化工仪表及自动化考试重点.docx
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化工仪表及自动化考试重点
第一章自动控制系统的基本概念
1、化工自动化的主要内容：
自动检测系统、自动信号和连锁保护系统、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。
2、自动控制系统能在没人直接干预的情况下，自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最假的工艺操作状态。
3、自动控制系统的基本组成：
被控对象及自动化装置，其中自动化装置又包含测量原件与变送器、控制器和执行器。
4、自动控制系统的方块图：
每个方块都代表一个具体装置，方块与方块之间的连接代表方块之间的信号联系，方块之间连接线的箭头代表信号作用的方向。
5、自动控制系统是具有被控变了负反馈的闭环系统。
而自动检测、自动操纵等系统是开环系统。
6、反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控变量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控变量与期望值趋于一致。
7、按被控变量的给定值是否变化和如何变化分类，自动控制系统可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
8、自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态；把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
9、静态是指系统中各信号的变化率为零，即信号保持在某一常数不变化，而不是物料不流动或能量不交换。
10、自动控制系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进出，只是平衡进行没有改变就是了，这与习惯上所说的静止是不同的。
11、系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。
12、系统中过渡过程中，被控变量随时间变化的。
13、自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程的基本形式：
非周期振荡过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程和发散振荡过程。
14、衰减振荡的过渡过程的品质指标如下：
最大偏差：
被控变量偏离给定值的最大数值。
超调量：
被控变量偏离新的稳定值得最大数值。
衰减比:
前后相邻两个峰值的比。
余差：
当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳定值与给定值之间的偏差。
过渡时间：
理论上是指从干扰作用发生时刻起，到系统重新建立新的平衡为止，过渡过程所经历的时间。
P16-11
（1）方块图如下：
（2）被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操纵变量为冷却水流量；可能干扰为A、B物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。
P16-17何为阶跃作用？
为甚经常采用阶跃作用作为系统的输入作用形式？
答：
阶跃作用：
在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上，并保持在这个幅度。
采用阶跃干扰的原因：
阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。
如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。
阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
P16-21答：
最大偏差A=950-900=50℃；
超调量B=950-908=42℃；
衰减比n=B：
B′=42：
（918-908）=4.2：
1；
振荡周期T=45-9=36min；
余差C=908-900=8℃；
过渡时间为47min；
∵最大偏差=50℃＜80℃，∴满足工艺要求。
P16-22答：
（1）方块图：
（2）被控对象：
蒸汽加热器；被控变量：
出口物料温度；操纵变量：
加热蒸汽流量；可能的干扰：
进料流量、进料温度、加热蒸汽压力等。
（3）最大偏差A=81.5-81=0.5℃；
衰减比n=B：
B′=（81.5-80.7）：
（80.9-80.7）=4：
1；
余差C=80.7-81=－0.3℃。
第二章
1、被控对象的特性：
指被控对象输入与输出之间的关系。
2、对象的输入量具有控制作用和扰动作用，输入量是被控变量。
3、对象特性的数学描述称为对象的数学模型。
数学模型的表达式可分为非参量模型和参量模型两大类。
4、静态数学模型描述的是对象有静态时的输入量与输出量之间的关系。
5、动态数学模型描述的是对象在输入量改变以后输入量的变化情况。
6、对象的输入变量至输出变量之间的信号联系称为通道。
7、控制作用至被控变量的信号联系称控制通道；干扰作用至被控变量的信号联系称为干扰通道。
8、机理建模是通过对对象或生产过程的内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。
9、实验建模是在所要研究的对象上，人为的施加一些输入作用（输入量），然后用仪表测取并记录表征对象特征的物理量（输出量）随时间的变化规律，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。
10、系统辨识：
应用对象的输入输出的实测来决定其模型的的结果和参数。
11、参数估计：
在已知模型结果的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。
12、放大系数在数值上对象处于稳定状态时的变化量与输入的变化量之比。
由于放大系数反应的是对象处于稳定状态下的输出与输入之间的关系，所以是描述对象的静态特性参数。
13、时间常数是指当对象收到阶跃输入作用后，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.（或当对象收到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值得63.2%所需的时间）。
时间常数反应被控变量变化快慢的参数，因此它是一个重要的动态参数。
14、滞后时间是纯滞后和容量滞后的总和。
滞后时间是反应对象收到输入作用后，输出不能立即、迅速变化的现象，它是描述对象动态特性的参数。
输出变量的变化落后与输入变量的变化的时间称为纯滞后时间，它的产生一般由于介质的输送或热量的传递需要一段时间引起的。
15、容量滞后：
有些对象收到阶跃输入作用后，被控变量开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值。
它一般由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
P33-11已知一个对象特性具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5，放大系数为10，纯滞后时间为2，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。
