化工仪表复习(少学时).ppt

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1、1,化工仪表及自动化复习,2,第一章 自动控制系统基本概念一、基本要求1.掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；2.掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3.掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4.了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5.掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。,二、问题解答,1何谓化工自动化？,3,所谓自动化是在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：用自动化装置来管理设备（生产过程），使之的正常运行

2、。,2自动控制系统主要由哪些环节组成？各部分的作用是什么？自动控制系统主要由被控对象、测量元件及变送器、执行器、控制器组成。其作用：测量元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定信号；控制器将测量元件及变送器送来的测量信号与给定值相比较得出偏差，根据其大小按某种规律进行运算后，将运算结果用特定信号发送给执行器；执行器能自动地根据控制器送来的信号相应地改变流入（或流出）被控对象的物料或能量，克服干扰的影响。,4,3简述过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义 过渡过程的基本形式有：衰减振荡过程、非振荡衰减过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。最大偏差A：指过渡过程中被控变量偏离给定

3、值的最大数值；衰减比：是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比；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的差值；过渡时间：控制系统受干扰作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。,4.自动化系统中，仪表符号由哪几部分组成，各表示什么意义？仪表位号由字母组合和回路编号组成：字母组合：首字母被侧变量，尾字母仪表功能，中字母修饰词 回路编号：首位数工序号；后续数顺序号(位号）,5,5.什么叫负反馈？将系统的输入信号直接或经过一些环节后又返回输入端并且使原信号减弱的作法叫负反馈。,6.控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含

4、义。开环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，但被控变量对操纵变量没有影响。闭环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，被控变量又对操纵变量产生影响。定值控制系统：给定值为常数；随动控制系统：给定值为变数，要求跟随变化；程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。,6,7.简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量、设定值、偏差的含义？被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备和机器。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。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制的物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控变量并引起被控变量变化的量。设定值：被

5、控变量的预定值。偏差：被控变量的设定值于与实际值之差。,7,8.自动控制系统由那些环节组成？各部分的作用是什么？自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的额被控对象。在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定信号（如气压信号或电压、电流信号等）。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器。执

6、行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入（或流出）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。,8,三、例题分析1.如图所示为一自力式贮槽水位控制系统。（1）指出系统中的被控对象、被控变量、操纵变量是什么？（2）试画出该系统的方块图。（3）试分析当出水量突然增大时该系统如何实现水位控制？解：（1）该系统中贮槽为被控对象；贮槽中的水位为被控变量；进水量为操纵变量。,9,（2）方块图如右：,（3）当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量，石水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止

7、下降，重新稳定，实现了水位控制。,10,2.某化学反应器工艺操作规定温度为（80010）。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850。现运行的控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图所示。（1）分别求出最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（温度进入2%新稳定值即视为系统已稳定）和振荡周期。温度控制系统过渡过程曲线（2）说明此温度控制系统是否满足工艺要求。,温度控制系统过渡过程曲线,11,解：由反应曲线可知：最大偏差A=845-800=45C；余差C=805-800=5C；衰减比；过渡时间 由题要求，被控变量进入新稳态值的2%就可认为过渡过程已结束，那么限制范围应是C；由图可看出，过渡时间。因

8、A=45 C50C,n=4;1在范围内，所以满足工艺要求。,12,3.如图所示为硫酸生产中的沸腾炉。请说明图中位号和图形的含义。,13,14,第二章 被控对象的数学模型一、基本要求1.了解建立被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；2.掌握用机理建模的方法，建立简单对象的数学模型；3.掌握表征被控对象特性的三个参数放大倍数K、时间常数T、滞后时间的物理意义及其对控制质量的影响；4.了解被控对象特性的实验测定方法。,二、问题解答,1什么是对象的特性？什么是对象的数学模型？被控对象的特性是指当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化快慢程度及最终变化的数值等。定量地表达对象输入

9、输出关系的数学表达式，称为对象的数学模型。,15,2简述对象特性参数的物理意义及其对控制过程的影响。放大倍数K：放大倍数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与出入的变化量之比，由于放大倍数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，所以放大倍数是描述对象静态特性的参数。放大倍数K大，控制作用强，但K过大会使系统的稳定性下降。时间常数T：时间常数T是指当对象受阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。时间常数T等于对象的容量系数与阻力系数的乘积，即：时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。时间常数T大被控变量的变化比

