《化工自动化及仪表》期末复习资料.docx

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1、化工自动化仪表期末复习摘要第一章自动控制系统概述1.单元组合仪表之间用标准统一信号联系：气动仪表(QDZ系列):20-10OkPa气压信号；电动仪表信号：（八）DDZn系列J:O-IOmA直流电流信号;(B)DDZm系列J:4-20mA(1-5V)直流电流信号。2 .专用术语：被控过程(被控对象):自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。被控过程：锅炉汽包被控变量：汽包液位操纵变量：水的流量扰动

2、：水压力、蒸汽流量设定值：工艺参数所要求保持的数值。偏差：被控变量实际值与设定值之差。负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减3 .闭环控制与开环控制：闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量的值被送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点(优点)：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。闭环控制的缺点控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。开环控制：根据扰动信号的变化来进行控制。开环控制的特点(优点)：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及

3、时。环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到其他扰动作用后，被控变量偏离设定值，无法消除偏差，这是开环控制的缺点。控制器(P5)：4 .闭环控制系统的组成e(t):偏差U:控制作用(控制器输出)q(t):操纵变量C:被控变量y(t):测量值r(i):设定值控制器：比较机构和控制装置的组合；广义对象：过程、执行器、检测变送的组合。5 .自动控制系统的分类：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。6 .自动控制系统的过渡过程及品质指标：定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动)：发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减自动控制系统的品质指标：(1)最大动态偏差(ema):对

4、于定值控制系统，,过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个振BB，I荡波的峰值与设定值之差。即：图中的A稳态特性(2)衰减比n:第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。即：=5注：nl：衰减振荡；n=l:等幅振荡；n,0)=ESR)+(4,0)参比端温度补偿方法：（八）计算法(B)冰浴法(C)机械调零法(D)补偿电桥法(常用X热电阻：(1)分类：金属热电阻、半导体热敏电阻。(2)采用三线制接法：消除连接导线阻值变化带来的误差。(3)分度号:Pt50、PtlOOxCu50等。热电偶与热电阻的选择：高温一热电偶；低温(500。C以下)一热电阻(1)热电偶：（八）参比端温度补偿；(B)补偿导线的极

5、性不能接反；(C)分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；(D)在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表(如电子电位差计、温度变送器等)配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。(2)热电阻：（八）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；(B)采用三线制接法；(C)配套使用仪器：电子自动平衡电桥。4.流量检测：(1)三种流量表示：质量流量(qm)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位：(kgs)体积流量(qv):单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态)单位：(m3s);qm=qvP体积流量(qvn)：折算到标准的压力和温度下的体积流量。(标准状态下：一个大气压，20)(

6、2)流量检测的主要方法：测体积流量：(A)容积法(不用直管段恒流)：如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等。(B)速度法：有差压式、电磁式、漩涡式、声学式、热学式、涡轮式。测质量流量：间接法(测出体积流量和密度，经过计算得到。主要有压力温度补偿式质量流量计)和直接法(如：科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动量式流量计)5 .差压式流量传感器：(1)节流装置(前后要有一定长度的直管段)：流量方程式(差压与流量的关系)：体积流量4=KJ簧质量流量%二K必标(2)靶式流量计；(3)涡轮流量计；(4)电磁流量计；(5)转子流量计;(6)旋涡流量计；(7)超声波流量计。6 .压力检测：(1)压

7、力定义：定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。(2)压力的三种表示：绝对压力(Pl表压力p(又称相对压力，是指绝对压力与大气压力(Po)之差)负压/真空度(负的表压图3-41差压传感 器测量液位原理图7 .物位检测：常用物位检测仪表一差压式液位计(关于迁移问题)：(1)取压点与液位零面在同一水平面：设被测介质的密度为P,容器顶部为气相介质，气相压力为Pa,Pb是液位零面的压力，Pl是取压口的压力，根据静力学原理可得P?= Pa， Pi =Pa+PghP = P-P2= Pgh因此，差压变送器正负压室的压力差为图3.42液位测 量的正迁移液位测量问题就转化为差压测量问题了。(2)取压口低于容器底

8、部：.R=PaPl=Pb+凤Pg=PA+hpg+hpg=Pi-P2=Pgh+Pgho在无迁移情况下，实际测量范围是0(h0pg+hmapg原因是这种安装方法使AP多出一项h0pg当h=0时，AP=h0pg,因此PO20KPa。为了迁移掉h0pg,即在h=0时仍然使Po=2OKPa,可以调整仪表的迁移弹簧张力。.迁移量hopgO是正迁移。量程迁移后，测量范围为Ohmapg,再通过零点迁移，使差压式液位计的测量范围调整为hog(h0g+hmagI8.变送器：作用：将检测元件的输出信号转换成标准统一信号送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。常见的变送器有：温度变送器、差压变送器、流量变送器、液

