化工仪表及自动化课程内容梗概.doc

第一章
1、理解常用术语（给控制流程图，找出这些量）
·被控对象：需要控制其工艺参数的生产设备或机器
·被控变量：希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量
·操纵变量：用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量
·设定值：工艺上希望保持的被控变量的数值
·干扰作用：引起被控变量波动的外来因素
自动控制系统时具有被控变量负反馈的闭环系统
Ø 例题：

被控变量：物料出口的温度
操纵变量：蒸汽的流量
给定值：工艺给出的物料出口温度
干扰作用：进料温度、进料流量、蒸汽压力等
2、掌握自动控制系统的组成，了解各组分部分的作用以及相互关系；掌握方块图画法。
Ø ·组成：被控对象、测量变送、控制器、执行器
·简单控制系统组成：1个被控对象、一个测量变送、1个控制器、一个执行器
·复杂控制系统组成：…….
Ø 方块图

·画圈的地方时应该注意的地方，不要遗忘
·方块图中的每一个方块都代表一个具体的装置。方块与方块之间的连线，只是代表方块之间的信号联系，并不代表方块间的物料联系，方块间的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的
·要画具体的某个过程的方块图
3、熟悉管道及控制流程图常用符号及意义，辨识一些
Ø P13 图1-12
Ø 仪表的意义：①字母：功能②集中安装就地安装③数字：工段号②仪表顺序号
Ø 例：

4、掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的几种形式。
Ø 采用阶跃干扰的原因：①这种干扰比较突然，比较危险，对被控变量影响最大，若一个
控制系统能够有效克服阶跃干扰，那么对其他比较缓和的干扰也一定能很好克服；②阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析和计算
Ø 过渡过程定义：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程
Ø 阶跃干扰作用下过渡过程的形式：
·发散振荡过程
·等幅振荡过程
·非周期衰减过程
·衰减振荡过程
多数情况下，希望是衰减振荡过程。

Ø 控制系统的品质指标（能在图中找出）
Ø
·最大偏差：被控变量偏离给定值的最大数值A
·超调量：最大峰值减去新稳定值，A-C
·衰减比：B:B’，换算为n:1
·余差：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。
·过渡时间：从干扰作用发生的时刻起，知道系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间
·振荡周期或频率：过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间为振荡周期，其倒数为频率
第二章
1、控制通道、干扰通道
Ø 研究对象特性，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。这种对象的数学描述称为对象的数学模型。
Ø 对象的输出量：被控变量；
对象的输入量：控制作用、干扰作用
Ø 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、掌握机理法建立对象的数学模型，如一阶对象（貌似不考如何推导）
3、实验建模（了解）
4、掌握对象的三个参数K T τ及其物理意义&它们控制质量的影响（重点）
Ø 要求一阶对象
·无滞后
·有滞后
Ø 放大系数K：
·
·K属于对象的静态性能，原因是K表示对象受到输入作用后，重新达到平衡状态时的性能，是不随时间而变的
Ø 时间常数T：
·T的物理意义可以这样理解，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时间。
·
Ø 滞后时间：
·分为纯滞后、容量滞后；
·纯滞后：一般由于介质的输送需要一段时间引起的，或者，测量点选择不当、测量元件安装不合适造成的传递滞后
·容量滞后：有些对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y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的现象。
注意阶跃输入作用是从什么时间开始的，否则会造成滞后时间计算的错误。
第三章、第四章
1、掌握仪表精度等级确定和选择，理解仪表其他性能参数指标
Ø 相对百分误差：
允许相对百分误差：
Ø 根据仪表校验数据时，仪表精度等级检验数据计算得到的除去和%的值
根据工艺要求，仪表的精度工艺要求计算得到的除去和%的值
2、理解各种测压仪表的组成，基本原理，如电器式压力计的组成、核心部件及其功能；掌握压力表的选用方法。
Ø 液柱式压力计：根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量
Ø 弹性式压力计：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弹性变形的原理而制成的测压仪表。
Ø 电气式压力计：
·组成：压力传感器、测量电路、信号记录仪以及控制器、微处理机。
·核心部件：压力传感器，作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出；当输出信号进一步转换为标准信号，压力传感器又称为压力变送器。
·霍尔片式压力传感器原理：霍尔效应，将压力引起的弹性元件位移转换成霍尔电势
应变片式压力传感器原理：电阻应变原理
压阻式压力传感器原理：单晶硅的压阻效应而构成
电容式压力变送器原理：将压力的变化转化为电容量的变化，然后进行测量
Ø 仪表选用：
·仪表类型的选用：必须满足工艺生产要求。氨用压力计弹簧管的材料采用碳钢，不能用铜合金。氧用压力计要禁油。
·仪表范围的确定：仪表的测量范围指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围，它是根据操作中需要测量的参数的大小确定的。
①在测量稳定压力时，最大工作压力测量上限值的2/3；②测量脉动压力时，最大工作压力1/2；③测量高压力时，最大工作压力测量上限值的3/5；③一般被测压力的最小值仪表满量程的1/3。
·仪表精度的选取：根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。选用精度较低，价廉耐用的仪表
3、了解各种流量计的测量原理，重点是差压式流量计（要搞清楚）
Ø 流量、质量流量、体积流量的定义
Ø 流量计的测量原理
·速度式流量计：以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：以单位时间内排出流体的固定容积的数目作为测量依据
·质量流量计：测量流体流过的质量M为依据
·差压式流量计：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测量的。由节流装置（将被测流量转化为压差信号）、差压计（能将压差转换为对应的流量值）、显示仪表组成。
·转子流量计：采用压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。
Ø 差压式流量计：
·由节流装置（将被测流量转化为压差信号）、差压计（能将压差转换为对应的流量值）、显示仪表组成。
·
这是标准节流装置，流体由左向右流动；
标准节流装置取压方法有两种：角接取压法、法兰取压法

