化工仪表与自动化资料全解

1、化工自动化的含义？ 在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程 度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化2、化工生产过程自动化的目的？ 加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。减轻劳动强度，改善劳动条件。 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。生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体 力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。3、自动控制系统的组成（两部分：自动化装置和被控对象） 自动化装置的三个部分分别是：（1）测量元件与变送器：它的功能是测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、统一的 输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）（2）自动控制器： 它接受变送器送来的信号， 与工艺需要保持的液位高度相比较得出偏差， 并按某种计算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去（3）执行器：通常指控制阀，它与普通阀门的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送 来的信号值来改变阀门的开启度。4、自动控制系统的分类（1）按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统；（2）按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制 系统；（3）将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这 样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。5、自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式（1）非周期衰减过程：被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最好稳定 在某一数值上。（2）衰减震荡过程：被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上（3）等幅震荡过程 ：被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变（4）发散震荡过程：被控变量来回波动，且波动的幅度逐渐变大，即偏离给定值越来越远6、控制系统的品质指标a. 最大偏差或超调量：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。在 衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。b. 衰减比：衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为n:1, 般n取为410之间为宜。c. 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d. 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 历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不 再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的5%（也有的规定为2%）。e. 震荡周期或频率：过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周 期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振 荡周期短一些为好。7、研究对象的特性，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。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。干扰作用和控制作用都是引起被控变量变化的因素8建模的目的（1） 控制系统的方案设计（2） 控制系统的调试和控制器参数的确定（3） 制定工业过程操作优化方案（4） 新型控制方案及控制算法的确定（5） 计算机仿真与过程培训系统（6） 设计工业过程的故障检测与诊断系统9、机理建模的方法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，如物料平衡方程、能量平 衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应定律、 电路基本定律等，从而获取对象（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。10、实验建模的方法对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为的输入作用（输入量），然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量（输出量）随时间变化的规律，得到一系 列实验数据（或曲线）。这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性1、阶跃反应曲线法：用实验的方法测取对象在阶跃输入作用下，输出量y随时间的变化规律。2、 矩形脉冲法：当对象处于稳定工况下，在时间to突然加一阶跃干扰，幅值为 A,到切时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量y随时间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。此外，还可以采用矩形脉冲波和正弦信号。3、混合建模：先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不 确定的参数利用实测的方法给予确定。11、三个对象特性的参数的物理意义、表达式，并抽取关键词进行描述？一、放大系数K:如果有一定的输入变化量 Q,通过对象就会被放大了K倍变为输出变化hQi量厶h，则称K为对象的放大系数h K Q当冷激量、蒸汽量、半水煤气量改变的百分数相同时，冷激量对温度的相对放大系数最大； 蒸汽量对温度的相对放大系数次之；半水煤气量对温度的相对放大系数最小。（如下图）（不同输入作用时的被控变化量变化曲线）时间常数T:当对象收到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化， 达到新的稳态所需要的时间h（t）= KA（1 - e）（不同时间常数下的反应曲线）Ti v T2V T3V T4说明时间常数大的对象（如T4）对输入的反应较慢，一般认为惯性较大。当t =s时，h = KA。当t=3T时，代入公式得_3h（3T 心 KA（）三、滞后时间T1传递滞后：传递滞后又叫纯滞后，一般用T 0表示。T 0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。加料斗溶质皮带输送机,浓度控测点溶液稀液溶解噌(a)显然，纯滞后时间T 0与皮带输送机的传送速度2、容量滞后：对象在受到阶跃输入作用 x后, 最后又变慢直至逐渐接近稳定值。（具有容量滞后对象的反应曲线）说明：输入量在作阶跃变化的瞬间，输出量变化的速度等于零，以后随着t的增加，变化速度慢慢增大，但当t大于某一个tl值后，变化速度又慢慢减小，直至 t时，变化速度减 少为零。12、仪表的性能指标（P34）a. 精确度（简称精度）：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值 maxb. 变差：变差是指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。C.灵敏度与灵敏限：仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即i aS二x(式中，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)仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示d. 分辨率 对于数字式仪表，分辨力是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。：e. 线性度：线性度是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的吻合程度。f. 反应时间：反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。13、(1)弹力式压力计的原理：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。(2)电气式压力计的原理：它是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。霍尔片式压力传感器 ：根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量霍尔电势可用下式表示Uh = RhBI式中，Uh为霍尔电势；Rh为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小注意：霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势 Uh，但两者都有一定限度，一般I为320mA, B约为几千高斯，所得的霍 尔电势Uh约为几十毫伏数量级(3)力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度(一般为0.5级)、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。