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0719复习课教案

第一章自动控制系统基本概念

化工自动化的主要内容：

自动控制系统一般分为生产过程的自动检测、自动控制、自动报警及联锁保护、自动操纵等四大类。

：

自动控制系统的组成及常用术语：

自动控制系统要代替人来工作，就要有相当于人体器官功能的相应仪表。

即：

眼大脑手

↓↓↓

检测、变送器控制器执行器

控制系统方框图

控制系统常用术语

对象——被控制的物理装置。

被控变量——对象的某个变量。

控制系统的目的通常就是要使该变量与设定值或给定值相符。

控制系统也用该变量的名称来称呼，如温度控制系统、压力控制系统等。

调节变量——对被控装置的被控变量具有较强的直接影响且便于调节的变量。

干扰——对象中除了调节变量以外，能对被控变量具有影响作用的所有变量。

偏差——设定值或给定值与测量值之差。

给定值，也称为设定值或期望值——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。

它可以是恒定值，也可能按程序变化。

控制系统分类

（l）如果按被控变量可划分为：

温度、压力、液位、流量和成分等控制系统。

这是一种常见的分类。

（2）如果按被控系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质可划分为：

气动、电动、液动、机械式等控制系统。

如图l－4所示就是一个机械式液位控制系统；

（3）如果按被控制对象可划分为：

流体输送设备、传热设备、精馏塔和化学反应器控制系统

（4）按调节器的控制规律可划分为：

比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。

（5）按系统功能与结构可划分为：

单回路简单控制系统；串级、比值、选择性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统；

（6）按给定值的变化情况可划分为：

定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

自动控制系统的过渡过程及品质指标

静态与动态及过渡过程:

静态是指该变量不随时间而变化的某个平衡状态，动态是指该变量随时间而变化的不平衡状态。

系统受输入信号的作用从一个静态到另一个静态之间的变化过程，就是过渡过程。

过渡过程的类型

在阶跃信号的作用下，控制系统的输出变量的过渡过程有可能出现如下几种形式（下图：

l）非振荡衰减过程2）衰减振荡过程3）等幅振荡过程4）发散振荡过程5）非振荡发散过程）

控制系统的品质指标

最大偏差A，超调量B，衰减比n，余差C，过渡时间tS

第二章被控对象的数学模型

描述对象特性的参数：

描述对象特性的参数包括放大系数K、时间常数T和滞后时间τ。

第三章检测仪表与传感器

第一节概述

引用误差也叫允许误差或相对百分误差，是仪表指示值的绝对误差与仪表量程之比，可表示为：

仪表的精确度简称精度，也叫准确度，是表示测量结果与真值一致的程度。

化工仪表的精确度常用仪表的精度等级来表示。

国家规定的仪表精度等级有：

Ⅰ级标准表：

0.005,0.02,0.05;

Ⅱ级标准表：

0.1,0.2,0.35,0.5;

一般工业用仪表：

1.0,1.5,2.5,4.0

其精度等级值越小，精确度越高，所可能产生的误差越小。

灵敏限的数值不应大于仪表最大允许绝对误差的一半。

变差也叫回差,用来表示测量仪表的恒定度.变差说明了仪表的正向（上升）特性与反向（下降）特性的不一致程度。

变差一般不能大于最大允许误差。

第二节压力检测及仪表

压力单位：

帕（Pa）、兆帕（MPa）

弹性元件：

作为弹性式压力表的弹性元件很多，如弹簧管、波纹膜片、膜盒和波纹管等。

压力计的选择及安装

测压仪表的选择应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等综合考虑仪表的类型、测量范围和精度等。

