化工自动化仪表期末复习摘要Word格式文档下载.docx
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c（t）:
被控变量
y（t）:
测量值
r（t）:
设定值
控制器：
比较机构和控制装置的组合；
广义对象：
过程、执行器、检测变送的组合。
5.自动控制系统的分类：
定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
6.★自动控制系统的过渡过程及品质指标：
①★定值控制系统过渡过程的形式（阶跃扰动）：
发散振荡
单调发散
等幅振荡
衰减振荡
单调衰减
②自动控制系统的品质指标：
（1）最大动态偏差（emax）：
对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个振荡波的峰值与设定值之差。
即：
图中的A
（2）衰减比n：
第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。
注：
n>
1：
衰减振荡；
n=1：
等幅振荡；
n<
发散振荡。
为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:
1到10:
1的范围内。
（3）余差（e∞）：
控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。
；
上图中，
。
（4）回复时间（过渡时间）（Ts）：
控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。
实际上，被控变量接近于新稳态值的
的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。
（5）振荡频率（或振荡周期）（ω）：
渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。
其倒数称为振荡频率。
实例某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。
试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为200℃）。
（1）最大偏差：
emax=230-200=30（℃）
（2）余差：
e∞=200-205=-5（℃）
（3）衰减比：
n=（230-205）:
（210-205）=25:
5=5:
1
（4）过渡时间：
Ts=22min
第二章过程特性
1.过程特性的类型：
①通道的概念：
控制通道：
操纵变量q（t）对被控变量c（t）的作用途径。
扰动通道：
扰动变量f（t）对被控变量c（t）的作用途径
②响应曲线有四种（P13）：
有自衡的非振荡过程、无自衡的非振荡过程、有自衡的振荡过程、具有反向特性的过程。
2.★过程的数学描述：
①一阶被控过程控制通道的动态方程为：
②一阶被控过程扰动通道的动态方程为：
如果有纯滞后：
其中，To、Tf、Ko、Kf分别为控制通道、扰动通道的时间常数和放大系数。
3.过程特性的一般分析：
描述有自衡非振荡过程的特性参数有放大系数K、时间常数T和时滞τ。
①放大系数K：
希望Ko稍大，希望Kf小一些。
控制通道的放大系数Ko：
；
扰动通道的放大系数Kf：
②时间常数T：
希望To适中，希望Tf大。
定义1在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化量的%所需要的时间,称为该阻容环节的时间常数。
定义2在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值所需要的时间。
（如何求得T的方法，参见右图）
③时滞τ：
在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为纯滞后（时滞）现象。
（定义中的纯滞后包括了两种滞后：
纯滞后、容量滞后，即：
τ=τo+τc）其中：
纯滞后τo是由于信息的传输需要时间而引起的；
容量滞后τc是多容量过程的固有特性，是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
【关于时间常数T和时滞τ的图解，参见P19图2-13】
4.过程特性的实验测定方法：
最常用的是阶跃扰动法（反应曲线法）。
其它还有：
矩形脉冲扰动法、周期扰动法、统计相关法。
第三章检测变送
1.★测量误差：
相对误差（仪表引用误差）：
最大引用误差又称为允许误差δmax。
（一般仪表量程上限Ymax在被测变量的4/3-3/2倍）
2.仪表的性能指标：
（1）精确度（精度）：
仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。
精度等级：
允许误差去掉“±
”号及“%”后，系列化圆整后的数值。
目前我国生产的仪表的精度等级有：
,,,,,,,,,等。
★关于选表与校表的区别：
选表往精度等级小的靠；
校表往精度等级大的靠。
某台测温仪表的量程是600--1100℃，其最大绝对误差为±
4℃，试确定该仪表的精度等级。
仪表的允许误差为
∴这台仪表的精度等级应定为级（校表）
某台测温仪表的量程是600--1100℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±
4℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。
根据工艺要求，仪表的最大允许误差为
∴所以只能选择一台允许误差为±
%，即精确度等级为级的仪表，才能满足工艺要求。
（选表）
（2）变差（回差）：
外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。
（仪表的变差不能超出仪表的允许误差）
（3）灵敏度和分辨率：
灵敏度：
仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即：
灵敏度=△Y/△X
（灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度）
分辨率（仪表灵敏限）：
仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。
（4）动态误差：
由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。
（5）线性度：
衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。
线性度差就要降低仪表精度。
3.温度检测：
①温度检测方法：
接触式和非接触式。
②★热电偶：
（1）测温原理——热电效应
（2）分度号：
与分度表所对应的热电偶的代号：
B、S、K、E等。
（参见右图）
（3）★补偿导线：
解决参比端温度的恒定问题。
（4）★热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）：
补偿原理：
工作端温度θ，参比端θ0，热电势为
参比端温度补偿方法：
（A）计算法（B）冰浴法（C）机械调零法（D）补偿电桥法（常用）。
③★热电阻：
（1）分类：
金属热电阻、半导体热敏电阻。
（2）采用三线制接法：
消除连接导线阻值变化带来的误差。
（3）分度号：
Pt50、Pt100、Cu50等。
④★热电偶与热电阻的选择：
高温→热电偶；
低温（500℃以下）→热电阻
（1）热电偶：
（A）参比端温度补偿；
（B）补偿导线的极性不能接反；
（C）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；
（D）在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。
（2）热电阻：
（A）分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；
（B）采用三线制接法；
（C）配套使用仪器：
电子自动平衡电桥。
4.流量检测：
（1）三种流量表示：
质量流量（qm）：
单位时间内流过某截面的流体的质量。
单位：
（kg/s）
体积流量（qv）：
单位时间内流过某截面的流体的体积。
（工作状态）单位：
（m3/s）；
qm=qvρ
体积流量（qvn）：
折算到标准的压力和温度下的体积流量。
（标准状态下：
一个大气压，20℃）
（2）★流量检测的主要方法：
①测体积流量：
（A）容积法（不用直管段恒流）：
如：
椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等。
（B）速度法：
有差压式、电磁式、漩涡式、声学式、热学式、涡轮式。
②测质量流量：
间接法（测出体积流量和密度，经过计算得到。
主要有压力温度补偿式质量流量计）和直接法（如：
科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动量式流量计）
5.差压式流量传感器：
（1）节流装置（前后要有一定长度的直管段）：
★流量方程式（差压与流量的关系）：
（2）靶式流量计；
（3）涡轮流量计；
（4）电磁流量计；
（5）转子流量计；
（6）旋涡流量计；
（7）超声波流量计。
6.★压力检测：
（1）压力定义：
定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。
（2）压力的三种表示：
绝对压力（P）、表压力p（又称相对压力，是指绝对压力与大气压力（P0）之差）、负压/真空度（负的表压）。
7.物位检测：
★常用物位检测仪表——差压式液位计（关于迁移问题）：
（1）取压点与液位零面在同一水平面：
设被测介质的密度为ρ，容器顶部为气相介质，气相压力为pA，pB是液位零面的压力，p1是取压口的压力，根据静力学原理可得
因此，差压变送器正负压室的压力差为
∴液位测量问题就转化为差压测量问题了。
（2）取压口低于容器底部：
∵
∴
在无迁移情况下，实际测量范围是0～（h0ρg+hmaxρg）。
原因是这种安装方法使ΔP多出一项h0ρg。
当h=0时，ΔP=h0ρg，因此P0＞20KPa。
为了迁移掉h0ρg，即在h=0时仍然使P0=20KPa，可以调整仪表的迁移弹簧张力。
∵迁移量h0ρg＞0∴是正迁移。
量程迁移后，测量范围为0～hmaxρg，再通过零点迁移，使差压式液位计的测量范围调整为h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。
8.★变送器：
作用：
将检测元件的输出信号转换成标准统一信号送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。
常见的变送器有：
温度变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。
工作原理：
负反馈原理。
★变送器的量程、零点迁移：
（y为标准输出信号；
x为被测参数）
（1）量程迁移（调整斜率）：
目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。
因为
，所以改变反馈系数F的大小可以实现量程调整，F大则量程大。
（2）零点迁移（平移）：
目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。
①零点调整：
xmin=0②零点迁移：
xmin≠0（A）正迁移：
xmin>
0（B）负迁移：
xmin<
0
★调节次序：
先量程调节，后零点调节。
使用温度变送器时应注意的问题：
（1）使用前都要进行量程迁移和零点迁移。
（2）温度变送器要与输入信号类型相符，分度号的匹配、接线等。
★此外：
热电偶温度变送器：
热电偶的参比端要与变送器上的补偿电阻感受相同温度。
热电阻温度变送器：
金属热电阻采用三线制接法，半导体热敏电阻不用。
第四章显示仪表
1.模拟式显示仪表：
（1）★电子电位差计——配热电偶（热电偶短路→指针指向参比端温度）
功能：
与温度、流量、压力、差压、成分等变送器配接，可以测量和显示能转换成毫伏及直流电压信号的工艺变量。
原理：
电压补偿原理。
用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流等于零。
用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。
【P77】
型号：
用XW系列来命名，X表示显示仪表，W表示直流电位差计。
XW-
类型：
小型长图显示、大型长图显示、圆图显示等。
（2）★电子自动平衡电桥——配热电阻
对能转换成电阻值的各种变量进行测量、显示、记录。
电桥平衡原理。
根据输出电压：
XD系列——交流平衡电桥；
XQ系列——直流平衡电桥
2.数字式显示仪表：
★数显仪表的组成框图（右图）：
第五章执行器
1.★组成：
执行机构和调节机构组成。
执行机构：
执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置。
调节机构：
