化工仪表及自动化第6章
课件：化工仪表自动化第6章 自动控制系统的基本概念
化工工艺控制流程图
PID图
工艺流程和控制方案的确定后，根据 工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标 注出相应的测量点、控制点、控制系统及 自动信号与联锁保护系统等， 便成了工艺 管道及控制流程图 （PID图）。
自动控制系统的组成
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动
化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。
在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、
机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。
6
自动控制系统的组成
测量元件与变送器 是基于负反馈原理的，包括测
量、放大和反馈三部分。其作用是将检测元件的 输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或 控制装置进行显示、记录或控制 由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多 温度变送器 压力变送器 液位变送器 流量变送器
各系统间的相互关系
自动检测系统只能完成“了解”生产过程进行 情况的任务；
自动信号联锁保护系统只能在工艺条件进入某 种极限状态时采取安全措施以免发生生产事故；
自动操纵系统只能按照预先规定好的步骤进行 某种周期性操作；
只有自动控制系统才能自动地排除各种干扰因 素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先 规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳的 工艺操作状态。所以，自动控制系统是自动化 生产中的核心部分。
自动报警联锁保护系统的组成
3.自动操纵及自动开停车系统
自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产 设备进行某种周期性操作。
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产 过程自动地投入运行或自动停车。
《化工仪表及自动化》课程教学大纲
《化工仪表及自动化》课程教学大纲一、课程基本信息1．课程编号：2．课程名称：化工仪表及自动化3．英文名称：Chemical Engineering Instruments and Automation4. 课程简介：本课程是化学工程与工艺专业本科生开设的一门专业必修课程。
化工仪表及自动化是一门综合性的技术学科，它应用自动控制学科、仪表仪器学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。
化工安全生产技术课程的主要内容有自动控制系统的基本概念，过程特性及其数学模型，检测仪表及传感器，自动控制仪表，执行器，简单控制系统，复杂控制系统，新型控制系统计算机控制系统及典型化工单元的控制方案等。
二、课程说明1．教学目的和要求：通过本课程基本原理的学习，使学生通过本课程学习后，应使学生了解化工自动化的基本知识，理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用，能根据工艺的要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案等。
2．与相关课程衔接：该课程是分析化学、化工原理之后的一门必修课程。
3．学时：总学时32、周学时24．开课学期：第7学期5．教学方法：多媒体讲授，并与学生互动教学。
6．考核方式：考查；成绩组成：平时成绩40%和考试成绩60%7．教材：厉玉鸣主编，化工仪表及自动化（第五版），化学工业出版社，2011年.8．教学参考资料：1）厉玉鸣主编.化工仪表及自动化（第四版）.北京：化学工业出版社，2006.2）杨丽明，张光新.化工仪表及自动化.北京：化学工业出版社，2004.3）俞金寿.过程自动化及仪表.第二版.北京：化学工业出版社.三、课程内容与教学要求绪论：教学目标：了解和掌握化工自动化的定义，实现化工自动化的目的，了解和掌握化工自动化的发展历程及和其他学科的联系。
教学重点：化工自动化的定义，实现化工自动化的目的。
教学难点：实现化工自动化的目的。
授课时数：2学时第一章自动控制系统基本概念教学目标：理解化工自动化的主要内容，自动控制系统的基本组成及表示形式，掌握自动控制系统的过渡过程和品质指标。
17 简单控制系统
的纯滞后τO对控制质量是有影响
的。图6-10所示为纯滞后对控制 质量影响的示意图。
在选择操纵变量构成控制系 统时，应使对象控制通道的纯
滞后时间τ0尽量小。
图6-10 纯滞后τ0
对控制质量的影响
华北电力大学 能源工程及自动化教研室
20
Click to edit Master title style 第六章简单控制系统
例3 化工的精馏物纯度控制系 统 精馏工艺是利用被分离物中各组 分的挥发温度不同，将各组分分 离。 如图将苯—甲苯混合液进行分离。
图6-4 精馏过程示意图 1—精馏塔；2—蒸汽加热器
华北电力大学 能源工程及自动化教研室
10
Click to edit Master title style 第六章简单控制系统
第一节 简单控制系统的结构与组成
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个 控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
图6-1 液位控制系统
华北电力大学 能源工程及自动化教研室
图6-2 温度控制系统
3
Click to edit Master title style 第六章简单控制系统
内容提要
简单控制系统的结构与组成
简单控制系统的设计
被控变量的选择 操纵变量的选择 测量元件特性的影响 控制器控制规律的选择
控制器的参数整定(已讲)
控制系统的投运及操作中的常见问题
华北电力大学 能源工程及自动化教研室
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Click to edit Master title style 第六章简单控制系统
它本身具有一定的时间常数，易造成测量滞后。
自动化重点
化工仪表及自动化（2013-12-28）第一章自动控制系统基本概念◆化工自动化的内容：自动检测系统、自动信号和联锁保护、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。
◆自动控制系统的目的：对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内。
