化工仪表及自动化复习重点.docx

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化工仪表及自动化复习重点

自动控制系统的基本概念

系统组成：

被控对象+自动控制装置（测量变送+控制器+执行器）

测量变送：

将现场各种非电量信号转化为电信号输出

控制器：

它接受变送器送来的信号，与工艺需要进行比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去。

执行器：

根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。

系统表示形式：

1,方框图（简单控制系统）2,管道及仪表流程图

基本符号:

A报警C控制I指示Q累计R记录打印T传送

系统分类：

开环，闭环

1.定值控制系统：

所谓定值就是恒定给定值的简称。

工艺生产中，如果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，那么就需要采用定值控制系统

2.随动控制系统（自动跟踪系统）：

这类操作系统的特点是给定值不断的变化，而且这种变化不是预先规定好了的，也就是说给定值是随机变化的。

3.程序控制系统（顺序控制系统）：

这类系统的给定值是变化的，但他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。

系统品质指标：

过渡过程总体要求（稳、快、准）评价一个过程控制系统的性能和质量，主要考虑系统的稳定性、快速性、准确性和相应的品质指标

单项指标（最大偏差、过渡时间、衰减比、余差）

最大偏差：

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。

过渡时间：

从干扰作用发生的时刻起，直到系统建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。

衰减比：

表示衰减程度的指标是衰减比，他是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态值与给定值之间的偏差叫做余差。

绘制控制系统的管道及仪表流程图

自动控制系统的基本概念

测量变送部分

测量基本概念：

仪表性能指标：

绝对误差精度等级变差

绝对误差：

被校仪表值减去标准仪表值。

精度等级：

精度等级数值越小就表征该仪表的精确度等级越高，也说明了该仪表的精度越高。

常用精度等级有0.0050.020.050.10.20.40.51.01.52.54.0

变差：

-在外界条件不变的情况下用同一仪表对被测变量范围内进行正反行程测量时，被测变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/（测量范围上限值—测量范围下限值）*100%

压力

弹簧管压力计：

弹性元件工作原理

弹性元件：

1.弹簧管式弹性元件：

测量范围宽可测高达1000MPa的压力

2.薄膜式弹性元件：

它的测压范围较弹簧式的低

3.波纹管式弹性元件：

常用于低压和微压的测定

工作原理：

弹性元件受压后产生弹性形变的原理制成的。

霍尔片式压力计：

霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将压力所引起的弹性元件的位移转化成霍尔电势，从而实现压力的测量。

霍尔电势：

霍尔电势的大小与半导体材料、所通的电流、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸有关UH=RHBI

应变片式压力计（了解即可）:

应变片式压力传感器是利用电阻应变器的原理构成的。

电阻应变片有金属应变片和半导体应变片两类。

被测压力使应变片产生应变。

当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增大。

应变片阻值的变化，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。

压力测量仪表的选用

（一）仪表种类和型号的选择

1）工艺要求现场指示、远传指示、自动记录、自动调节或信号报警

2）介质性质温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性

3）现场环境温度、湿度、有无振动

仪表量程的确定

1）化工自控设计技术规定

2）被测压力较稳定的情况，最大压力值应不超过满量程的2/3；

3）被测压力波动较大的情况，最大压力值应不超过满量程的1/2

4）被测压力的最小值也不应低于全量程的1/3

（二）仪表精度等级的选择：

根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。

（三）

温度

热电偶测温计

测温原理：

以热电效应为基础的测温仪表。

为什么要使用补偿导线?

由热电偶测温原理可知，只有当热电偶冷端温度保持不变,热电势才是温度的单值函数。

在实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离的很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。

也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会消耗很多贵重金属材料。

因此采用热电性能与热电偶相近的廉价金属制成专用导线，将热电偶的冷端延长到温度恒定的地方。

这种专用导线就是补偿导线。

使用补偿导线时要注意哪几点?

在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不要接

错，热电偶与补偿导线连接端处的温度不应超过100℃。

用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?

采用补偿导线后把热电偶冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳的操作室内，但冷端温度还不是0℃。

而工业上常用各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持在0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线刻度的，由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这是热电偶产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。

因此，在应用热电偶测温时，要进行冷端温度补偿。

热电偶名称

补偿导线

正极

负极

铂铑-铂

铜

铜镍

镍铬-镍硅（镍铝）

铜

铜镍

镍铬-铜镍

镍铬

铜镍

铜-铜镍

铜

铜镍

热电阻温度计

测温原理：

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来进行温度测量的。

三线制：

消除导线阻值的影响

测温元件的安装要求

1.在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。

因此，要求安装时测温元件应迎着被测介质流向插入，至少需与被测介质正交，切勿与被测介质形成顺流。

2.测温元件的感温点应处于管道中流速最大处

3.测量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线5～10mm。

4.

