化工仪表及自动化

化工仪表及自动化 This manuscript was revised on November 28, 2020
化工仪表及自动化
第一章自动控制系统基本概念
第一节化工自动化的主要内容
包括自动检测、自动保护、自动操纵、自动控制
第二节自动控制系统的基本组成及表示形式
3、自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，这是与自动检测、自动操纵等开环系统比较最本质的区别
4、仪表的图形符号
图中的实线改为虚线就是分别的盘后安装仪表
温度控制器；LICA是一台具有指示、报警功能的液位控制器
第三节自动控制系统的分类
定值控制系统、随动控制系统（自动跟踪系统）、程序控制系统（顺序控制系统）
第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标
一、控制系统的静态与动态
被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，随时间变化的不平衡状态称为系统的动态
二、控制系统的过渡过程
1、稳定过程（非周期衰减过程、衰减振荡过程）
2、不稳定过程（等幅振荡过程、发散振荡过程）
三、控制系统的品质指标
1、最大偏差为A；超调量为B
2、衰减比为B: B/ ；
3、余差为C
4、过渡时间
5、振荡周期
第二章过程特性及其数学模型
第一节化工过程的特点及其描述方法
1、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，这种数学描述称为对象的数学建模，一般将被控变量看作对象的输出量，而干扰作用和控制作用看作对象的输入量
2、对象的数学模型可分为静态和动态数学模型
3、数学模型的表达式：1）非参量模型即是采用曲线或者数据表格等来表示；2）参量模型即是采用数学方程式来描述
第二节对象数学模型的建立
机理建模和实验建模
第三节描述对象特性的参数
一、放大系数K 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之比，越
大，表示对输出量的影响越大。

二、时间常数T 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时间也越大
三、滞后时间 1、传递滞后一般用τ0 表示；2、容量滞后 用τh 表示
第三章 检测仪表与传感器
第一节概述
一、 程与测量误差 绝对误差 相对误差
三、仪表的性能指标 1、
精确度 相对百分误差为%100max
⨯∆=
量程
δ 允许误差为%100⨯±
=量程
差值
仪表允许的最大绝对误允δ 去掉±、％号即是仪表的精确度
越大表示精确度越低 2、 变差=
%100⨯量程
最大绝对差值
3、 灵敏度与灵敏限适用于指针式仪表
4、 分辨力适用于数字式仪表
5、
线性度%100max
⨯∆±
=量程
f f δ 第二节 压力检测及仪表
一、 压力单位及测压仪表p=F/S
二、弹性式压力记 测量范围为几百帕到数千兆帕
三、电气式压力计 标准信号：直流电流4~20mA 空气压力~
1霍尔片式压力传感器 从弹性元件的位移转换成霍尔电势2、应变片式压力传感器利用电阻应变原理3、压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应 四、 压力计的选用及安装
1、 仪表测量范围的确定 测量稳定压力时最大工作压力不应超过测量上限值的
2/3；测量动脉压力时最大工作压力不应超过测量上限的1/2；测量高压压力时最大工作压力不应超过测量上限值的3/5；被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/3 2、 仪表精度级的选取
第三节 流量检测及仪表
一、 概述流量测量的分类：速度式流量计；容积式流量计；质量流量计
二、差压式流量计 利用节流原理：恒流通面积，变压降。

节流装置包括节流件和取压装置 标准节流装置即把装置标准化，取压方法有角接取压法和法兰取压法 三、转子流量计 恒压降，变节流面积
第四节 物位检测及仪表
一、 概述 测量液体的叫液位计，固体的叫料位计，两种密度不同的叫界面记 二、差压式液位变送器 1、工作原理g H P ρ=∆
3、
零点迁移问题g h h g H P 2121)(ρρ--=∆ 零点改变，量程不变
三、电容式物位传感器 1、原理 电容量d
D L
C ln 2πε=
2、液位的检测
第五节 温度的检测及仪表
一、 温度检测方法：接触式测温仪表；非接触式测温仪表 二、热电偶温度计
1、插入第三种导线的问题只需保证引入线两端的温度相同即可，不影响原热电偶所产生的热电势数值
2、冷端温度的补偿1）冷端温度保持为0℃的方法2）冷端温度修正方法 E(t,0)=E(t,t 1)+E(t 1,0)
3)校正仪表零点法4）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值5）补偿热电偶法 三、热电阻温度计
1、原理 利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性即是电阻温度效应来进行温度测量的
2、工业常用热电阻：铂，铜
第六节 现代检测技术与传感器的发展
采用间接测量的思路，利用易于获取的其他测量信息，通过计算来实现被检测量的估计。