◆自动控制系统的主要组成：起控制作用的全套自动化装置、受自动化装置控制的被控对象。
其中自动化装置还包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器等。
各部分的作用：1、测量元件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的、统一的输出信号。
2、自动控制器：它接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去。
3、执行器：通常指控制阀，能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变阀门的开启度，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
◆方块图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。
【方块图中要具体化的东西：给定值、操纵变量、被控对象、被控变量】每一个方块代表系统中的一个组成部分，称为“环节”。
方块内填入表示其自身特征的数学表达式。
方块间用带有箭头的线条表示其信号的相互关系及信号的流向。
【不代表物料联系】线旁的字母表示相互间的作用信号。
◆与工艺管道及控制流程图的区别：【流程图比方块图具体，且图中各项箭头指向含义不同】1、采用方块图可直观地显示系统中各组成部分以及他们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。
2、而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、联锁保护系统的图。
在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料的流动方向，与方块图中线段的含义截然不同。
被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
辽宁石油化工大学化工自动化及仪表第6章 压力检测及仪表讲解
等。图6-8为电位器式电远传弹性压力计结构原理。在弹性元件
的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端
连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出
。
(四）压力传感器 能够检测压力值并提供远传信号的装置统称为压力传感器。 1．应变式压力传感器
应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金 属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变 片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥 式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪 表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。
递到中心感压膜片，中心感压膜片产生位移，使可动
电极和左右两个固定电极之间的间距不再相等，形成
差动电容。
差动电容的相对变化值与差压Δp呈线性对应关系，并与
腔内硅油的介电常数无关，从原理上消除了介电常数的 变化给测量带来的误差。 4．振频式压力传感器 振频式压力传感器利用感压元件本身的谐振频率与压力 的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力。 5．压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压 力转换成电信号的。它是动态压力检测中常用的传感器 ，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。
上，这时的力平衡关系为： pA W W0
p
1 (W A
W0
)
(6-6) (6-7)
(三）弹性式压力计
定义 弹性式压力检测是用弹性元件作为压力敏感元件把 压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。
优点 具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、 价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。
4．弹性测压计信号的远传方式
化工仪表及自动化作业参考答案
第一章自动控制系统基本概念1.自动控制系统主要由哪些环节构成？各组成环节起什么作用？答:自动控制系统主要有俩大部分组成。
一部分是起控制作用的全套自动化装置，包括测量元件及变送器、控制器、执行器。
另一部分是受自动化装置控制的被控对象。
测量元件及变送器作用是用来感受被控变量的变化并将它转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电流、电压信号等）。
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发送给执行器,执行器作用是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。
2.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答：闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。
即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。
而闭环控制系统可以随时了解被控对象的情况，有针对性的根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向。
3.什么是负反馈？负反馈在控制系统中有什么重要意义？答:反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；意义：当被空变量受到干扰的影响而升高时，只有负反馈才能是反馈信号升高，经过比较到控制器的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被空变量下降到给定值，这样就达到了控制的目的。
4.什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究系统的动态比研究静态更为重要？答:在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。
