江苏省自考09393化工仪表及自动化高频考点重点

09393化工仪表及自动化高频考点·重点汇总·划书笔记指定教材：《化工仪表及自动化》（第六版），厉玉鸣主编，化学工业出版社，2018年课程结构：绪论及第一章自动控制系统基本概念第二章过程特性及其数学模型第三章检测仪表与传感器第四章自动控制仪表第五章执行器第六章简单控制系统第七章复杂控制系统第八章新型控制系统第九章计算机控制系统第十章典型化工单元的控制方案能力层次比例：识记15%，领会30%，简单应用35%，综合应用20%难度比例：易:较易:较难:难=2:3:3:2题型：单项选择题、判断改错题、名词解释题、简答题、计算题课程重点：压力、流量、物位、温度四大参数的仪表检测原理及应用；化工自动控制基本原理及应用课程难点：计算机控制系统；复杂控制系统绪论及第一章自动控制系统基本概念一、学习目的与要求了解化工自动化的发展过程；理解定值自动控制系统的组成及方框图；深刻理解自动控制系统各个环节的输入及输出，负反馈的概念，过渡过程及其品质指标；掌握各种被测变量和仪表功能的对应字母代号。二、核心知识点（一）化工自动化的主要内容【识记】★★化工自动化的定义：化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程中，在化工设备上配备一些自动化装置，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的过程。实现化工生产过程自动化的主要目的：①加快生产速度，降低生产成本，提高产品质量和产量；②降低劳动强度，改善劳动条件；③确保生产安全；④从根本上改变劳动方式。【领会】★★自动检测系统：利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录的系统。它是自动化的基础和前提，相当于"眼睛"。★★自动信号和连锁保护系统：当生产过程出现异常工况或某些参数超过允许范围时，系统自动发出声光报警信号；若工况进一步接近危险状态，则自动打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以保证生产安全。★★自动操纵及自动开停车系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作（如周期性切换反应器）；自动开停车系统按规定程序自动将生产过程投入运行或停止运行。★★自动控制系统：利用自动控制装置对生产过程中某些重要工艺参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰影响而偏离正常状态时，能够自动地回复到规定的数值范围内。【简单应用】★★自动控制系统是核心：在化工自动化的四大内容中，自动检测是基础，信号连锁是安全保障，自动操纵是辅助，而自动控制系统是核心和关键，因为它能主动克服干扰、保持工艺参数稳定，直接决定产品质量和生产效益。（二）自动控制系统的基本组成及表示形式【识记】★★自动控制系统的基本组成：由两大部分组成——①被控对象（被控过程/设备）；②自动控制装置（检测元件和变送器、控制器、执行器）。具体包括：被控对象、测量变送装置、控制器、执行器（控制阀）四个基本环节。★★人工控制与自动控制：人工控制过程——人用眼睛观察仪表显示的参数值（测量），通过大脑将测量值与期望值比较、计算偏差并决定如何操作（运算、判断），用手去改变阀门开度（执行）。自动控制就是用仪表和装置代替人的眼、脑、手的功能：检测变送代替眼睛，控制器代替大脑，执行器代替手。★★自动控制系统的表示形式：①方框图——用方框表示各个环节，带箭头的线段表示信号流向，是控制系统最常用的表示形式；②工艺管道及仪表控制流程图（P&ID）——在工艺流程图上用规定的图形符号表示自动化仪表和控制系统。★★自动控制系统中采用负反馈而不能采用正反馈：反馈是将系统的输出信号通过检测变送装置送回输入端与给定值进行比较。负反馈是反馈信号削弱输入信号（偏差=给定值-测量值），使系统的输出趋于稳定；正反馈是反馈信号增强输入信号，会使偏差越来越大，导致系统失控发散。因此自动控制系统必须采用负反馈。【领会】★★自动控制系统方框图及各环节参数定义：方框图由比较环节、控制器、执行器、被控对象、测量变送等方框和信号线组成。关键术语——①被控变量y：需要控制的工艺参数（如温度、压力、流量、液位）；②给定值（设定值）x：工艺希望被控变量保持的数值；③测量值z：检测变送装置测得的被控变量实际值；④偏差e：给定值与测量值之差（e=x-z）；⑤操纵变量（控制变量）q：受执行器调节、用以克服干扰的变量（通常是流量）；⑥干扰f：引起被控变量偏离给定值的各种因素；⑦控制器输出p：控制器根据偏差发出的控制信号。方框图中各环节的输入与输出：①控制器——输入偏差e，输出控制信号p；②执行器——输入控制信号p，输出操纵变量q；③被控对象——输入操纵变量q和干扰f，输出被控变量y；④测量变送——输入被控变量y，输出测量值z。信号从给定值出发，经控制器、执行器、对象，再经测量变送回到比较环节，形成闭合回路。自动控制系统方框图的画法：按信号流向从左到右排列各环节，比较环节用圆圈（带×号）表示，箭头表示信号方向，注意反馈线从输出端回到输入端。方框图与工艺流程图的区别：方框图表示信号关系和作用方向，不表示设备的实际位置和物料流向；工艺流程图表示设备和管道的实际连接关系。【简单应用】★★自动控制系统是具有负反馈的闭环系统：闭环系统的特征是信号沿闭合回路传递，输出通过反馈回到输入端形成循环。开环系统没有反馈，控制器输出不直接根据被控变量的实际值调整。自动控制系统必须是闭环负反馈系统，才能根据被控变量的实际偏差进行有效控制。【综合应用】★★工艺管道及仪表控制流程图（P&ID）：在工艺流程图上用规定的图形符号和字母代号表示检测、控制仪表。仪表图形符号为细实线圆圈（直径约10mm），圆内标注字母代号和工位号。★★被测变量和仪表功能的字母代号表（必考）：第一位字母（被测变量）：T-温度（Temperature）、P-压力（Pressure）、F-流量（Flow）、L-物位（Level）、A-分析（Analysis）、D-密度、W-重量/力。后继字母（功能）：I-指示（Indicating）、R-记录（Recording）、C-控制（Control）、T-传送（Transmit）、V-阀（Valve）、E-检测元件、A-报警、S-开关/连锁。例如：TI-温度指示；TIC-温度指示控制；FRC-流量记录控制；LIC-液位指示控制；PI-压力指示；TRC-温度记录控制。【考点提示】【高频考点·单选/判断】字母代号是必考内容，需熟记T/P/F/L/A与I/R/C/T/V/E/A/S的组合含义。（三）自动控制系统的分类【识记】★★定值控制系统：给定值恒定不变的控制系统。化工生产中大多数控制系统属于此类，如温度、压力、流量、液位的稳定控制。其基本任务是克服干扰，使被控变量保持在给定值上。★★随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值随时间不断变化，且变化规律是未知的、随机的，要求系统输出快速、准确地跟踪给定值变化。如比值控制系统中的从动量控制、雷达跟踪系统。★★程序控制系统（顺序控制系统）：给定值按一定时间程序变化，是已知的时间函数。如升温反应过程的程序升温控制、间歇反应器的温度控制。【领会】自动控制系统的分类方法：①按被控变量分类——温度、压力、流量、液位、成分等控制系统；②按控制规律分类——比例、比例积分、比例积分微分等控制系统；③按给定值变化规律分类——定值、随动、程序控制系统；④按系统结构分类——闭环、开环、复合控制系统；⑤按被控变量多少分类——单变量、多变量控制系统。【简单应用】分类方法的依据：按被控变量分依据控制对象参数类型；按控制规律分依据控制器的运算规律；按给定值变化分依据给定值是否变化及如何变化——这是最基本的分类方法。（四）自动控制系统的过渡过程和品质指标【识记】★★控制系统的静态与动态：静态（稳态）是指被控变量不随时间变化的平衡状态，此时系统各环节输入输出都恒定不变，但生产仍在进行，是动态平衡。