化工化工仪表及自动化知识讲解.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。化工化工仪表及自动化-化工仪表及自动化考试复习资料金刚葫芦娃注意啦啦啦-任课教师为试题出题人。工大著名的某某某教授。适合专业：应化，工艺，生命。化工仪表及自动化考试综述：考试题型有：填空题，选择题，计算题，分析综述题。填空题为每章中的重要语句，在此资料中指出，黑体标出。选择题为一些重要的知识点以及一些干扰项。资料中有指出。计算题类型为课本第15页例题，第35页例题，不会出原题，但类型大致如此！分析综述题类型为课本第169页例题13和14题，控制器的正反作用，及方框图内容。备注：由于SB教务处的SB临时决定，将六门专业课压缩至四天考完，没有充足时间做资料，但本资料已覆盖考试题90%的内容。资料内容全为老师讲的考试重点，给的范围，希望能帮助同学们顺利通过考试。第一章自动控制系统基本概念1为了实现化工生产自动化，一般要包括自动检测自动保护自动操作和自动控制等方面的内容。自动控制系统是自动化生产中的核心部分分。2自动控制系统的基本组成：测量元件与变送器自动化装置自动控制器组成执行器被控对象3自动控制系统的表示形式：方块图中，x指设定值；z指输出信号；e指偏差信号；p指发出信号；q指出料流量信号；y指被控变量；f指扰动作用。当x取正值，z取负值，e=x-z，负反馈；x取正值，z取正值，e=x+z，正反馈。4系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫反馈。能够使原来的信号减弱的信号叫负反馈，使原来的信号加强的反馈信号叫正反馈。开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。5自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。6管道及仪表流程图（PID）：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。在工艺流程图基础上，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。7图形符号：见课本第9页。8字母代号：C：控制(调节)F：流量I：指示L：物位P：压力或真空Q：积分累积R：记录打印T:温度或传送9自动控制系统的分类：将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。10自动控制系统的过渡过程和品质指标自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。静态被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）动态被控变量随时间变化的不平衡状态。在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。控制系统的过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。采用阶跃干扰的优点：Ø 这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么Ø 一定能很好地克服比较缓和的干扰。阶跃干扰作用Ø 这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。自动控制系统在阶跃干扰作用下的过度过程的四种形式非周期衰减过程（）衰减震荡过程（）等幅震荡过程（？）发散震荡过程（）等幅震荡过程：对于控制质量要求不高的场合，如果被控变量允许在工艺许可的范围内振荡（主要指在位式控制时），才可采用。控制系统的品质指标：控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程五种重要品质指标：1.最大偏差或超调量最大偏差A是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。超调量B也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。2.衰减比（B/B）衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为n:1，一般n取为410之间为宜。3.余差（C）当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。4.过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±（也有的规定为±）。5.震荡周期或频率过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。例题：课本第15页！自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自动化装置部分。对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。作业题：4，5，6，7，21,22.第二章过程特性及其数学模型本章只需掌握基本概念！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。系统的控制质量与被控对象的特性有密切的关系。1.非参量模型当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。2.参量模型当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。3建模目的（1）控制系统的方案设计（2）控制系统的调试和控制器参数的确定（3）制定工业过程操作优化方案（4）新型控制方案及控制算法的确定（5）计算机仿真与过程培训系统（6）设计工业过程的故障检测与诊断系统建模方式：机理建模，实验建模。混合建模。4描述对象特性的参数放大系数K时间常数T滞后时间第三章检测仪表与传感器测量误差通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。仪表的性能指标精确度：相对百分误差=max/(测量范围上限值-测量范围下限值)100%需记住的仪表的精确度等级：0.5,1.0,1.5例题为一计算题0.05级以上的仪表，常用来做标准表按仪表使用的能源来分，工业自动化仪表可分为气动仪表，电动仪表和液动仪表。在压力测量中，常有表压，绝对压力，负压或真空度之分。表压=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力测量压力或真空度的仪表很多，按其转换原理的不同，大致可分为四大类：1液柱式压力计2弹性式压力计3电气式压力计（用得最多）4活塞式压力计弹簧管式弹性元件：单圈弹簧管是弯成圆弧型的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形，不能做成圆形。电气式压力计：是一种能将压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。1霍尔片式压力传感器：根据霍尔效应制成的。压力-位移-磁场-电势。2应变片式压力传感器：利用电阻应变原理构成的。压力-形变-电阻。3压阻式压力传感器：利用单晶硅的压阻效应而构成的。压力-电阻。4电容式压力传感器：压差-电容。压力计的选用与安装：课本46页流量检测及仪表：速度式流量计：转子流量计，涡轮流量计，电磁流量计，差压式流量计等容积式流量计：椭圆齿轮流量计等。质量流量计：科里奥利力质量流量计。标准节流装置：孔板，喷嘴，文丘里管。流量测量仪表的选型与安装：课本63页。液位：在容器中液体介质的高低称为液位料位：容器中固体或颗粒状物质的堆积高度称为料位液位计：测量液位的仪表称为液位计料位计：测量料位的仪表称为料位计界面计：测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表称为界面计物位仪表：液位计，料位计，界面计称为物位仪表差压式液位变送器：工作与原理：是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的.