《化工儀表及自動化》

1、化工儀表及自動化,06級畢業(yè)生輔導課,一、各章節(jié)重要的基本概念 二、各種自動化儀表的特點、選用和安裝注意事項 三、各章的基本理論分析、計算與要求 1、自動控制系統(tǒng)過渡過程品質指標的分析與計算 2、對象特性數(shù)學模型（微分方程）的建立與求取 3、對象特性參數(shù)的分析與求取 4、各種自動化儀表的選擇與計算（類型、精度和量程） 5、各種控制器的分析與計算 6、執(zhí)行器的特點、選擇與計算 7、自動控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的工程整定與計算,本課程的基本內容與要求,四、簡單控制系統(tǒng)的分析與設計 （1）控制系統(tǒng)的設計分析 （2）控制系統(tǒng)控制方案的設計確定 （3）控制系統(tǒng)方塊圖的畫法 （4）控制系統(tǒng)調節(jié)閥氣關和氣開的選擇

2、 （5）控制系統(tǒng)控制器正、反作用的選擇 （6）組成自動控制系統(tǒng)各種自動化儀表的選擇,五、復雜控制系統(tǒng)的分析與設計 （1）串級、均勻、比值控制系統(tǒng)的結構組成 （2）復雜控制系統(tǒng)控制方案的分析 （3）復雜控制系統(tǒng)方塊圖的畫法 （4）控制系統(tǒng)調節(jié)閥氣關和氣開的選擇 （5）控制系統(tǒng)主、副控制器正反作用的選擇,題 型 簡單填空題 分析計算題 分析選擇題 綜合設計題,例：如圖為某化工廠超細碳酸鈣生產(chǎn)中炭化部分簡化的工藝管路及控制流程圖，試指出圖中所示儀表符號的含義。,解：圖中各自動化儀表所代表的含義如下： （1）儀表位號FICQ-101表示第一工序第01個流量控制回路（帶累積指示），累積指示儀及控制器安裝

3、在儀表室儀表盤正面上。 （2）儀表位號TI-101表示第一工序第01個溫度顯示儀表。儀表安裝在現(xiàn)場。 （3）儀表位號PI-101表示第一工序第01個壓力顯示儀表。儀表安裝在現(xiàn)場。,第一章 自動控制系統(tǒng)基本知識,例某換熱器出口溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示，試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200）。,解： 最大偏差：A230-20030（）； 余差： C205-2005（）； 第一個波峰值 B230-20525； 第二個波峰值 B2102055， 故衰減比：n:1 = B:B25:55:l； 振蕩周期 T20-5=15（min）。,過渡時間：

4、 它與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關。本題假定當被控變量進入新穩(wěn)態(tài)值的2% 范圍時，就可以認為過渡過程已經(jīng)結束，那么限制范圍為205（2）=4.1， 這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側以寬度為4.1畫一區(qū)域，圖l-22中以畫有陰影 線的區(qū)域表示，只要被控變量進入這一區(qū)域且不再越出，過濾過程就可以認為已經(jīng) 結束。因此，從圖上可以讀出，過渡時間tS=22min。,例已知某化學反應器的特性是具有純滯后的一階特性，其時間常數(shù)為4.15，放大系數(shù)為8.5，純滯后時間為3.5，試寫出描述該對象特性的一階微分方程式。 解:設y為輸出變量，x為輸入變量,據(jù)具有純滯后的一階特性微分方程的定義有: Tdy(t +

5、)/dt + y(t + ) Kx(t) 則該對象一階微分方程式為: 4.15dy(t + 3.5)/dt + y(t + 3.5)8.5x(t),第二章 過程特性及其數(shù)學模型,例3,例4,第三章 檢測儀表及傳感器,例5,例什么是節(jié)流現(xiàn)象?標準的節(jié)流體有哪幾種?應用最廣泛的是哪種? 答: 流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。 標準的節(jié)流件有三種： 標準孔板、標準噴嘴、標準文丘里管。 應用最廣泛的是標準孔板。它是世界上應用最廣，最成熟測量較準確的測量工具。,例13,例 如圖為某儲槽水位自動控制系統(tǒng)。已知最高水位為2米，h13000mm,

6、工藝要求水位穩(wěn)定在1.2米，試回答下列問題： （1）變送器是否存在遷移，何種遷移？遷移量為多少？ （2）變送器的量程為多少？ （3）變送器的差壓范圍為多少？,解：（1）變送器是否存在遷移分析： 正壓室：P+= h1g + Hg + P氣 負壓室：P-= P氣 P = P+ - P- = （h1g + Hg + P氣） - P氣 = h1g + Hg 分析：當H = 0時， P = h1 g 0 則為正遷移， 遷移量為： h1g,LC,（2）計算變送器的量程： P量程= Hmaxg =2（m）1000（kg/m3）9.81（m/s2）= 1.962104 (Pa) 則有變送器的量程為：0 - 1

