别，有的对象很稳定，操作很容易；有的对象则不然，只要稍不小心就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。有经验的操作人员往往很熟悉这些对象。在自动控制系统中，当采用一些自动化装置来人工操作时，首先必须深入了解对象的特性，了解其内在规律，然后根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数（也称控制器参数的工程整定），使系统正常地运行。特别是一些比较复杂的控制方案设计，例如前馈控制、计算机优化控制等更是离不开对象特性的研究。 1.1.1 被控对象的通道 研究对象的特性，就是研究对象输入量与输出量之间的关系。在研究被控对象的特性时，一般将被控变量y看作对象的输出量，也叫输出变量，而将干扰作用?和控制作用u看作对象的输入量，也叫输入变量。干扰作用?和控制作用u都是引起被控变量y变化的因素。 由对象的输入变量至输出变量的信号联系称之为通道。控制作用u至被控变量y间的通道称之为控制通道；干扰作用?至被控变量的通道y称之为干扰通道。在研究对象特性时，应预先指明对象的输入变量是什么，输出变量是什么，因为对于同一个对象，不同通道的特性可能是不同的，如图2-1-1所示。 1.1.2 被控对象的类型 在描述被控对象类型时，常常用“自衡性质”来区别自衡对象与非自衡对象两类不同对象。如图2-1-2所示，q1表示进入水槽的流量，q2表示离开水槽的流量，h表示水槽中的水位高度，Δq1、Δq2和Δh分别表示上述变量的增量。 在图2-1-2（a）中，当q1=q2 时，水位稳定在h位置。若q1增加Δq1，则水位上升。当水位上升时，虽然出口阀开度不变，但由于压头的升高，q2也将增加。直到水位上升到h+Δh，Δq2=Δq1时，水位就稳定了。这种对象无需人工或自动装置改变出口阀的开度，即可自行达到新的平衡，即本身具备适应外界条件而自发地趋向平衡能力的对象，就是自衡对象。 在图2-1-2（b）中，当q1=q2时，水位稳定在h位置。若q1增加Δq1，水位上升。由于水槽出口是泵而不是阀，泵出口流量即水槽出口流量q2不受水位波动的影响，将稳定不变，故水位会无休止地上升，直到溢出。这种不具备适应外界而自发地趋向平衡能力的对象，是非自衡对象。 1.1.3 被控对象的特点 由于在石油化工过程的测量中，不仅有常温、常压等测量参数，还会遇到高温、高压、低温、低压、易燃、易爆、高黏度及腐蚀性等介质的参数测量问题。另外，被测参数的动态特性有的变化缓慢有的变化迅速，因此要求测量仪表具有耐高温、耐高压、耐低温及防腐蚀、放堵塞、防爆等性能指标和较好的动态特性。 下面就石油化工过程中的几大常用参数对象做一个简单的介绍： （1）压力对象 石油化工过程都是在一定的压力条件下进行的，并且所处的条件也不相同。有的过程需要高压，例如高压聚乙烯要在240MPa以上的高压下聚合；有的过程需要低压，甚至有的过程在真空条件下进行，例如炼油厂的减压装置在真空度3-6kPa的条件下操作。有些压力对象具有超高压、高度真空和脉动等特点，有时还需要测量高温、低温、强腐蚀及易燃易爆介质的压力。 （2）物位对象 在石油化工过程的物为测量中，不仅有常温、常压、一般性介质的液位、料位、界面的测量，也常常会遇到高温、低温、易燃易爆、黏性及多泡沫沸腾状介质的物位测量问题。 （3）流量对象 流体在流动状态方面有层流、紊流和脉动流，流体本身有低黏度、高黏度及强腐蚀性等，测量对象有气体、液体、固体和两相流体，测量范围从每秒钟数滴到每小时数百吨等等。面对如此复杂的情况和要求，必须针对不同的情况采用不同的测量方法和测量仪表。流量