过程控制与自动化仪表知识点

1、1. 过程控制系统由被控过程和自动化仪表两部分组成。2. 自动化仪表按能源形式分为：液动、气动和电动。按信号类型分为：模拟式和 数字式。3. 模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号与电动仪表的模拟信号。4. 气动仪表的输入/输出模拟信号统一使用0. 020. impa的模拟气压信号。5按照国际电工委员会规定，过程控制系统的模拟直流电流信号为4、20ma dc, 负载电阻为250q；模拟直流电压信号为1、5v dco ddz-iii型电动单元组合仪表 就是这种信号标准。6. 气动仪表与电动仪表的能量供给分别来自于气源和电源。1. 过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。2. 引用误差计算公式：

2、/ = -xl00% （其中为最犬绝对误差，等于实x xmax min测值x减真值x的最大差值，bp a = x-xal , xmax与xmin为测量表的上下限值）3精确度及其等级:最大引用误差去掉“土”与“”。例：±5%的精度等级为 0. 5o4. 热电阻在500 °c以下的中、低温度适合作测温元件（理解公式 &）=他l+a（t-t。）,其中r（t）为被测温度t时的电阻值;ro为参考温度仏时 的电阻值，通常to二o°c,（1为正温度系数）；金屈热电阻适用于-200°c50（rc； 热敏电阻为-50"300°co5. 热电阻接

3、线有二线制、三线制、四线制三种接法，其中三线制可利用电桥平衡 原理消去导线屯阻。6热敏电阻由于互换性较差，非线性严重，且测温范围在-50300£左右，所以 通常较多用于家电和汽车的温度检测和控制。7. 由于热电偶具有测温精度高、在小范围内线性度与稳定性好、测温范围宽、响 应时间快等优点，因此在工业牛产过程中应用广泛。当温度高于2000°c时热电 偶不能长期工作，需采用非接触式测温方法。8当被测为运动物体时，采用非接触式测温方法。体积流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：qv =vaa = va累积：2v =£qvdt质量流量表示瞬时流量与累积流量：瞬吋：qm=q4v累

4、积：qm = pqv （ p为流 量密度）标准状态下的体积流量：qvn=cim/pn=civp/pn （几为标准状态下气体密度）9. 典型流量检测仪表有容积式流量计、速度式流量计、直接式质量流量计。10. 红外式气体检测仪缺点：不能保证被测组分的含量与电容量一定存在线性 关系；它不能用于对双原子分子气体（如氧气、氯气等）和单原子分子气体（如 氮气等）的检测；一台仪表只能检测一种被测气体的成分。11. 氧气成分检测常用的检测方法有热磁式、电化学式等。12. 量程调整是指在零点不变的情况下将检测仪表的输出信号上限值y.和与被测参数的上限值xx相对应。1.常将调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等称

5、为过程控制仪表。2调节器由控制单元和指示单元组成，控制单元包括输入电路、pd与p1电路、 输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信 号指示电路。3. ddz-iii型调节器的自动、软、便手动的切换过程中只有软手动切换至便手动需 平衡后切换才能实现无扰动切换。4. 过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道。前者主耍由多路模拟开 关、采样/保持器和a/d转换器等组成；过程输出通道包括模拟量输出通道和开 关量输出通道。1. 过程的数学模型可分为静态数学模型和动态数学模型。被控过程的数学模型，依照过程特性的不同而有所不同，一般可分为有自衡特性 与无自衡特性、单容特性

6、与多容特性、振荡与非振荡特性的等。2. 对于二阶惯性环节，若tl/t2=0. 32时应用一阶环节，若等于0. 46时为二阶环 节1.当系统瞬态响应曲线达到0 = 0.750.9的衰减率时，对应衰减比为4:广10:1。简答计算：1. 長全火花型防爆系统必须具备两个条件：一是现场仪表必须设计成安全火花 型；二是现场仪表与非危险场所(包括控制室)之间必须经过安全栅，以便对送 往现场的电压电流进行严格的限制，从而保证进入现场的电功率在安全范围之 内。2. 简述下图所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/ 输出变量名称和所用仪表的名称。硼时咖:淞狀俏燃血血 梃逹皿：0财处入紐制为;机

7、則水址統诃/):旬耐涮幣入铀为：址杭切水出枕动知/)戕咖加3. 如图所示是一类简单锅炉汽包水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说 明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？（i）某一标定为1（）060（rc的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下:被校表读数厂 c100150200250300400500600标准表读数/"c1021492042562964034956061）试求该仪表的最大绝对误差。2）确定该仪表的精度等级。3）经过一段时间后，仪表的最大绝对误差为±79,问此时仪表的精度等级为多少?控制系统框图：被控参数：汽包水位 控制参数：上水流量干扰

8、蔘数：蒸汽流量变化q: 1）取七|中的最大值，计算可知最大绝对误差等于土2）仪表引用误差人=±最大曹負误差x 100% = ± “ x 100%二±1.2% 符合15级精度。1量程600-1003）仪表引用误差“ =±最大曹更魅 x 100% = ± “jx 100% = ±1.4% ,符合1.5级精度。量程600-1003.设计题（1）用分度号为k的银珞镰硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示 值为600°c,此时冷端温度为5（tc。试问实际温度是多少？如果热端温度不变，使冷端温度 为20°c时

