化工自动化仪表期末复习摘要.pdf
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1、 化工自动化仪表期末复习摘要第一章自动控制系统概述L单元组合仪表之间用标准统T 言号联系:气动仪表(QDZ系 列):20-100kPa气压信号;电动仪表信号:(A)DDZII系 列:0-10mA直流电流信号;(B)DDZID系 列:4-20mA(1-5V)直流电流信号。2.专用术语:被控过程(被控对象):自动控制系统中,工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量:被控过程内要求保持设定值的工艺参数。操纵变量:受控制器操纵的用以克服干扰的影响,使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动:除操纵变量外,作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。被控过程:锅炉汽包被控变量:汽包液位操纵变量:水的流
2、量扰动:水压力、蒸汽流量设定值:工艺参数所要求保持的数值。偏差:被控变量实际值与设定值之差。负反馈:将被控变量送回输入端并与输入变量相减3.闭环控制与开环控制:闭环控制:在反馈控制系统中,被控变量的值被送回输入端,与设定值进行比较,根据偏差进行控制,控制被控变量,这 样,整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点(优 点):按偏差进行控制,使偏差减小或消除,达到被控变量与设定值一致的目的。闭环控制的缺点:控制不够及时;如果系统内部各环节配合不当,系统会引起剧烈震荡,甚至会使系统失去控制。开环控制:根据扰动信号的变化来进行控制。开环控制的特点(优 点):不需要对被控变量进行测量,只根据输入信号进行控
3、制,控制很及时。环控制的缺点:由于不测量被控变量,也不与设定值相比较,所以系统受到其他扰动作用后,被控变量偏离设定值,无法消除偏差,这是开环控制的缺点。捽制器4.闭环控制系统的组成(P 5):e(t):偏差u(t):控制作用(控制器输出)q(t):操纵变量c(t):被控变量y:测量值r(t):设定值控 制 器:比较机构和控制装置的组合;广义对象:过程、执行器、检测变送的组合。5.自动控制系统的分类:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。6.自动控制系统的过渡过程及品质 指 标:定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动):发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减自动控制系统的品质指标:(1)最大
4、动态偏差(e m a x ):对于定值控制系统,过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个振/E E,I7-r_L C荡波的峰值与设定值之差。即:图中的A 8二:+山稳态特性(2)衰减比n:第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。即:=0B注:nl:衰减振荡;n=l:等幅振荡;nl:发散振荡。为保持足够的稳定裕度,一般希望过渡过程有两个波左右,与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。(3)余 差(es):控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。即:%=r 一 歹(8);上图中,%=y(8)=Co(4)回复时间(过渡时间)(Ts):控制系统在受到阶跃外作用后,被控变量从原有稳态值达
5、到新的稳态值所需要的时间。实际上,被控变量接近于新稳态值的 2%的范围内且不再越出时为止所经历的时间,可计为过渡时间。(5)振荡频率(或振荡周期)(3):渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。画某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(设定值为200 1Q)最大偏差:emax=230-200=30()余 差:e2OKPa.为了迁移掉hopg,即在h=0时仍然使Po=2OKPa,可以调整仪表的迁移弹簧张力。.迁移量hopg 0,是正迁移。量程迁移后,测量范围为Ohmaxpg,再通过零点迁移,使差
6、压式液位计的测量范围调整为hopg(hopg+hmaxpg 8.变送器:作 用:将检测元件的输出信号转换成标准统一信号送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。常见的变送器有:温度变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。工作原理:负反馈原理。变送器的量程、零点迁移:(y 为标准输出信号;x 为被测参数)(1)量程迁移(调整斜率):目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。因为y=,(Cx+z 0),所以改变反馈系数F的大小可以实现量程调整,F大则量程大。F(2)零点迁移(平移):目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。零点调整:Xmin=0 零点迁移:X