调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。
2.分类：
液动、气动、电动。
3.执行机构：
气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体。
气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式。
4.控制阀：
调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。
执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关式两种调节。
5.★气动薄膜控制阀的流量特性：
（1）定义：
流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程（阀门的相对开度）之间的关系。
（2）理想流量特性：
控制阀的前后压差不变时得到的流量特性。
特点：
完全取决于阀的结构参数；
主要有三种类型：
线性、对数、快开。
线性阀：
是指控制阀的相对流量与相对开度成线性关系。
阀杆单位行程变化所引起的相对流量变化是常数。
对数阀（等百分比流量特性）：
是指单位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。
选择原则：
S>
：
认为工作特性与理想特性相同。
<
S<
（流量特性畸变很大）：
节能运行，可以进行静态非线性补偿。
控制阀的理想流量特性
1——线性
2——对数
3——快开
快开阀：
在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后在增大开度时流量的变化很小，故称为快开特性。
（3）工作流量特性：
实际上控制阀的前后压差是变化的。
配管系数S：
控制阀全开时，控制阀上压差△pv与系统总压差△p之比。
S=1时，系统的总压差全部降在控制阀上，工作流量特性就表现为理想流量特性。
一般希望S值最小不低于。
（4）动态特性：
气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看作为一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头间的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的大小取决于气阻和气容。
（5）控制阀口径的确定：
依据：
流通能力。
6.阀门定位器（了解）：
接受控制器的输出信号，然后将该信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，它与执行机构组成一个闭环系统。
采用阀门定位器，可以增加执行机构的输出功率，改善控制阀的性能。
目前较多使用电动控制器，控制阀较多使用气动控制阀。
阀门定位器的作用：
（1）改善阀的静态特性
（2）改善阀的动态特性：
改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。
一般地，气压传送管线超过60m时，应采用阀门定位器。
（3）改善阀的流量特性——通过改善反馈凸轮的形状
（4）用于分程控制
（5）用于阀门的反向动作——可改变阀的气开、气关特性
7.控制阀流量特性的选择：
使整个广义对象具有线性特征。
8.控制阀气开、气关的选择：
安全原则。
第六章控制器（调节器）
1.概述：
控制器是控制系统的核心。
控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。
分类：
按能源形式分类：
气动、电动；
按信号类型分类：
模拟式、数字式；
按结构形式：
基地式、单元组合式、组装式、集散控制系统。
2.基本控制规律：
定义：
是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。
控制器的输入信号e（t）：
是测量值y（t）与被控变量的设定值之差，即e（t）=y（t）-r（t）；
控制器的输出信号u（t）：
是送往执行机构的控制命令。
控制规律就是控制器的输出信号u（t）随输入信号e（t）变化的规律。
控制算法：
（1）★比例度δ：
控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，表达式为：
（必记）（其中，C为仪表系数）（具体而言：
使控制器的输出变化满刻度时，输入信号必须改变全量程的百分之几）。
对于单元组合仪表，有：
★比例度δ对系统过渡过程的影响：
①在扰动（如负荷）及设定值变化时有余差存在。
②比例度愈大，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。
比例度愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。
当比例度δ减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度δk。
★
在扰动作用下，主要取决于余差，δ小则余差小，所以最大偏差也小；
在设定作用下，最大偏差取决于超调量，δ小则超调量大，所以最大偏差就大。
（2）比例控制特点（存在余差）：
是最基本、最主要、应用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳定。
适用场合：
扰动幅度较小、负荷变化不大、过程时滞较小或控制要求不高的场合。
（3）积分作用特点：
（A）消除余差，却降低了系统的稳定性（B）落后性：
积分控制作用总是滞后于偏差的存在。
积分时间TI定义：
在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI。
积分时间TI越大，直线越平坦，说明积分作用越弱。
随着TI减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降。
积分饱和：
积分饱和指的是一种积分过量现象。
解决积分饱和问题的常用方法是采用PI-P控制规律。
另外，还有积分限幅法，变速积分法等。
（4）微分作用特点（超前控制）：
理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏差的变化速度有关。
微分时间TD越大，微分作用越强。
由于微分在输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制，适用于容量滞后。
（5）★实际PID控制：