解：
一阶微分方程式，T=5，K=10，τ=2。
无滞后时为：
又因为：
所以滞后时间为：
P33-14解：
另输入量
，输出量
∴放大系数
；
又由图（b）知纯滞后时间
无滞后时一阶对象输出表达式为：
；
有滞后时一阶对象输出表达式为：
。
第三章
1、相对百分误差的定义：
2、仪表的允许误差的定义：
在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值。
3、仪表的精度等级值越小，则仪表的精度值等级越高。
4、立体：
P35例1例2
5、变差的定义：
6、选择仪表时，仪表的变差不能超出仪表的允许误差。
7、按仪表的组成形式分类，仪表可以分为基地式仪表和单元组合仪表。
QDZ气动单元组合仪表DDZ电动单元组合仪表
8、将被测参数转换为一定的便于传送信号的仪表通常称为传感器；当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。
9、当前通用的标准信号：
电流4-20mA;电压1-5V，压力0.02-0.1MPa。
10、变送器的理想输入特性：
例：
有一台DDZ-Ш型两线制差压变送器，已知其测量范围为20~100KPa，当输入信号为40KPa时，变送器的输出信号是多少？
解：
由当前通用的标准信号：
电流4~20mA;电压1~5V；压力0.02~0.1MPa
对应的DDZ压差变送器的测量范围是20~100KPa
故当输入信号为40KPa时对应的电流为8mA
11、变送器的量程调整：
目的是使变送器的输出信号上限值与测量范围的上限值相对应；它相当于改变了变送器输入输出特性的斜率，也就是改变变送器的输出信号与输入信号之间的比例系数，实质是改变了放大倍数。
12、变送器的零点调整和零点迁移：
目的是使变送器的输入信号下限值与测量范围的下限值相对应；零点调整使变送器的测量起始点为零，零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一正值（正迁移）或负值（负迁移）。
实质是量程不变，测量范围平移。
13、绝对压力、表压、真空度的关系。
；
14、弹性式压力计是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。
如弹簧管压力计、膜式压力计等。
15、弹簧管压力计中的测量元件是弹簧管，它把通入的压力转换为自由端相应大小的位移。
16、应变片式压力传感器是利用电阻应变原理制成的；压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而制成的。
17、霍尔片式压力传感器是利用霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。
18、力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理使仪表具有较高的测量精度。
DZZ-Ш型系列其输出电流为4~20mA直流电流。
19、力矩平衡式压力变送器是按力矩平衡工作原理工作的。
20、电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。
其输出电流是4~20mA的直流电流。
21、压力计的选用：
需要考虑仪表类型、仪表测量范围和仪表的精度等级。
例：
某台往复式压缩机的出口压力范围是25~28MPa，测量误差不得大于1MPa。
工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选择一台压力表，指出型号、精度与测量范围。
解：
由于往复式压缩机出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为：
根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查的选用YX—150型电接点压力表，测量范围0~60MPa。
由于由于
，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。
另外，根据误差的要求，可算得允许误差为
精度等级为1.5级得仪表完全符合误差要求。
22、速度式流量计是一种测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表；
容积式流量计是一种以单位时间内所排除的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表；
压差式流量计采用的是定节流面积、变差压的流量测量方法；适用测量较大流量；是速度式流量计。
转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法；适用于小流量；是速度式流量计。
出厂的转子流量计是在工业基准状态下用水或空气进行刻度的，使用时一般需要对指示值进行修正。
涡轮流量计是根据涡轮的旋转速度随流量的变化而变化的现象来测量流量的；是速度式流量计。
差压式液位变送器是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应改变的原理工作的。
液位变送器在使用时可能需要进行零点迁移。
例如P67-图3-41
P92-54.解：
，
；
，
当H=0时，
，
所以需要进行迁移，负迁移量是
。
23、在电容器的两极板之间，充以不同的介质时，电容量的大小也有所不同。
可通过测量电容量得变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。
核辐射式物位计是利用核辐射透过物位时，其强度随物质层得厚度而变化的原理而工作的。
热电偶温度计是以热电现象为基础的测温仪表；适合于测量500度以上的高温。
24、热电现象：
取两根不同材料的金属导线A和B，将其两端焊在一起组成一个闭合回路，当两个接点处的温度不同时，闭合回路中就有热电势产生。
25、中间导体定律：
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，但必须保证引入线两端的温度相同。
26、冷端温度补偿作用：
冷端温度补偿是为了解决冷端温度不为零的问题。
因为工业上常用的各种热电偶的Et-t关系曲线是在冷端温度保持为零的情况下得到的，与他配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，而操作室的温度往往不是0度，这样测量结果会有误差，因此需要进行冷端温度补偿。
27、热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性进行温度测量的。
适用于测量500度以下的中低温。
28、采用三线制接法：
从热电阻引出三根导线，其中与热电阻两端相接的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂上，而第三根导线与稳压电源的负极相连。
采用三线制接法后，由于环境温度的变化而引起连接导线电阻的变化，可以相互抵消一部分，从而减少了连接导线电阻对测量结果造成的误差。
P91-21.某压力表的测量范围为0~1MPa，精度等级为1级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？
若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为0.5MPa时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么?