7、mi n(A)正 迁 移:Xmin 0(B)负 迁 移:Xmin0.6:认为工作特性与理想特性相同。0.3S0.6:SeTT 阀I 开度 u J,控制器应选反作用第七章简单控制系统1.被控变量的选择原则:(1)合理性与独立性:尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量。(2)直接指标与间接指标:所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求。(3)可测与可控:必须考虑自动化仪表及装置的现状。2.操纵变量的选则原则:(1)操纵变量必须是工艺上允许调节的变量。(2)操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数K要尽量大一些,时间常数T适当小些,滞后时
8、间尽量小。(3)不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。(4)工艺上的合理性和方便性。3.选择控制规律时注意:(1)微分作用对过程的容量滞后有效,而对过程控制通道存在纯滞后无效。(2)积分控制可以消除余差,但会带来积分饱和。4.控制器的参数整定:(1)临界比例度法:先树空制器设置为纯比例作用,比例度5放在较大位置,将系统投入闭环控制,然后逐步减小比例度6并施加干扰作用,直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。求得临界比例度均,临界振荡周期T h根据6k和Tk查表找控制器应该采用的参数值。(注:控制系统工作在非线性区,不适用)(2)衰减曲线法:将控制器先设置为纯比例作用,并将比例度8放在较大的位置上
9、。将系统投入闭环控制,在系统稳定后,逐步减小比例度,改变设定值以加入阶跃干扰,观察过渡过程的曲线,直至衰减比n为4:10这时的比例度为8s,衰减周期为Ts,最 后,查表得出控制器应该采用的参数值。(注:加干扰前,控制系统必须处于稳定的状态;阶跃干扰的幅值不能大;不可以过渡过程波动频繁)(3)经验整定法:经验法整定控制器参数的关键是 看曲线,调参数、(A)比 例 度8:比例度越大,过渡过程越平缓,余差越大;比例度越小,过渡过程振荡越激烈,余差越小,6过 小,甚至成为发散振荡的不稳定系统。(B)积分时间Ti:积分时间越大(积分作用越弱),过渡过程越平缓,消除余差越慢;积分时间越小(积分作用越强),
10、过渡过程振荡越激烈,消除余差快。(C)微分时间TD:微分时间越大,微分作用越强。第八章复杂控制系统1.常用的复杂控制系统有:串级、均匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等。2.串级控制系统(只有一个执行器):(1)串级控制系统的基本原理和结构:思 想:把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。例 如:加热炉温度串级控制系统P171将原被控对象分解为两个串联的被控对象。以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量,构成一个副回路(简单控制系统X将原被控变量作为主被控变量构成主回路。主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值,副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信
11、号。(3)系统的工作方式:副环既是随动又是定值控制系统;主环是定值控制系统。(4)副被控变量的选择原则:必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间变 量;使主要扰动作用于副对象上,使副对象包含适当多的扰动;主、副对象的时间常数不能太接近。副控制器控制规律一般选择P控 制,而且比例度选的较小。(5)正、反作用选择:副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气关形式来确定。主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定(与气开、气关无关工画I下图所示的加热炉温度-压力串级控制系统,试分别确定主、副控制器的正、反作用。解:气开阀(1)阀的气开、气关特性:依据安全原则,当
12、供气中断时,应使控制阀处于全关闭状态,不致烧坏加热炉,所以应选气开阀。(2)副控制器的正、反 作 用:P T ys T eTp 燃 料 量L-阀开度上.选 择 反作用。(3)主控制器的正、反作用:T T 7要求P J才能使T J.主控制器应选反作用(TT与P1反 向X结 论:副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气开、气关特性;主调节器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。(6)系统投运:将主控制器设定为内设定方式,副控制器设定为外设定方式。参数整定:两步整定法:先整定副控制器,后整定主控制器。一步整定法:只整定主控制器,副控制器的参数按经验值设定。(7)串级控制系统适用场合:采用简单控制
13、质量较差或要求被控变量的误差范围很小,简单控制系统不能满足工艺要求。当对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁的情况。复杂控制系统中用的最多的一种。3.均匀控制系统(与简单定值系统外形一致):(1)均匀控制的目的:从控制方案出发,解决前后工序供求矛盾,达到前后兼顾协调工作(如使液位和流量均匀变化X(2)采用均匀控制的前提条件:系统需要控制的两个或多个变量的要求不是很高,可以在一定范围内波动。(3)均匀控制的特点:表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。(4)实现方法:通过控制器的参数整定来实现。(5)注意:微分作用与均匀矛