1、仪表类型的选择

2、仪表测量范围的确定

3、仪表精度的选取

第三节流量检测及仪表

第四节

流量包括瞬时流量和累计流量。

瞬时流量一般简称流量，它指的是单位时间内流过管道某截面流体的数量。

而累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，一般简称为总量。

常用流量单位：

吨每小时（t／h）、千克每小时（kg／h）、千克每秒（kg/s）、立方米每小时（m3/h）、升每小时（l/h）、升每分（l/min）等。

转子流量计的工作原理：

当流体沿锥形圆管自下而上地流过转子时，在流体动力的作用下，使转子浮起，转子的外缘与锥形管之间形成一个环形通道。

流体流经环形通道时，由于流通面积突然减小，流体受到节流作用，使得转子前后流体的静压力产生差异，出现压力差ΔP=P1-P2，在ΔP的作用下，转子受到向上的推动力f1，使其上浮。

随着转子在锥形管中上移，环形通道的截面积增大，环隙的平均流速减小，同一流量所产生的压力差将变小（即f1变小）。

转子还同时受到一个向下的力（即自身的重力与介质浮力之差）f2的作用。

当f1=f2时，转子就稳定在某一位置上。

流量与转子的平衡位置相对应。

第四节物位检测及仪表

物位检测包括液体容器中液位的检测及固体颗粒状物料在容器中的堆积高度（即料位）的检测。

测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量两种不同密度的液体分界面的仪表叫界面计，三者统称为物位仪表。

浮力式液位计

根据其测量原理，浮力式液位计可分为两种：

一种是维持浮力不变，即恒浮力式液位计；另一种是变浮力式液位计。

第五节温度检测及仪表

第六节

温度检测的基本原理：

1．利用热膨胀原理测温

2．利用热电效应原理测温

3．利用热阻效应原理测温

4．利用压力随温度变化的原理测温

5．利用热辐射原理测温

测温仪表的分类

按工作原理分，常分为膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、压力式温度计、辐射高温计和光学高温计等。

按感温元件和被测介质接触与否，可分为接触式与非接触式两大类。

按测温范围来分，常把测量600℃以上温度的仪表叫高温计，而把测量600℃以下温度的仪表叫温度计。

热电偶温度计

热电偶的工作原理：

如果将热电偶中的两种不同成分的导体A和B连接成一个闭合回路，如上图所示。

且两接点的温度为t＞t0，由于两导体内部的自由电子密度不同，在接点1和2处就分别产生了两个大小不等，方向相反的热电势EAB（t）和EAB（t0），称为接触电势。

同时，在同一导体A（或B）内部，由于其两端温度不同，也会产生一个相应的电势，称为温差电势。

但由于温差电势远小于接触电势，因此可以忽略不计。

此时，闭合回路中的总热电势EAB（t，t0）可表示为

EAB（t,t0）=EAB（t）-EAB（t0）

或EAB（t,t0）=EAB（t）+EBA（t0）

引入第三种导体C的情况

由于热电偶作为传感器，在与显示仪表相连时回路中必定要引入第三种导体C。

根据能量守恒定律推导可知:

当回路中接入第三种导体后，只要保证该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势不变,即与没有接入第三种导体时所产生的总热电势相同；所以当热电偶回路接入各种显示仪表、变送器及连接导线时，不会影响热电偶所产生的热电势值。