（必记）
式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分。
Kc为比例增益，KD为微分增益；
TI为积分时间；
TD为微分时间，A为阶跃信号。
适当的微分作用：
在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。
如右图所示：
TD太小：
对系统的控制指标没有影响或影响甚微，如曲线1；
TD适当：
系统的控制指标将得到全面的改善，如曲线2；
TD过大：
引入的微分作用太强，可能导致系统产生剧烈的振荡，如曲线3。
如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比n，则可适当减小控制器的比例度。
用于时滞大的场合，特别是在温度控制系统。
理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性
阶跃偏差下的积分控制器开环输出特性
阶跃偏差作用下的实际比例微分开环输出特性
阶跃偏差作用下的比例控制器的开环输出特性
（6）★P、I、D开环输出特性：
实例某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式为
（t单位为分钟）。
试问：
（1）这是什么控制规律
（2）求出控制器各个控制参数。
（3）画出其开环输出特性图。
解：
又有
（1）PD控制规律。
（2）
解之得：
KC=2，KD=5，TD=5。
（3）开环输出特性曲线：
为KCA=2，KCKDA=10曲线如右图所示：
4.模拟式控制器：
（1）DDZ-Ⅲ型电动单元控制器：
输入信号为来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号，设定信号为1～5V直流信号，两者相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或4～20mA直流控制信号给执行器，以实现对工艺变量的控制。
（2）控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种：
软手动→微调；
硬手动→粗调；
保持→无扰动切换（输出值保持不变）。
（3）★控制器的“内”“外”设定开关：
内→定值控制；
外→随动控制。
（4）★控制器的“正”、“反”作用开关：
由u和e的方向决定，同向为正作用。
当控制器置于“正”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加。
控制器“正”、“反”作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决定，保证控制系统为负反馈。
实例如图所示的液位控制系统，如果阀的气开、气关特性发生改变，控制器的正、反作用也应该发生改变。
①假设阀门选用气关阀：
假设液位上升：
要使液位下降：
∵e↑和u↑同向（箭头同向）∴选正作用控制器。
②假设阀门选用气开阀：
∵e↑和u↓反向（箭头反向）∴选反作用控制器。
蒸汽加热反应釜
实例如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要求釜内温度不得过高，试确定调节器的正、反作用。
（1）确定控制阀的气开、气关特性：
∵工艺要求釜内温度不得过高，也就是说，供气中断时热源关断
∴应选气开阀。
（2）确定调节器的正、反作用：
∴控制器应选反作用
第七章简单控制系统
1.★被控变量的选择原则：
（1）合理性与独立性：
尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量。
（2）直接指标与间接指标：
所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求。
（3）可测与可控：
必须考虑自动化仪表及装置的现状。
2.★操纵变量的选则原则：
（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量。
（2）操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。
控制通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小。
（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。
（4）工艺上的合理性和方便性。
3.选择控制规律时注意：
（1）微分作用对过程的容量滞后有效，而对过程控制通道存在纯滞后无效。
（2）积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。
4.★控制器的参数整定：
（1）临界比例度法：
先将控制器设置为纯比例作用，比例度δ放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度δ并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。
求得临界比例度δk，临界振荡周期Tk。
根据δk和Tk查表找控制器应该采用的参数值。
（注：
控制系统工作在非线性区，不适用）
（2）衰减曲线法：
将控制器先设置为纯比例作用，并将比例度δ放在较大的位置上。
将系统投入闭环控制，在系统稳定后，逐步减小比例度，改变设定值以加入阶跃干扰，观察过渡过程的曲线，直至衰减比n为4:
1。
这时的比例度为δS，衰减周期为TS，最后，查表得出控制器应该采用的参数值。
加干扰前，控制系统必须处于稳定的状态；
阶跃干扰的幅值不能大；
不可以过渡过程波动频繁）
（3）经验整定法：
经验法整定控制器参数的关键是“看曲线，调参数”。
（A）比例度δ：
比例度越大，过渡过程越平缓，余差越大；
比例度越小，过渡过程振荡越激烈，余差越小，δ过小，甚至成为发散振荡的不稳定系统。
（B）积分时间TI：
积分时间越大（积分作用越弱），过渡过程越平缓，消除余差越慢；
积分时间越小（积分作用越强），过渡过程振荡越激烈，消除余差快。
（C）微分时间TD：
微分时间越大，微分作用越强。
第八章复杂控制系统
1.常用的复杂控制系统有：
串级、均匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等。
2.★串级控制系统（只有一个执行器）：
（1）串级控制系统的基本原理和结构：
思
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