化工仪表及自动化期末考点.docx

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化工仪表及自动化期末考点

化工自动化：

用自动化装置来管理化工生产过程的方法就称为化工自动化。

目的：

1、加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量；

2、减轻劳动强度，改善劳动条件；

3、能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的；

4、生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高人工技术文化水平，为逐步的消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

第一章自动控制系统的基本概念

自动检测

自动保护

自动化

自动操纵系统。

自动控制（核心）

文字写里面，必须要有箭头，先有对象再有变量。

自动控制被控对象：

需要控制其工艺参数的生产设备或机器-对象

系统基本测量变送装置：

测量被控对象的参数并将其转化为一种特定的统一的信号发送出去（负反馈）

组成控制器：

接受变送器传来的信号，与工艺所需保持的参数进行比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定的信号发送出去。

执行器：

化工上指控制阀，自动的根据控制器送来的信号来改变阀门开启度

被控变量：

被控对象的输出，生产工艺过程中需要控制的数值。

正反馈：

使原来信号加强，反馈信号取+值

反馈

负反馈：

使原来信号减弱，反馈信号取-值

自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。

他与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就是在于自动控制系统具有负反馈。

开环系统中，被控变量（工艺）是不反馈到输入端的。

定值控制系统：

恒定给定值，使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变

自动控制

系统的分类随动控制系统（自动跟踪系统）：

给定值不断变化，使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值变化而变化。

程序控制系统：

给定值也为变化，但它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。

控制系统的静态与动态：

把控制变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。

过渡过程：

系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程；

品质指标：

1、最大偏差或超调量：

在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值，图中A所示；

2、衰减比：

前后相邻两个峰值的比图中B：

B’；

3、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叫做余差，图中C所示；

4、过渡时间：

从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫做过渡时间；

5、振荡周期或频率。

主要品质指标：

最大偏差、衰减比、余差、过渡时间等。

阶跃干扰作用下的过渡过程形式：

（教材P12）

第二章过程特性及其数学模型

数学模型：

用数学的方法来描绘出对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。

数学模型非参量模型：

采用曲线或数据表格等来表示；

表达形式参量模型：

采用数学方程式来表示

控制系统的方案设计

控制系统的调试和控制器参数的确定

建模制定工业过程操作优化方案

新型控制方案及控制算法的确定

目的计算机仿真与过程培训系统

设计工业过程的故障检测与诊断系统

机理建模：

根据对象或生产过程的内部机理，列写出各种有关的平衡方程，如物料、能量、动量、相平衡方程以及某些物性方程、设备特性方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而获取对象的数学模型。

优点：

具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。

缺点：

对于某些对象，人们难以写出它的数学表达式或者表达式中某些系数难以确定。

一阶对象：

当对象的动态特性可以用一阶微分方程来描述时，一般称为一阶对象；

积分对象：

当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象；

二阶对象：

当对象的动态特性可以用二阶微分方程来描述时，一般称为二阶对象；

实验建模：

书p24不太重要。

描述对象的特性：

放大系数K：

在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量参数

之比，如果有一定的输入变化量△Q1，通过对象就被放大了K倍变为输出变化量△h，则称K为对象的放大系数；放大系数越大，被控变量对这个量的变化就越灵敏，这在选择被控变量时是需要考虑的。

时间常数T：

当对象受到干扰作用后，被控变量达到新的稳态值所需要的时间；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要的时间也越大。

传递滞后

：

t0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间引起的

滞后时间

：

容量滞后：

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，又称过度滞后。

第三章：

检测仪表与传感器

检测仪表：

用来检测生产过程中各个有关参数的工具；

传感器：

将某些参数转换为一定的便于传送的信号的仪表；

变送器：

将传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号；

测量过程：

在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程

测量误差：

由仪表读得的被测值与被测量真实值之间，总是存在一定的差距，这一差距就称为测量误差。

绝对误差：

在理论上是指仪表指示值xi和被测量的真值xt之间的差值，表示为：

测量

相对误差：

某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值x0之比，表示为：

式中，y为仪表在x0处的相对误差；

真值：

指被测物理量客观存在的真实数值，它是无法得到的理论值。

测量仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差，一般是用被校表（精确度较低）和标准表（精确度较高）同时对同一被测量进行测量所得到的两个读数之差，表示为：