第一种情况

B线中间断开接第三种导线（如图6-8，P103），3、4两接点温度同为t1，故总电势为

EABC（t，t0）=EAB（t）+EBC（t1）+ECB（t1）+EBA（t0）

=EAB（t）+EBA（t0）

第二种情况

将冷端A、B接点断开，接入第三种导线（如图c），使2、3点的温度同为t0，则总电势为

EABC（t，t0）=EAB（t）+EBC（t0）+ECA（t0）

因为回路内各接点温度相同时，总的热电势应为零

EAB（t0）+EBC（t0）+ECA（t0）=0

即EBC（t0）+ECA（t0）=-EAB（t0）

代入上式得：

EABC（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）=EAB（t，t0）

热电偶的结构

热电偶一般由热电极、绝缘子、保护套管和接线盒等部分组成,但外形确可能差别很大。

工业常用热电偶：

铂铑10—铂（分度号S）、铂铑30—铂铑6（分度号B）、镍铬—镍硅（分度号K）

例题：

用铂铑10－铂热电偶测量温度，热电偶的冷端温度t0＝25℃，显示仪表的指示温度值（该仪表不带冷端温度自动补偿）为988℃，试求被测温度的真实值。

解：

由分度号为S的铂铑10－铂热电偶分度表（附录）查出988℃时的热电势值为9．447mV。

即E（t，t0）≈E（ti,0）=9.447mV，又从分度表中查得E（t0，0）=E（25，0）=0.142mV。

则有：

E（t，0）=E（t,t0）+E（t0,0）

=9．447mV＋0．142mV=9．589mV

再由分度表查得，对应9．589mV的温度t≈1000℃，即为该热电偶所测的实际温度值

热电阻温度计

测温原理：

热电阻温度计是基于导体或半导体材料的电阻值随温度而变化的性质，通过测量其电阻值及改变值，间接测量温度。

常用热电阻：

1、铂电阻（工业用铂电阻分度号有Pt10和Pt100两种，其0℃时的电阻值分别为10Ω和100Ω。

Pt10铂电阻的电阻丝较粗，主要用于600℃以上的温度测量。

）

2、铜电阻（铜电阻一般用于-50～+150℃范围内的温度测量。

目前常用的铜电阻有两种：

Cu50（R0=50Ω）和Cu100（R0=100Ω）。

）

第三章显示仪表

第四章

显示仪表是用来指示、记录或累积生产过程中各种参数的仪表。

；

目前使用的显示仪表种类很多。

按所用能源可分为电动显示仪表和气动显示仪表；按照显示方式可分为模拟式、数字式和图像显示三类。

XCZ－101型动圈式显示仪表是与热电偶配套构成热电阻温度计。

XCZ－102型动圈式显示仪表是与热电阻配套构成热电阻温度计。

第五章自动控制仪表

第六章

在自动化系统中，检测仪表将被控变量转换成测量信号后，一方面送显示仪表进行显示记录。

另一方面还送到控制仪表，调节被控变量到预定的数值上。

此处的控制仪表包括调节器、变送器、运算器、执行器等，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、计算机控制系统等阶段。

单元组合式控制仪表是将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元，各单元之间用统一的标准信号（电、气信号）连接。

单元组合式控制仪表按照连接信号的不同可分为气动单元组合式（QDZ）控制仪表和电动单元组合式（DDZ）控制仪表两类。

控制器的基本控制规律

所谓控制器的控制规律是指控制器输出信号p与输入信号e=z-x之间的函数关系，在研究控制器的控制规律时，经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。

