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过程控制系统与仪表第一章1 过程控制系统主要任务：对生产过程中的有关参数（温度 压力 流量 物位等）进行控制使其保持恒定或按一定规律变化 在保证产品质量和生产安全的前提下使连续生产过程自动进行下去2 特点：1） 控制对象复杂 控制要求多样2） 检测方案丰富3） 控制多属于慢过程控制4） 定值控制是过程控制的一种主要形式5） 过程控制系统由规范化的过程检测仪表组成过程控制分类方法1按设定值的形式不同划分1） 定值控制系统2） 随动控制系统3） 过程控制系统2按系统地结构特点分1） 反馈控制系统2） 前馈控制系统3） 前馈反馈复合控制系统稳态 ： 对于定值控制 当控制系统输入不变时 整个系统若能达到一种平衡状态 系统各个组成环节暂时不动作它们的输入输出信号都处于相对静止状态 就是稳态动态 ： 从外部扰动出现 平衡状态遭到破坏 自动控制装置开始动作 到整个系统又建立新的稳态 调节过程结束的这一段时间整个系统的各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中 叫动态控制系统的过度过程 ： 系统从原来的平衡状态经过动态过程达到新的平衡状态的动态历程稳定过渡过程 ：不稳定过渡过程 系统的控制作用能否使被控参数回到原来的设定值用阶跃输入分析过渡过程 外部扰动阶跃变化时 被控参数响应曲线与设定阶跃变化时的特征是相同的通常采用设定值阶跃变化时被控参数响应的典型曲线来定义控制系统的单项性能指标 主要有衰减比 超调量与最大动态偏差 静差 调节时间 震荡频率等第二章 计算题会选择仪表精度思考与练习题 2-3 某压力表的测量范围为010MPa，精度等级为1.0级。试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa时，标准压力计上读数为5.08MPa，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？解答：1）基本误差= 最大绝对误差max0.01100.1MPa2）校验点为5 MPa时的基本误差：0.81 ，所以符合1.0级表。2-4 为什么测量仪表的测量范围要根据被测量的大小来选取 选择一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题？2-5 有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为1) 1.0级，0250mA2）2.5级，075mA现要测量50mA的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？解答：分析它们的最大误差：1）max25012.5mA；2）max752.51.875mA；选择2.5级，075mA的表。第三章控制仪表的作用 ： 将被控变量的测量值与给定值相比较 根据比较的结果（偏差）进行一定的数学运算 并将运算结果以一定的信号形式送往执行器 以实现对被控变量的自动控制比例控制 ： 为实现适当控制 控制器的输出应当根据偏差的大小连续变化 使控制伐的开度也连续变化 这样就有可能获得与对象复合相适应的操纵量 从而使被控变量趋于稳定 能够达到平衡 此模式为连续控制 比例控制为最基本的连续控制模式比例积分控制： 当有偏差存在时 输出的信号将随时间增大或减小 当偏差为零时输出停止 保持在某一值上 所以积分控制组成的系统可以达到无余差比例微分控制 ：特点是能起到超前控制作用 即按照偏差变化的速度控制 能在偏差很小时提前增大控制作用 微分控制必须和比例控制组合作用比例积分微分控制： 特点是达到快速控制 消除余差 DDZ-3型PID运算电路组成 输入电路 给定电路 PID运算电路 自动与手动切换电路 输出电路 指示电路 3-11结构框图 DDZ-3调节器 通过切换开关S1可以选择 自动调节“A” 软手动操作“M” 硬手动操作“H”A.M切换 A.H切换 无扰 M. H 切换 无扰第四章执行器作用 执行器是自动控制的操作环节 其作用是根据控制器送来的控制信号改变所操作介质的大小 将被控量维持在要求的数值上气动调节伐的结构 气动调节伐是由气压控制的阀门 一般还配有辅助装置 如阀门定位器 提高阀门开度定位的准确性手轮机构 当控制信号因故障中断时其可直接操纵控制伐 维持正常生产气动调节伐结构与分类结构有1 执行机构 当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时 阀杆向下移动的叫做正作用执行机构 反之为反作用执行机构2调节机构 阀芯在阀体内移动 改变阀芯与阀座之间的流通面积 介质流量也相应改变当阀杆下移 阀芯与阀座流通面积减小的称为正作用式 若阀芯倒装 