动态是指被控变量随时间变化的过渡状态，即系统受到干扰或给定值变化后，从一个稳态过渡到另一个稳态的过程。★★非周期衰减过程：被控变量在给定值的某一侧缓慢变化，最终稳定在某一数值上，没有来回波动，是单调衰减过程。【领会】★★过渡过程及其在阶跃干扰作用下的四种基本形式：阶跃干扰是突然从一个数值跳到另一个数值且持续作用的干扰，是最不利、最典型的干扰形式。四种过渡过程：①非周期衰减过程（单调过程）——被控变量单调变化最终稳定，控制较慢但不波动；②衰减振荡过程——被控变量上下波动但振幅逐渐减小，最终稳定在给定值附近，是最理想的过渡过程；③等幅振荡过程——被控变量持续等幅振荡，不衰减也不发散，属临界稳定，一般不允许；④发散振荡过程——振幅越来越大，系统失控，是危险的、必须避免的。【简单应用】★★控制系统的品质指标及其主要影响因素：①最大偏差A（或超调量σ）——被控变量偏离给定值的最大数值，反映系统的控制精度，A越小越好；②衰减比n——相邻两个同向波峰之比，n=B:B'，一般要求4:1到10:1之间，4:1最常用；③余差C——过渡过程结束后被控变量的稳态值与给定值之差，余差越小越好，定值系统希望余差为零；④过渡时间ts——从干扰发生到被控变量进入新稳态±5%（或±2%）范围内所需时间，越短越好；⑤振荡周期或频率——过渡过程中同向波峰之间的时间。影响因素：控制器参数（比例度、积分时间、微分时间）、对象特性（放大系数、时间常数、滞后时间）、检测变送和执行器特性。影响控制系统过渡过程的主要因素：①对象本身的特性（K、T、τ）——对象滞后大、时间常数小则控制困难；②控制器参数——比例度、积分时间、微分时间整定是否合理；③检测变送环节——测量滞后和信号传递滞后；④执行器——阀门特性和动作速度；⑤干扰的位置、大小和频率。【综合应用】★★衰减振荡过程是最优形式：衰减振荡过程既保证了系统的稳定性（衰减比4:1），又有较快的响应速度和较小的余差，兼顾了稳定性、快速性和准确性，是自动控制系统所希望的最优过渡过程形式。三、本章重点与难点【本章重点】①化工自动化的定义、主要内容及目的；②自动控制系统的方框图；③过渡过程及品质指标；④P&ID及字母代号。【本章难点】被测变量和仪表功能字母代号的含义。第二章过程特性及其数学模型一、学习目的与要求了解建立过程数学模型的意义及方法；掌握用机理建模建立简单对象数学模型；掌握放大系数K、时间常数T和滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响；了解被控对象特性的实验测定方法。二、核心知识点（一）化工过程的特点及其描述方法【识记】★★对象的数学模型：对象（被控过程）特性的数学描述，即对象输出变量与输入变量之间函数关系的数学表达式。★★非参量模型：用曲线、数据表格等非数学方程形式表示对象特性的模型，如阶跃反应曲线、频率特性曲线。特点是直观但不便数学分析。★★参量模型：用数学方程式（微分方程、传递函数、状态方程等）表示对象特性的模型。特点是便于数学分析和计算机仿真。【领会】★★对象的输入及输出：对象的输入是引起对象输出变化的因素，分为两类——①控制作用（操纵变量）：由执行器施加的、可控制的输入；②干扰作用：不希望的、不可控的输入。对象的输出即被控变量。一个对象可能有多个输入和多个输出。（二）对象数学模型的建立【识记】★★机理建模：根据对象或过程的内在机理，运用物料平衡、能量平衡、化学反应动力学、传热传质等基本规律，通过数学推导建立数学模型的方法。★★一阶对象：用一阶微分方程描述的对象，其传递函数为G(s)=K/(Ts+1)。典型如一阶贮槽液位系统，只有一个储蓄容量。★★积分对象：当对象的输出与输入的积分成正比时称为积分对象，传递函数为G(s)=1/Ts。如某些液位对象中流出量恒定，流入量变化时液位呈积分变化。★★二阶对象：用二阶微分方程描述的对象，传递函数为G(s)=K/(T₁T₂s²+(T₁+T₂)s+1)。典型如两个串联的一阶贮槽。【领会】建模目的：①设计控制系统——选择控制方案、确定控制器参数；②分析系统特性——研究对象特性对控制质量的影响；③优化生产操作；④培训仿真；⑤故障诊断。【简单应用】★★实验建模（对象特性的实验测取法）：在实际对象上通过实验测量输入输出数据来建立数学模型的方法。常用方法——①阶跃反应曲线法：在对象输入端加一个阶跃扰动，记录输出随时间变化的曲线（反应曲线），从曲线求取K、T、τ；②矩形脉冲法：在输入端加一个矩形脉冲信号，记录输出响应，再将脉冲响应转换为阶跃响应。矩形脉冲法对生产影响较小。（三）描述对象特性的参数【识记】★★放大系数K：对象处于稳态时，输出变化量与输入变化量之比，K=Δy/Δx。它表示对象的静态增益，反映对象输入对输出稳态值的影响程度。K大表示输入对输出影响大，控制灵敏但稳定性差；K小则控制作用弱。★★时间常数T：在阶跃输入作用下，对象输出保持初始变化速度达到稳态值所需的时间。它反映对象对输入变化的响应快慢，T大则响应慢、控制不及时，T小则响应快。对于一阶对象，当t=T时输出达到稳态值的63.2%，t=3T时达到95%，t=5T时基本达到稳态。★★滞后时间τ：对象输出不能立即跟随输入变化的时间延迟。分为：①传递滞后（纯滞后）τ₀——由于物料或能量传输需要时间引起的滞后，如皮带输送、管道输送；②容量滞后τc——由于对象容量（储蓄能力）和阻力存在，输出变化缓慢形成的滞后，多容量对象可近似为一阶加纯滞后。总滞后τ=τ₀+τc。【领会】★★三个参数的含义及对控制质量的影响：①K影响系统的稳态精度和稳定性——K越大系统越灵敏但越不稳定，设计时需使各环节K配合（对象K大则控制器比例度应大）；②T影响系统的响应速度——T大响应慢，过渡时间长，控制不及时；适当的T有利于系统稳定；③τ对控制极为不利——滞后使控制作用不能及时生效，导致超调增大、稳定性降低；τ/T比值越大控制越困难，一般要求τ/T≤0.3，大于0.5时常规PID控制难以满足要求。【考点提示】【高频考点·单选/简答】K、T、τ三个参数的物理意义及对控制质量的影响是本章核心考点。三、本章重点与难点【本章重点】一阶对象与二阶对象数学模型的建立。【本章难点】放大系数K、时间常数T、滞后时间τ的物理意义。第三章检测仪表与传感器一、学习目的与要求掌握仪表精度的意义及与测量误差的关系；理解仪表性能指标；掌握压力、流量、物位、温度四大参数检测仪表的基本原理和选用安装；重点掌握差压式流量计、转子流量计、热电偶冷端温度补偿；了解现代检测技术与传感器发展；熟悉显示仪表；理解安全仪表系统概念。二、核心知识点（一）检测仪表概述【识记】★★测量过程与测量误差：测量过程是将被测参数与其单位量进行比较的过程。测量误差——测量值与真实值之间的差值。误差分类：①绝对误差=测量值-真实值；②相对误差=绝对误差/真实值×100%；③引用误差=绝对误差/量程范围×100%。★★仪表的精度等级：按仪表引用误差大小划分的等级。我国规定的精度等级有：0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、4.0等。精度等级数值越小，精度越高。如1.0级仪表表示其最大引用误差不超过±1.0%。【领会】★★检测仪表的性能指标：①精度（准确度）——测量结果与真值的接近程度；②变差（回差）——在外界条件不变情况下，同一仪表对同一被测量在全量程范围内正反行程测量的最大差值与量程之比；③灵敏度——输出变化量与输入变化量之比；④分辨力——能检测的最小被测量变化；⑤线性度；⑥重复性；⑦可靠性；⑧反应时间。工业仪表的分类：①按被测参数分——温度、压力、流量、物位、成分分析仪表等；②按功能分——指示、记录、积算、调节仪表；③按能源分——气动、电动、液动仪表；④按安装方式分——现场安装、盘装仪表；⑤按结构形式分——基地式、单元组合式。【简单应用】★★确定仪表精度等级及选表：根据工艺允许的最大误差确定所需精度等级。例：某温度表测量范围0-500℃，要求测量最大绝对误差不超过±4℃，则引用误差=4/500=0.8%，应选精度等级0.5级（允许误差±0.5%）。