化工仪表及自动化知识点整理

-1-化工仪表及自动化试卷分值分布：一、单选题（2分10=20分）二、填空题（2分×5=10分）三、简答题（5分5=25分）四、计算题（10分3=30分）五、综合分析题（15分×1=15分）CH11.自动控制系统的主要组成环节？各组成环节的作用？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、执行器被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象检测仪表(测量变送环节)：感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的、统一的输出信号(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相比较得出偏差，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，将运算结果用特定信号(气压或电流信号)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注入(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。2.画系统的方框图3.自动控制系统的分类(1)按被调参数分类：流量调节、温度调节、压力调节、物位调节等；(2)按调节规律分类：比例调节、比例微分调节、比例积分调节、比例微分积分调节；(3)按被调参数的变化规律分类：定值调节系统(给定值为常数)、随动调节系统(给定值为变数，要求跟随变化)和程序控制调节系统(按预定时间顺序控制参数)(4)按信号种类分类：气动调节系统，电动调节系统4.自动控制系统的过渡过程形式过渡过程：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。阶跃干扰作用下几种典型的过渡过程：非周期(振荡)衰减过程(允许)衰减振荡过程(允许)单调发散(非振荡)过程(不允许)被控对象测量变送装置－z执行器给定值x偏差e控制器输出p操纵变量p控制器被控变量yf干扰作用测量值-2-等幅振荡过程(一般是不允许的，除开关量控制回路)发散振荡过程(不允许)5.由阶跃扰动作用下的过渡过程曲线确定系统的品质指标评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出和以误差性能指标的形式给出。以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括：最大偏差(超调量)、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(振荡频率)等。以误差性能指标的形式给出，一般指偏差对某个函数的积分。主要包括：平方误差积分指标210()Jetdt、时间乘平方误差积分指标220()Jtetdt、绝对误差积分指标30|()|Jetdt、时间乘绝对误差积分指标40|()|Jtetdt。优化控制的策略：minJ当这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。最大偏差emax(被控量偏离给定值的最大数值)：maxeBC衰减比n(前后相邻两个峰值的比)：/nBB余差e(∞)(稳态值与给定值的偏差)：()()eCy过渡时间tp：3ptt振荡周期(其倒数为振荡频率)：21tt阶跃干扰作用下的过渡过程（设定值固定，加一阶跃干扰）——定值系统t()yt0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值阶跃给定作用下的过渡过程（设定值变化）——随动系统t()ytSp0BB()e3t2t1tC25稳定误差范围：％或者％的新稳态值-3-超调量σ：/*100%BC衰减比n：/nBB余差e(∞)：()e过渡时间tp：3ptt振荡周期(其倒数为振荡频率)：21tt自动控制系统希望的结果：1)、最大偏差(超调量)：越小越好2)、衰减比：为了保持有足够的稳定程度，衰减比一般取为4：1至10：1；这种过渡过程不是最优的结果，但操作人员容易掌握，一般也是操作人员所希望的过程。3)、不振荡：不便于操作人员掌握。4)、余差：越小越好5)、过渡时间：越小越好6)、振荡周期：短好CH21.建立对象的数学模型有哪些方法？机理建模和实验建模(对象的实验测取方法：阶跃反应曲线法和矩形脉冲法)机理建模：通过对对象内部无能运动机理的分析。根据对象中物理或化学变化的规律如物料、能量平衡、传热传质等基本方程，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，建立的数学模型。实验建模(实验测取法)：在所要研究的对象上，人为施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量(输出)随时间变化的规律，得到一系列实验数据或曲线，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。阶跃反应曲线是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，得到输出量y随时间的变化规律曲线。是一种简易但精度不高的对象特性测定方法。矩形脉冲法是当对象处于稳定工况下，在时间t0突然加一阶跃干扰，幅值为A，到t1时突然除去干扰，这时测得的输出量y随时间的变化规律曲线。实验精度较高且对正常工艺生产影响较小。混合建模：将机理建模与实验建模结合起来，称为混合建模2.描述对象特性的参数有哪些？各有何物理意义？对象模型有三个基本参数：放大系数K、时间常数T、滞后时间τ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变化量之比，即K=输出的变化量/输入的变化量。时间常数T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％所需要的时间，反映响应变化快慢或响应滞后的重要的动态参数。滞后时间τ是纯滞后时间τ0和容量滞后τc的总和，反映对象动态特性的重要参数阶跃输入t0A矩形脉冲t0t1Au广广义义对对象象fy-4-控制通道放大系数oyKu越大控制变量u对被控变量y的影响越灵敏控制能力强；干扰通道放大系数fyKf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，应合理选择KO，使之大些，抗干扰能力强，太大会引起系统振荡。