化工仪表及自动化课后习题答案第四版
第一章，自动控制系统1、化工自动化主要包括哪些内容。
自动检测，自动保护，自动操纵和自动控制等。
2、闭环控制系统与开环控制系统的区别。
闭环控制系统有负反馈，开环系统中被控变量是不反馈到输入端的。
3、自动控制系统主要有哪些环节组成。
自动化装置及被控对象。
4、什么是负反馈，负反馈在自动控制系统中的意义。
这种把系统的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈，当反馈信号取负值时叫负反馈。
5、自动控制系统分类。
定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统6、自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有及影响因素。
最大偏差，衰减比，余差，过渡时间，振荡周期对象的性质，主要包括换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。
7、什么是静态和动态。
当进入被控对象的量和流出对象的量相等时处于静态。
从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。
第二章，过程特性及其数学模型1、什么是对象特征，为什么要研究它。
对象输入量与输出量之间的关系系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系。
特别是被控对象的特性对控制质量的影响很大。
2、建立对象的数学模型有哪两类机理建模：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，从而获取对象的数学模型。
实验建模：用实验的方法来研究对象的特性，对实验得到的数据或曲线再加以必要的数据处理，使之转化为描述对象特性的数学模型。
混合建模：将机理建模和实验建模结合起来的，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。
3、反映对象特性的参数有哪些。
各有什么物理意义。
它们对自动控制系统有什么影响。
放大系数K：对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时对输出量的影响越大。
化工仪表及自动化课后参考答案
第一章1.什么是化工自动化？它有什么重要意义？答: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。
实现化工自动化，能加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量、减轻劳动强度、保证生产安全，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。
2.化工自动化主要包括哪些内容？答:化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。
3.自动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作用？答: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的信号(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,执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流人(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。
什么叫操纵变量？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。
（或：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量）4.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。
闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。
如图1-1 ( a)即是一个闭环自动控制。
图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物料出口温度回到设定值上。
化工仪表及自动化答案(第五版终极版)
答：主要由测量与变送器、自动控制器、执行器、被控对象组成。
答：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或者机器叫被控对象。
生产过程中所要保持恒定的变量，在自动控制系统中称为被控变量。
工艺上希翼保持的被控变量即给定值。
具体实现控制作用的变量叫做控制变量。
答：系统的输出变量是被控变量，但是它经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。
负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量， y 受到干扰的影响而升高时，惟独负反馈才干使反馈信号升高，经过比较到控制器去的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被控变量下降回到给定值，这样就达到了控制的目的。
Tsp - 干扰 T控制器执行器反应器x e p qZ温度测量变送被控对象：反应器被控变量：反应温度控制变量：冷却水流量：干扰变量 A、B 的流量、温度。
当被控变量反应温度上升后，反馈信号升高，经过比较使控制器的偏差信号 e 降低。
此时，控制器将发出信号而使控制阀的开度变大，加大冷却水流量，从而使被控变量下降到 S.P。
所以该温度控制系统是一个具有反馈的闭环系统。
当反应器的温度超过给定值时，温度控制器将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来。
这样便可以通过控制作用克服干扰作用对被控变量的影响。
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。
非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。
答：自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或者频率。
影响因素有被控对象的额性质，自动化装置的选择和调整。
描述对象特性的参数有放大系数K、时间常数 T、滞后时间г物理意义： K：反应的是对象处于稳定状态下的输出变化量和输入变化量之间的关系。
T：系统在受到阶跃输入作用后输出达到稳定值的 63.2%所需时间系统受到输入作用后，输出保持初始速度变化，达到稳定值所需时间。