选表原则：①量程选择——正常测量值在量程的1/2~2/3（压力）或3/4左右；②精度等级——在满足误差要求前提下选较低精度（经济）；③考虑介质特性和环境条件。【综合应用】★★检测仪表、控制仪表、执行器的功能及作用：检测仪表（传感器+变送器）——感受被测参数并转换为标准信号；控制仪表（控制器）——将测量信号与给定值比较，按一定规律输出控制信号；执行器——接收控制信号改变操纵变量。三者构成自动控制系统的基本装置。★★基地式仪表的特点及适用场合：基地式仪表将测量、指示、记录、调节等功能集于一体，结构简单、价格低、使用方便，但信号不易远传。适用于单回路就地控制、小型企业或辅助装置。★★单元组合仪表的制成、特点及种类：将各功能制成独立单元，各单元之间用统一标准信号联系。特点——通用性强、组合灵活、便于远传和集中控制。种类——QDZ气动单元组合仪表（信号0.02-0.1MPa）和DDZ电动单元组合仪表。DDZ-Ⅲ型采用4-20mADC（或1-5VDC）国际标准信号，安全火花型防爆，两线制。（二）压力检测及仪表【识记】★★液柱式压力计：利用液柱产生的压力与被测压力平衡的原理测量压力，如U形管压力计、单管压力计、斜管压力计。结构简单、精度较高，但测量范围小、易碎、不便远传。用于低压和微压测量及实验室校验。★★弹性式压力计：利用弹性元件在压力作用下产生弹性变形的原理测量压力。弹性元件有弹簧管（波登管）、波纹管、膜片/膜盒等。弹簧管压力表最常用，结构简单、使用方便、价格低、测量范围宽。★★电气式压力计：将压力转换为电阻、电容、电感、电势等电量进行测量，包括应变片式、压阻式、电容式、压电式、霍尔片式等。便于远传和自动控制。★★活塞式压力计：利用活塞和砝码的重力与被测压力平衡的原理，精度很高（0.05级以上），主要作为标准器校验其他压力表。【领会】★★弹簧管压力表的结构与工作原理：弹簧管是一根弯成270°圆弧的空心扁圆截面金属管，一端固定（接头）通入被测压力，另一端自由封闭。当管内通入压力时，扁圆截面趋于变圆，弹簧管产生伸直趋势，自由端发生位移，通过拉杆、扇形齿轮、小齿轮传动放大，带动指针偏转指示压力值。普通压力计弹簧管多采用铜合金（磷青铜、黄铜）；测高压或腐蚀性介质时用合金钢。电气式压力计的组成：由压力传感器（将压力转换为电量）、测量电路（放大、处理电信号）和显示装置组成。★★通用标准信号范围：DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表——4~20mADC（电流传输）或1~5VDC（电压接收）；QDZ-Ⅲ型气动单元组合仪表——20~100kPa（0.02~0.1MPa）。4-20mA中4mA对应零点（活零点，便于识别断线故障），20mA对应满量程。【简单应用】★★霍尔片式压力传感器：利用霍尔效应——霍尔片（半导体薄片）通以恒定电流并置于磁场中，当压力通过弹簧管带动霍尔片在均匀梯度磁场中运动时，霍尔片两端产生与位移成正比的霍尔电势，从而将压力转换为电势信号。★★应变片式压力传感器：利用应变效应——金属电阻丝受拉伸或压缩时电阻值发生变化。应变片粘贴在弹性元件上，压力使弹性元件变形，应变片电阻变化，通过电桥转换为电压输出。★★压阻式压力传感器：利用半导体材料的压阻效应——单晶硅在压力作用下电阻率发生变化。在硅膜片上扩散半导体应变电阻组成惠斯通电桥，直接输出与压力成正比的电压信号。体积小、灵敏度高、响应快。★★电容式压力传感器：将压力转换为电容量变化。测量膜片作为可变电容器的动极板，压力差使膜片变形，改变与固定极板间的电容，经测量电路转换为标准电流信号。精度高、耐腐蚀性强。★★智能型压力变送器的特点及组成：以微处理器为核心，具有双向通信能力（HART协议），可远程设定参数、自诊断、温度补偿，精度高、稳定性好。组成——传感器模块、A/D转换、微处理器、D/A转换、通信模块。【综合应用】★★压力计的选用及安装：选用——①仪表类型选择：根据介质性质（腐蚀性、温度、黏度）和环境条件选择；②量程选择：测量稳定压力时正常工作压力不超过量程的2/3~3/4，测量波动压力时不超过1/2，最低不低于1/3；③精度选择：根据工艺要求确定。安装——①测压点应选在直管段，避免阀门、弯头、分叉等局部阻力处；②取压口方向：测气体在管道上部、测液体在管道下部、测蒸汽在管道中部或上部；③测量蒸汽压力时加装凝液管（冷凝圈），防止高温蒸汽直接接触弹性元件；④测量腐蚀性液体时加装隔离罐，充以隔离液；⑤水平安装或垂直安装，避免振动和高温。（三）流量检测及仪表【识记】★★流量计与计量表：流量计——测量瞬时流量（单位时间内通过的流体量）的仪表；计量表（总量表）——测量一段时间内累计流量的仪表。【领会】★★速度式流量计：以测量流体在管道内的流速为依据，乘以管道截面积得到体积流量。如差压式（孔板）、转子、涡轮、涡街、电磁、超声波流量计等。★★容积式流量计：直接测量单位时间内排出的流体固定容积的数量，如椭圆齿轮流量计、腰轮（罗茨）流量计、刮板流量计。精度高，适用于高黏度液体，但运动部件易磨损。★★质量流量计：直接测量流体的质量流量，不受温度、压力、密度变化影响。如科里奥利力式质量流量计、热式质量流量计。★★差压式流量计的工作原理：基于节流原理——流体流经节流装置时流束收缩，流速增大、静压力降低，在节流装置前后产生静压力差，此差压与流量之间有确定的函数关系（流量与差压的平方根成正比）。通过测量差压即可求得流量。Q=α·ε·A₀·√(2Δρ/ρ₁)。★★流量基本方程式：Q=α·ε·(π/4)·d²·√(2Δp/ρ)，其中α为流量系数，ε为膨胀校正系数（液体ε=1），d为节流件开孔直径，Δp为差压，ρ为流体密度。流量与差压的平方根成正比，因此差压式流量计的刻度是不均匀的（平方刻度）。★★转子流量计的工作原理：由一根上粗下细的锥形管和管内浮子（转子）组成。流体自下而上流过，浮子受到向上的差压作用力、浮力和向下的重力平衡，浮子悬浮高度对应流量大小。当流量增大，浮子上升，环隙面积增大，差压恢复恒定值（恒差压、变面积式流量计）。电远传转子流量计通过磁耦合将浮子位移转换为标准电信号。★★椭圆齿轮流量计特点、组成及工作原理：容积式，由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳体组成半月形计量室。流体在进出口差压作用下推动齿轮转动，每转一周排出四个半月形容积的流体，通过传动机构计数。特点——精度高（0.2~0.5级）、适用于高黏度流体、但不适用于含固体颗粒的流体。★★电磁流量计的特点、组成及工作原理：基于法拉第电磁感应定律——导电液体在磁场中作切割磁力线运动时产生感应电动势，E=B·D·v（B磁感应强度、D管径、v流速）。组成——电磁传感器（测量管、励磁线圈、电极）和转换器。特点——无阻流件、无压力损失、可测腐蚀性和含颗粒流体、只能测导电液体（电导率≥5μS/cm）、不能测气体和油类。★★漩涡流量计（涡街流量计）的特点及工作原理：基于卡门涡街原理——流体中插入非流线型漩涡发生体时，在其下游两侧交替产生有规律的漩涡列，漩涡产生频率与流体流速成正比（f=St·v/d，St为斯特劳哈尔数）。通过检测漩涡频率得到流量。特点——无可动部件、压损小、精度较高、可测气体液体蒸汽。★★质量流量计的特点及工作原理：科里奥利质量流量计利用流体在振动管中流动时产生科里奥利力的原理，直接测量质量流量，精度高、不受流体物性影响，但价格高、管径受限。【简单应用】★★节流现象与节流原理：流体在管道中流动时，由于节流装置（孔板等）的存在，流束局部收缩，流速增大、静压力降低，在节流装置前后形成静压力差，这种现象称为节流现象。流量越大，差压越大。★★标准节流装置的正确安装方式：标准节流装置包括标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。安装要求——①节流件开孔与管道同心，端面与管道轴线垂直；②节流件前后必须有足够长的直管段（前10D后5D，D为管径，具体长度按上游阻流件形式确定）；③节流件安装方向正确（孔板锐边迎流）；④密封垫片不得突入管内；⑤测量液体时差压计安装在节流装置下方，测量气体时安装在上方。