1、一、化工自动化的概念化工自动化是化工、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。二、自动控制系统的组成三、化工自动化的主要内容： 自动检测：完成“了解” 生产过程进行情况的任务 信号联锁保护系统：完成只能在工艺条件进入某种极限状态时，采取安全措施，以避免生产事故的发生。 自动操纵系统：只能按照预先规定的步骤进行某种周期性操纵。 自动控制系统：自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或最佳
2、的工艺操作状态。四、定值控制方法 、 随动控制系统（自动跟踪系统） 、程序控制系统（顺序控制系统）区别与比较1.定值控制方法“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。2.随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。3.程序控制系统（顺序控制系统）给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。五、控制系统的静态与动态静态被控变量不随时间而变
3、化的平衡状态（变化率为 0，不是静止） 。当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种状态就是静态动态被控变量随时间变化的不平衡状态 。从干扰作用破坏静态平衡，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，这种状态叫做动态补充（第七章）：（1）对象静态特性的影响一般希望控制通道的放大系数 KO 要大些，对象干扰通道的放大系数 Kf 小些。（2）对象动态特性的影响 控制通道时间常数的影响控制通道的
4、时间常数不能过大，否则会使操纵变量的校正作用迟缓、超调量大、过渡时间长。要求对象控制通道的时间常数 T 小一些，从而获得良好的控制质量。 控制通道纯滞后 0 的影响 控制通道的物料输送或能量传递都需要一定的时间。这样造成的纯滞后 O 对控制质量是有影响的。在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道的纯滞后时间 0 尽量小。 干扰通道时间常数的影响 干扰通道的时间常数 Tf 越大，表示干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。 干扰通道纯滞后 f 的影响 如果干扰通道存在纯滞后 f，控制作用也推迟了时间 f ，使整个过渡过程曲线推迟了时间 f，要控制通道不存在纯滞后，通常是不会影响控制质量的
5、。自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式常见有：非周期（单调）发散过程、发散振荡过程、等幅振荡过程、非周期衰减过程、衰减振荡过程。六、控制系统的品质指标1. 最大偏差或超调量2.衰减比3.余差4. 过渡时间5.震荡周期或频率对一个比较理想的定值控制系统，在设计和整定参数时，希望被控参数为衰减振荡过程，控制系统余差为零，最大动态偏差越小越好，过渡时间越短越好，衰减比为 4-10:1 之间 。七、对象的数学模型研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。数学模型的表达形式主要有两大类：一类是非参量形式，称为非参量模型；另
6、一类是参量形式，称为参量模型。八、建模的方式有：混合建模、实验建模、机理建模及其区别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，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而获取对象（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。 实验建模对象特性的实验测取法，就是在所要研究的对象上，加上一个人为的输入作用（输入量） ，然后，用仪表测取并记录表征对象特性的物理量（输出量）随时间变化的规律，得到一系列实验数据（或曲线） ，这些数据或曲线就可以用来表示对象的特性。 混合建模先由机理分析的方法提供数学模型
7、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。 九、描述对象特性的参数及其意义放大系数 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。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，即被控变量对这个量的变化越灵敏。K 的意义也可以说成在一定的输入变化量作用下，通过对象被放大 K 倍而得到的输出变化量，故有时也称 K 为静态增益。放大系数 K 越大，在相同输入变化量作用下，输出变化量也越大，即输入对输出的影响越大，被控对象的自身稳定性越差，被控变量对这个输入量的变化就越灵敏。反之，K越小，则被控对象自身稳定性越好。时间常数 T时间常数 T 的
8、物理可理解为：对象在阶跃输入作用下，被控变量一直保持初始的变化速度，达到新的稳定态值所需要的时间。时间常数 T 就是用来表征被控过程动态特性的参数。T 表示对象受扰动作用后，被控变量变化达到新稳定值的速度的快慢。时间常数 T 越大，表示被控对象的被控变量变化越慢，达到新稳定态值所需要的时间也就越长。对控制通道而言，希望时间常数尽量小，使被控变量变化比较快捷，控制过程比较灵敏。对扰动通道而言，希望时间常数 T 越大越好，这相当于对扰动信号进行滤波。这时阶跃扰动对系统的扰动作用变得比较缓和。在自动化领域中，往往用时间常数 T 来表示。时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新
9、的稳定值所需的时间越长。 时间常数大的对象，对输入的反应较慢，一般认为惯性较大滞后时间 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，这种现象称为滞后现象。对控制通道而言，控制系统的受到扰动作用后，被控变量变化不能立即反应出来或反应很慢，这样就不能及时产生控制作用，使最大偏差增大，振荡加剧，控制系统的控制质量不高。对扰动通道而言，存在纯滞后，则相当于扰动作用推迟后影响系统，而往往扰动出现的时间本身就具有未知性，所以并不影响控制系统的品质。存在容量滞后时，则可使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相对也缓和些。对控制作用而言，应当尽量把滞后时间降到最小，特别是纯滞后应减小到零。减小滞后
10、时间的方法是：选择合适的检测点，减少或缩短不必要的管线，使控制阀安装的位置尽量靠近被控对象。十、测量过程与测量误差测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。 测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。 精确度（简称精度）的两大影响因素：绝对误差和仪表的测量范围仪表的测量误差可以用绝对误差 来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值 max。仪表的 允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的 允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允