物位

静压方法仪表使用时零点迁移（无、正、负）掌握例题P67

流量

容积式:

腰轮流量计

原理：

流量计是由计量箱和装在计量箱内的一对椭圆齿轮，与上下盖板构成一个密封的初月形空腔（由于齿轮的转动，所以不是绝对密封的）作为一次排量的计算单位。

当被测液体经管道进入流量计时，由于进出口处产生的压力差推动一对齿轮连续旋转，不断地把经初月形空腔计量后的液体输送到出口处，椭圆齿轮的转数与每次排量四倍的乘积即为被测液体流量的总量（原理见图）

腰轮流量计和椭圆齿轮流量计原理相同只是内部结构有所差异（书上没有腰轮流量计只有椭圆流量计差别不大）

使用场合：

适用于高粘度介质的流量测量，测量精度高，压力损失小，安装使用方便。

但介质中不能含有固体颗粒，否则会引起齿轮磨损以致损坏。

速度式：

差压式流量计

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。

使用场合：

适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在10000-100000以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。

转子流量计

原理：

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。

使用场合：

测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。

指示值修正：

转子流量计的流量标尺上上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20度时水的流量值，对于气体来说是20度，0.10133mpa压力下空气的流量值。

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侧介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。

控制装置（含常规控制规律）

信号制、变送器作用、基本控制规律及对过渡过程影响

基本控制规律及对过渡过程影响：

1.位式控制（其中双位控制比较常用）（了解即可）：

控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置

2.比例控制（P）：

比例控制的优点是反应快，控制及时。

有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例的变化，偏差越大，输出的控制作用越强。

缺点是不能消除余差

3.积分控制（I）：

当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（减小）当偏差为0时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成系统可以达到无余差。

缺点是控制动作缓慢，会出现控制不及时，被控变量将出现大的超调量，过渡时间也会延长。

4.微分控制（D）：

优点是只要出现变化趋势，马上就进行控制，有超前控制之称缺点是不能消除余差所以不能单独使用。

5.比例积分控制（PI）控制及时，能消除余差担当对象滞后现象很大时可能控制时间较长最大偏差也较大

6.比例积分微分控制（PID）：

快速进行控制，又能消除余差，具有较好的控制性

说明P、PI、PD控制规律的特点

P控制规律的特点是反应速度快，存在余差。

PI控制规律的特点是可以消除余差，并且控制及时。

PD控制规律的特点：

超前控制，不能消除余差。

变送器作用

作用：

将各种物理量转换成统一的标准信号

气动控制仪表：

0.02～0.1MPa（20～100kPa）

电动控制仪表：

0～10mA（DC）电流信号（电动Ⅱ型仪表）

4～20mA（DC）电流信号（电动Ⅲ型仪表）

1～5V（DC）电压信号（电动Ⅲ型仪表）

执行器

组成：

气动执行器分为薄膜式和活塞式

薄膜式可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，成为气动薄膜调节阀。

它结构简单、价格便宜、维修方便、应用广泛

气动活塞式执行器推力较大，主要适用于大口径、高压降控制阀或者蝶阀的推动装置

流量特性：

被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度间的关系

理想流量特性是不考虑阀前后压变化的流量特性

理性流量特性和工作流量特性：

1直线流量曲线2对数流量曲线3抛物线特性曲线

4快开特性

理想流量特性取决于------阀芯的形状

工作流量特性考虑阀前后压差变化的流量特性，

主要有串联管路和并联管路的工作流量特性。

阀的可调比

可调比：

阀门的最大流量与最小流量之比

执行器作用方式选择：

执行器有气开和气关两种形式，选择是主要从工艺生产上安全要求出发。

考虑原则是：

信号压力中断时，应保证设备和人员的安全。

如果阀门处于打开位置时危害小就应选取气关式，反之亦然。

被控对象：

建模方法：

机理建模，实验建模

描述对象特性三个参数，及对过程影响（控制通道、扰动通道）

放大系数K：

对象的放大系数k越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响就越大。

时间常数T：

时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。

滞后时间τ：

滞后时间包括传递滞后，容量滞后。

由于滞后效应的存在使系统受到扰动作用后，被控变量不能立即反应出来，于是就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到影响。