误差

仪表的性能指标：

1、

精确度、精度（考计算）：

“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值：

将绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示，称为相对百分误差

即：

一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值，即：

仪表的

越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的

越小，表示它的精确度越高。

精度等级：

将仪表允许的相对百分误差去掉“+-”号及“%”号，就可以用来确定仪表的精确度等级。

2、变差：

在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差：

3、灵敏度与灵敏限：

仪表指针发生线位移或者角位移，与引起这个位移的被测参数变化量之比值称为仪表的灵敏度：

S为仪表的灵敏度，

为指针的线位移或角位移；

为引起

所需的被测参数变化量。

灵敏度：

数值上就等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离（或转角）；

灵敏限：

指能引起在仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量，仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。

4、分辨力：

数字式仪表，分辨力指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量，不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度，通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。

如：

某表的最低量程是0~10000V，五位数字显示，末尾一个数字的等效电压为10uv，便可说该表的分辨力为10uv。

分辨率：

当数字式仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率

如：

一台仪表的有效数字位数为三位，其分辨率便是千分之一。

5、线性度：

表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线吻合度。

线性度通常用实际测得的输入-输出特性曲线（称为校准曲线）与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数表示，即：

式中，

为线性度（又称非线性误差）；

为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。

6、反应时间：

当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确的显示出来。

反应时间就是用来权衡仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。

仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。

7、误差：

由仪表读得的被测值与被测量真实值之间，总是存在一定的差距，这一差距就称为测量误差。

测压仪表：

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计算的，有U形管压力计、单管压力计和斜管压力计等。

弹性式压力计：

将被测压力转换为弹性元件变形的位移进行测量的；（重点掌握单弹簧管书p40）

电气式压力计：

通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表（重点掌握电压式又叫霍尔片式压力传感器、应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力变送器书P41-P44）

活塞式压力计：

根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。

精度很高允许误差可小到0.05%~0.02%，但结构复杂价格昂贵。

流量检测：

介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。

瞬时流量：

单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小；

总量：

某一段时间内流过管道的流体流量总和，质量流量：

M

即瞬时流量在某一段时间内的累计值。

体积流量：

Q

流体密度：

Ρ

时间：

t

体积流量与质量流量关系：

流量计：

测量流体流量的仪表两者并不不截然划分，在流量计上配上累计机构

也可以读出总量

计量表：

测量流体总量的仪表

流量测量方法：

速度式流量计

容积式流量计

质量流量计

压差式流量计：

（主要用于液体，重点掌握，节流原理，书P49）

基于节流原理工作；

节流现象：

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。

流量基本方程式：

阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式；根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。

即：

；

；

转子流量计：

（主要用于气体，重点掌握，书P54）

恒压降变节流工作，（考试别这样写）

流量基本方程：

符号意义同上。

椭圆齿轮流量计：

（掌握，可能会涉及，能够看得懂）

属于容积式流量计的一种，他对被测流体的黏度变化不够敏感，特别适合于测量高黏度的流体（列如重油、聚乙烯醇、树脂等），甚至糊状物的流量。

电磁流量计：

（适当看看）

物位检测及仪表：

液位：

容器中液体介质的高低

物位：

料位：

容器中固体或颗粒状物质的堆积高度

界面：

测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表称为界面仪

测量物位仪表按工作原理分类：

1、直读式物位仪表：

玻璃管液位计、玻璃板液位计

压力式仪表利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理工作

2、差压式物位仪表：

差压式物位仪表

3、浮力式物位仪表：

利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子的浮力随液位高度而变化的原理工作。

4、电磁式物位仪表：

使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测量测量这些电量的变化来测知物位。

5、辐射式物位仪表：

利用辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作；

6、声波式物位仪表：

由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射的距离不同，测出这些变化就可测知物位；

7、光学物位仪表：

利用物位对光波的遮断和反射原理工作。

此外还有微波式、机械接触式等以适应不同的检测要求

电容式物位传感器：

（书P69）

在电容的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同，因此，可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。