面积增大 为反作用式调节伐的流量特性 指流过阀门的流体相对流量 和阀门的相对开度间的关系 公式 1阀门的固有流量特性 在调节伐前后压差固定的情况下得出的流量特性 其取决于阀芯的形状 特性分为1） 直线流量特性 调节伐的相对流量与相对开度呈直线关系 直线伐的放大系数在任何一点都是相同的 但其对流量的控制每一点都是不同 直线伐在流量小时 流量变化相对直大 流量大时 相对值小 阀门在小开度是控制作用强 大开度时 控制作用弱2） 等百分比流量特性 调节伐的放大系数随相对流量的增大而增大 在不同的行程处 流量变化的相对值都是相等的百分数 在大小开度时控制能力不变3） 快开特性 开度小时 流量变化迅速 随开度增大 流量很快达到最大值 023631175582 调节伐的工作流量特性 实际的工艺装置上 调节伐由于和其他阀门设备管道串联 阀门两端的压力随流量的变化而变化 此时的特性叫工作流量特性阀组比S= 表示存在管道阻力的情况下 阀门全开时 阀门前后的最小压差 占总压力的比值 S越小流量特性的变形程度越大 一般不低于0.33 调节伐 气开式 无压力信号时伐全开 随着压力信号增大 阀门逐渐减小的气动调节阀气关式 无压力信号时全闭 随着信号增大 阀门逐渐开大的气动调节伐4 调节伐口径的选择C= 流通能力 压差 流体密度 最大流量 5使用电气转换器 气动调节阀能运用于易燃易爆环境的优点还不能被电动调节阀取代 为了使气动调节阀能接受电动调节器的输出信号 必须使用电气转换器把调节器输出的标准电信号 转化成20-100kpa的标准气压信号 6阀门定位器 气压推力受到的阻力 还有阀体和阀杆处的填料对阀杆的摩擦力 和阀门内流体对阀芯的作用力 这些力大小不确定 会影响执行机构与输入信号之间的定位关系 使执行机构产出回环特性 严重是造成调节系统震荡思考题与习题4-1 气动调节伐主要由哪两部分组成 各有什么作用解答：1）执行机构和调节机构。2）执行机构的作用：按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作； 调节机构的作用：由阀芯在阀体内的移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而改变被控介质的流量。4-3 为什么说双座伐产生的不平衡比单座阀小4-4 什么叫调节伐的理想流量特性和工作流量特性 常用的调节阀理想流量特性有哪些解答：1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。 工作流量特性：在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为工作流量特性。2）常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、快开特性4-7 什么是串联管道中的阀组比S S值的变化为什么使理想流量特性发生畸变解答：1）阀阻比：用阀阻比表示存在管道阻力的情况下，阀门全开时，阀门前后的最小压差占总压力po的比值。2）在S1时，由于串联管道阻力的影响，使阀门开大时流量达不到预期的值，也就是阀的可调范围变小。随着S值的减小，直线特性渐渐区于快开特性，等百分比特性渐渐趋近于直线特性。4-9 如图 所示蒸汽的加热器对物料进行加热 为保证控制系统发生故障时 加热器的耐热材料不被烧毁 式确定蒸汽管道上的气开 关形式4-10 为什么合理选择调节阀的口径 也就是合理确定调节阀的流通能力C很重要第五章1 被控过程的数学模型 描述被控过程在输入作用下 其状态和输出的数学表达式2建立被控过程数学模型的方法1）机理法 根据生产过程中实际发生变化的机理写出相关的平衡方程 必须对生产过程的机理充分了解 最大优点就是能在没有系统设备之前 就能得到被控过程的数学模型 2）测试法 用测试法建模时 可以在不十分清楚内部机理的情况下 把被研究对象视为一个黑匣子 完全通过外部特性来描述他的性能 3 单容过程建模 求其传递函数 画结构框图 4 自衡特性 在扰动作用破坏平衡工况后 被控过程在没有外部干预的情况下 自动回复平衡的特性5容量滞后 多容过程对于扰动的响应在时间上的延迟6纯滞后 在生产过程中 经常遇到除容量滞后外由传输延迟引起的滞后 7怎样得到可靠的阶跃响应曲线 1） 合理的选择阶跃输入信号的幅度2） 试验是被控过程应处于相对稳定工况3） 要仔细记录阶跃曲线的起始部分4） 多次测试 消除非线性5）8为什么要用矩形脉冲法测定被控过程的阶跃响应曲线阶跃响应曲线直接测定法简单易行 但是当扰动输入信号幅度较大 较长时间存在时 被控参数变化幅度可能超出允许范围而影响生产过程 可能造成产品质量问题或者安全问题 为了能够施加比较大的扰动幅度 而又不至于严重干扰产生 可用矩形脉冲输入代替阶跃输入 测出被控过程的矩形脉冲响应曲线 再根据此曲线求出阶跃响应曲线思考题与习题5-1什么是被控过程的数学模型解答：被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。