化工仪表及自动化复习总结
化工仪表及自动化复习
总结
公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
化工仪表及自动化总结（我是结合老师课件和习题解答总结复制的，有些要自己补充，可自行修改）
谢谢！
1．简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义
被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
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，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
2.自动控制系统按其基本结构形式可分为几类其中闭环系统中按设定值的不同形式又可分为几种简述每种形式的基本含义.
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的大小和方向,
.从
图1-1(b)所示的控制系统方块图可以清楚看出,操纵变量(蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变量,而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量.从信号传递关系上看,构成一个闭合回路.
.
（a）
:
(1)定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.
(2)随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化
（3）程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
开环控制系统是指控制器与被控制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。
开环控制系统分为两种，一种按设定值进行控制，如图1-2（a）所示。这种控制方式的操纵变量（蒸汽流量）与设定值保持一定的函数关
系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量。另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2（b）所示。这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量。
（b）按扰动进行控制的开环系统
图1-2 开环控制系统基本结构
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。
3．自动控制系统主要由那些环节组成各部分的作用是什么
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，它包含检测元件及变送器、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化成一种特定的信号（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到偏差，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。
4．什么是自动控制系统的过渡过程
对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。
5．什么是自动控制系统的方块图它与工艺管道及控制流程图有什么区别
答：自动控制系统的方块图是由传递方块、信号先（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。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分，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段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观的显示出系统中各组成部分以及它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。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、连锁保护系统的图。在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同
6．什么是控制系统的静态与动态
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成为控制系统的静态。在这种状态下，自动控制系统的输入（设定值和干扰）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。
系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值。此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间内整个系统都处在变动状态中。
7．什么是反馈什么是正反馈和负反馈负反馈在自动控制中有什么重要意义
答把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新引入输入端的作法叫做反馈。
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，这种反馈叫负反馈；反之为正反馈。
在控制系统中采用负反馈，是因为当被控变量受到扰动后，若使其升高，则反馈信号升高，经过比较，偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用，其作用方向与扰动方向相反，致使被控变量下降，这样就达到了控制的目的。
作业1：什么是化工自动化它有什么重要意义书
4：控制系统主要由哪些环节组成
7：
12：
15：给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类
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。
21：
22：
衰减震荡过程
五种重要品质指标
1. 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。
超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。
2. 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:1，一般n 取为4～10之间为宜。
3. 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，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。
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过渡时间。
5.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。
第二章
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。1：什么是被控对象特性什么是被控对象的数学模型
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。
什么是被控对象特性什么是被控对象的数学模型研究被控对象特性有什么重要意义
答被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。即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、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输入量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。
定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。
在生产过程中，存在着各种各样的被控对象。这些对象的特性各不相同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设计时，首先必
须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量，合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。特别在设计新型的控制系统时，例如前馈控制、解耦控制、自适应控制、计算机最优控制等，更需要考虑被控对象特性。
2．简述建立对象的数学模型两种主要方法。
答一是机理分析法。机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。
二是实验测取法。实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。
3．描述简单对象特性的参数有哪些各有何物理意义
答描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间 。
放大系数K放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变
化量之比，即
由于放大系数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，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
时间常数T 时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变
化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63．2％所需时间。
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。
滞后时间τ滞后时间τ是纯滞后时间0τ和容量滞后c τ的总和。
输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。 滞后时间τ也是反映对象动态特性的重要参数。
5．实验测取对象特性常用的方法有哪些
答：实验测取对象特性常用的方法有阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。 （下面这点是个人总结的，可以不看）
2：数学模型的表达形式分类
（1） 非参量模型
当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到，有时也可以通过计算来得到。
（2） 参量模型