9、位变送器等。工作原理：负反馈原理。变送器的量程、零点迁移：(y为标准输出信号；X为被测参数)(1)量程迁移(调整斜率)：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。因为y=1(或+Zo),所以改变反馈系数F的大小可以实现量程调整，F大则量程大。(2)零点迁移(平移)：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。零点调整：Xmin=0零点迁移：min0（八）正迁移：Xmin0(B)负迁移：min0调节次序：先量程调节，后零点调节。使用温度变送器时应注意的问题(1)使用前都要进行量程迁移和零点迁移。(2)温度变送器要与输入信号类型相符，分度号的匹配、接线等。此外：热电偶温度

10、变送器：热电偶的参比端要与变送器上的补偿电阻感受相同温度。热电阻温度变送器：金属热电阻采用三线制接法，半导体热敏电阻不用。第四章显示仪表1 .模拟式显示仪表：(1) 电子电位差计一配热电偶(热电偶短路一指针指向参比端温度)功能：与温度、流量、压力、差压、成分等变送器配接，可以测量和显示能转换成毫伏及直流电压信号的工艺变量。原理：电压补偿原理。用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流等于零。用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。【心】型号：用XW系列来命名，X表示显示仪表，W表示直流电位差计。XW-类型：小型长图显示、大型长图显示、圆图显示等。(2)

11、电子自动平衡电桥一配热电阻功能：对能转换成电阻值的各种变量进行测量、显示、记录。原理：电桥平衡原理。型号：根据输出电压：XD系列交流平衡电桥；XQ系列一直流平衡电桥2 .数字式显示仪表：数显仪表的组成框图(右图)：工艺变量：非线性极正或开方-11V1n赞Ig0.6:认为工作特性与 理想特性相同。0.3S0.6:S=100%。比例度6对系统过渡过程的影响：在扰动(如负荷)及设定值变化时有余差存在。比例度愈大，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。比例度愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡,此时的比例度称为临界比例度灰。在扰动作用下，主要取决于余差，小则余差小，所以

12、最大偏差也小；在设定作用下，最大偏差取决于超调量，小则超调量大，所以最大偏差就大。(参见右图)(2)比例控制特点(存在余差)：是最基本、最主要、应用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳定。适用场合：扰动幅度较小、负荷变化不大、过程时滞较小或控制要求不高的场合。(3)积分作用特点:（八）消除余差，却降低了系统的稳定性(B)落(a)扰动作用(b)设定作用后性：积分控制作用总是滞后于偏差的存在。积分时间Tl定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间Ti。积分时间Tl越大，直线越平坦，说明积分作用越弱。随着TI减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统

13、的振荡加剧，系统的稳定性下降。积分颜口：积分饱和指的是一种积分过量现象。解决积分饱和问题的常用方法是采用PI-P控制规律。另外，还有积分限幅法，变速积分法等。（4）微分作用特点（超前控制）：理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲,输出只与偏差的变化速度有关。微分时间TD越大,微分作用越强。由于微分在输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制，适用于容量滞后。（5）实际PID控制：）=K,41+（K。l）exp（-4）（必记）式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分部分，第三项为微分（D）部分。KC为比例增益，KD为微分增益；TI

14、为积分时间；TD为微分时间，A为阶跃信号。适当的微分作用：在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。如右图所示：TD太小:对系统的控制指标没有影响或影响甚微,如曲线1；Td适当：系统的控制指标将得到全面的改善，如曲线2;TD过大：引入的微分作用太强，可能导致系统产生剧烈的振荡，如曲线3。如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比n,则可适当减小控制器的比例度。适用场合：用于时滞大的场合，特别是在温度控制系统。(6 ) Px k D开环输出特性：殛某台PID控制器偏差为ImA时,输出表达式为4,=2+8e(t单位为分钟试问：(1)

15、这是什么控制规律？( 2 )求出控制器各个控制参数。(3 )画出具于解:w = 2 + 8e ,;又有m(Z)理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环厂i)ep(- 输出特性阶跃偏差作用下的 实际比例微分开环 输出特性(1) PD控制规律。KcA=2(2) KCA(Ko-1)=8解之得：Kc=2,Kd=5,Td=50幺=td(3)开环输出特性曲线：为KcA=2,KcKdA=IO曲线如右图所示:4.模拟式控制器:(1) DDZ-In型电动单元控制器：输入信号为来自变送器或转换器的15V直流测量信号,设定信号为15V直流信号，两者相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出15V或420mA

16、直流控制信号给执行器,以实现对工艺变量的控制。(2)控制器的工作状态有自动、软手动、硬手动及保持四种：软手动T微调；硬手动一粗调；保持T无扰动切换(输出值保持不变(3)控制器的内外设定开关：内一定值控制；外一随动控制。(4)控制器的正、反作用开关：由U和e的方向决定，同向为正作用。当控制器置于正作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加。控制器正、反作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来如图所示的液位控制系统，如果阀的气开、气关特性发决定，保证控制系统为负反馈。生改变，控制器的正、反作用也应该发生改变。假设阀门选用气关阀:假设液位上升：Lye要使液位下降：L阀开度TeT