4、物位计了解一下
5、热电偶、热电阻温度计的测量原理；热电偶的冷端温度补偿；补偿导线与第三导线的区别
Ø 热电偶温度计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量温度的（热电效应）
热电阻温度计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）
Ø 热电偶的冷端温度补偿：在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得出准确测量结果，这样做，就称为冷端温度补偿。
Ø 进行冷端补偿的原因，补偿的方法。
·冷端温度保持为0℃的方法：把热电偶温度的两个冷锻分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入冰水混合物中
·冷端温度修正方法：
为测得的热电势，为热端为室温冷端为0℃的热电势，实际温度下的热电势
实际热电势与温度之间的非线性程度越严重，误差越大
·校正仪表零点法
·补偿电桥法
·补偿热电偶法
Ø 补偿导线与第三导线的区别
·从功能方面来说，
补偿导线是为了让冷端温度避免环境温度波动的影响，从而保持恒定而采用的一种专用导线
第三导线是连接测温点与远离测温点的测量仪表所采用的导线
·材质和成本上看
补偿导线由两种不同性质的金属材质制成，在一定温度范围内（0℃~100℃）与所连接的热电偶有相同的热电性，材料为廉价金属。
第三导线采用的是相同的材质，在第三导线两端温度相同的情况下，不会对原热电偶产生的热电势数值产生影响，材料也为廉价金属。
6、数字显示仪表的组成、及其部分功能
第五章
0、从控制仪表的发展看，控制仪表经历的三个阶段：
·基地式仪表：一般是与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测控制与显示的功能，所以它的结构简单、价格低廉、使用方便。
·单元式组合式仪表中的控制单元：
单元组合式仪表：将仪表按功能的不同分为若干单元（如变送单元、定值单元、控制单元、显示单元等），每个单元只完成其中的一种功能。各个单元之间以统一的信号相互联系。
DDZII：采用0~10mA的信号（注意输入信号与输出信号都是这种信号）
DDZIII：采用4~20mA的信号
·以微处理器为基元的控制器：
1、掌握各种基本控制规律输入-输出关系、特点及在一定输入偏差下，输出的响应曲线。
Ø ·控制器的输入信号为偏差信号e，在分析自动化系统时，偏差采用e=x-z，但在独立分析控制仪表时，习惯上采用测量值减去给定值作为偏差。老师云：以防混淆，记成e=z-x
·控制器的输出信号就是控制器送往执行器的信号p
Ø 常用控制规律：①比例P②比例积分PI③比例微分PD④比例积分微分PID
Ø 各种控制规律的输入-输出关系
·比例控制规律： 可调参数为比例度

若为单元组合式仪表，

注意：e为输入变化量，p为输出变化量
·积分控制规律： 可调参数为积分时间
·微分控制规律： 可调参数为微分时间
·比例积分控制规律： 可调参数为和
·微分控制规律： 可调参数为和
·比例积分微分： 可调参数为、、
Ø 各种控制规律的特点
·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。
·积分控制规律：①当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。
②当偏差为零时，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控制系统可以达到无余差。
③控制动作缓慢，控制不及时，不单独使用。
·微分控制规律：①在阶跃偏差信号的作用下，瞬时控制器的输出为无穷大，在t>t0后，则输出变化量为零—超前控制。
②当偏差固定不变时，微分控制的输出为零；这样的控制结果不能消除偏差，因此不能单独使用。
·比例积分控制：①控制及时且能消除余差
②当对象滞后很大时，可能控制时间较长，最大偏差也较大
·比例积分微分：①快速进行控制②消除余差，具有较好的控制性能
Ø 各个控制规律在一定输出偏差下的响应曲线。
·比例： ·积分：

