过程自动化及仪表复习

第一章自动化控制系统概述3自动控制系统组成手动控制与自动控制对比自动控制步骤：测量→比较→执行手动控制步骤：观察→比较→操作自动控制系统组成输入变量：系统设定值。输出变量：被控制变量。控制变量：操纵变量。由控制器改变的量或状态。反馈：输出变量通过检测仪表送回输入端，与输入变量进行比较。扰动：对系统的输出量产生不利影响的因素或信号。控制装置执行器过程检测原件、变送器+-设定值r(t)偏差e(t)测量值y(t)比较控制u(t)操纵变量q(t)扰动f(t)被控变量c(t)=r(t)-y(t)y(t)-r(t)控制器广义对象给水阀门汽包蒸汽液位计省煤器软水给水阀门汽包蒸汽液位传感器省煤器软水LTLT液位控制器4自动控制系统分类①闭环控制系统(有反馈)②开环控制系统(无反馈)③定值控制系统④随动控制系统⑤程序控制系统5自动控制系统的过渡过程静态：系统输入(设定值和扰动)恒定不变时若整个系统建立了平衡，系统各环节暂不动作，它们的输出处于相对静止状态，称为静态或定态。动态：输入变化后，系统从初始的平衡状态，经过控制到建立新的平衡，系统各环节将处于变化过程之中，这种状态称为动态。过渡过程：输入变化后，被控制量随时间变化的过程。6自动控制系统的品质指标余差e(∞)：过渡过程终了时设定值与被控量稳态值之差。第二章过程特性1过程特性类型过程特性：被控过程的输入变量(操纵变量或扰动变量)发生变化时，输出变量随时间的变化规律。输入变量作阶跃变化时被控变量的时间特性用图形表示为响应曲线(控制通道响应曲线、扰动通道响应曲线)。过程特性类型：1自衡的非震荡过程，2无自衡的非震荡过程，3自衡的震荡过程，4具有反向特性的过程第三章检测变送1概述P22检测元件：敏感元件、传感器。将工艺变量转化成以之对应的输出信号（一次仪表）。二次仪表：将变送器和显示装置称为二次仪表测量误差：被测值与真实值之间的差别①绝对误差：仪表指示值与被测的真值之差按系统结构特点分类按设定值特点分类0xx②相对误差：引用误差。绝对误差与量程之比③允许误差：仪表最大引用误差。仪表性能指标：①精确度：仪表精度精度等级(±%)0.0050.0020.050.10.20.40.51.01.52.54.0选型：上限值=被测值×4/3~3/2，波动时×3/2~2仪表精度计算：P23例题①根据仪表误差判定仪表精度②根据工艺要求选择仪表精度2温度检测热电偶①测温原理：P26③热电偶补偿导线用价格便宜、热电性质与热电偶相同的导线将冷端延伸到恒温、低温的地方④热电偶参比端补偿（冷端补偿）：将冷端电势补偿到0℃时的电势热电阻测温原理：导体的电阻随着温度的变化而变化电磁流量计：基于电磁感应定律。流体在磁场中做垂直方向流动切割磁力线时，会产生感应电动势，电动势大小与流体流速成正比。6pH/ORP检测P53结构原理%100-)(0标尺下限标尺上限XX%100-max0max标尺下限标尺上限）（XX玻璃电极KCl溶液多孔陶瓷参比电极Pt电极KCl溶液多孔陶瓷参比电极内参比电极内参比电极7DO检测P54结构原理阳极Ag+Cl-→AgCl+2e-阴极O2+2H2O+4e→4OH-8TOC检测紫外/过硫酸盐氧化法测定TOC原理①样品首先被酸化，水中的总无机碳变成二氧化碳，再用载气将二氧化碳吹出；②在水样中加入过硫酸盐，用紫外光进行氧化，此时水中TOC被完全氧化成二氧化碳；③再用载气将二氧化碳带入红外检测器检测二氧化碳浓度，换算出TOC浓度9COD检测重铬酸钾氧化法测定COD原理。1.水样加入硫酸汞(屏蔽Cl-干扰)、硫酸-硫酸银(酸催化剂)、重铬酸钾，加热至175℃消解20min，重铬酸钾氧化有机物变成三价铬；2.通过测定剩余六价铬(420nm)或生成的三价铬(610nm)的吸光度值与水样COD值建立的关系，来测定水样COD值。)(303.2pHpHkFRTEEsspH测定用复合电极ORP测定用复合电极Au阴极Ag阳极聚四氟乙烯膜KCl溶液+-0.6V输出omcLpKnFAi10变送器P62量程迁移：使变送器输出信号上限ymax与测量范围上限xmax相对应本质：改变x-y特性曲线的斜率方法：调整反馈系数F或转换系数C零点迁移使变送器输出信号下限ymin与测量范围下限xmin相对应本质：左右平移x-y特性曲线方法：输入信号中叠加一个偏移量热电阻三线制:P66三线制作用：抵消热电阻的连接导线电阻引起的误差第五章执行器1执行器组成及分类执行器的作用：接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行执行器的组成：执行机构--将控制器输出的控制信号转换成推力或位移调节机构--根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量执行器的分类：①电动执行器：以电力为驱动能源。防爆差，分立结构，执行机构分角行程和直行程，交流电机驱动+位置伺服。Vz+-VtIC1RtR2R3R1R4R5+++---Vt'+-+-Vfrrr++--+-②气动执行器：以压缩气体为驱动能源。防爆好，整体结构，执行机构分薄膜式和活塞式，气压驱动。③液动执行器：以压力液体为驱动能源。笨重，少用4气动薄膜控制阀的流量特性P90流量特性：调节介质的相对流量与相对开度之间的数学关系即Q=f(L)理想流量特性：控制阀的前后压差保持不变时的流量特性①线性流量特性相对流量与相对开度成直线关系②对数流量特性行程等差变化，相对流量等比变化③快开流量特性起始快然后慢第六章控制器控制器的控制规律：控制器的输出信号u(t)随输入信号e(t)的变化规律。