10、较缓慢，但过渡时间变长；若时间常数T小则被控变量的变化速度快，不易控制，所以T应适中考虑。,16,滞后时间：对象的输出落后于输入变化的时间为滞后时间，它是纯滞后时间与容量滞后时间的总和。纯滞后一般由于介质的输送或能量的传递需一定时间引起；容量滞后则由于介质的输送或能量的传递需克服一定的阻力所致。滞后时间的存在，使得控制作用总落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，使控制质量下降。因此应尽量减小滞后时间。,3.简述获取对象特性（数学模型）的两种方法。理论分析法：通过理论分析建立输入和输出之间的关系。例如：一阶对象、积分对象、二阶对象实验测取法：在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察

11、输出的跟随变化规律。常见的有：多点拟合法、阶跃输入法和周期脉冲法。,17,三、例题分析 为了测定某物料干燥筒的对象特性，在某一瞬间突然将蒸汽量从25m3/h增加到28m3/h，物料出口温度记录仪得到的响应曲线如图所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程（温度变化作为输出变量，加热蒸汽的量作为输入变量；温度测量仪表的测量范围0200C；流量测量仪表的测量范围040m3/h）。,18,解：由阶跃反应曲线可知：放大倍数时间常数T=4min滞后时间=2min所以，物料干燥筒特性的微分方程为：式中：T物料干燥筒温度变化量；加热蒸汽流量变化量。,19,第三章 检测仪表与传感器一、基本要求1掌握仪表精度的意

12、义与测量误差的关系。2了解仪表的性能指标。3初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。4了解各种流量计的测量原理。重点是差压式流量计及转子流量计。5了解各种液位测量方法。初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。6掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理。熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法。7了解电动温度变送器的作用及原理。,20,二、问题解答,1检测仪表的主要性能指标有哪些？测量误差（绝对误差、相对误差、允许误差）、精确度、灵敏度、指示变差等。2试述弹簧管压力表的基本工作原理。弹簧管压力表是利用弹簧管在正压或负压的作用下，自由端产生位移，带动传动机构指针偏转，从而指

13、示出压力值的。3什么是节流现象？标准节流装置有哪几种？应用最广泛的是哪种？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称为节流现象。标准节流装置有三种：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。应用最广泛的是标准孔板。,21,4什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？当被测液位为零时，将差压变送器输出零点所对应的输入差压由零迁移到某一不为零的数值，称为液位测量时的零点迁移。测量始点由零变为某一正值叫正迁移，若变为某一负值则叫负迁移；可调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差的作用，此为零点迁移方法。零点迁移的实质是将测量范围平移，不改变量程的大小。

14、5何谓热电现象？两种不同材料的金属导线两端互相连接起来，当它们的两端温度不同时会产生热电势。6用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿方法有几种？采用补偿导线后，把热电偶的冷端从较高和较不稳定的地方，延伸到温度较低和较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0。,22,而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为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进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0，而且是不恒定的，这时，热电偶所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，又有将冷端温度保持0，或者

15、进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。冷端温度补偿的方法有：（1）冷端温度保持为0的方法；（2）冷端温度修正法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。,23,7电子平衡电桥与电子电位差计测量桥路有什么区别？（1）所配用的测温元件不同：电子平衡电桥热电阻，电子电位差计热电偶；（2）两者的作用原理不同：电子平衡电桥平衡电桥（输出=0），电子电位差计不平衡电桥（输出0）；（3）测温元件的联结方式不同：电子平衡电桥三线制接法，电子电位差计两线制接法；（4）测量的电量形式不同：电子平衡电桥电阻，电子电位差计热电势；（5）电子电位差计要考虑温度补偿

16、问题，而电子平衡电桥可不考虑。,24,8.试述DDZ=型计录仪的主要构成部件？DDZ=型计录仪主要由测量组件，机械连杆部件和记录驱动系统等组成。其中测量组件是由比较放大器、电压脉冲转换器、脉冲环形分配线路，步进电机和磁平衡位移变换器等五部分组成。机械连杆部件包括连杆机构、指针及直线化机构。记录纸驱动部分由带驱动电路的步进电机、记录纸盒及连接它们的齿轮机构所组成。,25,三、例题分析,1某气氨贮罐，其正常工作压力范围为本14MPa，并要求测量误差小于0.4 MPa，试选择一个合适的就地指示压力表（类型、量程、精度等级等），并说明理由。解：（1）选量程因被测压力为高压、稳定压力，故所选压力表的上限