也称为软仪表技术，就是利用易测过程变量，依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系，通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量
第七节 显示仪表
按显示的方式分为：可模拟式、数字式、屏幕显示三种
第四章 自动控制仪表
第一节 概述
控制仪表的发展过程大体经历了三个阶段：基地式控制仪表、单元组合式仪表中的控制
单元以微处理器为基元的控制装置
第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响
控制器的控制规律指P 与e 之间的函数关系P=f(e)=f(z-x) 一、 双位控制
1、制规律是控制器只有连个输出值，相应的控制机构只有开和极限位置，又称为开关控制
2、 表达式为:产生持续的等幅振荡过程
二、比例控制（P ）
1、规律是控制阀的开度与被控变量的偏差成比例。

2、表达式为P=Kp
e Kp 越大，比例控制作用越强
3、比例度δ=%100min
max min
max ⨯--p p p x x e 。

其值越大，表示控制作用越弱
4、余差的产生（存在余差是比例控制的缺点）由于控制系统固有的原因，使得达到新的平衡时被控变量值会比原来平衡值小
三、积分控制（I ）消除余差 控制动作缓慢，会出现控制不及时， 1、控制规律：控制作用的输出变化量P 与输入偏差e 的积分成正比 2、表达式P=K I ∫edt 当偏差e 是常数A 时，变成P=K I ∫Adt= K I At
3、（由于积分控制控制动作缓慢，会出现控制不及时）所以有：比例积分控制（PI ）
表达式P=Kp (e+ K I ∫edt)。

用积分时间T 1 来代替K I 得P=Kp (e+ 1
1
T ∫edt) .若偏差为
常数A 代入得P=Kp A+ 1T k p
∫edt) .缺点：对象滞后很大时，控制时间较长，最大偏差较
大；负荷变化过于剧烈时，控制作用不及时 四、微分控制(PID) 超前控制
1、控制规律：控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比
2、表达式：P=dt
de
T D
3、比例积分微分控制规律为P= Kp (e+11T ∫edt+dt
de
T D )
第五章 执行器 第一节 气动执行器
1、由执行机构和控制机构两部分组成。

2、 作用：前者是执行器的推动装置，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，即是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置；后者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，即是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置
3、 气动执行器的结构和分类1）执行机构：薄膜式和活塞式2）控制机构：直通单座控制阀、直通双座控制阀、角形控制阀、三通控制阀、隔膜控制阀、蝶阀、球阀、凸轮绕曲阀、笼式阀
4、 控制阀的流量特性：指的是被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度间的关系；控制阀的理想流量特性：直线流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性、快开特性。

5、 控制阀的选择：气开式与气关式的选择主要从工艺生产上安全要求出发。

考虑原则是信号中断时，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，以使起源系统发生故障，起源中断时，阀门能自动打开。

反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀
简单控制系统的方框图
第二节简单控制系统的设计
1、被控变量的选择
2、操纵变量的选择
3、测量元件特性的影响
4、控制器控制规律的选择（控制器正反作用的确定）对于测量元件及变送
器，其作用方向一般是正的。

对于被控对象的作用方向，当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于正作用，反之为负作用。

对于控制器，当给定值不变时，被控变量测量值是增加时，控制器的输出也增加属于正作用方向，或者当测量值不变时，给定值减少时，控制器的输出增加的也称为正作用方向，反之为负作用方向。

对于执行器，其作用方向取决于是气开阀还是气关阀
第三节控制器参数的工程整定
临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法
第七章复杂控制系统
第一节串级控制系统
第二节均匀控制系统
第八章新型控制系统
第一节自适应控制系统
第九章计算机控制系统
第一节概述
1、组成
2、工作过程三个步骤：数据采集、控制决策、控制输出
第二节集散控制系统。