·比例积分： ·微分：

·比例微分： ·比例积分微分：

2、掌握比例度δ、积分时间TI、微分时间TD对控制系统的影响（会根据图来判断这三个参数的大小）
Ø 比例度δ：比例度就是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相
反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。
·比例度δ与放大倍数成反比。δ越小，越大，控制作用越强；δ越大，越小，控制作用越弱。
·比例度对过渡过程的影响：
比例度越大，越小，过渡过程曲线越平稳，
但余差也越大；比例度越小，过渡过程曲线越振
荡；比例度过小时，就可能出现发散振荡。

临界比例度：当比例度继续减小到某一数值时系
统出现等幅振荡，这时的比例度成为临界比例度

Ø 积分时间对过渡过程的影响：
·积分时间越短，积分速度越大，积分作用越强；
反之，积分时间越长，积分作用越弱。若积分
时间无穷大，就没有积分作用。

·图中表示的是同样比例度下积分时间对过渡过
程的影响，过大，积分作用不明显，余差消
除很慢；过小，易于消除余差，但系统振荡
加剧。曲线2适宜。
Ø 微分时间对过渡过程的影响：
·微分时间TI 越大，微分作用越强；微分时间TD越小，微分作用越弱。TD太大，微分作用太强，会引起振荡；TD太小，微分作用不够显著，对控制质量改善不大，但系统稳定性较好。
3、了解模拟式控制器和数字式控制器的组成，核心部件。
Ø ·控制器的作用：将被控变量测量值与给定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，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。
·模拟控制器中，所传送的信号形式是连续的模拟信号；
Ø 控制器的组成和核心部件
·模拟控制器组成：比较环节、放大器、反馈环节
①比较环节：将给定信号与测量信号进行比较，产生一个与它们的偏差成比例的偏差信号。
②放大器：放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。
③反馈环节：反馈环节的作用是通过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。
核心部件为运算放大器。
·数字式控制器的核心部件：微处理机
第六章
1、了解气动薄膜控制阀的基本结构、主要类型及应用场合
Ø 气动执行器的组成：执行机构、控制机构（阀）、辅助装置（阀门定位器、手轮机构）
·执行机构：执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。
气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式
①正作用执行机构（ZMA型）：当来自控制其或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的执行机构
②反作用执行机构（ZMB型）：当信号压力增大时，阀杆向上动作的执行器。
·控制机构：执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，它是将阀杆的位移换位流过阀的流量的装置。实质上是一个局部阻力可以改变的节流元件
Ø 控制阀的分类。
2、掌握控制阀的流量特性，理解串联管道中阀阻比s和并联管道分流比x对流量特性的影响。
Ø ·控制阀的流量特性：指被控介质阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系。
·分为：理想流量特性、工作流量特性，区别。
理想流量特性：不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性，取决于阀芯的形状，主要有①直线②等百分比（对数）③抛物线④快开等几种。
工作流量特性：考虑阀前后压差变化的流量特性。分为①串联管道中②并联管道的工作流量特性。工作流量特性时，认为系统的总压是不变的。
Ø 控制阀的理想流量特性
（1）直线流量特性
·数学表达式：（可以联系一下对象流量特性中的放大系数）

注意：①是阀门所能控制的最小流量，不是阀门全关时的泄漏量，一般是的2%~4%
②理想流量特性，一般R=30
·直线流量特性的特点
★ 放大系数K 在不同开度时是相同的。
★在小流量时，流量变化的相对值大；在大流量时，流量变化的相对值小。
★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，不利于控制系统的正常运行。
★当系统处于小负荷时，容易产生超调；处于大负荷时，控制作用微弱而使控制不够灵敏。
★ 线性阀不宜工作在小开度或大开度，工作开度在50%左右为宜。
Ø 等百分比流量特性
·数学公式：
注意：放大系数为
·等百分比流量特性的特点
★ 放大系数K 随行程增大而增大。
★ 不管是小开度还是打开度，行程变化同样的百分数，流量在原来基础上变化的百分数是相同的，故取名为等百分比流量特性。
★ 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。
★ 适用于负荷变化比较大的场合。

