化工仪表及自动化复习纲要(海纳百川)

1、第1章 自动控制系统的基本概念1.化工自动化 在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上按照人们的期望自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。 化工过程自动化的内容一般包括自动检测系统、自动信号和联锁保护系统、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。2.自动控制系统的基本组成及表示形式自控系统组成：被控对象，检测、变送环节，控制器，执行器，四大环节缺一不可。其中，检测、变送环节常用的有两类：1）QDZ气动单元组合仪表，2）DDZ电动单元组合仪表（II型 0-10mA DC, III型4-20mA DC 或 1-5V DC）。

2、表示形式：1） 方框图（方框、箭头、正负反馈等元素不可缺省）。表示系统中功能和信号流向，不表示物料流向。综合点处，输出信号等于所有输入信号的代数和；分支点处，所有输出均相等，且都等于输入。2） P&ID，管道及仪表流程图。掌握就地（现场）仪表和集中仪表的图形符号表示，以及被测变量和仪表功能的字母代号。自动控制系统的分类：1） 按被控变量分：温度、压力、流量、物位等控制系统。2） 按控制规律分：比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统。3） 按工艺过程给定值（是否变化和如何变化）分：定值控制系统给定值恒定。随动控制系统给定值随机、不断地变化。随动系统的目的是是所控制的工艺参数准确

3、而快速地跟随给定值的变化而变化。程序控制系统给定值按照一个已知的时间函数变化，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。4） 按结构分：开环、闭环控制系统。5） 按数学模型分：线性控制系统。特点：叠加原理；恒频原理。非线性控制系统。6） 按所处理信号的连续性分：模拟控制系统对时间而言是连续的。数字控制系统。以单片机、PLC、计算机等为系统的控制器，按系统的拓扑结构又分为DDC和DSC系统等。7） 按组成分：简单控制系统：通常指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个被控对象所构成的单闭环控制系统，即系统中四个环节各有且只有一个。复杂控制系统。又可分为串级、分程、选择、比值、均匀等控制系

4、统。a 串级：增加一组控制和检测元件。b 分程：让不同的设备、仪表在不同区间内完成各自的行程。c 选择：有若干个信号输入，在系统中增加选择控制器，从输入中筛选出或去除某一（些）特定值然后加以控制。d 预测：预测将偏离设定的可能状态并进行调节。e 模糊：（传统调节参照是一个精确的状态点）将调节参照设成一个范围/区域。算法结构中增加“If then”判据。f 人工：模拟生物体的信息传递（神经系统）特点。g 专家：由对某一方面、领域很有造诣的人建立的具体解决方案的数据库，在实际应用时从中选择合适的方案以执行。h 比值：控制两个或多个工艺参数（物料）按一定的比值输入（进料）。两个参数相互影响、牵制。i

5、 均匀：参数均匀而缓慢地变化，不存在突变。8） 按控制算法分：比例积分微分（PID）、预测、模糊、人工神经网络和专家控制系统等。*PID算法是事后算法，在发生偏差后进行调节。3. 自动控制系统的过渡过程和品质指标常见干扰：阶跃干扰，突然发生且发生时间长，破坏强；矩形脉冲，突然发生且作用时间短，干扰作用弱于阶跃；斜坡，y=At；加速度，y=(1/2)At2，多发生于开、停车时；周期等。阶跃干扰过渡过程的基本类型：非振荡衰减过程，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。振荡衰减过程，被控变量在给定值上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。等幅振荡过程，被控变

6、量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。发散震荡过程，被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远。生产上应竭力避免。控制系统的品质指标：最大偏差或超调量、衰减比、余差（稳态误差）、过渡时间、振荡周期或频率。第2章 被控对象过程特性及其数学模型1. 数学模型及其建模方法被控对象特性：输出随输入的变化关系。表示方法：数学模型（有机理分析法、实测法和统计法）；特性曲线。所谓研究对象的特性，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。通道：由对象的输入变量至输出变量的信号联系。根据输入变量的不同分为控制通道和干扰通道。2. 机理建模定义：根据对象或生产过程的内部机理，列写

7、出各种有关的平衡方程，从而获取对象或过程的数学模型。机理建模的基本步骤：分析研究（目的、对象的组成、作用和工作过程）；假设简化（合理假设，±5%±10%d的误差在工程上可以接受）；建立原始方程；消除中间变量；线性化；增量化，将所有变量用相对于初始量的增量表示，对方程进行简化；规范化，将常量式项定义为一个字母；解方程和分析结果。3. 特性参数反映对象特性的参数有：放大系数 K 、时间常数 T、滞后时间。放大系数K：在系统是稳定条件下，输入量与输出量之间的关系系统的静态特性。物理意义：在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。即由于放大系数 K 反映的是对象处于稳