14、自动电子电位差计电子电位差计 是用来测量直流电压信号的，凡是能转换成毫伏级直流电压信号的工艺变 量都能用它来测量。1. 手动电位差计工作原理：根据平衡法将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测 电势就等于已知的标准电势。测量时，可调节滑动触点 C的位置，使Ucb = IRcb同时有E厂Ucb条件：I厂0（电压平衡原理图）2.（XW系列电位差计测量桥路原理图）R2冷端补偿铜电阻；Rm 量程电阻；Rb工艺电阻；Rp滑线电阻；R4终端电阻（限流 电阻）；R3限流电阻；Rg始端电阻；E稳压电源1V； I1 上支路电流4mA; 12下支路 电流2mA R2铜电阻 装在仪表后接线板上以使其和热电偶冷端处于同一温度 下支路限流电阻 R3它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。 上支路限流电阻 R4把上支路的工作电流限定在 4mA 滑线电阻Rp仪表的示值误差、记录误差、变差、灵敏度以及仪表运行的平滑性等都和滑 线电阻的优劣有关 量程电阻Rm 决定仪表量程大小的电阻。 始端（下限）电阻 Rg大小取决于测量下限的高低。3. 当被测温度为下限时，Rt有最小值Rto,滑动触点应在 Rp的左端，此时电桥的平衡条件 是R3 &Rp只2尺当被测温度升高后的平衡条件是R3RtoRtRp一1=R2R4ri（平衡电桥）4、为了准确地指示出被测温度的数值，将热电阻的连接采用三线制接法，并加外接调整电 阻。如下图所示：15、双位控制：理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为Pmax,e 0（或e 0）P 二I PminW 0 或 e 0）双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。16、比例控制优点：反应快，控制及时:缺点：存在余差若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些,以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选 大些以保证稳定。17、积分控制：积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即p 二 K| edt当输入偏差是常数a时 p = K i J dt = k i1、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。比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大； 负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分 作用。18、微分控制：在自动控制时，控制器具有微分控制规律优点：具有超前控制功能 缺点：它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输 出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分 组合构成比例微分或三作用控制器。佃、控制阀的流量特性的表达式和特点控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的QmaxK关系，即1. 控制阀的理想流量特性（1）直线流量特性：指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。（2 ）等百分比（对数） 相对流量成正比关系。d !-1RL流量特性：是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的Qmax（3 ）抛物线流量特性Q百+哧叫Qmax（4 ）快开特性（1）串联管道的工作流量特性（管道串联时控制阀压差变化情况）上图表示系统总压等于管路系统（除控制阀之外的全部设备和管道的各局部阻力之和）的 压差P2与控制阀的压差 P1之和（2）并联管道的工作流量特性（a）直线理想特性（b）等百分比理想特性（并联管道时控制阀的工作特性）由上图可见冷 当x= 1，即旁路阀关闭、Q2= 0时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。控制阀关死，即I/L = 0时，流量Qmin比控制阀本身的 Qlmin大得多。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。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。结论：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。 串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。 串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少21、被控变量的选择（概念、选择方法）1、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2、选择被控变量的原则：（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，一般是工艺过程中 较重要的变量（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。为维持其恒定，需要 较频繁的调节。（3） 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，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。（6） 被控变量应是独立可控的 22、操纵变量的选择（概念、对象变量对操控变量的影响）1. 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2. 对象特性对选择操纵变量的影响：干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值； 操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用3. 操纵变量的选择原则 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量 操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏 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 23、控制器参数的工程整定法1、 临界比例度法：先通过试验得到临界比例度Sk和临界周期Tk,然后根据经验总结出来的 关系求出控制器各参数值。特点如下：比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。 对于临界比例度很小的系统不适用。对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统本方法亦不适用。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注意事项：（1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5%左右，也有例外的情况。（2） 必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的S、Ts或Ss和T升 值。（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格 得到4： 1衰减曲线比较困难。一般以被控变量来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为 达到4 ： 1衰减过程了。比例度过小、积分时间过小或微分时间过大，产生的周期性激烈振荡。如下图所示:（三种振荡曲线比较图）24、串级控制系统的特点（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；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中， 主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。（2）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过 程运行情况的主要工艺变量（3）在系统特性上，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，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。（4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具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25、均匀控制系统1、要求：（1）两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动2、方案：a.简单均匀控制目的：为了协调液位与排出流量之间的关系，允许它们都在各自许可的范围内作缓慢的变化 满足均匀控制要求的方法 ：通过控制器的参数整定来实现。b.串级均匀控制：可在简单均匀控制方案基础上增加一个流量副回路，即构成串级均匀控制 参数整定的方法：由小到大地进行调整串级均匀控制系统的主、副控制器一般都采用纯比例作用的。只在要求较高时，为了防止 偏差过大而超过允许范围，才引入适当的积分作用。特点：1、由于增加了副回路，可以及时克服由于塔内或排出端压力改变所引起的流量变化2、串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的3、在串级均匀控制系统中，参数整定的目的不是使变量尽快地回到给定值，而是要 求变量在允许的范围内作缓慢的变化