7、.9625104 (Pa),（3）變送器的差壓范圍計算： Pmin=h1g+Hming=3（m）1000（kg/m3）9.81（m/s2）=2.943 104 (Pa) Pmax=h1g+Hmaxg=510009.81=4.905104 (Pa) 則有變送器的差壓范圍為： 2.943 104-4.905104 (Pa),LC,例20,例試述熱電偶溫度計、熱電阻溫度計各包括哪些元件和儀表?輸入、輸出信號各是什么? 答： 熱電偶溫度計包括感溫元件熱電偶、補償導線及銅線和測量儀表。熱電偶溫度計是把溫度的變化通過測溫元件熱電偶轉化為熱電勢的變化來測量溫度的。所以，其輸入信號是溫度，輸出信號是熱電勢。

8、熱電阻溫度計包括感溫元件熱電阻、連接導線和顯示儀表。熱電阻溫度計是把溫度的變化通過測溫元件熱電阻轉換為電阻值的變化來測量溫度的。所以，其輸入信號是溫度，輸出信號是電阻值。,第四章 顯示儀表,例1,例： 有一配E型熱電偶測溫的動圈式顯示儀表，測量最大溫度時流過動圈的最大電流為80.4A，已知E型熱電偶熱電勢的靈敏度為0.069mV/，動圈式顯示儀表的內阻為500，試求其動圈式顯示儀表的量程范圍為多少？,E,XCZ -101型,解： 據(jù)動圈式顯示儀表工作原理,可知流過動圈的最大電流為： Imax= Emax/R總= 80.4A， 有動圈儀表測的最大熱電勢為: Emax= ImaxR總= 80.4（

9、500+15） = 41.4mV 所以動圈式顯示儀表的量程為: Tmax= Emax/ 0.069mV/ = 600 ,例5,第五章 自動控制儀表,例、某臺QDZ型比例積分控制器，比例度為100，穩(wěn)態(tài)時，輸出為60kPa。某瞬間，輸入突然增加了5KPa，經(jīng)過3 min后，輸出變化到75KPa,求此控制器的積分時間為多少？,解 ： 由于=100 ，則 Kp=1。 得比例積分控制器輸出變化量為： PPI= KpA+（Kp/ TI ）At 15 = 15 +（1/ TI ） 5 3 則控制器的積分時間為： TI = 1.5 （ min ）,例某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖如圖所示。系統(tǒng)的被控變量為出口

10、物料溫度，操縱變量為加熱蒸汽的流量。采用的控制儀表為DDZ型電動單元組合式儀表。 (1)說明圖中所代表的專業(yè)術語內容。 (2)說明各儀表的信號范圍。 (3)選用合適的測溫元件。 (4)氣動執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量?,電動控制器,電-氣轉換器,氣動執(zhí)行器,換熱器,測量變送器,R,Z,E,I,P,Q,Y,F,-,解： R為給定值，E 為偏差，Q 為操縱變量， Y為被控變量， F為干擾。 (2)Z的信號范圍為420mA DC，I的信號范圍為 420mA DC， P的信號范圍為20100KPa。 (3)因為溫度較低（200 ），且精度要求較高，宜選用鉑電阻體（分度號為Pt100）作為測溫元件。

11、 (4)氣動執(zhí)行器的輸入信號為20100KPa ，輸出信號為加熱蒸汽的流量。,第六章 執(zhí)行器,例1,例某臺控制閥的可調比R=30，流量系數(shù)Cmax200。當閥前后壓差為1.2MPa、流體密度為0.81gcm3、流動狀態(tài)為非阻塞流時，問調節(jié)閥所能調節(jié)的最大流量和最小流量為多少?,解據(jù)公式： Cmax10Qmax /（P1-P2）有： Qmax = 769.8 m3/h 因為控制閥的可調比R=30，所以可控制的最小流量為： Qmin= Qmax/R = 769.8/30 = 25.66 m3/h。,例3,例、如圖為某儲槽水位自動控制系統(tǒng)。已知最高水位為2米,工藝要求水位穩(wěn)定在1.2米，且槽內液體不

