化工仪表及自动化

1第一章自动控制系统基本概念控制系统的4个基本环节：被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器液位自动控制系统方框图几个常用术语：（1）被控对象需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。（2）被控变量（y）对象内要求保持恒定数值（或按规律变化）的物理量。是对象的输出（3）操纵变量用以使被控变量保持一定数值，具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。（4）干扰(f)除操纵变量,作用于对象并引起被控变量变化的其他因素.（5）给定值工艺规定被控变量所要保持的数值。（6）偏差设定值与测量值之差。e=x-z(7)控制器根据偏差信号大小，按一定规律运算后，发出信号p送至控制阀，使控制阀的开度发生变化，从而改变操纵变量以克服干扰对被控变量的影响。（8）操纵介质或操纵剂用来实现控制作用的物料，如流过控制阀的流体。系统运行的基本要求:自动控制系统的（最）基本要求是系统运行必须是稳定的.反馈:是控制系统的输出（即被控变量）通过测量变送返回到控制系统的输入端，并与设定值比较的过程。负反馈:z取负值，使原来信号减弱，结果使系统的输出减小的反馈类型。e=x-z正反馈:z取正值，是原来信号加强，结果使系统的输出增加的反馈类型。e=x+z闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。与自动检测、自动操作等开环系统比较最本质的区别就在于自动控制系统有负反馈。为什么自动控制系统都采用负反馈？因为当被控变量y受干扰影响而升高时，只有负反馈才能使反馈信号z升高，经过比较到控制器的偏差信号e将降低，控制器发出信号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给定值，达到控制目的。如果采用正反馈，z亦升高，控制阀使被控变量进一步升高，而且只要有一点微小偏差，控制作用会使偏差越来越大，直至被控变量超出了安全范围而破坏生产。所以控制系统绝对不能单独采用正反馈。正作用与反作用正作用环节：输出信号随输入信号的增加而增加的环节。反作用环节：输出信号随输入信号的增加而减小的环节。例如：对于控制器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用控制器能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关控制器执行器对象测量元件变送器偏差e控制器输出p给定值x操纵变量q测量值－z被控变量yf干扰变量2自动控制系统的分类：按照需要控制的给定值是否/如何变化来分类1、定值控制系统：给定值是由工艺要求给出的不变常数;通常要求被控变量尽量与给定值一致。2、随动控制系统：给定值随时间不断发生变化;通常要求被控变量与给定值一起变化。（某些比例控制系统）3、程序控制系统：（顺序控制系统）给定值是一个已知时间函数；即生产技术指标按一定时间程序变化。静态：被控变量不随时间变化的平衡状态（不是静止）。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。过渡过程：受到干扰作用后系统失稳，在控制系统的作用下，被控变量回复到新的平衡状态的过程。/系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式地加入系统，并保持在这个幅值。阶跃干扰比较突然、危险、对控制系统的影响也最大。阶跃干扰作用下的过度过程基本形式：控制系统的控制指标阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加阶跃干扰）——定值系统1.最大偏差：B+C被控变量偏离给定制的最大值，以A表示小一些好2.超调量B:B第一个峰值与新稳态值之差3.衰减比：n=B/B’习惯上表示为n:1表示衰减程度，是前后相邻两峰值的比，n取4~10为宜4.余差:C新稳态值与给定值之间的偏差，可正可负，越小越好5.过渡时间：t3干扰发生至重新建立平衡时过渡过程所经历的时间，在稳态值（给定值）的+-5%范围内认为已达新稳态值。6.振荡周期：t2-t1两波峰（或波谷）之间的间隔时间到数为振荡频率越短越好a非周期衰减过程√b衰减振荡过程√(希望的)c等幅振荡过程？一般是不允许的；除开关量控制回路d发散振荡过程Xe单调发散过程X3影响控制指标的主要因素固定因素：被控对象特性、测量仪表特性、执行器特性补偿因素：控制器特性——这是自动控制的主要研究内容工艺管道及控制流程图（P&ID）1.图形符号检测点一般是由工艺设备轮廓线或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点连接线仪表2.字母代号字母第一位字母后继字母C电导率控制（调节）L物位P压力或真空I电流指示R放射性记录或打印T温度传送第二章过程特性及其数学模型对象特性：是指用数学方法来描述对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)。即对象受到e后，y是如何变化的、变化量为多少……数学模型：对象特性的数学描述被控变量看作对象的输出量，也叫输出变量；干扰作用和控制作用看作对象的输入量，也叫输入变量。控制通道：控制变量至被控变量的信号联系。干扰通道：干扰至被控变量的信号联系通道。数学模型的表示方法：非参量模型和参量模型1.非参量模型：采用曲线、表格等形式表示。特点：形象、清晰；缺乏数学方程的解析性质（必要时须进行数学处理获得参量模型）。常用的描述形式：阶跃反应曲线、矩形脉冲反应曲线、频率特性曲线等2.参量模型：数学模型用数学方程式描述。交叉相接字母编号写在圆圈的上半部。第一位字母表示被测变量后继字母表示仪表的功能数字编号写在圆圈的下半部。第一位数字表示段号后续数字(二位或三位数字)表示仪表序号4常用的描述形式：微分方程式(组)*、传递函数*、频率特性等对象数学模型的建立建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模机理建模——根据对象或生产过程得内部机理，写出物料、能量平衡、化学反应、传热传质等基本方程，从理论上来推导建立数学模型。由于工业对象往往非常复杂，很难完全掌握系统内部的精确关系式。需要引入恰当的简化、假设等处理。因此机理建模仅适用于部分相对简单的系统。