17、和UT同向(箭头同向)选正作用控制器。假设阀门选用气开阀：假睇升：LTyTeT要使液位下降：LJ一阀开度JeT和UI反向(箭头反向).选反作用控制器。画如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要求釜内温度不得过高，试确定调节器的正、反作用。解：(1)确定控制阀的气开、气关特性:.工艺要求釜内温度不得过高，也就是说，供气中断时热源关断应选气开阀。TyeT 阀门开度u J.控制器应选反作用(2)确定调节器的正、反作用:第七章简单控制系统1.被控变量的选择原则：(1)合理性与独立性：尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量。(2)直接指标与间接指标：所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求。(3

18、)可测与可控：必须考虑自动化仪表及装置的现状。2 .操纵变量的选则原则：(1)操纵变量必须是工艺上允许调节的变量。(2)操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数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操纵变量。(4)工艺上的合理性和方便性。3 .选择控制规律时注意：(1)微分作用对过程的容量滞后有效，而对过程控制通道存在纯滞后无效。(2)积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。4 .控制器的参数整定：(1)临界比例度法：先将!空制器设置为纯比例作用，比例度放在较大位置,将系统投入闭环控制，然后逐步减

19、小比例度并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。求得临界比例度6k,临界振荡周期Tk.根据仇和Tk查表找控制器应该采用的参数值。(注：控制系统工作在非线性区，不适用)(2)衰减曲线法：将控制器先设置为纯比例作用，并将比例度放在较大的位置上。将系统投入闭环控制，在系统稳定后，逐步减小比例度，改变设定值以加入阶跃干扰，观察过渡过程的曲线，直至衰减比n为4:L这时的比例度为s,衰减周期为Ts,最后，杳表得出控制器应该采用的参数值。(注：加干扰前，控制系统必须处于稳定的状态”介跃干扰的幅值不能大；不可以过渡过程波动频繁)(3)经验整定法：经验法整定控制器参数的关键是看曲线，调参数二（八）比

20、例度:比例度越大，过渡过程越平缓，余差越大；比例度越小，过渡过程振荡越激烈，余差越小，过小，甚至成为发散振荡的不稳定系统。(B)积分时间Ti:积分时间越大(积分作用越弱),过渡过程越平缓，消除余差越慢；积分时间越小(积分作用越强)，过渡过程振荡越激烈，消除余差快。(C)微分时间Td：微分时间越大，微分作用越强。第八章复杂控制系统1 .常用的复杂控制系统有：串级、均匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等。2 .串级控制系统(只有一个执行器):(1)串级控制系统的基本原理和结构：思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。例如：加热炉温度串级控制系统P171(2)组成原理：将原

21、被控对象分解为两个串联的被控对象。以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成一个副回路(简单控制系统将原被控变量作为主被控变量构成主回路。主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值,副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。(3)系统的工作方式：副环既是随动又是定值控制系统；主环是定值控制系统。(4)副被控变量的选择原则：必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中的一个适当中间变量；使主要扰动作用于副对象上，使副对象包含适当多的扰动；主、副对象的时间常数不能太接近。副控制器控制规律一般选择P控制，而且比例度选的较小。(5)正、反作用选择：副控制器正、反作用的选择根据调节阀

22、的气开、气关形式来确定。主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定(与气开、气(1)阀的气开、气关特性：依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全关闭状态,不致烧坏加热炉,所以应选气开阀。(2)副控制器的正、反作用：PTfySepJ-燃料量L-阀开度J-uJ选择反作用。(3)主控制器的正、反作用：TTf要求PJ才能使TJ.主控制器应选反作用(TT与PI反向1结论：副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。(6)系统投运：将主控制器设定为内设定方式，副控制器设定为外设定方式。参数整定:两步整定法：先整定副控制

23、器，后整定主控制器。一步整定法：只整定主控制器，副控制器的参数按经验值设定。(7)串级控制系统适用场合：采用简单控制质量较差,或要求被控变量的误差范围很小简单控制系统不能满足工艺要求。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的情况。复杂控制系统中用的最多的一种。3 .均匀控制系统(与简单定值系统外形一致):(1)均匀控制的目的：从控制方案出发，解决前后工序供求矛盾，达到前后兼顾协调工作(如使液位和流量均匀变化(2)采用均匀控制的前提条件：系统需要控制的两个或多个变量的要求不是很高，可以在一定范围内波动。(3)均匀控制的特点：表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。前后互相联系又互