控制通道：

由于存在滞后，使控制作用落后于被控变量的变化，从而使被控变量的偏差增大，控制质量下降。

滞后时间越大控制质量越差。

扰动通道：

对于扰动通道，如果存在滞后相当于扰动延迟了一段时间才进入系统因扰动在什么时间出现无法预知，因此并不影响控制系统的品质。

扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和。

简单控制控制系统

了解简单控制系统的结构、组成及作用。

组成：

通常有一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单环控制系统，因此也称为单回路控制系统

结构：

结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，能够满足控制质量的要求。

掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则

被控变量选择的一般原则：

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，一般都是工艺过程中比较重要的变量

2）尽量采用直接指标作为被控变量。

3）被控变量应能被测量出来，并具有足够的灵敏度

4）必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状

5）被控变量应是独立可控的

6）被控变量在工艺操作过程中经常受到一些干扰影响而变化。

为维持被控变量的恒定，需要较频繁地调节

操纵变量选择的一般原则

1）操纵变量应是可控的

2）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）还应考虑工艺的合理性和生产的经济性

了解各种基本控制规律的特点及应用场合。

1）比例控制器控制器的输出与偏差成正比，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应的关系适应用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出误差要求的系统。

2）比例积分控制只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，只到消除偏差为止。

所以在过渡状态结束时是无余差的适应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

3）比例积分微分控制微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，他对克服对象的滞后有显著地效果。

在比例的基础上加上微分作用提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差适用于容量滞后较大、负载变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统

掌握控制器正、反作用确定的方法

被控对象*测量变送*执行器*控制器=--

测量变送+气开阀+气关阀--被控对象随流量的增加而变大为+反之为--

掌握控制器参数工程整定的方法。

1）临界比例度法

先通过实验得到临界比力度和临界周期，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。

2）衰减曲线法

通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值

3）经验凑试法

根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用δ、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照顺序对三个参数逐个整定，只到满意为止。

造成控制系统滞后的原因有哪些？

对象滞后、检测滞后、信号传送滞后

控制器整定的任务是什么？

常用整定方法有哪几种？

工程整定临界比例度法经验凑试法衰减曲线法

复杂控制控制系统

试述串级控制系统的特点及其使用条件；

特点：

1.在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路，主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；两个测量变送器，主变量和副变量；一个执行器

2.有两个变量：

主变量和副变量

3.串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量

4.有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合

使用条件：

当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。

简述均匀控制的目的及控制方案

前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作情况也是互相关联，互相影响。

简述比例控制的目的及控制方案；

工艺上需要控制两种物料保持一定的比例关系

比值控制系统的类型：

1.开环比值控制优点是结构简单只需要一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定

2.单闭环比值控制系统克服了开环比值控制方案的不足，在开环比值控制系统的基础上，通过增加一个副闭环控制系统而制成的。

实现了比较精确的流量比值。

3.双闭环比值控制系统不但克服了单闭环比值控制系统主流量不受控制，生产负荷在较大范围内波动不足而设计的。

它在单闭环比值控制的基础上，增加了主流量控制回路而构成。

不仅实现了比较精确的流量比值，而且也确保了两物料总量基本不变。

主要适用于主流量干扰频繁、工艺上负荷有较大波动或者工艺上经常需要提降负荷的场合

前馈控制系统：

1.是开环控制系统

2.前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时有效

3.前馈控制使用的是视对象特性而定的专用控制器

4.一种前馈作用只能克服一种干扰

选择性控制系统特点，结构（了解）

试述分程控制的目的及其适用场合；

1.用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质

2.用于控制两种不同的介质，以满足工艺生产的要求

3.用作生产安全的防护措施

目的：

提高可调比、

试述分程控制的目的及其适用场合；

分程控制系统：

由一个控制器同时控制两个执行机构的控制系统；

使用范围：

–扩大调节范围，提高调节精度；

–可用于两种不同的介质，以满足工艺要求；

–用作生产安全的防护措施

绘制控制系统的方框图并指出主、副被变量及操纵变量

6.选择合适的测温元件

选择热电阻（铜或铂电阻）为测温元件

理由：

被测温度在70℃-105℃附近