★★标准孔板的取压方式：①角接取压——取压口位于孔板前后端面处（环室或单独钻孔）；②法兰取压——取压口位于孔板前后各25.4mm（1英寸）处；③径距取压（D-D/2取压）——上游取压口距孔板前端面D，下游D/2。★★转子流量计的指示值修正计算公式：转子流量计是按特定介质（水或空气）在特定状态下标定的，当被测介质密度不同时需修正。体积流量密度修正系数KQ=√[(ρf-ρ)ρ₀/((ρf-ρ₀)ρ)]，其中ρf为浮子密度，ρ为被测介质密度，ρ₀为标定介质密度。实际流量Q=KQ·Q₀（Q₀为指示流量）。【综合应用】★★差压计的安装：①测量液体流量时，差压计应安装在节流装置下方，防止气体进入导压管；若必须安装在上方，需在导压管最高点设集气器；②测量气体流量时，差压计应安装在节流装置上方，防止液体进入导压管；若必须安装在下方，需在最低点设沉降器；③测量蒸汽流量时，导压管中应充满冷凝水，两个冷凝器液面应等高，差压计最好安装在节流装置下方。★★三阀组的使用：三阀组由正压阀、负压阀和平衡阀组成。启用差压计时：①打开平衡阀；②打开正压阀；③关闭平衡阀；④打开负压阀。停用时：①关闭负压阀；②打开平衡阀；③关闭正压阀。严禁在正负压阀同时打开且平衡阀关闭的状态下投入或停运，以免单向过载损坏差压计。（四）物位检测及仪表【识记】★★物位检测仪表类型：①液位计——测量液体液位高度；②料位计——测量固体物料堆积高度；③界面计——测量两种不溶液体分界面位置。【领会】★★差压式液位变送器：利用容器内液位变化时液柱产生的静压力变化测量液位。液位H与差压Δp的关系为Δp=ρgH。当容器为敞口时，负压侧通大气；当容器为密闭受压容器时，负压侧接容器气相空间。★★液位测量中的零点迁移问题：当差压变送器的安装位置与容器底部不在同一水平面，或气相介质易冷凝产生冷凝液时，差压变送器正负压室承受的压力会附加一个固定差压，导致液位为零时变送器输出不为4mA（零点偏移）。需要通过迁移弹簧调整变送器零点，使液位为零时输出为4mA。迁移分为正迁移（零点偏正，需减去固定差压）和负迁移（零点偏负，需加上固定差压）。迁移不改变量程大小，只平移测量范围。【简单应用】★★电容式物位传感器工作原理：利用圆筒形电容器原理，当液位变化时，电极间介质（液体/气体）的介电常数不同，电容量发生变化，从而测量液位。适用于腐蚀性、高温高压介质，但被测介质介电常数变化会影响精度。★★核辐射物位计工作原理、特点及应用场合：放射性同位素（如Co-60、Cs-137）发出的γ射线穿过容器和物料时被吸收，吸收程度与物料厚度有关，接收器检测射线强度即可确定物位。特点——非接触测量，可测高温、高压、强腐蚀、易燃易爆介质，但需防护辐射，成本高。适用于其他仪表无法测量的恶劣工况。★★称重式液罐计量仪工作原理：通过称重传感器测量贮罐和液体的总重量，减去罐重得到液体重量，再换算为液位或质量。精度高，适用于大型贮罐的精确计量。★★光纤式液位计工作原理：利用光在光纤中传播时，在光纤与介质界面的全反射条件随接触介质（空气/液体）折射率不同而变化，通过检测光强变化判断液位。【综合应用】★★物位仪表的选型：①根据介质特性（温度、压力、腐蚀性、黏度、是否含颗粒）选择；②根据测量范围和精度要求选择；③根据容器结构（敞口/密闭、有无搅拌）选择；④根据环境条件（防爆、防腐）选择；⑤考虑经济性和维护方便。如洁净液体可选差压式或浮球式；强腐蚀可选电容式或核辐射式；大罐计量可选称重式或雷达式。（五）温度检测及仪表【识记】★★温度检测方法：①接触式测温——测温元件与被测介质直接接触，达到热平衡后测温，如膨胀式、热电偶、热电阻温度计；②非接触式测温——利用热辐射原理，不接触被测物体，如辐射高温计、红外测温仪。★★膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）或固体（双金属）受热膨胀的原理测温。玻璃液体温度计简单、精度较高但易碎、不能远传；双金属温度计可就地指示。★★压力式温度计：利用封闭在温包中的气体、液体或低沸点液体受热后压力或体积变化测温，由温包、毛细管和弹簧管压力表组成，可就地指示和远传（毛细管长度有限）。★★辐射式高温计：利用物体热辐射能量与温度的关系测温，有光学高温计、全辐射高温计、比色高温计等。用于高温、运动物体等不能接触测温的场合。【领会】★★热电偶温度计测温原理：基于热电效应（塞贝克效应）——两种不同材料的导体两端连接成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中产生热电势。热电势由接触电势和温差电势组成，其大小只与两种导体材料和两端温度有关，与导体粗细、长短无关。冷端（自由端）温度恒定或为0℃时，热电势是热端（工作端）温度的单值函数。★★热电阻温度计测温原理：基于金属导体电阻值随温度升高而增大的特性。Pt100铂电阻（0℃时100Ω）精度高、稳定性好，用于-200~850℃；Cu50/Cu100铜电阻用于-50~150℃，线性好但易氧化。★★热电偶温度计的组成及各种分度号：热电偶由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒组成。常用标准化热电偶分度号：S（铂铑10-铂，0~1600℃，高精度、贵）、B（铂铑30-铂铑6，0~1800℃）、K（镍铬-镍硅，-200~1300℃，最常用、线性好、便宜）、E（镍铬-铜镍/康铜，-200~900℃，热电势最大、灵敏度高）、T（铜-铜镍，-200~350℃，低温）、J（铁-铜镍）。★★热电阻温度计的组成、分度号：由电阻体、绝缘套管、保护套管和接线盒组成。铂电阻分度号Pt10、Pt100；铜电阻分度号Cu50、Cu100。★★热电偶冷端温度修正方法的计算公式：当冷端温度为t₀（不为0℃）时，热电势E(t,t₀)需修正为E(t,0)=E(t,t₀)+E(t₀,0)。即先测得E(t,t₀)，再查分度表得到冷端温度对应的热电势E(t₀,0)，两者相加后查分度表得到实际温度t。【简单应用】★★热电偶冷端温度补偿的原因及方法：原因——热电偶分度表是以冷端0℃为基准的，但实际使用中冷端温度受环境影响不为0℃且不断变化，会产生测量误差，必须进行补偿。方法——①冷端温度校正法（计算修正法）：测出冷端温度，按E(t,0)=E(t,t₀)+E(t₀,0)修正；②冰浴法：将冷端置于冰水混合物中保持0℃（实验室用）；③补偿导线法：用与热电偶热电特性相同的补偿导线将冷端延伸到温度较恒定处（注意补偿导线只延伸冷端，不消除温度影响，需配合其他补偿）；④补偿电桥法（冷端温度补偿器）：利用不平衡电桥产生的电势补偿热电偶因冷端温度变化产生的热电势变化；⑤采用多支热电偶共用冷端补偿。★★热电偶补偿电桥法的工作原理：补偿电桥由三个锰铜电阻（温度系数近零）和一个铜电阻（感受冷端温度）组成，电桥在冷端温度为0℃（或20℃）时平衡。当冷端温度升高，热电偶热电势减小，同时铜电阻增大使电桥输出一个不平衡电势，该电势与热电偶热电势减小量相等，从而自动补偿冷端温度变化的影响。热电偶冷端温度升高对热电势的影响：当热端温度不变而冷端温度升高时，冷热端温差减小，热电势减小，测量值偏低。★★热电偶、热电阻温度计各自适用的测温区域：热电偶适用于中高温测量（一般500℃以上），热电阻适用于中低温测量（一般500℃以下，尤其-200~500℃范围精度最高）。★★热电阻温度计的连接导线采用三线制接法：热电阻用两根导线连接时，导线电阻随环境温度变化会产生测量误差。三线制接法是从热电阻两端引出三根导线，其中两根分别接入电桥两个相邻臂，第三根接电源，使两根导线电阻分别加在电桥两臂上，环境温度变化时相互抵消，有效减小导线电阻变化引起的误差。精密测量可用四线制。【综合应用】★★电动温度变送器的功能及结构：功能——与热电偶或热电阻配合，将温度信号转换为4-20mADC标准信号。配热电偶的温度变送器由热电偶输入电路（冷端补偿、断线报警）和放大电路组成；配热电阻的温度变送器由热电阻输入电路（三线制、将电阻变化转换为电压）和放大电路组成。★★一体化温度变送器：将变送模块直接安装在热电偶或热电阻接线盒内，传感器和变送器一体化，输出4-20mA信号。