11、许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05 级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5 以下。 十一、工业仪表的分类（填空）1）按仪表使用的能源分类：气动仪表、电动仪表、液动仪表2）工业仪表按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 ： 检测仪表 (作用是获取信息，并进行适当的转换)、 显示仪表 (作用是将由检测仪表获得的信息显示出来)、 集中控制装置 (包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等) 、 控制仪表 (可以根据需要对输入信号进行各种运算) 、 执行器 (可以
12、接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制)。 3)按仪表的组成形式分类 ：基地式仪表、单元组合仪表。十二、生物控制过程对传感器的要求 （1）能灭菌，无泄漏，以保证纯种培养（2）长时间稳定工作，要求仪器稳定（3）能在培养液这一特殊介质中进行有效的测量，如抗气泡干扰、防止微生物附着及干扰、便于清洗等（4）为满足过程实时控制，要求量测得到的信号最好是电信号。十三、传感器分类（1）按测量方式分：离线传感器、在线传感器、原位传感器（2）按测量原理分：力敏元件、热敏元件、光敏元件、磁敏元件、电化学传感器十四、传感器测量参数的基本原理：（1）守恒定律（能量守恒、动量守恒）例如：
13、孔板流量计，转子流量计。（2）场的定律（电磁场、电容）例如：电磁流量计，电容式物位计。（3）热电效应例如：热电偶温度计。（4）电阻的热效应 例如：热电阻温度计。（5）应变效应和压阻效应 例如：应变式温度计。十五、测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类： 1.液柱式压力计 ：它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。 2.弹性式压力计 ：它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。 3.电气式压力计 ：它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。 4.活塞式压力计 ：它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上
14、所加平衡砝码的质量来进行测量的。十六、几种常见的电气式压力传感器或变送器1霍尔片式压力传感器：是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。2应变片压力传感器：利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加） ，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。3压阻式压力传感器：利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，
15、并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。4力矩平衡式压力变送器：是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为 0.5 级） 、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等。5电容式压力变送器：是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的 420mA（DC）电流信号。其工作原理是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。电容式差压变送器的结构可以有效地
16、保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2 级。 十七、压力计仪表量程范围的选择在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的 2/3；测量波动大的脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的 1/2；测量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的 3/5；为了保证测量值的准确度，一般被测压力的最小值不低于仪表量程的 1/3 为宜。十八、流量检测及仪表1.速度式流量计 ：以测量流体在管
17、道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。 2.容积式流量计 ：以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。 3.质量流量计 ：以测量流体流过的质量 M 为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。十九、物位检测及仪表按其工作原理分为 直读式物位仪表 、 差压式物位仪表 、 浮力式物位仪表 、 电磁式物位仪表 、核辐射式物位仪表 、 声波式物位仪表 、 光学式物位仪表 。 二十、温度检测及仪表其中，接触式测温仪表包括：（膨胀式、压力式、热电偶、热电阻） ；非接触式测温仪表包括（辐射式、红外线） 。二十一、复合 pH 电极二十二、有关概念电极零点 ：即是电极响应电位为
18、零的 pH 值。它与电极设计零点不同，后者是指电极内缓冲参比液的 pH 值。零点漂移 ：即零点随使用时间延长而为断变化，由于高温消毒或其他使用环境条件变化，可能使 pH 电极零点不断变化，不适当的使用将加速零点漂移，当漂移的累积达到一定程度则表明电极必须再生处理或报废。级差 即复合 pH 电极对每单位 pH 变化响应输出电位值差（常经毫伏表示） ，记为 D，级差与温度有关。斜率 即电极实际级差与理论级差的比率，记为 S，斜率与温度无关，一般小于 100%。斜率大小也表明电极可用性，若电极斜率太小（与 pH 测量仪表有关，通常为 90%)，电极将无法在仪表上标定，因而也就无法正常使用。二十三、
19、pH 测量的故障分析与处理A、常见故障1、斜率太小玻璃膜或隔膜污染：用胃蛋白酶/HCl 再生浸泡、冲洗，再用硫脲/HCl 再生液浸泡、吹干插头污染：用丙酮擦拭、吹干玻璃膜老化：用稀 HF 溶液活化 1min，然后清洗内部短路：无法修复2、响应迟缓玻璃膜或隔膜污染：用胃蛋白酶/HCl 再生浸泡、冲洗，再用硫脲/HCl 再生液浸泡、吹干玻璃膜老化：用稀 HF 溶液活化 1min，然后清洗3、零点飘移参比电极电解液被污染：换电解液隔膜污染：用胃蛋白酶/HCl 再生浸泡、冲洗，再用硫脲/HCl 再生液浸泡、吹干导出系统 AgCl 脱落：无法再生。二十四、生物传感器的种类生物传感器：酶传感器、微生物传感