14、盾,故不能采用微分作用。(6)与定值控制系统区别:区别在于控制器的控制规律选择和参数整定。均匀控制系统要 求:不选择微分作用,参数整定上一般比例度大于100%,积分时间要长,才能满足均匀控制。均匀控制系统所控制的变量允许有一定波动,对余差无要求。4.比值控制系统:(1)目 的:是为了实现几种物料按一定比例混合,使生产安全、正常地进行。(2)定 义:实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统。(3)主动量与从动量:主动量(主流量):在需要保持比值关系的两种物料中,必有一种物料处于主导地位,称此物料为主动量(FM)。从动量(从流量):另一种物料按主物料进行配 比,在控制过程
15、中随主物料而变化,因此称为从动量(FS)。(4)比值控制系统分类:单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。(5)单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别:结 构 上:没有主对象、主控制器;本质区别:串级中,副变量是操纵变量到主被控变量之间的一个中间变量,会影响主被控变量,在比值中,从动量不会影响主动量。(6)特 点:从动量控制系统既是一个随动控制系统又是一个定值控制系统。单闭环比值控制系统能克服从动量的波动,使其随主动量的变化而变化,使它们保持比值关系。(7)双闭环比值控制系统:双闭环控制系统实际上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统组成,它不仅能保持两个流量之间的比值,而且能
16、保证总流量不变。适用场合:主要应用于总流量需要调整的场合。5.分程控制系统(需要阀门定位器):(1)分程控制系统方块图及其特性:简单控制系统分程控制系统(2)分程控制系统的特点::一个控制器的输出信号只控制一个执行器。:一个控制器的输出信号同时控制几个工作范围不同的执行器。(3)分程的实现:是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的,将调节器的输出信号分为几段,每段控制一个阀门动作。(4)分程控制的应用:提高控制阀的可调比;交替使用不同的控制方式;满足生产过程不同阶段的需要。(5)控制阀的可调范围R 的计算:R=控制阀max流通能力控制阀min流通能力蛹 设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为C
17、Amax=100,CBmax=4,可调范围RA=RB=30,两个阀均为气开阀,试求两个阀并联后的可调范围。C解:=G nin.可得小阀的最小流通能力为csmin=与”=0.133RB 30当大、小阀并联组合在一起时,阀的最小流通能力为0.133,最大流通能力为104,所以调节阀的可调范围为RTC.4 m a x +Cemax _ 104Gmi n-O J33=7826.前馈控制系统(可测不可控):(1)概 念:反馈控制(闭环控制):控制器按照被控变量与设定值的偏差来进行控制。存在的问题:当被控变量偏离设定值,产生偏差后才进行控制,使得控制作用滞后。前馈控制(开环控制):控制器根据扰动或设定值的
18、变化按补偿原理进行工作。特 点:扰动产生后,被控变量还未变化之前,根据扰动的大小施加控制,控制超前。(2)反馈与前馈的对比:反馈控制特点:(1)是闭环控制系统控制滞后(3)可克服所有扰动前馈控制特点:(1)是开环控制系统(2)控制及时(3)只能克服所测量的扰动(3)采用前馈控制系统的条件:扰动可测但是不可控。变化频繁且变化幅度大的扰动。扰动对被控变量影响显著,反馈控制难以及时克服。第九章计算机控制系统1.计算机控制系统的发展(记住缩写及名称):时间缩写名称最初DDC直接数字控制系统(集中控制系统)20世纪70年代DCS集散控制系统(集中管理、分散控制)20世 纪60年代PLC可编程逻辑控制器2
19、0世纪末FCS现场总线控制系统目前及未来CIMS计算机集成制造系统CIPS计算机集成过程系统2.集散控制系统:(1)定 义:集散控制系统又称为分散型控制系统(Distributed Control System),简称为DCS系 统,是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。(2)主要特征:集中管理和分散控制。(3)具体有以下几个方面:分级递阶结构;采用微机智能技术;丰富的功能软件包;采用局部网络通信技术;友善的人机接口;高可靠性。3.可编程逻辑控制器:(1)定 义:可编程序控制器(Programmable Controller,PC)早期主要用于逻辑控制
20、,习惯上称之为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简 称PLC,(2)可编程序控制器的特点(优 点):高可靠性:PLC的主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提高系统可靠性的措施。易操作性:操作、维修、编程灵活性:表现在编程、扩展、操作三个方面机电一体化:PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控制领域的主要控制设备。(3)可编程序控制器的主要功能:开关逻辑和顺序控制:最主要功能模拟控制:过程控制点数较少,开关量控制较多时。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。信号联锁:信号联锁是安全生产的保证,高可靠性的P
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