结构紧凑、安装方便、抗干扰能力强。★★智能式温度变送器（TT302）：以微处理器为核心，支持HART协议，可接收多种热电偶和热电阻信号，具有量程远程设定、自诊断、温度补偿、数字通信等功能。硬件包括传感器输入模块、A/D转换、CPU、D/A转换、通信模块；软件包括监控程序和功能模块。★★测温仪表的选用及安装：选用——根据测温范围选择类型（低温用热电阻、高温用热电偶）、根据精度要求选择等级、根据环境条件选择保护套管材质。安装——①测温元件应与介质充分接触，有足够插入深度（一般150-300mm）；②测温元件应逆流或垂直管道安装，避免死角；③热电偶/热电阻接线盒不应接触高温设备；④避免在阀门、弯头附近安装；⑤补偿导线与热电偶分度号匹配，正负极不能接反。（六）现代检测技术与传感器的发展【识记】软测量技术：利用易测变量（如温度、压力、流量）通过数学模型推算难测变量（如成分、转化率）的技术，由机理模型或数据驱动模型实现。【领会】现代传感器技术的发展：微型化、智能化、多功能化、数字化、网络化、无线化；MEMS传感器、光纤传感器、生物传感器等新型传感器不断涌现。【简单应用】新型网络传感器：集成了传感器、微处理器和网络接口，能直接接入工业网络（如现场总线、工业以太网、无线网络），实现即插即用和远程访问。（七）显示仪表【识记】★★显示仪表的种类：①模拟式显示仪表——用指针偏转显示，如动圈表、电子电位差计、电子平衡电桥；②数字式显示仪表——直接用数字显示；③屏幕显示装置——CRT/LCD显示器，DCS操作站。【领会】★★数字式显示仪表的构成：由前置放大、A/D转换（模数转换）、非线性校正（线性化）、标度变换、计数译码和数字显示等部分组成。核心是A/D转换器。【简单应用】★★模数转换电路（A/D转换）的工作原理、目的及常见品种：目的——将连续变化的模拟电信号转换为离散的数字信号，供数字电路处理和显示。常见品种——逐次逼近型、双积分型、并行比较型、V/F变换型。双积分型精度高、抗干扰强但速度慢，适合数字仪表；逐次逼近型速度较快。【综合应用】★★无笔、无纸记录仪的原理和组成：以微处理器为核心，将输入信号经A/D转换后存入存储器，在LCD屏幕上以数字、曲线、棒图等形式显示，可通过USB、网络导出数据。组成——输入通道、A/D转换、CPU、存储器、LCD显示屏、操作键盘、通信接口。取代了传统有纸记录仪，无耗材、数据可保存和远传。（八）安全仪表系统【识记】★★安全仪表系统SIS的概念及构成：SIS（SafetyInstrumentedSystem）是当生产过程出现危险状态时，能自动将过程置于安全状态的仪表保护系统，由传感器（检测异常）、逻辑运算器（判断和决策）、最终执行元件（执行安全动作）三部分构成。【领会】SIS的集成设计：SIS应独立于基本过程控制系统（BPCS/DCS），单独设置传感器、逻辑运算器和执行元件，确保BPCS故障时SIS仍能安全动作。SIS设计需进行危险与可操作性分析（HAZOP）和安全完整性等级（SIL）评估。【简单应用】★★SIS的传感器设计原则：①独立原则——SIS传感器独立于BPCS传感器；②冗余原则——关键测点采用冗余或多数表决配置（如2oo3三取二）；③故障安全原则——传感器故障时系统应趋向安全状态；④在线诊断和测试；⑤选择经过安全认证的仪表。三、本章重点与难点【本章重点】①仪表精度与误差；②压力、流量、物位、温度四大参数检测原理；③差压式流量计和转子流量计；④热电偶冷端温度补偿；⑤温度变送器。【本章难点】①压力/流量仪表安装；②热电偶冷端补偿原理及方法；③转子流量计修正公式；④热电偶冷端温度修正公式。第四章自动控制仪表一、学习目的与要求掌握基本控制规律及其特点；理解比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响；掌握数字式控制器的主要特点及基本构成；掌握PLC的基本原理、组成、编程语言和工作方式。二、核心知识点（一）概述及基本控制规律【识记】★★自动控制仪表的作用及发展经历了三个阶段：①基地式控制仪表——将测量、显示、控制功能集于一体；②单元组合式仪表中的控制单元——以统一标准信号联系各功能单元，如QDZ、DDZ；③以微处理器为基元的控制装置——数字控制器、DCS、PLC等。【领会】★★双位控制：控制器的输出只有两个位置（全开或全关），当被控变量低于下限值时阀门全开，高于上限值时阀门全关。特点是结构简单、但被控变量持续振荡，适用于控制质量要求不高、容量大、滞后小的场合（如恒温箱、储气罐压力控制）。★★比例控制（P）：控制器输出与偏差成比例，p=Kp·e。比例作用快，能及时克服干扰，但有余差（稳态误差）。比例度δ是控制器输入变化量与输出变化量之比的百分数，δ=1/Kp×100%。δ越小，比例作用越强，系统越灵敏但越易振荡；δ越大，作用越弱，余差越大。★★积分控制（I）：控制器输出与偏差对时间的积分成正比，p=(1/Ti)∫edt。只要有余差存在，积分作用就不断变化输出，直到余差消除（无余差控制）。但积分作用慢，会降低系统稳定性，使系统振荡加剧。积分时间Ti越小，积分作用越强。★★微分控制（D）：控制器输出与偏差变化速度成正比，p=Td·de/dt。微分作用具有超前控制功能，能在偏差刚出现、变化速度很大时提前动作，抑制偏差增长，改善系统动态性能。但微分对静态偏差无作用，且对噪声敏感。微分时间Td越大，微分作用越强。【简单应用】★★P、I、D各自特点：①P——快、有余差；②I——消除余差、但慢、降低稳定性；③D——超前、改善动态、但不能消除余差、对噪声敏感。比例度δ越小控制作用越强；积分时间Ti越小积分作用越强；微分时间Td越大微分作用越强。★★比例度的计算公式：δ=(e/(xmax-xmin))/(p/(pmax-pmin))×100%，即输入变化相对值与输出变化相对值之比。比例度与放大倍数的关系：Kp=(pmax-pmin)/(xmax-xmin)×(1/δ)。对于DDZ-Ⅲ型仪表，输入输出范围相同，Kp=1/δ（δ以小数表示）。★★积分时间的求取方法及与积分作用强弱的关系：对控制器输入一个阶跃偏差，当积分作用的输出变化量等于比例作用输出变化量时所经历的时间即为积分时间Ti。Ti越小，积分输出增长越快，积分作用越强；Ti越大，积分作用越弱；Ti→∞时积分作用消失。【综合应用】★★基本控制规律对过渡过程的影响：①双位控制——等幅振荡；②比例控制——衰减振荡、有余差，δ减小则余差减小但振荡加剧，δ太小会发散；③比例积分（PI）——在比例基础上加入积分消除余差，但会降低稳定性，需将比例度适当增大（约为纯比例时的1.2倍）；④比例积分微分（PID）——加入微分后可减小超调、缩短过渡时间，提高控制质量。PID三作用结合了比例的快速、积分的消除余差和微分的超前功能，是最完善的控制规律。各规律数学表达式：P——p=Kp·e；PI——p=Kp(e+1/Ti∫edt)；PID——p=Kp(e+1/Ti∫edt+Td·de/dt)。（二）数字式控制器【识记】控制器的作用及目前多用的控制器：控制器接收测量信号与给定值比较，按控制规律运算后输出控制信号。目前控制系统中多用以微处理器为核心的数字控制器和DCS控制站。【领会】模拟式控制器与数字式控制器：模拟式控制器以模拟电路（电子管、晶体管、运算放大器）实现连续控制规律；数字式控制器以微处理器为核心，将模拟信号A/D转换后进行数字运算，再D/A输出。【简单应用】★★数字式控制器的主要特点：①实现了模拟仪表与计算机一体化；②运算控制功能丰富（多种PID算法、前馈、串级等）；③具有自诊断和通信功能；④编程组态灵活；⑤可靠性高、维护方便；⑥可实现数模混合控制。★★数字式控制器的基本构成：硬件——①主机电路（CPU、ROM、RAM）；②过程输入通道（AI、DI，含A/D转换和信号调理）；③过程输出通道（AO、DO，含D/A转换）；④人机接口（显示器、按键）；⑤通信接口；⑥电源。软件——①系统软件（监控程序、中断处理）；②用户软件（控制算法模块、组态程序）。KMM可编程序调节器：是一种单回路数字控制器，以微处理器为核心，可实现PID、前馈、串级、选择性等多种控制功能，通过编程组态配置，具有自诊断和通信功能。