化工仪表自动化复习2 1概要.docx

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化工仪表自动化复习21概要

化工仪表自动化复习

第一章

1、自动控制系统的基本组成：

被控对象、测量变送装置、自动控制器、执行器。

2、控制系统静态与动态：

在自动化领域中，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。

3、系统的过渡过程：

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。

自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程基本形式：

（1）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，最后稳定在某一数值上。

（2）衰减振荡过程:

被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上。

（3）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。

（4）发散振荡过程:

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。

作业：

P16—6．图1-16为某列管式蒸汽加热器控制流程图。

试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。

答：

PI-307：

表示测量点在蒸汽加热器的一台压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07。

仪表安装在现场。

TRC-303：

表示测量点在蒸汽加热器出料管线上的一台温度记录控制仪表，工段号为3，仪表序号为03。

仪表安装在集中仪表盘面上。

FRC-305：

表示测量点在蒸汽加热器进料管线上的一台流量记录控制仪表，工段号为3，

仪表序号为05。

仪表安装在集中仪表盘面上。

P16—11

P.17—22、图是蒸汽加热器的温度控制原理图。

试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么?

现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图所示。

试求该系统的过渡过程品质指标：

最大偏差、衰减比和余差（提示：

该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。

解：

这是一个温度控制系统，方块图如下图所示。

该系统的被控对象为蒸汽加热器，被控变量为物料出口温度，操纵变量为加热蒸汽流量，可能存在的干扰有进料流量、进料温度、加热蒸汽压力等。

由图可知，该系统的最大偏差A=81.5-81=0.5℃；

第一个波峰值为81.5-80.7=0.8℃，

第二个波峰值为80.9-80.7=0.2℃，

因此衰减比n=0.8:

0.2=4:

1；

余差为80.7-81.0＝-0.3℃。

第二章

1、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。

这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。

对象的数学模型分类：

静态数学模型和动态数学模型。

对象的输出量：

被控变量；

对象的输入量：

控制作用、干扰作用

通道：

对象的输入变量至输出变量的信号联系

控制通道：

控制作用至被控变量的信号联系

干扰通道：

干扰作用至被控变量的信号联系

2、对象特性的参数：

放大系数K，时间常数T，滞后时间τ，

（1）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

（2）时间常数T：

在一定的输入作用下，被控变量完成其变化所需时间的参数

（3）滞后时间τ：

滞后时间τ是纯滞后时间τ0和容量滞后τr的总和。

作业：

P32—4、答：

建立对象的数学模型的方法：

机理建模和实验建模。

P33—9、为什么说放大系数K是对象的静态特性？

而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？

答：

放大系数K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，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

新的稳态值所需要的时间。

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63.2%所需要的时间。

时间常数是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是描述对象动态特

性的一个重要参数。

滞后时间τ是纯滞后时间0τ和容量滞后rτ的总和。

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，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。

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τ也是反映对象动态特性的重要参数。

第三章检测仪表与传感器

1.测量误差：

由仪表读得的被测值与被测值真值之间，总是存在一定的差距，这一差距称为测量误差。

测量误差的表示方法：

绝对误差和相对误差。

相对百分误差：

δ=Δmax/（测量范围上限值−测量范围下限值）

允许相对百分误差：

δ=±仪表允许的最大绝对误差值/（测量范围上限值−测量范围下限值）

2、仪表6大性能指标：

（1）精确度：

将允许误差的“±”和“%”去掉后的数值，便是用来确定仪表的精确度等级。

我国生产的仪表常用的精度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0.

（2）变差：

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。

变差=最大绝对差值/（测量范围的上限值-测量范围的下限值）

（3）灵敏度：

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之比值称为仪表的灵敏度。

（4）分辨力：

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。

（5）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。

（6）反应时间：

当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来，这段时间就称为反应时间。

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。

3、压力计的基本原理：

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变形的原理而制成的测压仪表。

电气式压力计是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的的。

4、仪表测量范围的规定：

在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的2/3：

测量脉动压力时,最大工作压力不应超过测量上限值的1/2;测量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的3/5。

5、差压式流量计：

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。

节流现象：

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象。

差压式流量计造成误差的原因：

（1）被测流体工作状态的变动；

（2）节流装置安装不正确，节流装置不清洁；（3）孔板入口边缘的磨损；

（4）导压管安装不正确；（5）差压计安装或使用不正确。

6、转子流量计工作原理：

差压式流量计是在节流面积不变的条件下，以差压变化来反映流量的大小；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。

转子流量计指示值修正的原因：

转子流量计是一种非标准化仪表，在大多数情况下，可按照实际被测流体进行刻度。

但仪表厂为了便于成批生产，是在工业基准状态（20摄氏度，0.1033MPa）下用水或空气进行刻度的，所以在实际使用时，如果被测介质的密度和工作状态不同，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度，温度、压力等参数的具体情况进行修正