5-2建立被控过程的数学模型的目的是什么 过程控制对数学模型有什么要求解答：1）目的： 设计过程控制系统及整定控制参数； 指导生产工艺及其设备的设计与操作； 对被控过程进行仿真研究； 培训运行操作人员； 工业过程的故障检测与诊断。2）要求：总的原则一是尽量简单，二是正确可靠。阶次一般不高于三阶，大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式。5-3建立被控过些数学模型的方法有哪些 各有什么要求和局限性5-4什么是流入量 什么是流出量 它们与控制系统的输入输出有什么区别和联系解答：1）流入量：把被控过程看作一个独立的隔离体，从外部流入被控过程的物质或能量流量称为流入量。 流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。2）区别与联系： 控制系统的输入量：控制变量和扰动变量。 控制系统的输出变量：系统的被控参数。5-5机理法建模一般试用什么场合解答：P128对被控过程的工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换有密切关系。5-6什么是自衡特性 具有自衡特性的被控过程系统框图有什么特点解答：1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。2）被控过程输出对扰动存在负反馈。5-7什么是单容过程 多容过程解答：1）单容：只有一个储蓄容量。2）多容：有一个以上储蓄容量。5-8 什么是过程的滞后特性 滞后有哪几种 产生的原因是什么 解答：1）滞后特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后。2）容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后。纯滞后：在生产过程中还经常遇到由（物料、能量、信号）传输延迟引起的纯滞后。5-9对如图所示的液位过程 输入量为Q1 流出量为Q2 ，Q3 液位h为被控参数 水箱截面为A 并设R1，R2为线性液阻 1） 列出液位过程的微分方程组2） 画出液位过程框图3） 求出传递函数H(S)/Q1(S) 并写出放大倍数K和时间常数T 的表达式（1） （2）框图 （3） 5-10 以Q1为输入 h2为输出 写出图5-10串联双容液位过程的微分方程组 并求出传递函数H2(S)/Q1(S)1）方程组： 2）传递函数： 式中：第六章1单控系统 指由一个测量单元及变送器 一个控制器 一个调节伐 和一个被控过程组成的 并只对一个被控参数进行控制的但闭环反馈控制系统特点 结构简单 投资少 易于调整 操作维护方便 又能满足多数工业生产的控制要求 应用广泛2 工程控制系统方案要求 安全性 稳定性 经济性 3 控制通道时间常数对品质的影响4被控参数的选择 必须根据工艺要求 深入分析生产过程 找出对产品的产量和质量 安全生活 经济运行 环境保护 节能降耗 等具有决定性作用 能较好反映生产工艺变化的参数作为被控参数选择方法 1） 直接参数法 选择能够直接反映生产过程产品产量与质量又易于测量的参数2） 选择与质量指标有单值对应关系 易于测量的变量作为参数 间接反映产品质量与产量5控制变量的选择 理论上讲 所有允许控制的变量都可以作为控制变量 但在单输入单输出SISO系统中只能有一个控制变量 原则上 在考虑生产过程特点和产品特点的情况下 要从所有允许控制变量中 尽可能的选择一个对被控参数影响显著 控制性能好的输入变量作为控制变量 当控制变量选定后 其他所未被选中的变量均视为系统干扰6 干扰通道的静态放大系数Kf越大 外部扰动对被控参数的影响越大 所以 Kf越小越好 7过程（通道）动态特性对控制品质的影响P179-1808控制变量选择的一般原则1） 控制变量应是可控的 即在工艺上允许调节的变量2） 一般比其他干扰对被控参数的影响灵敏3） 为了使干扰对被控参数的影响小 应使干扰通道的放大系数Kf尽量小 时间常数Tf尽量大4） 被控过程存在多个时间常数 在选择设备及控制参数时 应尽量使时间常数错开 使其中一个时间常数比其他时间常数大很多 同时注意减小其他时间常数5） 在选择控制变量时 除了从提高品质的角度考虑外 还要考虑工艺的合理性 生产效率 生产过程经济性9传感器 变送器选择 原则与注意事项1） 传感器 变送器测量范围与精度等级的选择2） 尽可能选择时间常数小的传感器 变送器3） 合理选择检测点 减小测量纯滞后4） 测量信号的处理10 调节阀的气开 气关作用方式选择原则1） 人身安全 系统与设备安全原则2） 保证 产品质量原则3） 