当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表零点迁移问题温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量热电偶温度计热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表热电偶温度计是由三部分组成：热电偶（感温元件）；测量仪表（毫伏计或电位差计）；连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）。热电偶温度计测温系统示意图1-热电偶；2-导线；3-测量仪表；热电现象及测温原理：第五版课本第79页。重要结论：如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。补偿导线的选用：采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0100）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。冷端温度的补偿：在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。（1）冷端温度保持为的方法如图，把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冰水混合物的容器中，此法多用在实验室中。（2）冷端温度修正方法：在实际生产中，冷端温度往往不是0，而是某一温度t1，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。（详见课本第84页）注意：用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。热电阻温度计：在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。测温原理：利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性（电阻温度效应）来进行温度测量的。测温元件的安装：（1）在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。安装时应迎着被测介质流向插入，至少需与被测介质正交，切勿与被测介质形成顺流。（2）测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。（3）测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。（4）若工艺管道过小（直径小于80mm），安装测温元件处应接装扩大管（5）热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量（6）为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。（7）测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。显示仪表：按照显示方式来分：模拟式，数字式，屏幕显示三种。第四章自动控制仪表DDZ-型信号：DC010mA.DDZ-型信号：DC420mA。控制器的基本控制规律：位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）比例控制：优点：反应快，控制及时缺点：存在余差积分控制：当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。微分控制：优点：具有超前控制功能。缺点：它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。第五章：执行器执行器作用：接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内按能源形式分类：气动执行器电动执行器气动执行器由执行机构和控制机构两部分组成。控制阀的流量特性：控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状：主要有直线，等百分比，抛物线及快开等几种。气开式与气关式的选择：有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。选择要求：主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。气动执行器的安装和维护：课本148页电-气转换器可以把电动变送器来的电信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀，此时常用电气阀门定位器，它具有电-气转换器和气动阀门定位器两种作用电-气阀门定位器：1具有电-气转换器的作用，可用电动控制器输出的010mADC或420mADC信号去操纵气动执行机构2具有气动阀门定位器的作用，可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位。第六章：简单控制系统简单控制系统：通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。一、被控变量的选择：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。（2）被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。（3）尽量采用直接指标作为被控变量。（4）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。（5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状（6）被控变量应是独立可控的。二、操纵变量的选择：操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。三、控制器控制规律的选择：（1）比例控制器比例控制器是具有比例控制规律的控制器控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统特点：控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。（2）比例积分控制器：比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统（3）比例积分微分控制器比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器理想的三作用控制器，存在可调整参数：比例放大系数KP（或比例度）、积分时间TI和微分时间TD微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统注意：目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例、积分、微分三种作用。只要将其中的微分时间TD置于，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间TI置于无穷大，便成了比例控制器。控制器正、反作用的确定：控制器的正反作用是关系到控制系统能否正常运行与安全操作的重要问题。要通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。正作用方向：当某个环节的输入增加时，其输出也增加，称该环节为“正作用”方向。反作用方向：当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向测量元件及变送器：作用方向一般是“正”的。执行器：作用方向取决于是气开阀还是气关阀。被控对象：作用方向随具体对象的不同而各不相同。控制器：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。结论：在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。控制器参数的工程整定：控制器参数的工程整定的方法很多，主要有两大类：一类是理论计算法，另一类是工程整定法。几种常用的工程整定法：临界比例度法衰减曲线法经验凑试法在一个自动控制系统投运时，控制器的参数必须整定，才能获得满意的控制质量本章内容为最后一道简述题，作业题为1，2，9，13，14，15-