液体流量测量时的修正：

体积流量密度修正系数

质量流量密度修正系数

7、椭圆齿轮流量计测量部分组成由两个相互齿合的椭圆齿轮A和B、轴及壳体组成，椭圆齿轮流量计是基于容积式测量原理的。

8、物位：

在容器中液体介质的高低称为液位，

容器中固体或颗粒状物质的堆积高度称为料位

把液位、料位和界面统称为物位。

测量液位的仪表称为液位计，测量料位的仪表称为料位计，测量两种不同密度的液体介质的分界面的仪表称为界面计，上述三种仪表称为物位仪表

9、什么是液位测量时的零点迁移问题？

解决方法，怎样进行迁移？

其实质是什么？

（1）差压变送器测量液位时，压差Δp与液位高度H的关系为：

Δp=ρgH，H=0时，Δp=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，Δp≠0，这就是液位测量时的零点迁移问题。

（2）采用零点迁移的办法就能达到目的，调节仪表上的迁移弹簧，抵消固定压差的作用

（3）实质：

零点迁移实质就是改变变送器零点，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。

10、差压式液位变送器的工作原理：

利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。

11、电容式物位传感器

测量原理:

在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。

从而，可通过测量电容量的变化来检测液值、料位和两种不同液体的分界面。

12、常见温度仪表及性能：

P77—表3-7

13、热电偶温度计

组成：

热电偶（感温元件）；测量仪表（毫伏计或点位差计）；

连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）。

测量原理：

热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件—热电偶转化为热电势的变化来测温度的。

（热电效应）

补偿导线的选用

（1）为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是，这样做要多消耗许多贵重的金属材料，是不经济的。

解决这个问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。

（2）要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100。

C

冷端温度补偿方法：

a）将冷端保持0℃；b）冷端温度修正；

c）校正仪表零点；d）补偿电桥法；e）补偿热电偶法

14、热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件—热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。

（电阻温度效应）；工业常用热电阻：

铂电阻、铜电阻。

15、软测量技术

软测量技术也称为软仪表技术。

概括地讲，就是利用易测过程变量（辅助变量），依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量（主导变量）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。

16、显示仪表按照显示的方式来分：

模拟式、数字式和屏幕显示三种。

作业：

P101-5.某一标尺为0～1,000℃的温度计出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为：

被校表读数/℃

0

200

400

600

700

800

900

1000

标准表读数/℃

0

201

402

604

706

805

903

1001

（1）求出该温度计的最大绝对误差值；

（2）确定该温度计的精度等级。

答：

先求出各校验测量点的绝对误差值：

被校表读数/℃

x

0

200

400

600

700

800

900

1000

标准表读数/℃

x0

0

201

402

604

706

805

903

1001

绝对误差值/℃

Δ

0

－1

－2

－4

－6

－5

－3

－1

（1）由表中可知最大绝对误差值为：

Δmax=x－x0=700－706=－6（℃）；

（2）该压力表的最大相对百分误差为：

δ=Δmax/（1000－0）×100%=－6/（1000－0）×100%=－0.6%去掉δ的“－”号与“%”号，其数值为0.6，因此该压力表的精度等级为1.0级。

P101-6、

P101-25.现有一台测量范围为0～1.6MPa，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为：