17、值应为：查得Y-100型弹簧管压力表的量程025 MPa较合适，又由于 1/3这是允许的；（2）选精度,精度等级选1.5级可满足要求。所以：选择的压力表为Y-100型弹簧管压力表，量程025 MPa，精度1.5级。,26,95,2.某厂用转子流量计来测量温度为27，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少？,解已知Q038Nm3/h，p10.160.101330.26133MPa，T127273300K，T0293K，p00.10133MPa，101.293Kg/Nm3。将上列数据代入公式，便可得 即这时空气的流量为60.3Nm3/h。,27,3

18、，用单法兰电动差压变速送器来测量敞口罐中硫酸的密度，利用已溢液来保持罐内液位H恒为1m。已知差压变送器的输出信号为010mA，硫酸的最小和最大密度分别为1.32g/cm3和1.82g/cm3。试问：（1）差压变送器的测量范围；（2）若要提高仪表的灵敏度，怎么办？（3）如不迁移装置，可在负压侧加装水恒压器，以抵消正压室附加压力的影响，请计算水恒压器所需的高度h。,28,29,4.用分度号Pt100铂电阻测温，在计算错用了Cu100的分度表，查得温度为126，问实际温度为多少度？已知铜电阻和铂电阻温度关系式分别为：,30,31,第四章 自动控制仪表,一基本要求：（1）掌握基本控制规律及其特点。（2

19、）熟悉比例度、积分时间、微分时间。（3）了解模拟式控制器的特点和基本组成。,二、问题解答,1.控制器的控制规律是什么？常用控制规律有哪些？所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即：,常用的控制规律有位式控制、比例控制、积分控制、微分控制以及它们的组合控制规律，例PI、PD、PID等。,32,比例度是反映比例控制器的比例控制规律作用强弱的一个参数。在数值上比例度等与输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值纸币的百分数，用式子表示为：,比例度也可理解为使控制器的输出变化满刻度时，相应所需的输入偏差变化量占仪表测量范围的百分数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减小比例度

20、，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应地减小余差，使系统的静态准确度提高。,2何谓比例度？它的大小对系统过渡过程或控制质量有什么影响？,33,3什么是积分时间？它对系统过渡过程有什么影响？积分时间是指在阶跃偏差的作用下，PI控制器的输出达到比例输出的两倍时所经历的时间。积分时间越小，表示积分作用控制愈强，积分时间的减小，会使系统的稳定性能下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度。4什么是微分时间？它对系统过渡过程有什么影响？微分时间是指在线性输入作用下，达到同样输出值，理想PD作用比P作用超前一段时间。微分时间越大，表示微分作用控制愈强，增加微分时间，能克服对象的滞

21、后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性.。但微分时间不能过大，否则有可能引起系统的高频振荡。,34,5与DDZ-II型仪表相比，DDZ-III型仪表有何特点？其主要特点有：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号，现场传输信号为420mA DC，控制室联络信号为15V DC；（2）采用线性集成电路，使可靠性提高，维修工作量减少；（3）由电源箱集中统一供给24V DC电源，并有蓄电池作为备用电源；（4）结构合理，功能多样；（5）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。,三、例题分析,一台具有比例积分控制规律的DDZ-II型控制器，其比例度为80%，积分时间为1分钟。稳态时，输出为6mA。

22、某瞬间，输入偏差突然增加了0.3mA，问其比例输出为多少？经过3min后，其输出将为多少？,35,36,一、基本要求：（1）掌握流量特性的意义,了解串联管道中阻力比s和并联管道中分流比x对流量特性的影响。（2）初步掌握气动薄膜控制阀的基本结构、主要类型及使用场合。（3）理解气动执行器的气开、气关型式及其选择原则。（4）了解电动执行器的基本原理。二、问题解答1气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？气动执行器主要从哪几个方面选择？气动执行器由执行机构和控制机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位