控制器的基本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）和微分控制（D）。

实际应用中常用的是比例控制（P）及它们的组合形式：

比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID）。

比例度、积分时间、微分时间对控制过程的影响。

第六章执行器

第七章

气动薄膜调节阀的类型

直通单座调节阀；直通双座调节阀；角形调节阀；隔膜调节阀；三通调节阀；蝶阀；球阀；凸轮挠曲阀；笼式阀。

共九种类型。

调节阀的流量特性

调节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：

主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等几种。

第七章

第七章简单控制系统

第八章

简单控制系统是由一个调节器、一个变送器（测量仪表）、一个执行器（调节阀）和一个被控制物理对象所组成的控制系统。

由于控制系统信号流只有一个回路，因此也称为单回路控制系统。

被控变量的选择

生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。

要正确地选择被控变量，必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析各变量之间的相互关系。

选择被控变量时，一般要遵循以下原则。

（l）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，一般都是工艺过程中比较重要的变量。

（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。

为维持被控变量的恒定，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。

调节（操纵）变量的选择

在选定被控变量之后，要进一步确定控制系统的调节变量或操纵变量。

实际上，被控变量与调节变量是放在一起综合考虑的。

调节变量的选取应遵循下列原则：

（l）调节变量必须是工艺上允许调节的变量。

（2）调节变量应该是系统中所有输入变量中对被控变量影响最大的一个。

调节通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小。

（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为调节变量，以免引起产量波动。

第八章复杂控制系统

复杂控制系统包括串级、均匀、比值、选择性、分程、前馈和多冲量等。

串级控制方框图：

第九章典型化工过程单元控制

重点掌握：

流体输送设备的控制、化学反应器的自动控制和精馏塔的自动控制。

习题课

1、如图15－11所示为一加热炉出口温度控制系统示意图。

试画出该控制系统的方块图，确定调节阀的气开、气关型式和调节器的正反作用，并简述物料流量突然增加时该控制系统的调节过程。

解：

该控制系统的方块图如图15－12所示。

当调节阀上的气源中断时，为了防止炉温过高，烧坏炉子，应关闭阀门，不再通入燃料气，因此采用气开阀。

在该控制系统中，当燃料气流量增加时，加热炉出口温度升高，因此，加热炉为“正作用”对象；测量变送元件的作用方向也为“正方向”；调节阀为气开阀，也属于“正作用”方向；为了保证系统具有负反馈，调节器应为“反作用”方向。

当物料流量突然增加时，物料出口温度会下降，使温度测量变送元件的输出信号下降；该测量信号送至调节器作为输入信号，由于调节器是反作用的，故其输出信号升高；该调节信号送至调节阀作为输入信号，由于调节阀是正作用的，故其输出信号升高，即阀门开度增加，通过阀门的燃料气流量增加；由于加热炉为正作用对象，故其输出增加，即物料出口温度增加。

这样，由物料流量增加所引起的出口温度下降得到了克服，物料出口温度可维持在恒定的数值上。

2、用4：

l衰减曲线法整定一个控制系统的调节器参数，已测得δs＝40％、Ts＝4min。

如果调节器采用PI、PID作用，试确定调节器的参数值。

解：

根据4：

1衰减曲线法调节器参数计算表得：

①PI作用时：

比例度δ＝1．2δs＝48％；积分时间TI＝0.5Ts＝2min

②PID作用时：

比例度δ＝0．8δs＝32％；积分时间TI＝0．3Ts＝1．2min

微分时间TD＝0．1Ts＝0．4min

3、如图15一16所示的反应器为温度控制系统。

它通过调节进入反应器的冷却水的流量来保持反应器温度的稳定。

要求：

①画出该控制系统的方块图，并说明它是什么类型的控制系统；

②若反应器温度不能过高，否则会发生事故，试确定调节阀的气开气关型式；

③确定主调节器和副调节器的正反作用；

④若冷却水压力突然升高，试简述该控制系统的调节过程。

解：

①本系统是串级控制系统。

其方块图如图15一17所示。

②因为反应器温度不能过高，调节阀在气源中断时应是打开的，因此采用气关阀。

③先确定副调节器。

因为副对象是正作用对象，调节阀是反作用方向，为了保证副环为负反馈，副调节器采用正作用。

再确定主调节器。

把整个副环看成一个正作用环节，主对象为反作用对象，为了保证主环为负反馈，主调节器采用正作用。

④从副环来看，当冷却水压力升高时，冷却水的流量增加，由于副调节器是正作用，其输出增加；又由于调节阀是气关阀，故其输出减小，因而冷却水流量减少，从而很及时地克服了由于压力升高所引起的流量增加，使冷却水压力的波动几乎不影响到反应器温度。

从主环来看，若副环对冷却水压力的波动不能完全克服，而使反应器温度有了微小的降低。

这时，由于主调节器是正作用调节器，其输出减小，即副调节器的给定值减小，相当于副调节器的测量值增加，所以其输出增加，调节阀开度减小，冷却水流量减少，使反应器温度回升。

这样，主环和副环同时作用，很及时地克服了冷却水压力的影响。

4、设有一台精度等级为0．5级的电子电位差计，量程为0－l000℃，在正常情况下进行检验，测得的最大绝对误差为十6℃，问该电子电位差计是否合格？

解：

仪表允许的最大绝对误差为ΔTmax=Nδ允=1000×（±0．5％）＝±5℃

现测得的最大绝对误差为6℃＞5℃，故该电子电位差计不合格。

5、如图15－24所示的两种测温方法，问A表和B表的指示值哪一个高？

为什么？

答：

A表指示与B表指示值一样高。

①图中热电偶的热端温度为300℃，冷端温度为30℃；②图中热电偶热端温度也为300℃，冷端由于接了补偿导线，其热电特性与热电偶相同，相当于延伸到了30℃的地方，故二者输入显示仪表的热电势完全相同，因此A表与B表的指示值一样高。