化工仪表及自动化(厉玉鸣)第六章(精)
例题分析 (4)减小R5,量程会降低,这是因为R5减小,滑线电阻组件的等效电阻值减小,使滑动触点由最
左端移到最右端的电位差变小,故量程减小。 (5)电阻体被烧断,滑动触点将移向最右端,这是因为电阻体烧断后,Rt趋于无穷大,放大器始
终有一个正的电位输入,可逆电机转动,直至滑向最右端指针被挡住为止。
测
可
热
放
量
逆
电
大
桥
电
偶器路来自机指示机构 记录机构
稳压电源
同步电机
图6-2 电子电位差计原理方框图
结论 电子电位差计既保持了手动电位差计测量精度高的优点，而且无须用手去调节就能自动指示和记录被 测温度值。
4
第一节 模拟式显示仪表 2.自动电子电位差计的测量桥路
图6-3 XW系列电位差计测量桥路原理图 5
18
第二节 数字式显示仪表 二、模-数变换器 主要任务 将连续变化的模拟量变换成断续的数字量。 工作方法 主要有间接法和直接法两种。
19
第二节 数字式显示仪表
三、电子计数器
当用间接法进行数码转换时,是先将模拟量转换为与之对应的时间间隔或频率,然后必须再将 时间间隔或频率转换为数字量,才能进行计数。
得
R G 1.3 6 I1 9 I2 R 5 2 1.3 6 4 9 2 5 .3 3 6 .7 6
根据测量范围的要求,滑线触点由滑线电阻的最左端移至最右端,电压差应为
3.3 7 2 1.3 5 6 9 2.9 5 0 m 3 V
9
第一节 模拟式显示仪表
因此,RP、RB、RM并联后的等效电阻 RnP应为
图6-5 平衡电桥
R 3R t0 R P R 2 R 4 （6-3）
化工仪表及自动化总复习及答案(吉珠专用)
化工仪表及自动化总复习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、常用概念1. 化工自动化的主要内容:自动检测，自动保护，自动操纵，自动控制系统2. 自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。
3. 被控对象：对其工艺参数进行控制的机器或设备4. 被控变量：生产过程需保持恒定的变量5. 操纵变量：具体实现控制作用的变量6. 干扰作用：在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素7. 设定值：被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化8. 偏差：给定值与测量值之间的差值9. 闭环系统：系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统10.开环系统：系统的输出被反馈到输入端，执行器只根据输入信号进行控制的系统11. 控制系统的过渡过程:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程12. 反馈:把系统的输出直接或经过一些环节后送到输入端，并加入到输入信号中的方法13. 负反馈：反馈信号的作用方向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差（e=x—z）14. 正反馈：反馈信号的作用方向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）三、问答题1. 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义。
答：定值控制系统：给定值为常数随动控制系统：给定值随机变化程序控制系统：给定值按一定时间程序变化2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：1.非周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程1,2能基本满足控制要求，但1进程缓慢，只用于系统不允许震振荡时3. 试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。
化工仪表第6章简单控制系统
第二节 简单控制系统的设计
影响提馏段灵敏板温度T灵的
因素主要有：
进料流量Q入 进料成分X入 进料温度T入 回流流量Q回 回流温度T回 不可控 不可控 不可控 可控 (不可控)
图6-8 影响提馏段温度各种 因素示意图
加热蒸汽流量QZ
冷凝器冷却温度 塔压P
可控
(不可控) 不可控
通过工艺分析，选择蒸汽流量作为操纵变量。 控制更及时，更显著。
燃料气
3. 变送器是随炉温升高,输出增大, 也是“正”方向。 4. 所以控制器必须为“反方向”, 才能当炉温升高时,使阀门关小, 炉温下降。
加热炉出口温度控制
第五节 控制系统的投运及操作中的常见问题
举例
液位控制系统
控制阀采用了气开阀 1. 当控制阀打开时,液位是下 降的,所以对象的作用方向 是“反”的。
A: 无纯滞后时的校正作用
B: 有纯滞后时的校正作用
C: 不受控下的输出曲线 D: 无纯滞后时的输出曲线 E: 有纯滞后时的输出曲线
在选择控制变量构成控制回路时，应尽量避免控制通道纯滞 后τ0的存在，无法避免时应使之尽可能小。
干扰通道时间常数 Tf
Tf越大越好，干扰对被控变量 的影响越缓慢，越有利于改善 控制质量。
概述
选择被控变量 选择控制变量
处理测量信号
选择调节阀 选择控制规律 系统投运 参数整定
第一节 简单控制系统的结构与组成
简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个 控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。
图6-1 液位控制系统
图6-2 温度控制系统
第一节 简单控制系统的结构与组成
1—精馏塔；2—蒸汽加热器
图6-5 苯-甲苯溶液 的T-x图
化工自动化及仪表第六章
组装式控制仪表
是在单元组合仪表的基础上发展起来的一种 功能分离、结构组件化的成套仪表装置。
集散控制系统
随着计算机技术的发展，出现了各种以 微处理器为基础的控制器，在结构、功能、 可靠性等各个方面都使控制器进入一个新阶 段。近二十多年来出现了基于集散控制系统 或者现场总线的控制器，它们除了控制功能 外，还具有网络通信等功能，适应信息社会 大规模生产需要。
① 在扰动（如负荷）及设定值
y
变化时有余差存在。
y
② 比例度越大，过渡过程曲线
越平稳，余差越大。比例度越
y
小，过渡过程曲线振荡越厉害。
当比例度δ减小到某一数值时， y
系统会出现等幅振荡，此时的
比例度称为临界比例度δk。
y
δ 小于临界值
t δ 等于临界值
t δ 偏小
t δ 适当
t δ 偏大
t δ 太大
1 100%
Kc
结论：比例度δ 与放大倍数Kc成反比。比例度
δ越小，放大倍数Kc越大，它将偏差（控制器输
入）放大的能力越强，反之亦然。
