化工仪表及自动化第6章

《化工仪表及自动化》课程教学大纲一、课程基本信息1．课程编号：2．课程名称：化工仪表及自动化3．英文名称：Chemical Engineering Instruments and Automation4. 课程简介：本课程是化学工程与工艺专业本科生开设的一门专业必修课程。

化工仪表及自动化是一门综合性的技术学科，它应用自动控制学科、仪表仪器学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。

化工安全生产技术课程的主要内容有自动控制系统的基本概念，过程特性及其数学模型，检测仪表及传感器，自动控制仪表，执行器，简单控制系统，复杂控制系统，新型控制系统计算机控制系统及典型化工单元的控制方案等。

二、课程说明1．教学目的和要求：通过本课程基本原理的学习，使学生通过本课程学习后，应使学生了解化工自动化的基本知识，理解自动控制系统的组成、基本原理及各环节的作用，能根据工艺的要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案等。

2．与相关课程衔接：该课程是分析化学、化工原理之后的一门必修课程。

3．学时：总学时32、周学时24．开课学期：第7学期5．教学方法：多媒体讲授，并与学生互动教学。

6．考核方式：考查；成绩组成：平时成绩40%和考试成绩60%7．教材：厉玉鸣主编，化工仪表及自动化（第五版），化学工业出版社，2011年.8．教学参考资料：1）厉玉鸣主编.化工仪表及自动化（第四版）.北京：化学工业出版社，2006.2）杨丽明，张光新.化工仪表及自动化.北京：化学工业出版社，2004.3）俞金寿.过程自动化及仪表.第二版.北京：化学工业出版社.三、课程内容与教学要求绪论：教学目标：了解和掌握化工自动化的定义，实现化工自动化的目的，了解和掌握化工自动化的发展历程及和其他学科的联系。

教学重点：化工自动化的定义，实现化工自动化的目的。

教学难点：实现化工自动化的目的。

授课时数：2学时第一章自动控制系统基本概念教学目标：理解化工自动化的主要内容，自动控制系统的基本组成及表示形式，掌握自动控制系统的过渡过程和品质指标。

化工仪表及自动化（2013-12-28）第一章自动控制系统基本概念◆化工自动化的内容：自动检测系统、自动信号和联锁保护、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。

◆自动控制系统的目的：对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内。

◆自动控制系统的主要组成：起控制作用的全套自动化装置、受自动化装置控制的被控对象。

其中自动化装置还包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器等。

各部分的作用：1、测量元件与变送器：用来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。

2、自动控制器：它接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去。

3、执行器：通常指控制阀，能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变阀门的开启度，克服扰动的影响，最终实现控制要求。

◆方块图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

【方块图中要具体化的东西：给定值、操纵变量、被控对象、被控变量】每一个方块代表系统中的一个组成部分，称为“环节”。

方块内填入表示其自身特征的数学表达式。

方块间用带有箭头的线条表示其信号的相互关系及信号的流向。

【不代表物料联系】线旁的字母表示相互间的作用信号。

◆与工艺管道及控制流程图的区别：【流程图比方块图具体，且图中各项箭头指向含义不同】1、采用方块图可直观地显示系统中各组成部分以及他们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

2、而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、联锁保护系统的图。

在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料的流动方向，与方块图中线段的含义截然不同。

被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。

化工仪表及自动化_第五版_课后习题答案完整版习题答案《化工仪表及自动化》第五版厉玉鸣主编化学工业出版社Ex1. 化工自动化是化工、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。

实现化工生产过程自动化的意义:(1)加快生产速度,降低生产成本,提高产品产量和质量。

(2)减轻劳动强度,改善劳动条件。

(3)能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,达到延长设备使用寿命,提高设备利用能力的目的。

(4)能改变劳动方式,提高工人文化技术水平,为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

习题(第一章)Ex2.化工生产过程自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。

习题(第一章)Ex3.闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。

从信号传递关系上看,构成了一个闭合回路。

开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制。

从信号传递关系上看, 未构成闭合回路。

Ex7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形,由于各个环节在图中都用一个方块表示,故称之为方块图。

Ex8.测量元件与变送器:用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号(如气压信号、电压、电流信号等);控制器:将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的给定值信号进行比较得出偏差,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,将运算结果用特定的信号送住执行器。

执行器:能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出)被控对象的物料量或能量,从而克服扰动影响,实现控制要求。

习题(第一章)Ex9.被控对象:在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做~。

被控变量:被控对象内要求保持给定值的工艺参数。

第一章自动控制系统基本概念1.自动控制系统主要由哪些环节构成？各组成环节起什么作用？答:自动控制系统主要有俩大部分组成。

一部分是起控制作用的全套自动化装置，包括测量元件及变送器、控制器、执行器。

另一部分是受自动化装置控制的被控对象。

测量元件及变送器作用是用来感受被控变量的变化并将它转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电流、电压信号等）。

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信号进行比较得出偏差，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，将运算结果用特定的信号发送给执行器,执行器作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

2.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答：闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。

开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。

即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。

从信号传递关系上看，未构成闭合回路。

开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。

而闭环控制系统可以随时了解被控对象的情况，有针对性的根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向。