（三）可编程序控制器（PLC）【识记】★★PLC概述：可编程序控制器是一种专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，采用可编程存储器，内部存储指令，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，通过数字/模拟输入输出控制各种机械和生产过程。【领会】★★PLC基本组成及各部分作用：①中央处理单元（CPU）——执行程序、处理数据；②存储器——系统程序和用户程序；③输入/输出模块（I/O）——与现场设备连接，输入模块接收按钮、开关、传感器信号，输出模块驱动接触器、电磁阀、指示灯；④电源模块；⑤编程器——用于编写和调试程序；⑥通信接口。【简单应用】★★PLC出现基于的技术、特点及分类方法：基于继电器控制技术和计算机技术发展而来。特点——①可靠性高、抗干扰能力强（适合工业环境）；②编程简单（梯形图语言，电气人员易掌握）；③功能完善、组合灵活；④体积小、功耗低；⑤维护方便。分类——按I/O点数分：小型（<256点）、中型（256-2048点）、大型（>2048点）；按结构分：整体式、模块式。★★PLC的编程语言：①梯形图（LD）——最常用，类似继电器控制电路，直观易懂；②指令表（IL）——助记符语言；③功能块图（FBD）；④顺序功能图（SFC）；⑤结构化文本（ST）。【考点提示】【高频考点·单选/简答】PLC特点、组成和编程语言是常考点。三、本章重点与难点【本章重点】①基本控制规律及特点；②数字式控制器特点；③PLC特点。【本章难点】①比例度计算公式；②PI/PID控制规律特点、数学表达式及输出曲线。第五章执行器一、学习目的与要求熟悉执行器的作用、分类及应用；理解控制阀流量特性；深刻理解气动执行器结构与分类；掌握气开气关选择原则；理解电动执行器工作原理；掌握电-气转换器及电-气阀门定位器工作原理；理解数字阀与智能控制阀特点。二、核心知识点（一）气动执行器【识记】★★应用场合最广泛的执行器——气动执行器：以压缩空气为动力，结构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、防火防爆、价格低、维护方便，在化工、炼油等易燃易爆场合广泛应用。【领会】★★气动执行器的组成、结构和分类：由两部分组成——①气动执行机构（推动装置）：将气压信号转换为阀杆位移；②控制机构（控制阀/阀体）：由阀杆带动阀芯改变流通面积。分类——执行机构有薄膜式和活塞式；控制阀有直通单座、直通双座、角形、隔膜、蝶阀、球阀等。★★气动执行机构的主要分类：①薄膜式——最常用，输入0.02-0.1MPa气压，膜片带动阀杆直线位移，结构简单；②活塞式——气缸活塞推动，输出力大、行程长，适用于高静压、高压差场合。★★控制机构（控制阀）：即阀体部分，包括阀座、阀芯、阀杆、阀体。阀芯正装（阀芯在阀座上方）时，阀杆下移阀门关小；反装时相反。【简单应用】★★执行器的作用、分类：作用——接收控制器输出的控制信号，改变操纵变量（通常是阀门开度），克服干扰，实现控制。分类——①按能源分：气动、电动、液动执行器；②按结构形式分：薄膜式、活塞式。★★气动薄膜式执行机构正、反作用：正作用执行机构——输入气压增大时阀杆向下移动（气压从膜片上方进入）；反作用执行机构——输入气压增大时阀杆向上移动（气压从膜片下方进入）。★★控制阀的工作流量特性：在实际使用中，控制阀与管道串联或并联时，由于管路阻力和旁路分流的影响，阀门的实际流量特性与理想流量特性不同。串联管道时，阀上压降随流量增大而减小，使理想的直线特性畸变为快开特性，等百分比特性畸变为直线特性；并联管道（旁路）时，旁路流量使控制阀可调比降低。【综合应用】★★气开式、气关式控制阀的选择原则及生产应用实例：气开阀（气开式/故障关）——输入气压越高开度越大，无气压时全关；气关阀（气关式/故障开）——输入气压越高开度越小，无气压时全开。选择原则——从工艺安全出发：当控制阀故障（断气）时，应保证人员和设备安全，防止事故发生。①锅炉供水控制阀应选气关式——断气时阀门全开，保证锅炉供水，防止烧干爆炸；②加热炉燃料气控制阀应选气开式——断气时阀门全关，切断燃料，防止过热爆炸；③反应器进料阀一般选气开式——断气时停止进料；④储罐出口阀一般选气关式——断气时保持出料。★★气动执行器的安装及维护：①最好正立垂直安装在水平管道上；②安装在便于操作和维护的位置；③环境温度-30~+60℃，远离振动；④阀前后压差大时设支架；⑤用于高黏度、含颗粒介质时加装定位器；⑥定期检查填料函密封、膜片老化、气源净化情况。（二）电动执行器【识记】★★电动执行器的输入、输出：输入——控制器来的4-20mADC标准电流信号（DDZ-Ⅲ型）；输出——与输入信号成正比的角位移或直行程位移，用以操纵阀门、挡板等。【领会】★★电动执行器的类型：①角行程——输出0°~90°角位移，驱动蝶阀、球阀；②直行程——输出直线位移，驱动单座阀、双座阀；③多转式——输出多圈旋转，驱动闸阀、截止阀。【简单应用】★★角行程电动执行机构的组成：由伺服放大器、伺服电机、减速器、位置发送器和操纵器组成。伺服放大器将输入信号与位置反馈信号比较，偏差驱动伺服电机转动，经减速器减速后输出角位移，位置发送器将位移转换为反馈电流。【综合应用】★★位置发送器特点及组成：位置发送器将执行机构输出轴的位移转换为0-10mA或4-20mA直流电流反馈信号，实现闭环控制。由差动变压器、整流电路和磁饱和电源等组成，利用铁芯位移改变差动变压器输出电压，经整流后得到与转角成正比的直流电流。（三）电-气转换器及电-气阀门定位器【识记】★★电-气转换器工作原理：基于力矩平衡原理。输入4-20mADC电流通入动圈，动圈在永久磁场中产生电磁力矩，使杠杆偏转，改变挡板-喷嘴间隙，经气动放大器输出0.02-0.1MPa气压；同时输出气压引入负反馈波纹管产生反馈力矩，当电磁力矩与反馈力矩平衡时，输出气压与输入电流成比例。实现电动信号到气动信号的转换。【领会】★★电-气阀门定位器的特点、作用及工作原理：特点——与气动执行器配套使用，有电气阀门定位器（输入4-20mA）和气动阀门定位器（输入0.02-0.1MPa）。作用——①提高阀门位置精度，实现准确定位；②增大执行器输出功率，加快动作速度；③改善控制阀流量特性；④实现分程控制；⑤克服阀门摩擦力和介质不平衡力。工作原理（力矩平衡）：输入信号通入力矩马达产生力矩，使挡板偏转，喷嘴背压变化经放大后送入执行机构气室，阀杆移动带动反馈杆和反馈凸轮，产生反馈力矩与输入力矩平衡，使阀杆位置与输入信号成比例。（四）数字阀与智能控制阀【识记】★★数字阀的组成：由步进电机（或伺服电机）、减速机构、阀杆和阀芯组成，直接接收数字脉冲信号，每个脉冲使阀杆移动一定步距，实现精确的数字控制。【领会】★★智能控制阀的特点及应用场合：智能控制阀将控制阀、执行器和智能阀门定位器集成，内置微处理器，具有双向通信、自诊断、在线监测、自适应控制等功能。适用于要求高精度控制、远程管理和预测性维护的场合。三、本章重点与难点【本章重点】①气动执行器特点、组成结构、流量特性；②电-气阀门定位器特点及工作原理。【本章难点】①气开、气关选择原则；②数字阀与智能控制阀。第六章简单控制系统一、学习目的与要求理解简单控制系统的结构、组成及作用；掌握被控变量、操纵变量的选择原则；了解测量元件特性的影响；深刻理解各种控制器控制规律的特点及应用场合选择；理解控制器正反作用确定方法；掌握控制器参数工程整定方法。二、核心知识点（一）简单控制系统的结构与组成【识记】★★简单控制系统的方框图：由一个被控对象、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器组成的单闭环负反馈控制系统，是最基本、应用最广泛的控制系统。【领会】★★简单控制系统的组成：①被控对象——需要控制的生产设备或过程；②检测变送装置——测量被控变量并转换为标准信号；③控制器——比较偏差并按控制规律运算；④执行器——改变操纵变量。