20、器、免疫传感器、细胞器传感器、组织传感器二十五、 XW 系列电位差计测量桥路原理图R2冷端补偿铜电阻；RM量程电阻；RB工艺电阻；RP滑线电阻；R4终端电阻（限流电阻） ；R3限流电阻；RG始端电阻；E稳压电源 1V；I1上支路电流 4mA；I2下支路电流 2mA R2 铜电阻 装在仪表后接线板上以使其和热电偶冷端处于同一温度。下支路限流电阻 R3 它与 R2 配合，保证了下支路回路的工作电流为 2mA。 上支路限流电阻 R4 把上支路的工作电流限定在 4mA。滑线电阻 RP 仪表的示值误差、记录误差、变差、灵敏度以及仪表运行的平滑性等都和滑线电阻的优劣有关。 量程电阻 RM 决定仪表量程大小
21、的电阻。始端（下限）电阻 RG 大小取决于测量下限的高低。二十六、自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较相同处1.与这两种仪表配套的测温元件（热电偶、热电阻）在外形结构上十分相似。2.仪表的外形及其组成：如放大器、可逆电机、同步电机及指示记录部分都是完全相同的。不同处1.它们的输入信号不同。2.两者的作用原理不同。3.当用热电偶配电子电位差计测温时，其测量桥路需要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题；而用热电阻配电子平衡电桥测温时，则不存在这个问题。4.测温元件与测量桥路的连接方式不同。 二十七、数字式显示仪表的基本组成数字式仪表的原理 ：被测参数经检测元件和变送器转换成相应的电信号，首先输入到
22、数字式显示仪表的前置放大器进行放大，然后经 A/D 转换成为数字信号。由于输入到前置放大器输入端的电模拟量与被测变量之间可能具有非线性关系，而仪表显示的数字量与被测变量之间应是一一对应的比例关系，所以，在数字式显示仪表中设有非线性补偿和标度变换环节，以便对测量信号进行线性化处理和对种比例系数进行标度变换。数显仪表通常包括 信号变换 、 前置放大 、 非线性校正或开方运算 、 模 /数（ A/D）转换 、标度变换 、 数字显示 、 电压 /电流（ V/I）转换 及 各种控制电路 等。二十八、比例积分微分三作用控制器输出特性曲线在 PID 控制过程中，比例作用自始至终与偏差相对应起调节作用；微分作
23、用在开始输出变化量大，具有超前控制，抑制振荡作用，后逐渐消失；积分作用在开始变化弱，到后来输出逐渐增大而占主导地位，具有滞后控制，直至消除余差为止。PID 控制器综合了各种控制规律的优点，取长补短，只要合理选择 、TI、TD 三参数，就能获得较高的控制质量。二十九、控制器的基本控制规律（ 掌握其数学表达式、图形、特点及规律 ）简单控制系统通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。（1）比例控制器 比例控制器是具有比例控制规律的控制器。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺
24、上没有提出无差要求的系统。 （2）比例积分控制器 比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 （3）比例积分微分控制器 比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。 适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度、成分控制系统。 当操纵变量燃料气流量增加时，被控变量是增加的，故对象是“正”作用方向。如果从工艺安全条件出发选定执行器是气开阀（停气时关闭） ，以免当气源突然断气时，控制阀大开而烧坏炉子。那么这时执行器便是“正”作用方向。为了保证由对象、执行器与控
25、制器所组成的系统是负反馈的，控制器就应该选为“反”作用。 位式控制（其中以双位控制比较常用） 、比例控制（P） 、积分控制（I） 、微分控制（D）及它们的组合形式，如比例积分控制（PI） 、比例微分控制（PD）和比例积分微分控制（PID） 。三十、相关概念1.PLC 可编程序控制器初期主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，称为可编程逻辑控制器，简称 PLC。2.执行器 是自动控制系统中的一个重要组成部分，它的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。3.气动执行器 气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。 执行机构 根据控制信号
26、产生推力(薄膜、活塞、马达)。它是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。 控制机构 根据推力产生位移或转角，改变开度。它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。 4.电动执行器 电动执行器接收来自控制器的 010mA 或 420mA 的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。5.角行程电动执行机构主要由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成。 6.几种常用的工程整定法临界比例度法
27、 先通过试验得到临界比例度 k 和临界周期 Tk，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。 衰减曲线法 通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。经验凑试法 根据经验先将控制器参数放在一个数值上，直接在闭环的控制系统中，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，运用 、TI、TD 对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度 、积分时间 TI 和微分时间 TD 逐个整定，直到获得满意的过渡过程为止。 7.计算机控制 计算机控制就是利用计算机实现工业生产过程的自动控制。工作过程：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值；控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如 PID 运算控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务硬件组成。8.计算机控制系统的发展过程最初 20 世纪 50 年代：DDC直接数字控制系统（集中控制系统）20 世纪 70 年代：DCS集散控制系统（集中管理、分散控制）20 世纪 60 年代：PLC可编程逻辑控制器20 世纪末：FCS现场总线控制系统目前及未来：CIMS计算机集成制造系统CIPS计算机集成过程系统