24、相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。(4)实现方法：通过控制器的参数整定来实现。(5)注意：微分作用与均匀矛盾，故不能采用微分作用。(6)与定值控制系统区别：区别在于控制器的控制规律选择和参数整定。均匀控制系统要求：不选择微分作用，参数整定上一般比例度大于100%,积分时间要长，才能满足均匀控制。均匀控制系统所控制的变量允许有一定波动，对余差无要求。4 .比值控制系统：(1)目的：是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产安全、正常地进行。(2)定义：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。(3)主动量与从动量：主动量(主流量)：在需要保持比值关系的两种物料中

25、，必有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量(FM)。从动量(从流量):另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从动量(FS)。(4)比值控制系统分类：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。(5)单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：结构上：没有主对象、主控制器；本质区别：串级中，副变量是操纵变量到主被控变量之间的一个中间变量，会影响主被控变量，在比值中，从动量不会影响主动量。(6)特点：从动量控制系统既是一个随动控制系统又是一个定值控制系统。单闭环比值控制系统能克服从动量的波动，使其随主动量的变化而变化，使它们保持比值关系。(7)双闭环比值控制系统

26、：双闭环控制系统实际上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统组成，它不仅能保持两个流量之间的比值，而且能保证总流量不变。适用场合：主要应用于总流量需要调整的场合。5 .分程控制系统(需要阀门定位器):c(t)控制信号T执行器I1Q-三T执行器21(1)分程控制系统方块图及其特性：(2)分程控制系统的特点：简单控制系统：一个控制器的输出信号只控制一个执行器。分程控制系统：一个控制器的输出信号同时控制几个工作范围不同的执行器。(3)分程的实现：是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的，将调节器的输出信号分为几段，每段控制一介阀门动作。(4)分程控制的应用：提高控制阀的可调比；交替使用不同的控制方式

27、；满足生产过程不同阶段的需要。(5)控制阀的可调范围R的计算：R =控制阀max流通能力 控制阀min流通能力画设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为CAmax=100rCBma=4,可调范围Ra=Rb=30,两个阀均为气开阀,试求两介阀并联后的可调范围。解：.r=GlCmin可得小阀的最小流通能力为QminC4= -0.133RB30当大、小阀并联组合在一起时，阀的最小流通能力为0.133,最大流通能力为104,所以调节阀的可调范围为R1=CAnulX+03max=XJg2Qmin0.1336 .前馈控制系统(可测不可控):(1)概念：反馈控制(闭环控制)：控制器按照被控变量与设定值的偏差来

28、进行控制。存在的问题：当被控变量偏离设定值，产生偏差后才进行控制，使得控制作用滞后。前馈控制(开环控制)：控制器根据扰动或设定值的变化按补偿原理进行工作。特点：扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动的大小施加控制，控制超前。(2)反馈与前馈的对比：反馈控制特点：(1)是闭环控制系统控制滞后(3)可克服所有扰动前馈控制特点：(1)是开环控制系统控制及时只能克服所测量的扰动(3)采用前馈控制系统的条件：扰动可测但是不可控。变化频繁且变化幅度大的扰动。扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以及时克服。第九章计算机控制系统1 .计算机控制系统的发展(记住缩写及名称):时间缩写名称最初DDC直接数字控制

29、系统(集中控制系统)20世纪70年代DCS集散控制系统(集中管理、分散控制)20世纪60年代PLC可编程逻辑控制器20世纪末FCS现场总线控制系统目刖及未来CIMS计算机集成制造系统CIPS计算机集成过程系统2 .集散控制系统：(1)定义：集散控制系统又称为分散型控制系统(DistributedControlSystem),简称为DCS系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。(2)主要特征：集中管理和分散控制。(3)具体有以下几个方面：分级递阶结构；采用微机智能技术；丰富的功能软件包；采用局部网络通信技术；友善的人机接口；高可靠性。3 .可编程逻辑

30、控制器：(1)定义：可编程序控制器(ProgrammableController,PC)早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC(2)可编程序控制器的特点(优点)：高可靠性：PLC的主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提高系统可靠性的措施。易操作性：操作、维修、编程灵活性：表现在编程、扩展、操作三个方面机电一体化：PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控制领域的主要控制设备。(3)可编程序控制器的主要功能：开关逻辑和顺序控制：最主要功能模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较

31、多时。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。信号联锁：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。4 .现场总线控制系统：(1)定义：现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展的基础上，与自动控制技术相结合的产物。它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。(2)现场总线控制系统的特点：系统的开放性；互可操作性与互换性；现场设备的智能化与功能自治性；系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。(3)现场总线控制系统的优点：节省硬件数量与投资；节省安装费用；节省维护开销；用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠性。5.综合自动化系统：(1)定义：计算机集成制造系统QMS(ComPllterlntegratedManufacturingSystems)计算机集成过程系统CIPS(ComputerIntegratedProcessSystems)