上行程

下行程

被校表读数/MPa

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

1.6

1.2

0.8

0.4

0.0

标准表读数/MPa

0.000

0.385

0.790

1.210

1.595

1.595

1.215

0.810

0.405

0.000

试问这台标合格否？

它能用于某空气贮罐的压力测量（该贮罐工作压力为0.8～1.0MPa，测量的绝对误差不允许大于0.05MPa）？

答：

先求出各校验测量点的绝对误差值：

上行程

下行程

被校表读数/MPa

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

1.6

1.2

0.8

0.4

0.0

标准表读数/MPa

0.000

0.385

0.790

1.210

1.595

1.595

1.215

0.810

0.405

0.000

绝对误差值/MPa

0.000

0.015

0.010

-0.010

0.005

0.005

-0.015

-0.010

-0.005

0.000

（1）由表中可知最大绝对误差值为±0.015MPa；最大变差为0.020MPa

该压力表的最大相对百分误差为：

0.020/（1.6－0）×100%=1.25%

因此该压力表符合1.5级精度，合格。

（2）该贮罐选用压力计的测量范围要求，最大工作压力不高于上限值的2/3；最小工作压力不小于上限值的1/3：

上限值选1.6Mpa，则1.6×2/3＝1.067Mpa＞1.0Mpa；1.6×1/3＝0.533Mpa＜0.8Mpa。

下限值按0Mpa计。

该贮罐允许最大绝对误差为0.05MPa，选用压力计的允许误差为：

δ＝±Δmax/（x上－x下）×100％＝±0.05/（1.6－0）×100％＝±3.125％

因此选用这台测量范围为0～1.6MPa，精度为1.5级的压力表符合贮罐工艺上的误差要求，也符合测量范围要求。

P103-62.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25℃，求设备的温度？

如果改用E热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？

解：

（1）当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即

E（t，t0）＝20mV

查表可得：

E（t0，0）＝E（25，0）＝1mV

因为E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0）

＝20＋1＝21mV

由此电势，查表可得t＝509℃，即设备温度为509℃。

（2）若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。

查表可得：

E（t0，0）＝E（25，0）＝1.50mV

设备温度为509C，查表可得：

E（t，0）＝E（509，0）＝37.7mV

因为E（t，t0）＝E（t，0）－E（t0，0）＝37.7－1.5＝36.2mV

即E热电偶测得的热电势为36.2mV。

P103-76.数字式显示仪主要有哪几部分组成？

各部分有何作用？

答：

数字式显示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（A／D）转换；标度变换、数字显示、电压／电流（V／I）转换及各种控制电路等部分。

信号变换电路是为了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值，前置放大电路是为了将输入的微小信号放大至伏级电压信号；非线性校正电路一般是为了校正检测元件的非线性特性；开方运算电路通常是为了将差压信号转换成相应的流量值，A／D转换是为了将模拟量转换成断续变化的数字量；标度变换电路实质上就是进行比例尺的变更，使数显仪表的显示值和被测原始参数统一起来；数字显示部分就是被测数据以数字形式显示出来，V／I转换电路是为了将电压信号转换成直流电流标准信号；控制电路可以根据PID控制规律或其他控制规律进行运算，输出控制信号。

第四章自动控制仪表

1、四种基本控制规律的数学表达式：

P113~119

双位控制规律：

比例控制规律：

①有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出控制

作用越强。

②比例控制的优点是反应快，控制及时。

③存在余差是比例控制的缺点。

数学表达式：

P=Kp·e

积分控制规律：

KI代表积分速度

采用积分时间TI来代替KI，TI=1/KI

积分时间对控制过程的影响：

（1）积分时间TI越短，积分速度KI越大，积分控制作用越强。

反之，积分时间越长，积分作用越弱

（2）TI过大，积分作用不明显，余差消除很慢；TI小易于消除余差，但系统振荡加剧

微分控制规律：

比例积分控制：

比例积分微分：

2、为什么会有余差？

它是比例控制规律的必然结果。

原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时控制阀有一固定的开度，当t＝t0时．出水量有一阶跃增大量．于是液位下降，引起进水量增加，只有当进水量增加到与出水量相等时才能重新建立平衡、而液位也才不再变化。

但是要进水量增加。

控制阀必须开大，阀杆必须上移，而阀杆上移时浮球必然下移。

因为杠杆是一种刚性的结构，这就是说达到新的平衡时浮球位置必定下移，也就是液位稳定在一个比原来稳念值（即给定值）要低的位置上，其差值就是余差。

作业：

P139-5、

P139-15、P122

软手动操作又称速度式手操，是指控制器的输出电流随手动输入电压成积分关系而变化。

硬手动操作又称比例式手操，是指控制器的输出电流随手动输入电压成比例关系而变化。

第五章执行器

1、气动执行器由执行机构和控制机构两部分组成。

气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种

2、气动执行器的气开、气关型式及其选择原则

气开式：

有压力信号，阀开；无压力信号，阀闭。

气关式：

有压力信号，阀关；无压力信号，阀开。

原则：

阀关安全：

选择气开阀；

阀开安全：

选择气闭阀。

作业：

P151-1、

P151-4、

P152-11.什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。

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选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。

第六章简单控制系统

1.简单控制系统:

是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个被控对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。

简单控制系统的方块图：

2、控制器参数整定方法：

（1）理论计算的方法

（2）工程整定法

工程整定法包括：

临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法

作业：

P168-2、

P168-13、

P169-14.图7-24为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。

（图略）

（1）选择流入量Qi为操纵变量；

（2）选择流出量Q0为操纵变量。

解：

分两种情况：

（1）当选择流人量Qi为操纵变量时，控制阀安装在流人管线上，这时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开型式控制阀，为“＋”作用方向。

这时，操纵变量即流人量Qi增加时+被控变量液位是上升的，故对象为“＋”作用方向。

由于控制阀与对象都是“＋”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用方向。

（2）当选择流出量Q0为操纵变量时，控制阀安装在流出管线上，这时，为防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关型式控制阀，为“－”作用方向。

这时，操纵变量即流出量Q0增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“－”作用方向。

以上这两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关型式的选择及对象的作用方向都与操纵变量的选择是有关的。

由于选择流出量Q0为操纵变量时，对象与控制阀都是“－”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，应选择反作用方向的控制器。

P169-15

就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。

（确定最合适的控制其比例δ、积分时间T1和微分时间TD.）工程整定法包括：

临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法.

后面几章听课的同学补充下；

第七章复杂控制系统

P199-1、

P199-2/3/8/17

第八章新型控制系统

P215-2/3

第十章典型化工单元的控制方案