6、现用一只分度号为K的热电偶测量某炉温，已知热电偶冷端温度为20℃，显示仪表（本身不带冷端温度补偿装置）读数为400℃，①若没有进行冷端温度补偿，试求实际炉温为多少？

②若利用补偿电桥（0℃时平衡）进行了冷端温度补偿，实际炉温又为多少？

为什么？

解：

由K热电偶的分度表可知，E（400，O）＝16．395mV，E（20，O）＝0．798mV

①设实际温度为T℃。

若没有进行冷端温度补偿，则输入显示仪表的电势为热电偶所产生的热电势，即：

E入＝E（T，20）＝E（T，0）－E（20，0）

由显示仪表读数为400℃可知，E入＝E（400，0），于是

E（T，0）－E（20，0）＝E（400，0）

即E（T，O）＝E（400，0）＋E（20，0）＝16.395＋0.798＝17.193mV

查K热电偶的分度表可知，对应的实际温度T＝418．9℃。

②设实际温度为T℃。

若进行了冷端温度补偿，则输入显示仪表的电势为热电偶所产生的热电势E（T，20）加上补偿电桥的输出电势E补，即

E入=E（T，20）＋E补

由补偿原理可知，补偿电桥的输出电势为

E补=E（20，0）

由显示仪表读数为400℃可知

E入＝E（400，0）

故E（T，20）＋E（20，0）＝E（400，0）

即E（T，O）＝E（400，0）

因此，对应的实际温度T＝400℃。

7、用分度号为K的热电偶进行测温，误用了分度号为E的补偿导线接配在型号为K的电子电位差计（本身带冷端温度补偿）上，如图15－26所示。

已知电子电位差计读数为650℃，问被测实际值为多少？

解：

由电子电位差计的读数为650℃可知，输入电子电位差计的电势为

E入＝EK（650，20）

设被测实际值为T，由外接线路可知：

E入＝EK（T，40）＋EE（40，20）

于是

EK（T，40）＋EE（40，20）＝EK（650，20）

∴EK（T，40）＝EK（650，20）－EE（40，20）

而EK（T，40）＝EK（T，0）－EK（40，0）

即EK（T，0）＝EK（40，0）+EK（T，40）=EK（40，0）－EE（40，20）＋EK（650，20）

而EK（650，20）＝EK（650，0）－EK（20，0）=26．224mV

EE（40，20）＝EE（40，0）-EE（20，0）=1．227mV

代入上式得EK（T，0）＝1．611－1．227十26．224＝26．608mV

查K热电偶的分度表可得

T=640．2℃

8、某压力容器压力波动不大，压力控制指标为6MPa，要求测量误差不大于0.18MPa，试选用一台合适的单圈弹簧管压力表。

解：

①选用压力表应先确定仪表类型，题中已经给定。

②再确定仪表的量程范围。

因为压力波动不大，最大工作压力不超过满量程的2／3，即6＜（2／3）N，故N＞6×（3／2）＝9MPa，选用量程范围为0－10MPa的压力表。

③最后确定仪表的精度等级。

工艺允许的相对误差最大值为

δ允＝±0．18/（10－0）＝1．8%

所以仪表的精度等级应选1．5级。

9、LZB－50型转子流量计，转子材料为不锈钢，密度为7920kg/m3，测量范围对于密度为1000kg／m3的水来说是l6000－l60000m3／h，试求对于密度为640kg／m3的液体，其测量范围是多少？

解：

设转子、水、被测液体的密度分别为ρf、ρo、ρ，由液体流量的修正公式可知：

密度修正系数为：

因此，对于密度为640kg／m3的液体，其测量范围是20480－204800m3／h。

注意：

此处K为体积流量密度修正系数KQ的倒数，即K=1/KQ；Q测即Qf。