3.什么是负反馈？负反馈在控制系统中有什么重要意义？答:反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；意义：当被空变量受到干扰的影响而升高时，只有负反馈才能是反馈信号升高，经过比较到控制器的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被空变量下降到给定值，这样就达到了控制的目的。

4.什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究系统的动态比研究静态更为重要？答:在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。

第一章，自动控制系统1、化工自动化主要包括哪些内容。

自动检测，自动保护，自动操纵和自动控制等。

2、闭环控制系统与开环控制系统的区别。

闭环控制系统有负反馈，开环系统中被控变量是不反馈到输入端的。

3、自动控制系统主要有哪些环节组成。

自动化装置及被控对象。

4、什么是负反馈，负反馈在自动控制系统中的意义。

这种把系统的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈，当反馈信号取负值时叫负反馈。

5、自动控制系统分类。

定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统6、自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有及影响因素。

最大偏差，衰减比，余差，过渡时间，振荡周期对象的性质，主要包括换热器的负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。

7、什么是静态和动态。

当进入被控对象的量和流出对象的量相等时处于静态。

从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，所以这种状态叫做动态。

第二章，过程特性及其数学模型1、什么是对象特征，为什么要研究它。

对象输入量与输出量之间的关系系统的控制质量与组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系。

特别是被控对象的特性对控制质量的影响很大。

2、建立对象的数学模型有哪两类机理建模：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，从而获取对象的数学模型。

实验建模：用实验的方法来研究对象的特性，对实验得到的数据或曲线再加以必要的数据处理，使之转化为描述对象特性的数学模型。

混合建模：将机理建模和实验建模结合起来的，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。

3、反映对象特性的参数有哪些。

各有什么物理意义。

它们对自动控制系统有什么影响。

放大系数K：对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。

对象的放大系数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。

第一章1.什么是化工自动化？它有什么重要意义？答: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。

实现化工自动化，能加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量、减轻劳动强度、保证生产安全，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

2.化工自动化主要包括哪些内容？答:化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。

3.自动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作用？答:自动控制系统主要由两大部分组成。

一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。

在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号(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信号进行比较得出偏差，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，将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)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流人(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。

什么叫操纵变量？受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

（或：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量）4.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。

闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。

如图1-1 ( a)即是一个闭环自动控制。

图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物料出口温度回到设定值上。

答：主要由测量与变送器、自动控制器、执行器、被控对象组成。

答：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或者机器叫被控对象。

生产过程中所要保持恒定的变量，在自动控制系统中称为被控变量。

工艺上希翼保持的被控变量即给定值。

具体实现控制作用的变量叫做控制变量。

答：系统的输出变量是被控变量，但是它经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。

负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量， y 受到干扰的影响而升高时，惟独负反馈才干使反馈信号升高，经过比较到控制器去的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而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到给定值，这样就达到了控制的目的。

Tsp - 干扰 T控制器执行器反应器x e p qZ温度测量变送被控对象：反应器被控变量：反应温度控制变量：冷却水流量：干扰变量 A、B 的流量、温度。

当被控变量反应温度上升后，反馈信号升高，经过比较使控制器的偏差信号 e 降低。

此时，控制器将发出信号而使控制阀的开度变大，加大冷却水流量，从而使被控变量下降到 S.P。

所以该温度控制系统是一个具有反馈的闭环系统。

当反应器的温度超过给定值时，温度控制器将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来。

这样便可以通过控制作用克服干扰作用对被控变量的影响。

系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。

非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。

答：自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或者频率。

影响因素有被控对象的额性质，自动化装置的选择和调整。

描述对象特性的参数有放大系数K、时间常数 T、滞后时间г物理意义： K：反应的是对象处于稳定状态下的输出变化量和输入变化量之间的关系。

T：系统在受到阶跃输入作用后输出达到稳定值的 63.2%所需时间系统受到输入作用后，输出保持初始速度变化，达到稳定值所需时间。

化工仪表及自动化总复习第一章自动控制系统基本概念一、基本要求1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；2. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。

二、常用概念1. 化工自动化的主要内容:自动检测，自动保护，自动操纵，自动控制系统2. 自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。

3. 被控对象：对其工艺参数进行控制的机器或设备4. 被控变量：生产过程需保持恒定的变量5. 操纵变量：具体实现控制作用的变量6. 干扰作用：在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素7. 设定值：被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化8. 偏差：给定值与测量值之间的差值9. 闭环系统：系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统10.开环系统：系统的输出被反馈到输入端，执行器只根据输入信号进行控制的系统11. 控制系统的过渡过程:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程12. 反馈:把系统的输出直接或经过一些环节后送到输入端，并加入到输入信号中的方法13. 负反馈：反馈信号的作用方向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差（e=x—z）14. 正反馈：反馈信号的作用方向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。

答：定值控制系统：给定值为常数随动控制系统：给定值随机变化程序控制系统：给定值按一定时间程序变化2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：1.非周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程1,2能基本满足控制要求，但1进程缓慢，只用于系统不允许震振荡时3. 试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。