【简单应用】★★简单控制系统中反馈的概念：被控变量经检测变送后送回控制器输入端与给定值比较，形成负反馈。反馈使系统能根据被控变量的实际偏差进行控制，是闭环控制的核心。【综合应用】★★简单控制系统是复杂控制系统的基础：串级、比值、前馈等复杂控制系统都是在简单控制系统基础上发展而来的，简单控制系统的设计原则、参数整定方法同样适用于复杂控制系统的主/副回路。（二）简单控制系统的设计【识记】★★被控变量：生产过程中需要加以控制的工艺参数，是控制系统的输出。被控变量应能代表工艺操作状态、可测量、有足够灵敏度。★★操纵变量：受控制阀调节、用以克服干扰使被控变量回到给定值的变量，通常是某一介质的流量。【领会】★★被控变量的选择原则：①选择对产品产量、质量、安全和节能有决定性作用的、可直接测量的工艺参数作为被控变量（直接参数控制）；②当直接参数无法在线测量时，选择与直接参数有单值对应关系、反应快的间接参数（如温度、压力）；③被控变量应具有足够的灵敏度，便于检测；④考虑工艺合理性。★★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选择控制通道（操纵变量对被控变量的作用通道）放大系数大、时间常数小、滞后时间短的变量；③使干扰通道的时间常数大、放大系数小（干扰作用点远离被控变量检测点）；④考虑工艺合理性和经济性，不选择影响生产负荷或产量的主物料流量；⑤阀门口径和流量特性满足要求。【简单应用】★★测量元件特性的影响：①测量滞后——测量元件本身有时间常数，使测量信号不能及时反映被控变量变化，相当于给系统增加了滞后，降低控制质量；②传递滞后——信号传输延迟（特别是气动信号）；③测量点位置不当造成纯滞后。克服措施——选择快速测量元件、合理选择安装位置、采用微分先行、使用电信号传输。【综合应用】★★控制器控制规律的选择：①比例控制（P）——适用于控制要求不高、允许有余差、滞后小、负荷变化不大的场合，如液位控制；②比例积分（PI）——适用于要求无余差、滞后不大的场合，如流量、压力控制（流量控制对象时间常数小、噪声大，一般不用微分）；③比例积分微分（PID）——适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求高的场合，如温度控制。★★P、PI、PID各自特点及输入输出关系：①P控制器——输出与偏差成比例，作用快、有余差；②PI控制器——比例+积分，能消除余差但稳定性降低；③PID控制器——比例+积分+微分，兼顾快速、无余差和超前控制，控制质量最高。★★比例度、积分时间、微分时间对控制质量的影响：①δ减小——比例作用增强，余差减小、系统振荡加剧、稳定性下降；δ过大则控制缓慢、余差大；②Ti减小——积分作用增强，消除余差加快但稳定性降低、超调增大；Ti过大则余差消除慢；③Td增大——微分作用增强，超前控制使超调减小、过渡时间缩短；但Td过大易引入干扰、系统对噪声敏感。（三）控制器参数的工程整定【识记】★★控制器参数工程整定的方法：①临界比例度法（稳定边界法）；②衰减曲线法；③经验凑试法。【领会】工程整定的意义：控制器参数（δ、Ti、Td）整定是否合理直接影响控制质量。整定的目的是选择合适的参数，使过渡过程满足衰减比4:1、超调小、余差小、过渡时间短的要求。【简单应用】★★临界比例度法：①控制器置纯比例（Ti→∞，Td=0），从大到小逐步减小比例度，直到系统出现等幅振荡（临界振荡）；②记录此时的临界比例度δk和临界周期Tk；③按经验公式计算控制器参数：P控制δ=2δk；PI控制δ=2.2δk，Ti=0.85Tk；PID控制δ=1.7δk，Ti=0.5Tk，Td=0.125Tk；④在控制器上设置参数后观察过渡过程，适当微调。★★衰减曲线法：①控制器置纯比例，从大到小减小比例度，直到系统出现4:1衰减振荡；②记录此时的比例度δs和振荡周期Ts；③按经验公式计算：P控制δ=δs；PI控制δ=1.2δs，Ti=0.5Ts；PID控制δ=0.8δs，Ti=0.3Ts，Td=0.1Ts；④设置后微调。对于10:1衰减，按相应公式计算。★★经验凑试法：根据经验先将控制器参数放在某一数值，然后在闭环运行中按先比例后积分最后微分的顺序凑试：①先整定比例度——将Ti放最大、Td为零，逐步减小δ直到过渡过程达到4:1衰减；②加入积分——将δ增大10%-20%，从大到小减小Ti直到消除余差且过渡过程满意；③加入微分——适当减小δ和Ti，逐步增大Td直到超调最小、过渡时间最短。【考点提示】【高频考点·简答/计算】三种工程整定方法的操作步骤和经验公式是常考点。三、本章重点与难点【本章重点】①简单控制系统方框图；②P/PI/PID特点及输入输出关系；③控制器参数工程整定方法。【本章难点】被控变量、操纵变量的选择原则。第七章复杂控制系统一、学习目的与要求掌握串级、均匀、比值、前馈、选择性、分程控制系统的特点。二、核心知识点（一）串级控制系统【识记】★★串级控制系统的特点：①有两个闭合回路（主回路和副回路）、两个控制器（主控制器和副控制器）、两个测量变送器和一个控制阀；②副回路具有快速克服干扰的能力，能迅速克服进入副回路的干扰；③改善对象动态特性，等效减小了副回路对象的时间常数；④对负荷变化有一定自适应能力；⑤控制质量显著高于简单控制系统。【领会】★★串级控制系统的方框图：主控制器输出作为副控制器的给定值（串级），副控制器输出控制阀门。主回路是外环（主变量-主控制器-副控制器-执行器-副对象-主对象-主变量测量），副回路是内环（副变量-副控制器-执行器-副对象-副变量测量）。【简单应用】★★主、副回路的关系：①主回路是定值控制系统（主变量要求稳定在给定值），副回路是随动控制系统（副控制器给定值随主控制器输出变化）；②副回路快速克服进入副回路的二次干扰，主回路保证主变量无余差；③主副回路协同工作，副回路起粗调作用，主回路起细调作用。【综合应用】★★串级控制系统的适用场合：①用于克服对象容量滞后大的场合（如加热炉温度控制，副回路选炉膛温度或燃料流量）；②用于克服剧烈干扰（干扰进入副回路可被快速克服）；③用于对象有较大非线性或负荷变化大的场合；④用于实现均匀控制。设计关键——副回路应包含主要干扰、时间常数适当（不宜过大或过小）、副变量可测。（二）均匀控制系统【识记】★★均匀控制系统的目的：使前后两个有关联的变量（如精馏塔进料量和塔釜液位）都在允许范围内缓慢变化，统筹兼顾，而不是使某一变量保持恒定。【领会】★★均匀控制系统的特点：①两个被控变量都是变化的，不要求恒定；②两个变量的变化都是缓慢的、非周期衰减的；③结构上可以是简单控制系统或串级控制系统，但控制器参数整定不同（比例度大、积分时间长，使控制作用弱）。【简单应用】★★均匀控制系统的方案：①简单均匀控制——一个液位控制器控制出口流量，比例度大、积分时间长；②串级均匀控制——液位控制器输出作为流量控制器给定值，主副控制器均采用大比例度和长积分时间。（三）比值控制系统【识记】★★比值控制系统：使两种或两种以上物料保持一定比值关系的控制系统。如燃烧控制中燃料与空气的比值、混合过程中各组分流量的比值。【领会】★★比值控制系统的类型：①开环比值——主流量变化时控制从动量，无反馈，结构简单但从动量无抗干扰能力；②单闭环比值——主流量经比值器作为从动量控制器给定值，从动量闭环控制，能克服从动量干扰，最常用；③双闭环比值——主流量和从动量均闭环，可克服各自干扰，主流量也稳定；④变比值控制——比值可根据第三个参数（如成分、温度）调整。【简单应用】★★主、从动量选择原则：①在生产中起主导作用、不可控或较昂贵的物料选为主动量；②以供应能力确定的物料为主动量；③主动量应较稳定或需要保持稳定；④从动量跟随主动量变化。一般情况下，主要物料流量为主动量，辅助物料流量为从动量。【综合应用】★★比值控制系统的定义及控制方案的实施：比值K=从动量Q2/主动量Q1。实施方案——①相乘方案：用比值器（乘法器）将主动量信号乘以K作为从动量给定值；②相除方案：用除法器计算Q2/Q1比值作为被控变量。工程上常用相乘方案。（四）前馈控制系统【识记】★★前馈控制系统的定义及特点：定义——测取进入系统的干扰量，根据干扰的数学模型直接产生补偿作用，在干扰影响被控变量之前就将其克服。