9、，此时显示仪表指示值应为多少？q： 1）査k分度表，知6（mtc对应的热电势为24.902m*由题意可知这热电势是由热端温度为fc ,冷端温度为50 的 k热电偶产生的，即f（r,50）= 24.902m v ,又查k表知e(50,0) = 2.022mv , :. 0) = (650)+ £(500) = 24.902 + 2.022 = 26.924mv,再查 k 表得 t 约为6489。2) f(r,20)= £(r,0)-£(20,0) = 2626mv ,再査k表，与26. 126mv热电势对应的温度为 l 628.8c.5.5. ntc、ptc、ctr

10、型热敏电阻的温度特性曲线及各自特点:ntc型热敏电阻常用于测量较宽范围内 连续变化的温度，尤其是测量低温时， 其灵敏度更高；而ptc型热敏电阻是在 某个温度段内其阻值随温度上升而急剧 上升;ctr型热敏电阻是在某个温度段内 其阻值随温度上升而急剧下降。因此它 们一般只能作为位时温度检测元件使 用。7热电偶测温为何进行冷端温度补偿？补偿方法有哪些？补偿导线可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，此外，由国家标准规定的热电 偶分度表通常是在冷端温度6二0°c时制定的。当to不为零且经常变化时，仍会 产生测量误差。为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可进行冷 端温度校正。冷端温度校

11、正的常用方法有查表校正法和电桥补偿法。8. ddz-iii差压变送器两种情况：-1图254 取压口装有隔离罐血况r左图中，输入变送器的差压为：ap = p -p2 = pgh + /?gh,可见，当h=0时, p = pgh严0,变送器的输出大于4ma dc信号。为了使h二0,时变送器的输出仍 为4madc信号，需要通过零点迁移达到上诉目的。由于pgho,所以称为止迁 移。右图中，设隔离液的密度ppp ,则差压变送器测得的差压为：ap = pi-p2 =pgh + qg（h-h?）,式中,pjgchj -h2）0 ,所以需要进行负迁移。9. 调节器的作用是将变送器送来的p5v dc测量信号，与

12、15v dc的给定信号进 行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行ptd运算，输出420ma dc信号, 最后通过执行器，实现对过程控制参数的自动控制。10. 三种理想流量特性的数学关系及应用特点：直线流量特性是指流过调节阀 的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变 化是常数；对数（等百分比）流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变 化与该点的相对流量成正比关系；快开流量特性是指在小开度时就有较人的流 量，随开度的增大，流量很快达到最大（成反比）。11在过程控制系统中，为什么要使用电/气转换器？简述其工作原理。1）用途：为了使气动阀能够接收电动调节器的输出信号

13、，必须使用电/气转换 器把调节器输出的标准屯流信换为201 ookpa的标准气压信号。2）原理：由电动调节器送来得电流i通入线圈，该线圈能在永久磁铁的气隙屮 自由上下移动。当输入电流1增大时，线圈与磁铁间产生的吸力增大，使杠杆作 逆时针方向转动，并带动安装在杠杆上的挡板靠近喷嘴，使喷嘴挡板机构的背压 升高，并经气动功率放大器的放大后，输出20lookpa的气压信号p,完成电/ 气转换。12在过程控制中，为什么要使用阀门定位器？它的作用是什么？阀门定位器采用了深度负反馈，因而能克服阀杆上的摩擦力，消除流体不平衡力 的影响，改善了执行器的静特性；此外，由于它使用了气动功率放大器，增强了 供气能力，

14、加快了执行机构的动作速度，改善了执行器的动态特性；第三，还可 通过改变反馈凸轮的形状，使调节阀的线性、对数、快开流量特性互换，以适应 控制系统不同的控制要求。13如图，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事故状态下，为保护加热器设 备安全，即耐热材料不被损坏，现在蒸汽管道上有一只气动执行器，试确定其气 开、气关形式，并画岀由pid调节器构成的控制系统结构框图。答：调节器选气开型。当控制信号屮断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使 设备不致因温度过高而发生事故或危险。zizl14阶跃响应曲线法试验注意事项：试验测试前，被控过程应处于相对稳定的 工作状态，否则会使被控过程的其他变化与试验所得的阶跃响

15、应混淆在一起而影 响辨识结果；在相同条件下应重复多做几次试验，以便能从几次试验结果屮选 取比较接近的两个响应曲线作为分析依据，以减少随机干扰的影响;分别作止、 反方向的阶跃输入信号进行试验，并将两次实验结果进行比较，以衡量过程的非 线性程度；每完成一次试验后，应将被控过程恢复到原来的工况并稳定一段时 间再做第二次试验；输入的阶跃幅度不能过人，以免对生产的正常进行产生不 利影响。但也不能过小，以防其他干扰影响的比重相对较大而影响试验结果。阶 跃变化的幅值一般取正常输入信号最大幅值的10%左右。（5）某水槽水位阶跃响应的试验记录为:t/s01020406080100150200300 h/nim0