实验建模——人为施加输入作用（输入量），用仪表记录表征对象特性的物理量（输出量）随时间变化的规律，得到实验数据或曲线，表示对象特性。这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称为系统辨识，其主要特点是把被研究的对象视为一个黑箱子。混合建模——将机理建模与实验建模结合起来，称为混合建模。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。已知模型结构＋实测数据来确定数学表达式中某些参数的方法，称为参数估计。1.一阶线性对象（1）水槽对象（2）RC电路K――放大系数，在阶跃输入作用下，对象输出达到新的稳定值时，输出变化量与输入变化量之比，也称静态增益。K越大，表示输入量对输出量的影响越大。T――时间常数，在阶跃输入作用下，对象输出达到稳态值63.2％所需要的时间，T是反映响应变化快慢或响应滞后的重要参数。用T表示的响应滞后称容量滞后。T大，反应慢，难以控制；T小，反应快。2.积分对象积分对象：对象的输出与输入对时间的积分成比例的关系。使用泵输出的储槽具有积分特性。3.二阶线性对象对象特性的实验测取方法：1.阶跃反应曲线法2.矩形脉冲法：t0突然加一干扰，幅值A，t1除去干扰，所得输出量与时间变化规律()iidhThKqTARKRdt、（）ioieedtdeTeedtdeRC000或dtqhiA1dtqdhiA12221212211122222()()idhdhTTTThKqTARTARKRdtdt5放大系数KK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如果有一定的输入变化量∆𝐐𝟏，通过对象就被放大了K倍变为输出变化量∆hK越大，表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，被控变量对这个量的变化就越灵敏（控制能力强）Kf越大干扰f对被控变量y的影响越灵敏。在设计控制系统时，应合理地选择KO使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系统振荡。物理意义：K是对象受到阶跃输入作用后，被控变量新的稳态值与所加的输入量之比，表示对象受到输入作用后，重新达到平衡状态时的性能，是不随时间而变的，所以是对象的静态性能。时间常数T时间常数：在阶跃输入作用下，对象输出达到最终稳态值的63.2％所需要的时间。T大反应慢，难以控制；T小反应快。一般情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些。物理意义：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就是时间常数。初始速度：t=0是液位变化的初始速度滞后时间t滞后现象：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。（1）纯滞后（传递滞后）由于介质的输送需要一段时间而引起的。产生纯滞后的原因：①物料输送等中间过程产生②测量点选择不当等原因。控制通道纯滞后对控制肯定不利；干扰通道的纯滞后对系统响应影响不大，因为干扰本身是不确定的，可以在任何时间出现。在工艺设计时，应尽量减少或避免纯滞后时间。如：简化工艺、减少不必要的环节，以利于减少控制通道的滞后时间；在选择控制阀与检测点的安装位置时，应选取靠近控制对象的有利位置。（2）容量滞后有些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，这种现象叫容量滞后或过度滞后。容量滞后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。vL6第三章检测仪表与传感器（填选）绝对误差——仪表测得的测量值与被测真值之差由于真值在理论上是无法真正获取，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。即：x0——标准表读数相对误差：某点的绝对误差与标准表在这一点的指示值之比相对百分误差：测量仪表的性能指标1.精确度（精度）在仪表中，通常以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度、精度等级。𝛅允=±仪表允许的最大绝对误差测量范围上限−测量范围下限×𝟏𝟎𝟎%仪表的精度等级是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差去掉“±”、“％”号，即可确定仪表精度等级。按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。工艺要求的允许误差≥仪表的允许误差≥校验所得到的相对百分误差3.变差在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内正反行程测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示：3、灵敏度和分辨力灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即灵敏度＝Δy/Δx4.分辨力分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。5.反应时间衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，不宜用来测量变化频繁的参数。仪表的输出信号（即指示值）由开始变化到新稳态值的63.2％所用的时间，可用来表示反应时间，也有用变化到新稳态值的95％所用的时间来表示反应时间的。6．线性度表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。maxmaxmin100%xx最大绝对误差＝量程ixtxitxx0ixx20100%x3maxmin100%xxmax100测量范围上限－测量范围下限变差％max100f测量范围上限－测量范围下限％7根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测根据弹性元件受力变形的位移进行测量。弹簧管/膜片/波纹管(3)电气式压力检测利用敏感元件将被测压力转换成电量进行测量的。电势、电阻。(4)活塞式压力检测根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