两圆筒间的电容表达式：

式中，L为两极板相互遮盖部分长度；d、D为圆筒形内电极的外径和外电极的内径，

为中间介质的介电常数。

温度检测及仪表：

温度检测方法：

温度不能直接检测，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量；

为什么（原理）：

任意两个冷热程度不同的物体相接触，必然要发生热交换现象，热量由受热程度较高的物体传到受热程度较低的物体，直到两物体的温度完全一致，即达到热平衡状态为止。

利用这一原理，就可以选择某一物体同被测物体相接触，并进行热交换，当两者达到热平衡状态时，选择物体与被测物体温度相等。

于是可以通过测量选择物体的某一物理量，便可以定量的给出被测物体的温度数值。

高温计：

测量600摄氏度以上的测温仪表

测温计

温度计：

测量600摄氏度以下的测温仪表

测温仪表分类：

按用途分：

标准仪表、实用仪表。

按工作原理分：

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和

高温计五类

按测量方式分：

接触式与非接触式两大类。

（填空题分类要对应）

常见温度仪表：

固体热膨胀：

双金属温度计

膨胀式液体热膨胀：

玻璃液体温度计

气体热膨胀：

压力式温度计

金属热电阻：

铜电阻、铂电阻

测温热电阻

接触式测温仪表半导体热电阻：

锗、碳、金属氧化物热敏电阻

金属热电偶：

铂铑30-铂铑6，铂铑-铂，镍铬-镍硅，铜-康铜等电偶

仪表热电偶

难熔金属热电偶：

钨铼，钨-钼，镍铬-金铁热电偶

辐射法：

辐射式高温计

非接触式测温仪表辐射测量亮度法：

光学高温计

比色法：

比色高温计

热电偶温度计：

（重点掌握，书P79）

扩散

原理：

多电子少电子

热电阻温度计：

（重点掌握，书P86）

现代检测技术与传感器的发展方向：

发展方向：

软测量技术

现代传感器技术发展的显著特征：

研究新材料，开发利用新功能，使传感器多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化。

显示仪表：

将生产过程中各种参数进行指示、记录或积累的仪表统称为显示仪表（或称为二次仪表，考什么是显示仪表？

）

显示仪表分类：

（按显示方式分）

模拟式：

以仪表的指针（或记录笔）的线性或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表

数字式：

直接以数字形式显示被测参数值大小的仪表

屏幕显示：

将图形、曲线、字符和数字等直接在屏幕上进行显示（液晶）

第四章、自动控制仪表

控制器的控制规律：

指р与е之间的函数关系，即：

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е是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号р随时间的变化规律。

位式控制（双位控制比较常用）

控制器的基比例控制（P）比例积分控制（PI）

组合形式比例微分控制（PD）

本控制规律微分控制（D）比例微积分控制（PID）

积分控制（I）

双位控制动作规律：

当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），即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，因此又称为开关控制。

理想的双位控制器其输出р与输入偏差е之间的关系为：

（书p115）

数字控制器（不考，能够看懂书P122）

PLC：

可编程控制器（无逻辑，闭环控制系统）

特点：

可编程序，可通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律，同时，功能丰富、可靠性强，可组成集中分散系统或纳入局部网络；应用于连续生产过程的闭环系统。

小型PLC：

I/O点总数一般为20~128点

按容量分中型PLC：

I/O点总数通常为129~512点

PLC产大型PLC：

I/O点总数在513点以上

品分类整体式PLC

按硬件结构分模块式PLC

叠装式PLC

可编程控中央处理器：

CPU

制器（PLC）存储系统：

RAM/ROM

的组成：

输入输出接口：

I/O

第五章、执行器

组成：

由执行机构和控制机构（阀）两部分组成（所有执行器）

作用：

接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

气动：

气压为动力推动机构动作

执行器分类：

电动：

电动机作为动力源推动机构动作

（能源形势）液动：

液压站提供的流体高压为动力

执行机构：

气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种；根据有无弹簧执行机构可分为有弹簧的及无弹簧的。

控制机构：

即控制阀，直接作用于对象，并使对象的运动发生改变的装置。

角行程：

将输入的直流电信号转换为相应的角位移，用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀

电动执行器直行程：

将输入的直流电信号转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种直线式控制阀

多转式：

主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，由于它的电动机功率比较大，一般多用作就地操作和遥控

第六章、简单控制系统

组成：

通常由一个测量与变送装置、一个控制器、一个执行器、一个对象所构成的单闭环控制系统（也称为单回路控制系统，考题问有几个时要写四）

被控变量：

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。

选择被控变量的六大原则：

1、

被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反应工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量（可单个也可多个）

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、应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，必须考虑工艺的合理性和国内仪表产品现状。

6、被控变量应是独立可控的。

操纵变量：

在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量

选择操纵变量的三大原则：

1、操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量；

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。

为此，应通过合理的选择操纵变量，使控制通道的放大系数适当大、时间常数适当小（不宜过小，否则会引起振荡）、纯滞后时间尽量小。

为使其他干扰对被控变量的影响减小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。

3、在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。

一般说来，不宜选择生产负荷作为操纵变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。

另外从经济行考虑，应尽可能的降低物料与能量的消耗。

工程整定：

控制器参数的整定：

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。

控制器参数整定的方法：

主要有两大类，1、理论计算的方法；2、工程整定法

工程整定的方法：

临界比例度法：

书P165

衰减曲线法：

书P165

经验凑试法：

书P166