化工自动化仪表期末复习摘要

化工自动化仪表期末复习摘要第一章 自动控制系统概述1.单元组合仪表之间用标准统一信号联系：气动仪表（QDZ 系列）：20-100kPa 气压信号；电动仪表信号：（A）DDZ系列：0-10mA 直流电流信号；（B）DDZ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。实例 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）：不需要对被控被控过程：锅炉汽包被控变量：汽包液位操纵变量：水的流量扰动：水压力、蒸汽流量变量进行测量，只根据输入信号进行控制，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。4.闭环控制系统的组成（P5）：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) ：控 制 装 置 执 行 器 过 程检 测 元 件 、 变 送 器r(t)比 较机 构-e(t) u(t) q(t)y(t) f(t) c(t)扰 动 广 义 对 象被 控 变 量测 量 值 控 制 器设 定 值 闭 环 控 制 系 统 组 成 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(t):测量值r(t):设定值c(t) (e)单 调 衰 减 (c)等 幅 振 荡 (b)单 调 发 散 (d)衰 减 振 荡 (a)发 散 振 荡 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t 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）最大动态偏差（e max）：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荡波的峰值与设定值之差。即：图中的 A（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： Bn注：n1：衰减振荡；n=1：等幅振荡；n1：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（ e）：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：；上图中， 。()ery()eryC（4）回复时间（过渡时间） （T s）：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达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 的范围内且不2%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） （ ）：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。实例 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） 。(1)最大偏差：e max=230-200=30 ()(2)余差： e=200-205=-5()(3)衰减比： n=(230-205):(210-205)=25:5=5:1(4)过渡时间：T s=22min22 20 200 205 210 230 5 t/min 温 度 第二章 过程特性1.过程特性的类型：通道的概念：控制通道：操纵变量 q(t)对被控变量 c(t)的作用途径。扰动通道：扰动变量 f(t)对被控变量 c(t)的作用途径响应曲线有四种（P13）：有自衡的非振荡过程、无自衡的非振荡过程、有自衡的振荡过程、具有反向特性的过程。2.过程的数学描述：一阶被控过程控制通道的动态方程为： ()()oodcttqtTK一阶被控过程扰动通道的动态方程为： ()f fttt注：如果有纯滞后： 。其中，T o、T f、K o、K f分别为控制通道、扰动通道的时0()qt间常数和放大系数。3.过程特性的一般分析：描述有自衡非振荡过程的特性参数有放大系数 K、时间常数 T 和时滞 。放大系数 K：希望 Ko稍大，希望 Kf小一些。控制通道的放大系数 Ko： ；()(0)ccq扰动通道的放大系数 Kf： 。()()f f时间常数 T：希望 To适中，希望 Tf大。定义 1 在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化量的 63.2%所需要的时间, 称为该阻容环节的时间常数。定义 2 在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值所需要的时间。 （如何求得 T 的方法，参见右图）时滞 ：在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为纯滞后（时滞）现象。 （定义中的纯滞后包括了两种滞后：纯滞后、容量滞后，即：= o+c）其中：纯滞后 o是由于信息的传输需要时间而引起的；容量滞后 c是多容量过程的固有特性，是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。【关于时间常数 T 和时滞 的图解，参见 P19 图 2-13】4.过程特性的实验测定方法：最常用的是阶跃扰动法（反应曲线法） 。其它还有：矩形脉冲扰动法、周期扰动法、统计相关法。第三章 检测变送1.测量误差：相对误差（仪表引用误差）： ；最大maxin10%,XYY引用误差又称为允许误差 max。 （一般仪表量程上限 Ymax在被测变量的 4/3-3/2 倍）2.仪表的性能指标：（1）精确度（精度）：仪表的精度等级是按国家统一规定的 允许误差大小来划分成若干等级的。精度等级：允许误差去掉“”号及“%”后，系列化圆整后的数值。目前我国生产的仪表的精度等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0 等。关于选表与校表的区别：选表往精度等级小的靠；校表 往精度等级大的靠。实例 某台测温仪表的量程是 600-1100，其最大绝对误差为 4 ，试确定该仪表的精度等级。仪表的允许误差为 max410%.86这台仪表的精度等级应定为 1.0 级（校表）某台测温仪表的量程是 600-1100，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过 4 ，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。根据工艺要求，仪表的最大允许误差为 max410%.86所以只能选择一台允许误差为0.5%，即精确度等级为 0.5 级的仪表，才能满足工艺要求。 （选表）（2） 变差（回差）：外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。 （仪表的变差不能超出仪表的允许误差）（3）灵敏度和分辨率：灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即：灵敏度=Y/X（灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度）分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。（4）动态误差：由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。（5）线性度：衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。线性度差就要降低仪表精度。3.温度检测：温度检测方法：接触式和非接触式。热电偶：（1）测温原理 热电效应（2）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号：B、S、K、E 等。 （参见右图）（3）补偿导线：解决参比端温度的恒定问题。（4）热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）：补偿原理：工作端温度 ，参比端 0，热电势为 00(,)(,)(,)EE参比端温度补偿方法：（A）计算法（B）冰浴法（C）机械调零法（D）补偿电桥法（常用） 。热电阻：（1）分类：金属热电阻、半导体热敏电阻。（2）采用三线制接法：消除连接导线阻值变化带来的误差 。（3）分度号：Pt50、Pt100、Cu50 等。热电偶与热电阻的选择：高温热电偶；低温（500以下）热电阻（1）热电偶：（A）参比端温度补偿；（B）补偿导线的极性不能接反；（C）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；（D ）在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。 （2）热电阻：（A）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；（B）采用 三线制接法；（C）配套使用仪器：电子自动平衡电桥。4.流量检测：（1）三种流量表示：质量流量(q m)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位：(kg/s)体积流量(q v)：单位时间内流过某截面的流体的体积。 (工作状态) 单位：(m 3/s ) ；q m=qv体积流量(q vn)：折算到标准的压力和温度下的体积流量。 （标准状态下：一个大气压，20）（2）流量检测的主要方法：测体积流量：（A）容积法（不用直管段恒流）：如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等。（B）速度法：有差压式、电磁式、漩涡式、声学式、热学式、涡轮式。测质量流量：间接法（测出体积流量和密度，经过计算得到。主要有压力温度补偿式质量流量计）和直接法（如：科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动量式流量计）5.差压式流量传感器：（1）节流装置（前后要有一定长度的直管段）：流量方程式( 差压与流量的关系) ：22v mpqKqKp体 积 流 量 ； 质 量 流 量（2）靶式流量计；（3 ）涡轮流量计；（