23、移的装置。控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。气动执行器主要从以下几个方面选择：类型，气开、气关形式，流量特性。,第五章 执行器,37,2控制阀的流量特性是指什么？控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系，即3什么是气动执行器的气开式与气关式？其选择的原则是什么？随着送往气动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选气关

24、式。此外，阀门的选择还应考虑其流量特性和阀门的类型。,38,三、例题分析,在生产实际中由于生产负荷的变动，使原设计的控制阀尺寸不能相适应，会有什么后果？为什么?解：当生产中由于负荷增加，使原设计的控制阀尺寸显得太小时，会使控制阀经常工作在大开度，调节效果不好。此时若开启旁路阀，会使控制阀特性发生畸变，可调范围大大降低，当生产中由于负荷减少，使原设计的控制阀尺寸显得太大时，会使控制阀经常工作在小开度，调节显得过于灵敏(特别是对于直线流量特性的控制阀)，控制阀有时会振动，产生噪声，严重时发出尖叫声。此时为了增加管路阻力，有时会适当关小与控制阀串联的工艺阀门但这样做的结果会使控制阀的特性发生严重畸变

25、，甚至会接近于快开特性，控制阀的实际可调范围降低，严重时会使控制阀失去调节作用。所以当生产中负荷有较大改动时，在可能的条件下，应相应地更换控制阀，或采用其他控制方案(例分程控制系统)。,39,第六章 简单控制系统,一基本要求：（1）了解简单控制系统的结构、组成及作用。（2）掌握简单控制系统中被控变量、操纵变量选择的一般原则。（3）了解各种控制规律的特点及应用场合。（4）掌握控制器正、反作用确定的方法。（5）掌握控制器参数工程整定的方法。,二、问题解答,何谓简单控制系统？试画出简单控制系统的典型方块图。简单控制系统是指由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制

26、系统，因此有时也称为单回路控制系统。简单控制系统的典型方块图为：,40,2操纵变量选择的原则是什么？（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大倍数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。,41,3被控变量选择的原则是什么？被控变量的正确选择是关系到系统是否能达到预期控制效果的重要因素，它的选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程经常变化，因而需要频繁加以控制的指标；（3）被控变量应

27、尽可能选择直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。,42,三、例题分析,1如图为一液体贮槽，需要对液位加以自动控制。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、气关形式及控制器的正反作用。（1）选择流入量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Q0为操纵变量；,43,解：分两种情况：（1）当选择流入量Qi为操纵变量时，控制阀安装在流入管线上，这时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头

28、上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以控制阀选气开形式，为“+”作用方向。这时，操纵变量即流入量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，为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的，即反作用方向的。（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，控制阀应处于全开状态，所以控制阀选气关形式，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。由于控制阀与对象都是“-”作用方向，为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的，

29、即反作用方向的。,44,2.试比较控制器参数的工程整定的三种方法。,45,例3：某列管式蒸汽加热器，工艺要求出口物料温度稳定、无余差、超调量小。试设计一简单控制系统，要求：a)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量及干扰各是什么？b)画出该控制系统的方案图及方块图；c)试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及信号的变化情况。d)假定介质温度不允许过高，否则易分解。试确定控制阀的气开、气关形式及控制器的正、反作用。,46,（1）被控对象：物料出口管段，被控变量：物料出口温度，操纵变量：蒸汽的流量，主要干扰：物料的流量及温度、蒸汽压力波动等；（2）方块图如下：,f,x,方案图,47,（3）

30、当冷物料的流量突然增大时，会使物料的出口温度T下降，这时由于温度控制器TC是反作用的，故当测量值Z下降时，控制器的输出信号P上升，即控制阀膜头上的压力上升，由于阀是气开式的，故阀的开度增加，通过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料的出口温度上升，起到因物料的流量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用，所以该系统由于控制作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定的数值上。（4）由于被加热物料过热易分解，为避免过热，当控制阀上气源中断时，应使阀处于关闭状态，所以控制阀选气开形式。由于加热蒸汽的流量增加时，被加热物料的出口温度是增加的，故该系统中对象是属于“+”作用方向的，阀是气开式，也属于“+”作用方向。为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的，即反作用方向的。,