化工自动化及仪表
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2023年2月12日发(作者：)化工仪表及自动化知识要点
第一章
1化工自动化一般包括自动检测系统、自动信号和联锁保护系统、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。
2自动控制系统的基本组成1）被控对象2）自动化装置：测量元件与变送器、自动控制器、执行器
3自动控制系统方框图
4自动控制系统的方框图与控制流程图的区别：方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。方框与方框之间的连接线，只是代表方框
之间的信号联系，并不代表方框之间的物料联系。方框之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不同的。
工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个设备，而方框图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。
5在自动控制系统将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。
6生产过程中所要保持恒定的变量，称为被控变量。7工艺上希望保持的被控变量数值，即给定值。
8具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。9自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
10与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控（工艺）变量是不反馈到输
入端的。
11仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两部分组成。第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能
阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部，其第一位数字表示工段号，后续数字（二位或三位数字）表示仪表序号。
12将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、
随动控制系统和程序控制系统。
13静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态；动态——被控变量随时间变化的不平衡状态。
14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。
15采用阶跃干扰的优点：
（1）这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很
好地克服比较缓和的干扰。（2）这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
16自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程
17控制系统的过渡过程是衡量品质的依据
18最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。
19超调量B也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。为第一个波峰值A与新稳定C之差。
20衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。以新稳定值为基准。B：B’。
21当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差C。
22从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。说过渡过程已经结束这个范围一般定
为稳态值的±５％（也有的规定为±２％）。
23过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时
间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。
第二章
1一般将被控变量看作对象的输出量，也叫输出变量；将干扰作用和控制作用看作输入量，也叫输入变量。
2由对象的输入变量到输出变量的信号联系称为通道。控制作用至被控变量信号联系称为控制通道。干扰作用被控变量信号联系称为干扰
通道。
3对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型
4数学模型的表达形式分类非参量模型、参量模型。
5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（或过程）的数学模型，这类模型通常称为机理模型。
6一阶对象（1）水槽对象
对象物料蓄存量的变化率＝单位时间流入对象的物料－单位时间流出对象的物料
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7积分对象
当对象的输出参数与输入参数对时间的积分成比例关系时，称为积分对象
8二阶对象（串联水槽对象）
9描述对象特性的参数一、放大系数K时间常数T滞后时间τ
10K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。
11在受到干扰后，惯性很大，被控变量要经过很长时间才能达到新的稳态值。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，到达新的稳定值所需的时间越长。
当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2％所需的时间，就是时间常数T，实际工作中，常用这种方法求取时间常数。显
然，时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。
12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。
13传递滞后又叫纯滞后，一般用τ0表示。τ0的产生一般是由于介质的输送需要一段时间而引起的。
14容量滞后对象在受到阶跃输入作用x后，被控变量y开始变化很慢，后来才逐渐加快，最后又变慢直至逐渐接近稳定值。一般是由于物
料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。
15自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。
第三章
1用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表。
2用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器。
3当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。
4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。
5绝对误差x：被校表的读数值，x0：标准表的读数值
6相对误差
7两大影响因素：绝对误差和仪表的测量范围。
8相对百分误差δ
9允许误差
10仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允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。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，
4.0等。
11仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。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。
12根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择
仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。
13
14仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。
15仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。
16线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。
17反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就
不宜用来测量变化频繁的参数。
18仪表的反应时间有不同的表示方法（1）当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。（2）仪表的
输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。
19按仪表使用的能源分类：气动仪表、电动仪表、液动仪表。
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测量范围下限值测量范围上限值
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测量范围下限值测量范围上限值
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电动仪表：以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；
20检测仪表作用是获取信息，并进行适当的转换。
21显示仪表作用是将由检测仪表获得的信息显示出来
22控制仪表可以根据需要对输入信号进行各种运算
23按仪表的组成形式分类分为基地式仪表和单元组合仪表
24
25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。
液柱式压力计：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
.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。
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。
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所加平衡砝码的质量来进行测量的。
25弹性式压力计弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的
测压仪表。
26弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。弹簧管式弹性元件波纹管式弹性元件、薄膜式弹性元件。
27由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。
28电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。可以远距离传送信号。
（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。当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势
与被测压力成比例。
（2）应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。
（3）压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构
（4）力矩平衡式压力变送器按力矩平衡原理工作的
（5）电容式压力变送器工作原理先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。
29智能型压力变送器特点可进行远程通信
30流量计：测量流体流量的仪表。计量表：测量流体总量的仪表。
311.速度式流量计以测量流体在管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
32差压式（也称节流式）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。
33流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。
节流装置包括节流件和取压装置。
34国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。标准化的具体内容包括节流装置的结构、
尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。
35标准节流装置取压方法角接取压法、法兰取压法
36差压式流量计的测量误差的原因被测流体工作状态的变动、节流装置安装不正确、孔板入口边缘的磨损、导压管安装不正确，或有堵
塞、渗漏现象、差压计安装或使用不正确。
37转子流量计以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。
38椭圆齿轮流量计通过椭圆齿轮流量计的体积流量
39漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。
40迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。
41法兰式差压变送器按其结构形式分单法兰式双法兰式
42电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，
仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。
43按工作原理膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计
44按测量范围高温计、温度计；按测量方式接触式与非接触式
45膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。
46应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计
大气压力绝对压力表压
ppp
绝对压力大气压力
真空度
ppp
47压力式温度计的构造由以下三部分组成温包毛细管弹簧管（或盘簧管）
48辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。
49热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线
50在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。
51工业上对热电极材料的要求温度每增加１℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；物理稳定性要高；化
学稳定性要高；材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。
52热电偶的结构①普通型热电偶热电极绝缘管保护套管接线盒②铠装热电偶③表面型热电偶④快速热电偶
53热电偶的冷端温度补偿方法（1）冷端温度保持为０℃的方法（2）冷端温度修正方法（3）校正仪表零点法（4）补偿电桥法（5）补
偿热电偶法
55热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。
56热电阻的结构（1）普通型热电阻（2）铠装热电阻（3）薄膜热电阻
57光纤温度传感器1.液晶光纤测温2.荧光光纤测温3.半导体光纤测温4.光纤辐射测温
58温度变送器有三种类型：热电偶温度变送器；热电阻温度变送器；直流毫伏变送器。结构（1）输入电桥作用：冷端温度补偿、调整
零点（2）反馈电路（3）放大电路
59显示仪表：模拟式显示仪表数字显示仪表屏幕显示仪表
第四章
1控制仪表经历三个发展阶段基地式控制仪表、单元组合式仪表中的控制单元、以微处理器为基元的控制装置。
2控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。
3双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标；被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利
双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。产生持续的等幅振荡过程，
4比例控制的放大倍数KP是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。
5比例度是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。
6比例度δ与放大倍数KP成反比。控制器的比例度δ越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦
然。优点：反应快，控制及时。缺点：存在余差
7若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡
过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。
8当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。
当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系
统可以达到无余差。
9微分控制优点具有超前控制功能。缺点它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控
制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。
10比例积分控制规律
11目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。
12控制器基本构成
13系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成。
第五章
1执行器作用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执行器按能源形式分类气动执行器电动执行器液动执行器。
3气动执行器由执行结构和控制机构组成。
4执行机构主要分为薄膜式和活塞式
5气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。
6根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。
（1）直通单座控制阀特点结构简单、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。（2）直通双座控制阀特点流体流过的时候，不平衡力
小根据阀芯与阀座的相对位置可分为正作用式与反作用式两种形式（3）角形控制阀（4）三通控制阀按照流通方式分合流型和分流型
两种（5）隔膜控制阀（6）蝶阀特点结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。（7）球阀阀芯分类“V”形和“O”形两种开口形式。（8）
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凸轮挠曲阀（9）笼式阀
7控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即
8理想流量特性
（1）直线流量特性指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。
Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。
在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。
（2）等百分比（对数）流量特性
等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。
（3）抛物线流量特性（4）快开特性
9①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。②串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联
管道尤为严重。③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号
变化引起的流量变化值减少。
10目前使用比较多的是等百分比流量特性。
11有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。
选择要求主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选
用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。
12电动执行器分类角行程直行程多转式
13角行程执行机构的组成示意图
第六章
14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。
15生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。
16被控变量的分类（按照与生产过程的关系）直接指标控制；间接指标控制。
17从工艺合理性考虑，常常选择温度作为被控变量。
18在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量。
19（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
①控制通道时间常数的影响
控制通道的时间常数不能过大，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。
②控制通道纯滞后τ0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τO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τ0尽量小。
③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。
④干扰通道纯滞后τf的影响
20.操纵变量的选择原则①操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。②操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。
③在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。
21有时，测量的纯滞后是由于测量元件安装位置引起的。
22（1）比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统。
特点控制器的输出与偏差成比例。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比
例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，
余差就越大。
（2）比例积分控制器
可调整参数比例放大系数KP（或比例度δ）和积分时间TI。
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。
特点由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在，控制器的输出就会不断变化，
直至消除偏差为止。积分作用会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和
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振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。
（3）比例积分微分控制器
可调整参数比例放大系数KP（或比例度δ）、积分时间TI和微分时间TD。
特点微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高
稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整δ、TI、TD参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。
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。
23当某个环节当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。
的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向。
24测量元件及变送器作用方向一般是“正”的。
25执行器作用方向取决于是气开阀还是气关阀。
26被控对象作用方向随具体对象的不同而各不相同。
27控制器当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控
制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。
28在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向
要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。
29几种常用的工程整定法
一、临界比例度法先通过试验得到临界比例度δk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。
特点比较简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统。对于临界比例度很小的系统不适用。对于工艺上不允许产生等幅振荡
的系统本方法亦不适用。
二、衰减曲线法在闭环的控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的
办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4∶1或10∶1衰减比为止。通过比例度δs和
衰减周期TS,得到控制器的参数整定值。
（1）加的干扰幅值不能太大，要根据生产操作要求来定，一般为额定值的5％左右，也有例外的情况。
（2）必须在工艺参数稳定情况下才能施加干扰，否则得不到正确的δS、TS或δS′和T升值。
（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，要在记录曲线上严格得到4∶1衰减曲线比较困难。一般以被控变量
来回波动两次达到稳定，就可以近似地认为达到4∶1衰减过程了。
三、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δ、TI、TD对过渡过程的影响为指导，按照规定顺序，对比例度δ、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。
特点方法简单，适用于各种控制系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。
此法主要是靠经验，在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。