8、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。放大系数越大，被控变量对这个量的变化越灵敏。时间常熟T：一定的输入作用下，被控变量完成其变化所需时间的参数。物理意义：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要的时间。控制通道的T越大，干扰通道的T越小，对生产过程越有利。滞后时间：滞后时间是纯滞后时间0和容量滞后r的总和。物理意义：输出变量的变化落后于输人变量变化的时间称为纯滞后时间（又叫传递滞后）， 纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。有些对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又

9、变慢直至逐渐接近稳态值称容量滞后或过渡滞后。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。所以滞后时间也是反映对象动态特性的重要参数。第3章 参数的检测、变送和显示基本概念1.掌握绝度误差、相对误差的定义和表示方法。2.仪表的性能指标有精确度、变差、灵敏度与灵敏限、分辨力、线性度、反应时间。掌握精度的选型和评价。我国生产的仪表常用的精度等级有0.005、0.05（标准表）、0.4、0.5、1.0、1.5（工程常用）、2.5、4.0、5.0等。检测仪表1. 压力检测及仪表1） 按转换原理不同，分为：液柱式压力计。根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度。有U型管压力计、单管压

10、力计和斜管压力计等。弹性式压力计。将被测压力转换成弹性元件变形的位移。如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜片式压力计等。问：弹性元件类型有哪几种，其特点是什么？答：弹簧管，可分单圈弹簧管与多圈弹簧管，测压范围较宽。膜片，可分平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，适合测低压和中低压的测量，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器，灵敏度高灵敏限低。易于变形，位移很大常用于微压与低压的测量，灵敏度更高。问：弹簧管压力计的测压原理是什么?试述弹簧管压力计的主要组成及测压过程。 答：原理：采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。组成：弹簧管压力计主要由

11、弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头组成。a 按适用介质分：通用表和专用表（氨用表、氧用表）。注意氨用表、氧用表各自的使用特点和要求。b 按测压范围分：压力表、真空表、压力真空表，其指针初始位置不同。c 按精度分：标准表和工业表。d 按功能分：普通表（有一根指针）和具有报警功能的压力表（有三根指针）。e 按引压管口方位分：径向表和轴向表。电气式压力计。通过机械和电气元件将被测压力转换成电量。有霍尔片式压力传感器、应变片式压力传感器、压阻式压力传感器和电容式压力变送器。工作原理：霍尔片式：霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：UH=RHBI。在高压强磁场下不能使用。阻应变式：当粘

12、一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。电感式：当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从而，可以将位移量转化为电感量。电容式：电容器的电容量：C=eS/d，当S或d发生变化时，电容量发生变化。活塞式压力计。根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量。2）选用及安装I 选用。注意对压力计类型、测量范围和精度等级的选用。仪表测量范围的确定：测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量范围测量上限值的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量范围测量上限值的1/2；测量

13、高压压力时，最大工作压力不应超过测量范围测量上限值的3/5。一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/3为宜。II 安装。a 测压点的选择；b 导压管的铺设；c 压力计的安装（凝液管、隔离罐）。问：压力计安装要注意什么间题?答：（1）压力计应安装在易观察和检修的地方；（2）安装地点应力求避免振动和高温影响；（3）针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施；（4）压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏；（5）当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按p = ± gH 进行修正（式

14、中 为导压管中介质的密度，g 为重力加速度，H 为高度差）；（6）为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。2. 流量检测及仪表速度式流量计。如压差式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。了解节流现象和我国常见节流装置（角接取压法和法兰取压法）。问：差压式流量计与转子流量计的组成、工作原理及区别、注意事项？答：差压式流量计组成：节流装置和压差计。差压计工作原理：差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录

15、和自动控制。转子流量计组成：玻璃管转子流量计、金属管转子流量计。转子流量计工作原理：垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡，由转子高度可直接读取通过的流量，测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。区别：差压式流量计是变压降式流量计，在流量变化时，节流装置两端的压降也是随之改变的，而转子流量计是定压降式流量计，在流量变化时，转子两端的压降是恒定的。注意事项：由于流量基本方程是在一定的条件下推导而得的，这些条件包括节流装置的形式、尺寸、取压方式以及流体的工艺条件(密度、温度、压力、雷诺数等)，当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。电磁流量计特点：被测介质必须是具有导电性的液体介质，装

16、置比较笨重。可用于测腐蚀性液体，含颗粒、悬浮物等液体，可用于测脉动流量。超声波流量计有点：直接安装在管道外，安装和维修方便；可避免与腐蚀性流体接触，防腐、阻力小。容积式流量计。如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。质量流量计，分直接式和间接式。直接式有量热式、角动量式、陀螺式和科里奥利力式等质量流量计。3. 物位检测及仪表物位仪表包括液位计、物位计和界面计三种，根据其工作原理主要分为：直读式物位仪表。主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计、翻球板液位计等。差压式。分为压力式物位仪表和差压式物位仪表，利用液柱或物位堆积对某定点产生压力原理工作。问：什么是液位测量时的零点迁移问题？产生原因，解决方法，怎样进