当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来表示。
5． 机理建模的根据是什么
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。
6．
8．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作
一、放大系数K
将流量Q 1的变化ΔQ 1看作对象的输入，而液位h 的变化Δh 看作对象的输出，那么在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象的静态特性。
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。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，即被控变量对这个量的变化越灵敏。
二．时间常数T
1Q h K ??=1Q K h ?=?或
时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。
三、滞后时间τ
传递滞后又叫纯滞后，一般用τ0表示。τ0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。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。一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。
自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。
第三章
1．什么是真值什么叫仪表的基本误差、测量误差
真值是一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。
仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。
仪表的显示数值与标准值(真实值)之间存在着一个差值，这个差值称为测量误差。
2．什么叫压力表压力，绝对压力，负压力（真空度）之间有何关系
压力是垂直均匀地作用在单位面积上的力。
绝对压力、大气压、表压、真空度之间的相互关系如图3—1所示。
当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。
3．何谓仪表的相对百分误差和允许的相对百分误差
相对百分误差δ 允许误差 说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax 。
4．什么是节流现象标准的节流体有哪几种
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。
标准的节流件有三种：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。
5．根据工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型它们的工作原理各是什么
答按其工作原理主要有下列几种类型。
(1)直读式物位仪表这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。它们是利用连通器的原理工作的。
(2)差压式物位仪表这类仪表又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。它们是利 用液柱或物位堆积对某定点产生压力的原理而工作的。
(3)浮力式物位仪表这类仪表又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒 式的几种。它们是利用浮子的高度随液位变化而改变或
P 绝 大气压力线
绝对压力的零线 %100max ?-?=
测量范围下限值测量范围上限值δ%100?-±=测量范围下限值
测量范围上限值差值仪表允许的最大绝对误允δ
液体对浸沉于液体中的浮子(或沉筒)的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。
(4)电磁式物位仪表这类仪表可分为电阻式(即电极式)、电容式和电感式等几种。它们是把物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位的。另外，还有利用压磁效应工作的物位仪表。
(5)核辐射式物位仪表这类仪表是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是7射线。
(6)声波式物位仪表这类仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式几种。它们的原理是：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距离的不同，测出这些变化就可以测知物位。
(7)光学式物位仪表这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。它利用的光源可以是普通白炽灯光，也可以是激光。
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的方法有哪几种
答采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是o℃。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o℃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o℃，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为o ℃，或者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以下几种：(1)冷端温度保持为o ℃的方法，
(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。
7．热电阻测温原理
答 热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的，其电阻值与温度关系如下：
可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化，只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。
23．热电偶温度计为什么可以用来测量温度（可能为其测温原理） 答 热电偶温度计是根据热电效应这一原理来测量温度的。
如图2—2所示。
图2-2 热电偶测温原理
A 、
B 为两种不同材料的金属导体，若把两根导体两端焊接在一起，
形成闭合回路。由于A 、B 两种不同的金属，它们的自由电子密度不相
同，则在两接点处形成了两个方向相反的热电势(设t 12,R R 为热偶丝的等效电阻。在此闭合回路中总的热电势0(,)E t t 为： 00(,)()()AB AB E t t e t e t =-当A 、B 材料确定后，热电势0(,)E t t 是接点温度t 和0t 的函数之差。若一端温度0t 保持不变，即0()AB e t 为常数，则热电势+ + _ _ + _ A B 0(,)E t t 就成为另一端温度t 的单值函数了。若t 就是被测温度，那么只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低。这就是利用热电现象来测量温度的原理。 一个例题：检定一块级刻度为0~100Pa 的压力表,发现在50 Pa 处的误差最大,为 Pa,其它刻度处的误差均小于 Pa,问这块压力表是否合格 解 该表的最大引用误差m δ为0000001.4100 1.4 1.51000 m δ= ?=- 所以,这块压力表合格. 概念： （1）绝对误差 对同一参数进行测量时，仪表指示值x 与标准表的指示值0x 之差称为绝对误差?，即0x x ?=-标准表的指示值0x 称作为标准 值或真实值。 绝对误差的单位与指示值的单位相同，有正、负之分。符号为“+”时，表示指示值高于标准值；符号为“—”时，表示指示值低于标准值。 （2）相对误差 绝对误差的大小并不能完全精确地判断测量的准确程度。原因是，同样的绝对误差，相对于很大的被测量来说是小的，甚至可以忽略不计，但相对较小的被测量来说，则是很大的，应引起足够多的重视，这样就引出了相对误差。仪表某点指示值的相对误差δ就是该点的绝对误差与该点的标准值之比的百分数，可表示为：000100x δ?= ? 相对误差没有单位。 （3）引用误差 即折合误差，又称相对百分误差。它是校验过程中仪表的最大绝对误差相对仪表标尺范围（量程范围）的百分数。如用m δ表示相对百分误差，则max 000012 100m K x x δ?=?=- 式中 max ?——最大绝对误差；1x ——仪表的测量上限；2x ——仪表 的测量下限。 （4）仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有，，，，，，，，，，等。 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。即式中，S 为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移；Δx 为引起Δα所需的被测参数变化量。 （5）霍尔片式压力传感器是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 式中，U H 为霍尔电势；R H 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。 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U H ，但两者都有一定限度，一般I 为3～20mA ，B 约为几千高斯，所得的霍尔电势U H 约为几十毫伏数量级。 导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。 BI R U H H = （6）应变效应：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。 （7）什么叫标准节流装置 国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。 （8）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。 第四章 1．显示仪表分为几类各有什么特点 分类：模拟式显示仪表。数字显示仪表。屏幕显示仪表 3．自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较 相同处 与这两种仪表配套的测温元件（热电偶、热电阻）在外形结构上十分相似。 仪表的外形及其组成：如放大器、可逆电机、同步电机及指示记录部分都是完全相同的。 不同处 它们的输入信号不同。