例题：一台比例作用的温度控制器，其温度的变 化范围为400~800℃，控制器的输出范围是 4~20mA。当温度从600℃变化到700℃时，控制器 相应的输出从8mA变为12mA，试求该控制器的比 例度。
设定值
e(t)
f(t)
广义对象
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
控制规律就是控制器的输出信号u(t)随输入
化工仪表及自动化第五版课后习题答案完整版
化工仪表及自动化_第五版_课后习题答案完整版习题答案《化工仪表及自动化》第五版厉玉鸣主编化学工业出版社Ex1. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
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。
实现化工生产过程自动化的意义:(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)能改变劳动方式,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。
习题(第一章)Ex2.化工生产过程自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
习题(第一章)Ex3.闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。
从信号传递关系上看,构成了一个闭合回路。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制。
从信号传递关系上看, 未构成闭合回路。
Ex7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形,由于各个环节在图中都用一个方块表示,故称之为方块图。
Ex8.测量元件与变送器:用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号(如气压信号、电压、电流信号等);控制器:将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的给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送住执行器。
执行器:能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出)被控对象的物料量或能量,从而克服扰动影响,实现控制要求。
习题(第一章)Ex9.被控对象:在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做~。
被控变量:被控对象内要求保持给定值的工艺参数。
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20
第一节 气动执行器
三、控制阀的选择
1.控制阀结构与特性的选择 结构形式选择 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物 理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。 特性选择 先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然 后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。 目前使用比较多的是等百分比流量特性。
缺点
图6-11 笼式阀
14
第一节 气动执行器
二、控制阀的流量特性
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）间的关系，即
Q l f Qmax L
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1.控制阀的理想流量特性 在不考虑控制阀前后压差变化时 得到的流量特性称为理想流量特性。 它取决于阀芯的形状 （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。
执行机构
结
构
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。 所以它是将阀杆的位移转换为流过 阀的流量的装置。
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常用辅助设备 阀门定位器 手轮机构
图6-1 气动执行器示意图
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一、气动执行器的结构与分类
1.执行机构 结 构 薄膜式 活塞式 长行程 结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。 推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶 阀的推动装置。
C Qmin 1 , Qmax R K 1 C 1 1 R
（6-4）
R为控制阀的可调范围或可调比。
注意！ Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。
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将式（6-4）代入式（6-3），可得
Q 1 l 1 R 1 Qmax R L
图6-8 球阀
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图6-9 球阀阀芯的形状
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（8）凸轮挠曲阀 阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成， 固定在转动轴上。 特点 密封性好。重量轻、体积小、安装方便，适用 于高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。
图6-10 凸轮挠曲阀
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（9）笼式阀 特点 可调比大、振动小、不平衡力小、结构简 单、套筒互换性好，更换不同的套筒可得到不 同的流量特性，阀内部件所受的汽蚀小、噪声 小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低 噪声及压差较大的场合。 不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。
图6-4 角形阀