16、9.51833455s63788695 98其中阶跃扰动量a “为稳态值的10%。1）画出水位的阶跃响应标幺值曲线。2）若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益k 和时间常数t。q： 1）阶跃响应标幺值儿（/）二也=也，图略。 j（oo） 982）一阶惯性环节传递函数心沪令，又耐“皿放大系数k= =护10,15.时间常数t=100s,是达到新的稳态值的63%所用的时间。16被控参数的选取原则：对于具体的牛产过程，应尽可能选取对产品质量和 产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接进行测试 的工艺参数作为被控参数；当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接 参数有单值函

17、数关系的所谓间接参数作为被控参数；当采用间接参数时，该参 数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效 果；被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、 售后服务等因素。17控制参数的确定：选择结果应使控制通道的静态增益k°尽可能大，时间常 数t。选择适当；控制通道的纯滞后时间t。应尽可能小，t。与t。的比值一般应 小于0.3。当比值大于0.3时，则需采取特殊措施，否则难以满足控制要求。 干扰通道的静态增益ki应尽可能小；时间常数a应尽可能人，其个数尽可能多； 扰动进入系统的位置尽可能远离被控参数而靠近调节阀。1&调节规律的选择：当

18、广义控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入 微分调节；当工艺容许有静差时，应选用pd调节；当工艺要求无静差时，应选 用pid调节，如温度、成分、ph值等控制过程属于此类范畴。19. 三种工程整定方法的特点、比较：特点：a)反应曲线法是一种开环整定方 法，是得到被控过程的典型参数z后，再对调节器参数进行整定的；b)临界 比例度法是一种闭环整定方法，不需测试动态特征，方便简洁，使用方 便；c)衰减曲线法与临界比例度法类似，都是依赖系统在某种运行状况下的 特征信息对调节器进行参数整定的，无需单据被控的数学模型，但不同的是无需 出现等幅振荡过程。比较：反应曲线法的适应性较广，并为调节器参数的最佳

19、 整定提供了可能；与其他两种方法相比，所受试验条件的限制也较少，通用性较 强。临界比例度法和衰减曲线法都是闭环试验整定方法，其优点是无需掌握被 控过程的数学模型。但是，这两种方法也都有一定的缺点，如临界比例度法对生 产工艺过程不能反复做振荡试验、对比例调节是木质稳定的被控系统并不适用； 而衰减曲线法在做衰减比较大的试验吋、观测数据很难准确确定，对于过程变化 较快的系统也不宜釆用。从减少干扰对试验信息的影响考虑，衰减曲线法和临 界比例度法都要优于反应曲线法。20. 比例控制对控制质量有什么影响？1) 比例调节是一种有差调节，当调节器采用比例调节规律时，不可避免的会使系 统存在稳态误差2) 比例调

20、节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，就要减小比 例度，需要增大调节器比例增益k3) 比例调节不适用于给定的值随时间变化的系统4) 增大比例调节的增益k,不仅可以减小系统的稳定误差，而且还可以加快系统 的响应速度。调节阀为气关式。】)km1脚黑(a)删m 紘(b)棚絲21 试确定题图中各系统调节器的正反作用方式。设燃料调节阀为气开式，给水解：(a)对加热调节控制系统，依题意采用气 开式，当偏差越大，输岀控制量越大，(即e /u/阀气开)而阀打开，燃料才加 大，通常应关闭，则输出为反作用。(b)对给水阀调节器系统，已知给水阀为气关式，水位低，输出需u越小，水位高，输出需u越大，增小

21、流量，阀开度增小，即调节器为 正作用，如图(b)o22.已知对象控制通道阶跃响应曲线数据如下表所表示，调节量阶跃变化为 u=50o时间min00.20.40.60.s1.01.2被调量200.1201.1204.0227.0251.02s0.0302.5时间min1.41.61.82.02.22.4被调量31s.0329.5336.0339.0340.5340. 61. 用一阶惯性环节加纯迟延近似对象，求岀ko、to和t值。2. 应用动态特性参数法选择pid调节器参数。y(°°)t21nl y()(/|)-t】lnl-yo(t2)lnl-0()-lnl-y0(t2)（2）

22、3 = = 3.3r w gc （s）=公-p ko23.2-（6）某液位系统采用气动刃调节器控制.液位变送器量程为：（）、（液位力由朱变到100时，变送器送出气圧由0.02仍7到0mpa ）.当调节器输出气压变化3 = 0.024伽时，测得液位变化见表5-10.液位变化數摒(/s01020406080100140180250300a/7 mm000.52s*913.52229.53639391 ）调节器旳養轶整老3和斤.2 ） 如液位变送器董卷改为o5o/77 , 为保持衰减丰p不变、应改变调节器明卩个奏软？ 如何v乞变（3習大还，是咸小）?k。39/(100-0)0.02/(0.1-0.02)“7亓".1x1.两= 0.572t =3.37 = 3.3x50 = 1655（2）液位变送器量程较小，由公式k°二3戦一航