Ø 串联管道中阀阻比s
·s：表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比
·表示管道阻力等于0时控制阀的全开流量。
ü 当s＝1，即管道阻力损失为零，系统的总压降全部落在控制阀上，此时实际工作特性与理想特性一致。
ü 随着S的减小，即管道阻力损失所占比重增加，控制阀全开时的流量比管道阻力损失为零时的全开流量要减少，因而实际的可调比R减少。
ü 随着S的减小，流量特性发生畸变；S小于0.3，畸变很严重，线性流量特性趋近于快开特性，对数流量特性趋近于直线流量特性。一般希望S值不要低于0.3。
Ø 并联管道中的分流比x
·x：分流比表示并联管道时，控制阀全开时的流量与总管最大流量之比。
·是总管的最大流量。
ü 当x＝1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性与理想流量特性相同。
ü 随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然控制阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。降低。
ü 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。
ü 采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。
Ø 串、并联管道中控制阀工作情况比较
①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重
②串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道的影响尤为严重
③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。
④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小（即信号变化引起的流量变化值减小）。串联管道控制阀若处于打开度，s值的降低会对放大系数影响严重；并联管道时控制阀若处于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。
3、掌握气动执行器的气开、气关型式及其选择原则
Ø 气开型：有信号压力时阀开，无信号压力时阀关
气关型：有信号压力时阀关，无信号压力时阀开
Ø 选择原则：信号压力中断时，应该是安全的。
4、掌握控制阀流量系数的计算方法，理解控制阀选择方法。
Ø 阀流量系数：当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流量（m3/h）。控制阀的口径选择是由值决定的。老师云：一般都是计算全开时的流量的。（公式考试时会给）
单位：g/cm3，单位：kPa，单位：m3/h
上面公式适应的条件：不太大，即流体为非阻塞流。
Ø 控制阀的选择
·控制阀结构和材质的选择：①工艺条件，如温度、压力、流量等②被控介质的物理特性和化学特性，如粘度、腐蚀性③控制要求，如泄漏量大小、安装环境条件。
·气开市与气关式的选择
·控制阀口径的选择
第七章
1、被控变量、操纵变量确定方法
Ø 被控变量选择的一些原则：
·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条件，一般是工艺过程中比较重要的变量。
·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
·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关系并且反应快的间接指标作为被控变量
·被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度
·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
·被控变量应是独立可控的。
Ø 操纵变量的选择的一些原则：
①操纵变量应该是可以控制的
②比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。控制通道的放大系数应该适当大，时间常数适当小（过小会引起振荡），滞后时间尽量小。干扰通道的放大系数尽可能大，时间常数尽可能大，滞后时间几乎无影响。
③考虑工艺合理性与生产的经济性。不宜选择生产负荷作为操纵变量；应尽可能降低物料和能量的消耗。
步骤：①根据工艺条件，分析影响被控变量的因素
②将这些因素分为可控的、不可控的
③在可控因素中，根据选择的原则进行挑选。
Ø 举例，例如给出一个工艺流程图，要求出料温度要达到xxx℃，干扰为@#￥￥#%￥，给出它们的变化对被控变量的影响，自行设计控制系统。猜测很可能为复杂控制系统，即串级控制系统或者前馈控制。
2、理解简单控制系统中控制规律选择，掌握控制器正反作用确定方法
Ø 广义对象：被控对象、测量变送装置、执行器合在一起，可称之为广义对象。
Ø 比例作用是最基本的控制规律，很少采用不加比例作用的控制规律
消除余差就要选择积分控制
在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，微分作用可以克服对象的滞后。
Ø 控制器正反作用的确定方法：
·意义：通过改变控制器的正、反作用方向，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。
·方法：①测量元件和变送器的方向一般是正作用
②判断执行器，气开阀是正作用；气关阀是反作用
③判断被控对象。操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于正作用。
④被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，为正作用。反之，为反作用。
·控制器的作用方向的确定步骤：
a.首先确定执行器(控制阀)的气开、气关型式;
b. 确定对象的作用方向；
c. 要保证使整个控制系统构成负反馈系统，即：
“对象”ד执行器”ד控制器”＝ “－”
由此确定控制器的“正”或“反”作用。
d. 验证，z变化e变化p变化q变化
3、掌握控制器参数整定的目的任务，了解工程整定方法
Ø 参数整定的目的任务：控制器参数的整定，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。具体说来，就是确定最合适的控制器比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。
·分类：理论计算的方法（基本不用）、工程整定法（具体种类）。