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（4）三通控制阀 共有三个出入口与工艺管道连接。 按照流通方式分 合流型和分流型两种
图6-5 三通阀
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（5）隔膜控制阀
采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。
特点 结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他 种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强，适用 于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用 于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。 注意执行机构须有足够的推力
Q d Q max K l d L
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图6-12 不同流量 特性的阀芯形状 1—快开；2—直线； 3—抛物线；4—等 百分比
（6-2）
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将（6-2）积分可得
Q l K C Qmax L
（6-3）
边界条件：l=0时，Q=Qmin; l=L时Q=Qmax 把边界条件代入式（6-3），可分别得
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行程长、转矩大，适于输出转角（60°～90°） 和力矩。
气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。 根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。
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2.控制机构 根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。 （1）直通单座控制阀
阀体内只有一个阀芯与阀座。
特点 结构简单、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。 缺点 在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不 平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。
（6-6）
将（6-6）积分
将前述边界条件代入 C ln
Qmin 1 ln ln R, Qmax R
K ln R
l 1 Q L R Qmax
（6-7）
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（3）抛物线流量特性
Q 1 1 Qmax R
l R 1 L
2
（4）快开特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随 开度的增大，流量很快就达到最大。 快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅 速启闭的切断阀或双位控制系统。
图6-6 隔膜阀
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（6）蝶阀 特点 缺点 结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。 泄漏量大。
图6-7 蝶阀
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（7）球阀 球阀的阀芯与阀体都呈球形体，转动阀芯使之与 阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积， 以达到流量控制的目的。 球阀阀芯分类 “V”形和“O”形两种开口形式。
（6-5）
注意：当可调比不同时，特性曲线在纵坐标上的起点 是不同的。
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（2）等百分比（对数）流量特性 等百分比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相对流量成正比关系。
Q d Q max K Q Qmax l d L Q l ln K C Qmax LBiblioteka 21第一节 气动执行器
2.气开式与气关式的选择 有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。 反之，为气开式。 选择要求 主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时， 应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时 危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障， 气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于 关闭时危害性小，则应选用气开阀。
图6-2 直通 单座阀
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（2）直通双座控制阀 阀体内有两个阀芯和阀座。 特点 流体流过的时候，不平衡力小。
图6-3 直通双座阀
缺点
容易泄漏
根据阀芯与阀座的相对位置
可分为正作用式与反作用式两种形式。
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（3）角形控制阀 角形阀的两个接管呈直角形， 一般为底进侧出。 特点 流路简单、阻力较小，适于现场 管道要求直角连接，介质为高黏度、 高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒 状的场合。
化工仪表及自动化
第六章 执行器
概述
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。 按能源形式分类 气动执行器 电动执行器
液动执行器
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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，所以它是将信号压力 的大小转换为阀杆位移的装置。