12、能流空。試完成：（1）選擇執(zhí)行器的氣開、氣關型式?（2） DDZ-控制器的設定電流值為多少？,解：執(zhí)行器的氣開、氣關型式和控制器正反作用的選擇：,LC,氣關,正,反,正,分析：工藝要求不能流空。, 則執(zhí)行器應選擇為,氣關型,（2）DDZ-控制器設定電流值為多少？,液位變化范圍為：0 - 2 m。 對應電動差壓變送器的輸出為：4 20 mA 對應電動()控制器輸入和輸出信號也都為:4 20 mA.,當液位穩(wěn)定在1.2 m時， 則設定電動()控制器給定值為： I給=4 +（1.2/2） 16=13.6 mA,LC,例1：如圖所示發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)，請選擇調節(jié)閥氣關氣開和調節(jié)器正反作用？ （1）當罐內

13、溫度過高時產(chǎn)品易分解，調節(jié)介質為過熱蒸汽時； （2）當罐內溫度過低時易析出結晶，調節(jié)介質為過熱蒸汽時；,解： （1）調節(jié)閥為氣開型，控制器為反作用形式。 （2）調節(jié)閥為氣關型，控制器為正作用形式。,氣開,反,正,氣關,正,正,第七章 習題與思考題（P167）,12.,解：執(zhí)行器選擇氣開式。 控制器選擇反作用。,+,氣開,反,13.,+,氣開,反,氣開,正,解：選擇流入量Q1為操縱變量時，,+,氣開,反,選擇流入量Q2為操縱變量時，,氣關,反,14.,第5題 圖850所示為聚合釜溫度控制系統(tǒng)。冷卻水通入夾套內，以移走聚合反應所產(chǎn)生的熱量。試問： （1）這是一個什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出它的方塊圖

14、。 （2）如果聚合溫度不允許過高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開、氣關型式。,（3）確定主、副控制器的正、反作用。 （4）簡述當冷卻水壓力變化時控制過程。 （5）如果冷卻水的溫度是經(jīng)常波動的，上述系統(tǒng)應如何改進？ （6）如果選擇夾套內的水溫作為副變量構成串級控制系統(tǒng)，試畫出它的方塊圖，并確定主、副控制器的正、反作用。,第八章 習題與思考題（P198-199）,解：（1）這是一個以聚合溫度為主變量、冷卻水流量為副變量的聚合溫度流量串級控制系統(tǒng)，方塊圖如圖所示。,聚合釜溫度-流量串級控制系統(tǒng)方塊圖,f2,f1,（2）如果聚合溫度不允許過高，否則易發(fā)生事故，則控制閥應選 型。,氣關,反,氣 關,

15、（3）確定主、副控制器的正、反作用。 按照先主、后副的原則。先確定主控制器的正、反作用,增加,增加,閥關小,動作方向相反,閥開大,正,主控制器應為正作用,（3）確定主、副控制器的正、反作用。 按照先主、后副的原則。后確定副控制器的正、反作用。,正,副控制器應為正作用,對象：正,氣關閥,反,正,正,FT,（4）簡述當冷卻水壓力變化時的控制過程。 當冷卻水壓力（主要干擾）增加時，使得冷卻水流量增加，則FC的輸出也增加（因為FC為正作用），結果使氣關閥關小，冷卻水流量減小，起著快速穩(wěn)定副變量的控制作用。 如果由于某種原因使聚合釜溫度增加，則TC的輸出也增加（因為TC是正作用的）。由于TC的輸出就是F

16、C的給定，F(xiàn)C給定增加時，其輸出是降低的（因為FC為正作用）；這樣一來，控制閥就開大，冷卻水流量增加，使聚合釜溫度增加下降，起著穩(wěn)定聚合釜溫度的作用。,（5）如果冷卻水的溫度經(jīng)常波動的，上述系統(tǒng)應如何改進？,如果冷卻水的溫度是經(jīng)常波動的，上述系統(tǒng)應改進設計為聚合釜溫度與夾套溫度串級控制系統(tǒng)。,T2C,T1C,聚合釜溫度溫度串級控制系統(tǒng),（6）如果選擇夾套內的水溫作為副變量構成串級控制系統(tǒng)，試畫出它的方塊圖，并確定主、副控制器的正、反作用。,T1C,T2C,夾 套,反應器,T2,T1,聚合釜溫度夾套內溫度串級控制系統(tǒng)方塊圖,聚合釜溫度與夾套溫度串級控制系統(tǒng)主、副控制器正、反作用的選擇分析如下：,T2C,T1C,按照先副、后主的原則。先確定副控制器正、反作用。,副控制器為反作用,對象：反,氣關閥,反,反,正,聚合釜溫度與夾套溫度串級控制系統(tǒng)主、副控制器正、反作用的選擇分析如下：,T2C,T1C,主控制器正、反作用的確定。先確定主控制器正、反作用。,增加,增加,閥開大,動作方向一致,閥開大,反,主控制器為反作用,例、圖所示為換熱器溫度控制系統(tǒng)。試完成： （1）這是一個什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出它的方塊圖