减少原料和动力浪费的经济原则4） 基于介质特点的工艺设备安全原则11 调节器的正负作用的选择（重点）P186-18912积分调节 与比例积分调节对系统控制质量的影响P189 比例微分调节对系统控制品质的影响P191 比例积分微分对系统控制品质的影响P19213 调节规律的选择原则1） 比例调节 对象调节通道 小 负荷变化与外部扰动小 工艺要求不高 可选用比例调节2） 积分调节 没有静差 动态偏差大 调节时间长 只能用于有自衡特性的简单对象 3） 比例积分调节 既能消除静差 又能较快动态响应 多用于对一些调节通道容量滞后较小 负荷变化不大的调节系统 使用最多4） 比例微分调节 提高稳定性 是系统比例系数增大 加快调节过程 减小动态偏差和静差 在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合不使用微分调节5） 比例积分微分调节 综合各个调节优点 但是对于对象滞后很大 负荷变化剧烈 频繁的被控过程 采用PID达不到要求时 应用串级控制 前馈控制等复杂控制系统14调节器参数工程整定法 1） 稳定边界法2） 衰减曲线法3） 反应曲线法4） 经验试湊法四个方法的特点 方法 P195思考题与习题6-1简单控制系统由几个环节组成解答：测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。6-5选择被控参数应遵循那些基本原则 什么是直接参数 什么是间接参数 两者区别解答：1）原则：必须根据工艺要求，深入分析、生产过程，找出对产品的产量和质量、生产安全、经济运行、环境保护、节能降耗等具有决定性作用，能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数。2）直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数3）间接参数：与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量，间接反映产品质量、生产过程的实际情况。4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。6-6选择控制变量时 为什么要分析被控过程的特性 为什么希望控制通道放大系数K0要大 时间常数T0小 纯滞后越小越好 而干扰通道的放大系数Kf尽可能小 时间常数Tf尽可能大解答：1）控制变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性密切相关。2）控制通道的静态放大系数K0越大，系统的静态偏差越小，表明控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好。时间常数T0小，被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时，从而获得良好的控制品质。纯滞后0的存在会使系统的稳定性降低。0值越大，对系统的影响越大。3）扰动通道的静态放大系数Kf越小，表明外部扰动对被控参数的影响越小。时间常数Tf越大，外部干扰f（t）对被控参数y（t）的影响越小，系统的控制品质越好。6-7当被控过程存在多个时间常数时 为什么尽量使时间常数错开由自控理论知识可知，开环传递函数中几个时间常数值错开，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。6-8选择检测变送装置时要注意哪些问题 怎么克服或减小纯滞后1）P184-1、2、3、42）合理选择检测点。6-9调节阀口径选择不当 过大或过小带来什么问题 正常情况下调节阀开度在什么范围解答：1）调节阀口径选得过大，阀门调节灵敏度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。 调节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利。2）正常工况下要求调节阀的开度在15%-85%之间。6-10选择调节阀气开气关的首要原则是什么保证人身安全、系统与设备安全是调节阀开、关作用方式选择的首要原则。6-11调节器在正反作用方式的首要原则是什么确定原则是整个单回路构成负反馈系统。第七章7-5 在串级控制系统中当主回路为定值（设定值）控制时，副回路也是定值控制吗？为什么？P212不是，副回路是随动控制。7-8 在某生产过程中，通过加热炉对冷物料加热，根据工艺要求，需对热物料出口温度进行严格控制。对系统分析发现，主要扰动为燃料压力波动。故设计如图7-43所示的控制系统。要求：（1）画出控制系统框图；（2）为保证设备安全，炉温不能过高。确定调节阀的气开、气关形式。（3）确定两个调节器的正反作用。解答：（1）控制系统