控制通道TO大响应慢、控制不及时、过渡时间tp长；控制通道TO小响应快、控制及时、过渡时间tp短；控制通道TO太小响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。干扰通道的时间常数Tf对被控变量输出的影响也是相类似的。一般情况希望TO小些，但不能太小，Tf大些。滞后时间τ：滞后分为传递滞后(纯滞后)和容量滞后。控制通道纯滞后对控制肯定不利，纯滞后增大控制质量恶化；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。3.由阶跃反应曲线标出纯滞后时间、容量滞后时间、滞后时间、对象时间常数及计算系统放大系数。(a)在S型响应曲线上选择拐点A(二阶导数+—或—+)；(b)曲线在拐点A作切线，交y(0)于D点，交y()于C点；(c)OD为纯滞后时间，=1+2，而1是系统真正纯滞后，是2容量滞后引起的等效滞后；(d)DC为时间常数T；(e)增益K=y/u。CH31.有关仪表精度，误差的概念(基本误差的最大允许值及计算)仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。测量误差——仪表测得的测量值ix与被测真值tx之差itxx将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:maxmaxmin100%xx最大绝对误差＝量程仪表的精度等级(精确度等级)是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。仪表的精确度等级：指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差(把仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”号和“％”号，便可用来确定其精度等级)目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为±0.5％。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表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2.仪表性能指标的定义仪表性能指标有精确度(精度)、变差、灵敏度、分辨力、线性度和反应时间CTADBy(0)0y()yy(t)12-5-3.什么叫霍乐效应？置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。4.什么叫压电效应？当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会产生异号电荷。这种在没有外电场存在，由于形变引起的电现象称为压电效应。5.标准的节流件有哪些？标准节流件包括标准孔板(适用于大流量的测量)、标准喷嘴和标准文丘里管。6.差压式流量计和转子流量计的原理及区别差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。转子流量计是保持恒定压降，利用节流面积的变化来测量流量的大小区别：差压式流量计是节流面积不变，变压差来测量流量，而转子流量计是恒压降，变节流面积来测量流量7.电磁流量计的工作原理电磁流量计是基于电磁感应定律工作的，它是将流体的流速（因非导磁材料管道直径不变）转换为感应电势的大小来进行测量的。8.什么是液位测量时的零点迁移问题在使用差压变送器测量液位时，一般来说，其压差△p与液位高度H之间的关系：△p=Hρg，这就属于一般的“无迁移”情况。当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。9.温度计的分类，各种温度仪表的适用场合(温度传感器是重点)测温方式测温仪表测温范围℃主要特点接触式膨胀式玻璃液体-50～600结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传。双金属-80～600结构紧凑可靠；测量精度低、量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉；精度低，测稳距离短，滞后大。热电效应热电偶-200～1600测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低。热阻效应铂电阻-200～600测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。铜电阻-50～150半导体热敏电阻-50～150灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。非接触式辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700不破坏温度场，测温范围大，响应快，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，低温不准。红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适用于测温度分布，不破坏温度场，响应快；易受外界环境的影响，标定较困难。按照测量方式的不同，温度测量仪表可以分为接触式与非接触式两类。前者测温元件直接与被测介质接触，这样可以使被测介质与测温元件进行充分的热交换而过到测温目的。后者测温元-6-件与被测介质不相接触，通过辐射或对流实现热交换来达到测温的目的。接触法测温时，直接测得被测物体的温度，因而简单、可靠、精度高。但由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，因而产生了测温的滞后现象，对运动状态的固体测温困难较大，另外，测温元件容易破坏被测对象温度场，且有可能与被测介质产生化学反应，由于受到耐高温材料的限制，也不能应用于很高的温度测量。非接触式只能被测物体的表观温度(亮度温度、辐射温度、比色温度等)，一般情况下，要通过对被测物体表面发射率修正的才能得到真实温度。而且，这种方法受到被测物体到仪表之间的距离以及辐射通道上的水气、烟雾、尘埃其他介质的影响，因此测量精度较低。非接触式测量在原理上不受温度上限的限制，因而测量范围很广，由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快，可以用来测量运动物体的表面温度。10.什么叫热电效应热电效应(热电偶测温的基本原理)：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中，则在该回路内就会产生热电势。11.采用热电