化工仪表及自动化复习资料

第一章1化工自动化的含义是化工、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。

自动控制系统的基本组成及方块图2液位自动控制的方块图2.1方块图中，x 指设定值；z 指输出信号；e指偏差信号；p 指发出信号；q指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。

当x取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值，e= x+ z，正反馈。

3自动控制目的：希望将被控变量保持在一个不变的给定值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。

4.自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程衰减震荡过程等幅震荡过程发散震荡过程5控制系统的品质指标5.1最大偏差或超调量5.2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。

5.3余差5.4过渡时间5.5震荡周期或频率第二章1对象数学模型的含义研究对象的特性，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2建模目的（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3模型建立的方法(1)机理建模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。

(2)实验建模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。

4描述对象特性的参数（1）放大系数K含义:对于前面介绍的水槽对象，当流入流量Q1有一定的阶跃变化后，液位h也会有相应的变化，但最后会稳定在某一数值上。

如果我们将流量Q1的变化ΔQ1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。

影响: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。

（2）时间常数T含义: 从大量的生产实践中发现，有的对象受到干扰后，被控变量变化很快，较迅速地达到了稳定值；有的对象在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。

影响：在自动化领域中，往往用时间常数T来表示。

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。

（3）滞后时间τ含义：对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现象。

分类： 传递滞后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。

第三章1测量过程与测量误差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，而测量仪表就是实现这种比较的工具测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。

通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。

绝对误差ti x x -=∆ x i：仪表指示值, x t：被测量的真值由于真值无法得到x x -=∆ x ：被校表的读数值，x 0：标准表的读数值相对误差00x x x x y -=∆=2仪表的性能指标2.1精确度（简称精度） 2.2变差2.3灵敏度与灵敏限 2.4分辨率 2.5线性度 2.6反应时间 第四章1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。

1.1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CB CB IR U =同时有()0条件：检= =IUECBt1.2自动电子电位差计的工作原理根据这种电压平衡原理来进行工作特点用可逆电动机及一套机械传动机构代替了人手进行电压平衡操作；用放大器代替了检流计来检测不平衡电压并控制可逆电机的工作。

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。

电子电位差计原理图电位差计测量桥路原理图①R2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。

② 下支路限流电阻R 3 它与R 2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA 。

③ 上支路限流电阻R 4 把上支路的工作电流限定在4mA 。

XW 系列电位差计测量桥路原理图④ 滑线电阻R P 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。

⑤ 量程电阻R M 决定仪表量程大小的电阻。

⑥ 始端（下限）电阻R G 大小取决于测量下限的高低。

R 2—冷端补偿铜电阻；R M —量程电阻；R B —工艺电阻；R P —滑线电阻；R 4—终端电阻（限流电阻）；R 3—限流电阻；R G —始端电阻；E —稳压电源1V ；I 1—上支路电流4mA ；I 2—下支路电流2mA2自动电子平衡电桥2.1平衡电桥测温原理利用平衡电桥来测量热电阻变化。

当被测温度为下限时，R t 有最小值R t0，滑动触点应在R P 的左端，此时电桥的平衡条件是()4230R R R R R P t =+当被测温度升高后的平衡条件是()()142130r R R r R R R R P t t +=-+∆+用式（4-4）减式（4-3），则得tt R R R R r r R R r R R ∆+==-∆323112313平衡电桥结论滑动触点B 的位置就可以反映电阻的变化，亦即反映了温度的变化。

并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。

2.2自动电子平衡电桥自动平衡电桥结构原理图自动电子平衡电桥方框图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。

第五章 1比例控制在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。

如左图，根据相似三角形原理e b a p e p b a ⨯==或,对于具有比例控制的控制器pKeP简单的比例控制系统示意图比例控制的放大倍数K P是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。

在t=t0时，系统外加一个干扰作用液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线比例控制系统过渡过程比例度对过渡过程的影响优点：反应快，控制及时缺点：存在余差结论：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。

2积分控制当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。

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⎰=edtK p I当输入偏差是常数A 时AtK Adt K p I I ==⎰积分控制器特性结论：当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。

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。

把比例与积分组合起来，这样控制 既及时，又能消除余差。

比例积分控制规律可用下式表示 或比例积分控制器特性若偏差是幅值为A 的阶跃干扰At T K A K p PP 1+=积分时间对过渡过程的影响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；()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=⎰⎰edt T e K p edt K e K p I P I P 1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。

3控制阀的理想流量特性 3.1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。

K L l d Q Q d =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛max （6-2）不同流量特性的阀芯形状1—快开；2—直线；3—抛物线；4—等百分比将上式积分C LlK Q Q +=max （6-3） 边界条件：l =0时，Q =Q min ; l =L 时Q =Q max 把边界条件代入式（6-3），可分别得R C K RQ Q C 111,1max min -=-===（6-4）R 为控制阀的可调范围或可调比。

注意Q min 不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Q max 的2％～4％。

将式（6-4）代入式（6-3），可得()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=L l R R Q Q 111max （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。

当R =30,l /L =0时，Q/Q max =0.33 假设R =∞,位移变化量为10% 在10％时，流量变化的相对值为 （20-10）/100*100%=100%在50％时，流量变化的相对值为%20100505060=⨯-在80％时，流量变化的相对值为%5.12%100808090=⨯-理想流量特性1—快开；2—直线；3—抛物线；4—等百分比曲线在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。

（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。

max max Q QK L l d Q Q d =⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛（6-6）将（6-6）积分C L lK Q Q +=max ln将前述边界条件代入RK R RQ Q C ln ,ln 1ln lnmax min =-===1max-=LlR Q Q（6-7）（3）抛物线流量特性()2max 111⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=L l R R Q Q（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。