控制规律种类：①双位控制②比例控制P③积分控制I④微分控制D②比例控制：控制器的输出与偏差成正比比例控制增益：比例度：单元组合仪表中，输入和输出都是统一标准信号：δ=1/Kc×100%例1：某比例调节器输入和输出信号均为4~20mA。当输入信号从10mA变为11mA时，输出信号从8mA变为12mA，求比例增益Kc和比例度δ。解：例2：某比例调节器输入信号为1~5V，输出信号为4~20mA。当输入信号从2V变为2.5V时，输出信号从8mA变为12mA，求比例度δ解：)()(teKtuc)(/)(tetuKcminmaxminmax/uuuZZe输入量程输出量程4)1011/()812()(/)(tetuKc%25%1004/1%100/1cK%100/minmaxminmaxuuuZZe%50%100164/45.0%100420812/1525.2习题：某比例调节器输入信号4~20mA，输出信号1~5V。当比例度δ=50%时，输入信号变化6mA所引起的输出信号变化量是多少？比例控制P比例度δ=1/Kc×100%（单元组合仪表）δ越大，过渡曲线越平稳，平衡时间越长，余差越大δ越小，振荡程度越强，平衡时间越短，余差越小δ过小，系统持续振荡比例积分控制PITI越大，特性曲线越平坦，积分作用越弱，余差消除慢TI越小，特性曲线越陡峭，积分作用越强，余差消除快，振荡加剧例题：某比例积分控制器比例增益Kc=2，积分时间TI=20s，控制器输出为4mA。现突然施加1mA的阶跃信号，求经过40s时该控制器的输出信号值。解：比例微分控制PD理想特性：TD过小，微分作用过小，对系统控制指标影甚微；TD合适，微分作用适当，对系统控制指标有很大改善；TD过大，微分作用过强，导致系统剧烈振荡；实际特性：KD—微分增益，T=TD/KD比例微分控制PID理想特性：实际特性：习题：某比例积分控制器比例度δ=50%，积分时间12s，微分时间120s，微分增益=10。控制器输出为4mA。现突然施加0.5mA的阶跃信号，求经过12s时该控制器的输出信号值。tIcdtteTteKtu0)(1)()(mA6)040(20112120112)(400dttumA10640uuu)exp()1()(TtKAAKtuDcdttdeTteKtuDc)()()(tDIdttdeTdtteTteKctu0)()(1)()()exp()1(1)(DDDICTtKKAtATAKtu各过程常用的控制规律：液位：要求不高，用P或PI流量：时间常数小，测量信号有噪声，用PI或加反微分压力：时间常数中小，用P或PI温度：容量滞后大，用PID5集散控制系统集散控制系统(DistributedControlSystem,DCS)：利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制。DCS组态：①硬件组态：根据系统的规模和要求选择硬件②软件组态：将系统提供的功能模块“连接”起来达到过程控制的要求长动控制：按下启动按钮时电动机转动，直到按下停止按钮时电机停转。启动停止控制电路主电路1KM1QFL1L2L3M3~1FRL11FUN1SB1KM1FR2SB1KMPE自动液位控制：液位高时自动启动，低时自动停止。2PLC的组成中央处理单元（CPU）：CPU为整个PLC的核心，一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。存储器（RAM、ROM）：存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。输入输出单元（I/O单元）：I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。电源：电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。1KM1QFL1L2L3M3~1FRL11FUN1SB1KM1FR1SA1KM1313N1HGPE1FR1HY2SB1LS1KM35791115故障报警运行指示手动控制液位控制1SA:手动-自动切换1LS:浮球液位开关编程器：编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查、修改程序，监视PLC的工作状态。在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。3PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行，直至程序结束。然后重新返回第一条开始下一轮扫描。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，小型PLC的扫描周期为十几至几十毫秒。7PLC的编程语言梯形图：是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。梯形图中常用或图形符号分别表示PLC编程元件的动合和动断触点；用-()-表示它们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。触点和线圈等组成的独立电路称为网络。控制接线图与PLC梯形图对比内部处理与编程器、计算机等通信输入扫描执行用户程序输出刷新停止状态运行状态1SB2SB1KM1KML1NPLCI0.0I0.11MQ0.01L24V~220VLNML+1SB2SB1KM继电器控制接线图PLC控制接线图I0.0I0.1Q0.0梯形图Q0.