17、行迁移？其实质是什么？ 答：差压变送器测量液位时，压差p与液位高度H 的关系为：p =gH，H = 0时，p =0，这是“无迁移”。实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量中，当被测液位H = 0时，差压变送器正、负压室的压力并不相等，即 p 0，这就是液位测量时的零点迁移问题。 产生原因：变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐。解决方法：调节仪表安装迁移弹簧。调节仪表上的迁移弹簧，以使当液位H = 0时，尽管差压变送器的输入信号p 不等于0，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。 实质：零点迁移实质就是变送器零点的

18、大范围调整，改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。问：在液位测量中，如何判断“正迁移”和“负迁移”？答：在液位测量中，当被测液位H=0时，如果差压变送器的输人信号p>0，则为“正迁移”；反之，当H=0时，p <O，则为“负迁移”。浮力式。分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式，利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子的浮力随液位高度而变化的原理工作。电磁式。辐射式。声波式。光学式。4.温度检测及仪表按工作原理，可分为五类：膨胀式温度计。利用物体受热时体积膨胀的性质，如玻璃管温度计和双金属温度计。压力式温度计。利用压力随温度的变化来测

19、温，由温包、毛细管和弹簧管（或盘簧管）构成。热电偶温度计。测温原理：热电效应。产生热电现象的原因：不同金属具有不同的电子密度两种金属接触面因电子扩散作用而产生电场热电现象电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡接触电势差仅与两金属的材料和接触点温度有关，温度越高，扩散作用越强，接触电势差越高。热电偶测量关键：如何保证冷端温度不变或为0。掌握补偿导线的选用。热电偶结构：热电极工作部分；绝缘子防止电极与电极、套管短路；保护套管保护；接线盒。冷端温度补偿方法：a 将冷端保持0：浸泡在恒温的冰水中；b 冷端温度修正方法（中间温度定律）；c 校正仪表零点；d 补偿电桥法；e 补偿热电偶法。补偿后的精确程

20、度为a = e > b > d > c 。掌握电子电位差计的的线路连接方式和工作原理。热电阻温度计。测温原理：金属导体的电阻值随温度的变化而变化。掌握自动平衡电桥的的线路连接方式和工作原理，并比较电子电位差计和自动平衡电桥的异同。辐射高温计。基于物体热辐射作用来测量温度。第4章 自动控制器所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即式中，z为测量值信号；x为给定值信号；f为某种函数关系。常用的控制规律有位式控制（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)以及它们的组合控制规律，例PI, PD, PID等。1. 双位控制

21、理想双位控制特点：被控变量被维持在给定值上下很小一个范围内波动，精度不高；控制机构的动作频繁，易损坏；结构简单，成本较低，易于实现。具有中间区域的双位控制特点：允许被控变量在一定范围内变化；控制机构频繁程度较理想双位减小；结构简单，投资少。2. 比例控制p=Kp ·e特点：控制及时、有力；当p一定时，Kp增大，e会减小，但稳定性降低；不能消除余差。适用于干扰不太频繁和对精度要求不高的场合。3. 积分控制特点：用积分控制器组成控制系统可以达到无余差；控制动作缓慢，会出现控制不及时。比例度越大表示比例控制作用越弱，越小表示比例控制作用越强。4. 微分控制特点：超前控制；输出不能反映偏差的

22、大小，也不能消除偏差。比例积分微分(PID)三作用控制规律的数学表达式：积分控制和微分控制不能单独使用，常常与其他结合。问：什么是积分时间 TI？试述积分时间对控制过程的影响。 答：积分时间 TI是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。积分时间越小，表示积分控制作用越强，数值上 ，式中 KI是积分速度（积分比例系数） 。 积分时间对控制过程的影响：积分时间 TI的减小，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度。第5章 执行器气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动

23、控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。流量系数/流通能力：当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流体流量（以m3/h表示）。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）见的关系，即式中相对流量是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量max Q 之比；相对开度是控制阀某一开度时的阀杆行程l 与阀杆全行程L 之比。阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性，常用的控制阀理想流量特性有

24、直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等。1.直线流量特性特点：控制阀的相对流量与相对开度成直线关系；阀门在小开度时控制作用太强，大开度时控制作用太弱，故在正常工况下应使其处于中等开度下工作。2. 等百分比（对数）流量特性特点：，与成直线关系；推导可得，在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏有效。即在任何开度下，其调节能力相同，对生产负荷变化的适应能力强。3. 抛物线流量特性4. 快开特性问：什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？答：随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。选择原则：气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的