化工仪表及自动化复习提纲补完版.doc

何谓化工自动化？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，这种用自动化装置来管理化工生产过程的方法叫化工自动化化工自动化的优点及特征。1加快生产速度，降本，提质、产量2）减劳动强度、改劳动条件3）保证生产安全，防止事故发生、扩大，延寿，提利用能力4）根本改变劳动方式、提高工人文化技术水平，为逐步消灭体力脑力劳动差创造条件。第一章 自动控制的基本概念1. 简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？（1）被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。（2）被控变量y（t）：被控对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量（工艺参数）称为被控变量。（3）控制变量（操纵变量）q（t）：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量或操纵变量。 （4）干扰（扰动）f（t）：除控制变量（操纵变量）以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素称为干扰。（5）设（给）定值x（t）：工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差 e（t）：偏差本应是设定值与被控变量的实际值之差。（但能获取的信息是被控变量的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏差。）2. 自动控制系统按给定值的变化可分为几种？以及各种的控制系统的特点。（P4）定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统三种。定值控制系统：“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。随动控制系统：给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。程序控制系统：给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。3. 控制系统的各类品质指标及其计算？（P5）（1） 最大偏差A或超调量：最大偏差是指在过渡过程中，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。超调量是用来表征被控变量偏离稳态值的程度。（2） 衰减比n：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（静态偏差）e：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） 过渡过程时间ts：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。4. 什么是控制系统的静态和动态？静态：在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态成为控制系统的静态。在这种状态下，自动控制系统的输入（设定值和干扰）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。动态：系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值。此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间内整个系统都处在变动状态中。5. 控制系统过渡过程的四种过渡过程及其特点。（a）非周期衰减过程：被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一个值上。 （b）衰减震荡过程：被控变量来回波动，但波动幅度逐渐减小，最后稳定在某一个值上。（c）等幅振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。（d）发散振荡过程：被控变量来回波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远。 6. 自动控制系统的组成及方块图。组成：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。方块图:第二章 被控对象的数学模型1. 什么是被控对象特性？什么是被控对象的数学模型？（P12）被控对象特征：研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。被控对象的数学模型：这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。(定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。)2. 建立对象数学模型的三种方法。（P18）机理建模方法、试验建模方法和混合建模方法(1)机理建模。机理建模是根据对象或生产过程内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程，相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应方程等，从而获得对象的数学模型，这类模型称之为机理模型。(2)实验测取法。实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。(3)混合建模：将机理模型和实验模型结合起来得到。3. 描述简单对象特性的参数有哪些？放大系数、时间常数、滞后时间。放大系数K：放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比，即由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。时间常数T：时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的632所需时间。滞后时间：滞后时间是纯滞后时间和容量滞后的总和。4. 实验测取对象特性常用的方法有哪些？阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。5. 何为系统辨识、参数估计？系统辨识：定义：通过这种应用对象的输入输出的实测数据来决定其模型的结构和参数 。特点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理 。参数估计：这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数。第三章 检测仪表与传感器1. 仪表的性能指标及精度的计算。(1)精确度（简称精度）:相对百分误差:允许误差:(2)变差：变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。 注意： 仪表的变差不能超出仪表的允许误差。(3)灵敏度与灵敏限：仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。(4)分辨率：对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。(5)线性度：线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。(6)反应时间：反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。 当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。 仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95）所用的时间，可用来表示反应时间。2. 弹簧管压力表的工作原理。其他压力测量原理。（1）弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。F=K*S。（2）液柱式压力计，它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。P=P2-P1=gh。（3）电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。（4）活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。 3. 压差式流量计的工作原理、标准的节流体的种类和转子式流量计的工作原理。其他流量测量。差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。标准的节流体种类：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。转子流量计是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。椭圆齿轮流量计、涡轮流量计、电磁流量计、漩涡流量计、质量流量计4. 压差式液位变送器工作原理、零点迁移问题和电容式物位传感器的工作原理？其他物位测量。压差式液位变送器工作原理：利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压强也相应的变化。将差压变送器的一端接液相，另一端接气相：零点迁移问题：在使用压差变送器测液位时，一般来说，其压差P与液位高度H之间有如下关系PH，这属于一般“无迁移”情况。P=H1g-（h2-h1）2g，为有迁移的情况。电容式物位传感器的工作原理：在电容和电极之间，充以不同的介质时，电容量的大小也有所不同。因此，可通过电容量的变化来检查液位、料位和两种不同的液位分界面。核辐射物位计、超声波物位计5. 热电偶测温原理、热电阻测温原理及温度计算将热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果它们的两个接点分别置于温度各为 t 及 t0 的热源中，则在该回路内就会产生热电势。热电阻测温原理：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。6. 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？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。热电偶冷端温度补偿的方法：（1）冷端温度修正法（2）补偿导线法（延伸导线法）（3）冷端恒温法（4）补偿电桥法7. 热电阻的接线电阻问题。串联增加量程第五章 自动控制仪表1. 什么是位式、比例、积分、微分控制规律？它们各自的特点？ 位式控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置。特点：位式控制器结构简单、成本较低、易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不可能使被控变量稳定在某一个数值上。比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量户与输入偏差信号变化量e之间成比例关系 比例控制的优点是反应快、控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在。 积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e的积分成正比，即：当输入偏差是常数A时：特点是控制缓慢，但能消除余差。比例积分控制规律的特点是控制既及时，又能消除余差。微分控制规律是指控制器的输出变化量户与输入偏差e的变化速度成正比，即：特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性(但微分作用不宜过强)。一般不单独使用微分作用，而是与比例作用同时使用。比例微分控制规律：比例积分控制规律：2. 能够根据选定的控制规律计算控制器的参数。第五章 执行器1. 气动执行器的组成部分和分类。（1）执行机构：薄膜式和活塞式 （2）控制机构：1直通单座控制阀2直通双座控制阀3角形控制阀4三通控制阀5隔膜控6蝶阀7球阀8凸轮挠曲阀 9笼式阀2. 何为控制阀的理想流量特性和工作流量特性？ （1）控制阀的理想流量特性：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。（a）直线流量特性（b）等百分比（对数）流量特性（c）抛物线流量特性（d）快开型流量特性（2）控制阀的工作流量特性：在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。（a）串联管道的工作流量特性（b）并联管道的工作流量特性3. 气开阀、气关阀、执行器。气开式与气关式：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。执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。4. 气开阀和气关阀选择的原则。考虑原则：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。第七章 简单控制系统1. 何为简单控制系统及简单控制系统的典型方块图。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。简单控制系统的典型方块图：2. 被控变量和操纵变量的选择原则。被控变量选择原则：（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。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间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。 操纵变量选择原则：（1）操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些（对克服干扰较为有利），时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小。而干扰通道的时间常数可以大一些。（操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。）（3）选择的操纵变量应对装置中其他控制系统的影响和关联较小，不会对其他控制系统的运行产生较大的影响。（4） 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。 3. 自动控制系统中常用的控制规律及其特点。自动控制系统中常用的控制规律有比例(P)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)控制规律。（1）比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。 特点:（a）控制器的输出信号与它的输入信号(给定值与测量值的偏差)成比例。（b）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。（c）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。（d）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。(系统负荷变化后，控制结果有余差。)（2）比例积分控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 特点: （a）由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。(控制器的输出信号不仅与输入信号成比例，而且与输入信号对时间的积分成比例。)（b）积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。(能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。)（3）比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、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。特点：（a）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。（b）在比例的