特点——①开环控制，按干扰补偿；②控制及时，理论上可完全补偿干扰；③不检查控制效果（开环）；④一种前馈只能克服一种干扰；⑤只能克服可测不可控的干扰。【领会】★★前馈控制系统是开环控制系统：前馈控制器输出直接控制阀门，被控变量不反馈回来，信号不形成闭合回路。完全补偿条件：前馈补偿装置的传递函数等于对象干扰通道传递函数与控制通道传递函数之比的负值。【简单应用】★★前馈-反馈控制系统的特点及方框图：在前馈基础上增加反馈回路，前馈克服主要干扰，反馈克服其他干扰并检查最终效果。特点——①前馈及时补偿主要干扰；②反馈保证被控变量稳定；③不需要精确的数学模型（反馈可补偿前馈误差）；④控制质量高。方框图：干扰→前馈控制器→控制阀→对象→被控变量；同时被控变量→反馈控制器→控制阀（前馈和反馈输出相加）。【综合应用】★★前馈控制系统的应用场合：①干扰幅值大、频率高且可测不可控；②对象滞后大、反馈控制不及时；③主要干扰可测但反馈控制难以满足要求。如换热器进料流量变化前馈补偿、锅炉汽包水位前馈-反馈控制。（五）选择性控制系统【识记】★★选择性控制系统的定义及特点：定义——在控制系统中设有选择器，当生产过程接近危险区域或某一条件满足时，选择器自动切换控制方案，以保证生产安全或满足特定要求。特点——①有两个或多个控制器或变送器；②通过选择器（高选器HS或低选器LS）实现控制方案切换；③正常工况下按正常控制方案运行，异常工况下自动切换到安全控制方案。【领会】★★选择性控制系统的类型：①选择器在控制器与控制阀之间（两个控制器输出经选择器选一个控制阀门）；②选择器在变送器与控制器之间（两个测量信号经选择器选一个送控制器）；③操纵变量选择性控制。【简单应用】★★积分饱和的产生条件及抗积分饱和的措施：产生条件——在选择性控制系统中，未被选中的控制器如果有积分作用，由于偏差长期存在，其输出会不断积分达到极限值（饱和），当需要该控制器重新投入时不能及时动作。抗积分饱和措施——①限幅法——限制控制器输出范围；②外反馈法——用选择器实际输出作为两个控制器的积分反馈信号；③积分切除法——控制器被选中时才投入积分，未选中时仅比例作用。（六）分程控制系统【识记】★★分程控制系统的定义及特点：定义——一个控制器的输出同时控制两台或多台控制阀，每台控制阀在控制器输出的不同区段内动作。特点——①一个控制器、多台控制阀；②各阀门动作区间不同；③可用于扩大控制阀可调比、满足工艺操作特殊需要、节能控制。【领会】★★一台控制器输出同时控制多台控制阀：控制器输出4-20mA分为若干段，如阀A在4-12mA动作，阀B在12-20mA动作，通过阀门定位器调整各阀门的动作范围。【简单应用】★★分程控制系统的应用场合：①用于扩大控制阀可调比，改善控制品质（大小阀并联，小负荷小阀动作，大负荷大阀也动作）；②用于满足工艺特殊要求（如反应器温度控制，冷剂阀和热剂阀分程）；③用于节能控制和环保控制（如储罐氮封分程控制，小输出补气、大输出排气）。三、本章重点与难点【本章重点】①串级、比值、前馈、分程控制系统特点。【本章难点】前馈-反馈控制系统特点及方框图。第八章新型控制系统一、学习目的与要求了解自适应控制系统特点、用途及主要类型；掌握预测控制系统特点及应用；理解智能控制、专家控制、模糊控制、神经元网络控制等基本概念。二、核心知识点（一）自适应控制系统【识记】★★自适应控制系统的特点：能自动辨识过程特性和环境变化，自动调整控制器参数或控制策略，使系统始终运行在最优状态。具有辨识、决策和修改三个基本功能。【领会】★★自适应控制系统的主要用途及分类：用途——用于对象特性随时间变化（时变对象）或不确定的场合。分类——①模型参考自适应控制系统（MRAC）——设定一个参考模型，系统输出跟踪参考模型输出；②自校正控制系统（STC）——在线辨识对象模型参数，自动校正控制器参数。（二）预测控制系统【识记】★★预测控制系统的基本结构及其与传统PID的不同点：基本结构——①预测模型——基于模型预测过程未来输出；②滚动优化——在每个采样时刻优化未来一段时间的控制作用，只执行当前一步，下一时刻重新优化；③反馈校正——用实际输出修正预测。与PID不同——PID基于当前偏差，预测控制基于未来偏差预测；PID参数固定，预测控制在线滚动优化；预测控制能处理大滞后和多变量约束问题。【领会】预测控制系统的应用：适用于大滞后、多变量耦合、有约束的复杂工业过程控制，如精馏塔、催化裂化、蒸汽锅炉等。典型算法有模型算法控制（MAC）、动态矩阵控制（DMC）、广义预测控制（GPC）。（三）其他新型控制系统【识记】★★智能控制系统：具有学习、推理、适应和自组织能力，能处理不确定性、复杂性和模糊性信息的控制系统，是人工智能、自动控制和运筹学的交叉。★★专家控制系统的结构组成：将专家经验和知识以规则形式存入知识库，通过推理机模拟专家决策过程进行控制。组成——知识库、推理机、数据库、解释器、知识获取。★★人工神经网络（ANN）：由大量人工神经元互连组成的并行信息处理网络，具有学习、记忆、归纳和容错能力。基本结构包括输入层、隐含层和输出层，通过训练调整连接权值。【领会】★★模糊控制系统的优点及几种方法：优点——不需要精确数学模型，能利用专家经验，对非线性、时变、滞后系统控制效果好，鲁棒性强。方法——模糊化（将精确量转为模糊量）、模糊推理（基于模糊规则）、去模糊化（将模糊输出转为精确量）。神经元网络控制系统：利用神经网络的学习能力和非线性映射能力，对复杂过程进行建模和控制。可用于系统辨识、预测控制、自适应控制等。【简单应用】★★解耦控制系统：在多变量控制系统中，各控制回路之间存在耦合（相互影响），解耦控制通过设计解耦装置（补偿器）消除回路间的耦合，使各回路独立控制。常用方法有前馈解耦、对角矩阵解耦、相对增益分析。【综合应用】★★鲁棒控制系统：在对象模型存在不确定性（参数变化、未建模动态）的情况下，仍能保持良好控制性能和稳定性的控制系统。鲁棒控制通过设计固定控制器，使系统在一定不确定性范围内稳定且满足性能要求，如H∞控制。三、本章重点与难点【本章重点】自适应、预测、智能、专家、模糊、神经元网络控制系统特点。【本章难点】人工神经网络。第九章计算机控制系统一、学习目的与要求掌握计算机控制系统的基本组成与原理框图；熟悉基本特点；理解发展过程；深刻理解DCS特点与基本构成；理解FCS结构特点与技术特点；理解网络控制系统特点与分类。二、核心知识点（一）概述【识记】★★计算机控制系统的定义：利用计算机（工业控制计算机、PLC、DCS等）来实现生产过程自动控制的系统。计算机接收测量信号，按控制算法运算后输出控制信号。【领会】★★计算机控制系统的工作过程：①实时数据采集——测量被控变量；②实时决策——对采集的数据按控制算法运算；③实时控制输出——输出控制信号；④信息管理——数据存储、显示、报警、通信。上述过程不断重复。【简单应用】★★计算机控制系统的特点：①控制规律由软件实现，灵活可变；②可实现复杂控制算法和先进控制；③可实现多回路集中控制；④具有数据存储、显示、报警、通信和管理功能；⑤精度高、可靠性高；⑥需要A/D和D/A转换。★★计算机控制系统的组成：①硬件——主机（CPU、存储器）、过程输入输出通道（AI、AO、DI、DO）、人机接口设备、通信接口、系统总线；②软件——系统软件（操作系统）和应用软件（控制程序、组态软件）。计算机控制系统的发展过程：①直接数字控制（DDC）阶段——20世纪60年代，一台计算机直接控制多个回路；②集中型计算机控制阶段；③集散控制系统（DCS）阶段——70年代中期，分散控制、集中管理；④现场总线控制系统（FCS）阶段——90年代，全数字、全分散；⑤工业互联网和云控制阶段。【综合应用】★★集散控制系统（DCS）的特征：①分散控制——控制功能分散到各现场控制站；②集中操作和管理——操作站集中监视和操作；③分级递阶结构——现场控制级、过程管理级、生产管理级；④局部网络通信；⑤可靠性高（冗余技术）。★★现场总线控制系统（FCS）的产生背景：DCS中现场设备与控制站之间仍采用4-20mA模拟信号传输，一对线只能传一个信号，成本