解：
最大绝对误差Δmax=（1-0）×1%=0.01（MPa）
在校验点为0.5MPa处，校验得到的绝对误差为
Δ=0.508-0.5=0.008（MPa）＜0.01（MPa）
故在该校验点符合1级精度。
P91-23.解：
（1）测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表，有：
而已知工艺上允许的最大绝对误差为：
0.01MPa<0.016MPa,不满足工艺误差要求。
（2）测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表有：
而已知工艺上允许的最大绝对误差为0.01MPa，所以满足工艺要求。
P91-26.解：
（1）
相对百分误差
，
变差又称回差，是指仪表在上行程和下行程的测量过程中，同一被测变量所指示的两个结果之间的偏差。
，
所以该表符合1.5级精度。
（2）由于主管压力比较稳定，且有：
；
.故测量范围符合要求。
第四章
1、数显仪表通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模/数转换、标度变换、数字显示、电压/电流转换及各种控制电路等部分。
2、信号变换电路将生产过程中的工艺变量经过检测变送后的信号，转换成相应的电压或电流信值。
3、非线性校正电路或开方运算电路是将信号处理后成线性特性，以提高仪表的测量精度。
4、模数转换是将模拟量转换成断续变化的数字量，再加以驱动，点燃数码管进行数字显示。
5、标度变换电路是将数显仪表的显示值和被测原始参数值统一起来，使仪表能以工程量得形式显示被测参数的大小。
第五章
1、自动控制仪表在自动控制系统中的作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。
2、控制规律：
是控制器的输出信号与输入信号之间的关系。
P=f（e）
3、研究控制器时，偏差e=测量值z-给定值x
4、研究手段：
假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后研究控制器的输出信号P随时间的变化规律。
5、基本控制规律有双位控制、比例控制、积分控制和微分控制。
6、比例控制、积分控制和微分控制的输入输出表达式：
比例积分微分控制：
；比例控制：
积分控制：
；微分控制：
；比例微分：
7、比例控制、积分控制和微分控制的特点：
（1）比例控制：
抗干扰能力强，反应快，控制及时，但是有余差；
（2）积分控制:
控制缓慢，但能消除余差，不单独使用；（3）微分控制：
超前控制，不能消除余差，不单独使用。
8、比例度的定义：
指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。
P139-5.一台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0~1000℃，当指示值变化100℃，控。
制器比例度为80%，求相应的控制器输出将变化多少？
当输入变化
时，其输出变化
。
9、常用控制规律：
比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制。
10、比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制的表达式、特点、适用场合。
比例控制：
适用于对象容量大、负荷变化不大、控制通道纯滞后小、允许在余差的场合。
比例积分控制：
适用于对象滞后较大、负荷变化较大但变化缓慢，不允许有余差的场合。
比例积分微分控制：
适用于对象滞后大、负荷变化较大但不太频繁，控制质量较高的场合。
11、比例度、积分时间和微分时间对过渡过程的影响：
（1）比例度越小，比例控制作用越强。
减小比例度会使系统的稳定性和动态性变差，但可以相应的减小余差，使系统的静态准确度提高。
（2）积分时间越小，积分控制作用越强。
减小积分时间，会使系统的稳定性下降，动态性变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度。
（3）微分时间越大，微分控制作用越强。
增加微分时间，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。
但微分时间不能太大，否则引起系统的高频振荡。
12、余差定义：
工业PID控制系统中，比例调节器的输入、输出量之间存在着对应的比例关系，变化量经比例调节达到平衡时，不能加复到给定值时的偏差称为余差。
13、无扰动切换：
控制器一般都具有手动与自动两种功能。
在进行自动与手动两种功能互换时，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样才能使执行器的位置在切换过程中不至于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这即是无扰动切换。
实现方法：
先令控制器的设定值与测量值相等，则e=0,然后进行手动/自动切换。
14、自动控制仪表在自动控制系统中的作用：
将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对于被控变量的自动控制。
第六章
1、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。
在不考虑阀门前后压差变化时得到的流量特性称为控制阀的理想流量特性。
它取决于阀芯的形状。
2、直线流量特性指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。
特点：
在流量小时，流量变化相对值答；在流量大时，流量的变化的相对值小。
即当阀门在小开度时控制作用太强，而在大开度时控制作用太弱。
3、等百分比（对数）流量特性指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数随相对流量的增大而增大。
特点：
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。
实际使用中，控制阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，这时的流量特性称为控制阀的工作流量特性。
4、串联管道中的阻力比表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比；串联管道使阀的实际可调范围降低，使理想的流量特性发生畸变；串联管道的控制方案是不好的。
5、并联管道中的分流比表示控制阀全开时流过控制阀的流量与总管的总流量之比；并联管道使阀的实际可调范围降低，使理想的流量特性发生畸变；并联管道的控制方案是不好的。
6、控制阀的选择：
（1）结构的选择：
根据工艺条件；
（2）气开式与气关式的选择：
根据工艺安全要求；（3）口径的选择：
由控制阀流量系数值决定；（4）流量特性的选择：
先选工作时希望的流量特性，由根据配管情况推出理想流量特性。
7、电气转换器是按力矩平衡原理工作的。
作用是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。
8、电气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。
作用个方面是把电动控制器输出的电信号去操纵气动执行机构；另一方面使阀门位置按控制器送来的信号准确定位，即使输入信号与阀门位置呈一一对应关系。
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