过程控制系统复习题库

1、第一章绪论1. 1-1 .过程控制（英文： Process Control ）是生产过程自动化的简称,泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、 建材、核能等工业生产中的连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,是自动化技术的重要组成部分。1.1- 2.连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、 物质能量的转换或传递。1.1-3.从控制的角度，通常将工业生产过程分为三类，即：连续型、离散型和混合型。过程控制主要是针对连续 生产过程采用的控制方法。1.1-4.过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制一一“工业四大参数”是：温度、压力、流量、

2、 物（液）位的自动控制，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 动地进行下去。1.1-5.过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对 象、设备构成的一个整体1.1-6.在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图 来表不控制系统。1.1-7.过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行 控制，使其保持恒定或按一定规律变化。1.1-8.过程控制的特点：.控制对象一一被控过程复杂、控制要求多样.控制方案丰富多彩.

3、控制过程大多数属于慢过程与参数控制（4）.定值控制是过程控制的主要形式.过程控制系统由规范化的、系列化的检测与控制仪表或自动化装置组成1. 2-1 .过程控制装置与系统的发展过程1） .局部自动化阶段（20世纪5060年代）：自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能2） .模拟单元仪表控制阶段（20世纪6070年代）：控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模 拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。3） .集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）1. 3-2 .系统阶跃响应的单项性能指标.衰减比、衰减率衰减比：定义为两个相邻的同相波峰值之比，即n

4、 工 （曳）;n取整数，习惯上常表示为y3B2n :1,例如 4:1、10:1衰减率：定义为一个周期后波动幅度衰减的程度，即一y3 1 -y3 1 1yiy1n.最大动态偏差、超调量最大动态偏差：指在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一峰值超出稳态值的幅度，y1 = B1超调量：指最大动态偏差占被控量稳态值的百分比，y 100%y().残余偏差：系统设定值 r与稳态值y()的差值，即e( ) r y()(4).调节时间、峰值时间、振荡频率调节时间ts：指系统从干扰开始到被控量进入新稳态值的土5%(或土 2%范围内所需时间，通常用 ts表示。峰值时间tp：指系统从干扰开始到被控量达到最大值所需时

5、间，通常用 tp表示。振荡频率：指两个相邻同向波峰值之间的时间倒数，它与调节时间和峰值相关，通常用表示1. 3-3 .系统阶跃响应的综合性能指标.偏差积分 IE (Integral of Error ).绝对偏差积分 IAE(Integral Absolute value of Error).平方偏差积分 ISE (Integral of Squared Error )(4),时间与绝对偏差乘积积分 ITAE(Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error)1. 3-4-1 .某换热器的温度控制系统，给定值为200 C。在阶

6、跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡过程时间(土2%)o解：最大偏差：A = 230-200 = 30 C ;余差： C= 205-200 = 5 C;衰减比： n = y1: y3 =(230-205) : (210-205) = 25:5 = 5:1振荡周期：T=20-5=15min过渡时间：t=22min-# - / 391. 3-4-3 .某化学反应器工艺规定的操作温度为（90010） C,考虑安全因素，要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80Co现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、衰减比、振荡

7、周期，过渡过程时间（土2%该系统能否满足工艺要求？-3 - / 39解：最大动态偏差：A 950 900 50 C一”y95090842盘减比：n- -4.2y91890810振荡周期：T 45 5 40min余差：C9089008 C过渡过程时间：47min因为最大动态偏差 50c小于要求的80C,所以该系统能满足工艺要求。1. 3-4-5 .某发酵过程工艺规定的操作温度为（402） C,考虑发酵效果，要求控制过程中温度偏离给定值最大不得超过6C。现设计的定值温度控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（土2%）和振荡周期，该系统能否满足工艺要求?

8、解：最大动态偏差：A 45 40 5 c余差：C 41 40 1 Cy145414-最减比:n4:1y342411过渡过程时间：23min振荡周期：T 18513min因为最大动态偏差 5c小于要求的6C,所以系统能满足工艺要求。2、说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可以分哪几类？它们具体是?过程控制系统的分类方法很多，通常使用的“大”类分类方法有两种：按设定值的形式不同划分，按系统结构的特点分类。根据设定值的形式，闭环控制系统可以分三类：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。按系统结构的特点分类：开环系统、反馈控制系统、前馈控制系统、前馈一一反馈复合控制系统。第二章过程参数的检

9、测与变送2. 1检测仪表的基本技术指标2. 1-1 ,真值%:被测量物理量客观存在的真实数值。许多物理量的真值是按国际公认的方式认定的，即使用“认定设备”的检测结果作为真值。通常，各个国家或国际组织将其法定计量机构的专用设备作为“认定设备”、它的检测精度在这个国家或国际组织内被认为是最高的。用这种方法确定的所谓 “真值”不是真正意义上的真值， 而是一种“约 定真值”，一般记为Xa；实际校验仪表时，用精确度较高的“标准表”所测得的表曲值作为“标准值”，有人称之为“传递真彳T Xo,2.1- 2.绝对误差=在用仪表（或被校验仪表）的测出值一“真值”（或器件铭牌上的标称值）绝对误差的表示：必须有“

10、+”或“一”号、数值的大小、单位（量纲） ！绝对误差的符号：一般人们使用x xt、 x xo或 a ao或a A2.2- 3.相对误差：某测量点的实际相对误差：A 100%A标称相对误差：a - 1O0%aa引用误差一一满度相对误差：量程一一测量范围：Sfs B xmax xmin某一个测量点满度相对误差:FS 100%B模拟连续输出仪表在测量范围内的最大满度相对误差:FSm100%B2. 1-4 .具有连续模拟显示仪表的基本特性基本误差：基本误差是指仪表在 “国家”规定的标准条件下使用时出现的误差；通常与最大满度相对误差密切联系;-13 - / 39a 表示：%号后取接近的标准系列值精确度一

11、一简称精度：国家统一规定了仪表的精度等级系列数值，用某仪表的精度等级 a是将该仪表的最大满度相对误差去掉土号和例2-1 .某台测温仪表的测量范围为-100700 C,校验该仪表时测得全量程内的最大绝对误差为+5C,要求确定该仪表的精度等级,一5解：Fsm 100%。625%；因为 0.5 0.625 1.0;700 ( 100)校验仪表时取偏大值，即1仪表的精度等级为 1.0级。例2-2 .选择一台测量压力的仪表，测压范围为08MPa根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过土0.05MPa,要求确定满足工艺要求的仪表的精度等级解：FSm -05 100%0.625%； 因为 0.5 0.625

12、1.0;8选择仪表时取偏小值，即1仪表电精度笠级为0：5级。灵敏度:表示指针（模拟量显示）式测量仪表对被测参数变化的敏感程度,常以仪表输出变化量（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此输出变化量（位移）的被测参数变化量之比表示灵敏限：表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限分辨力：是指仪表能够显示的、最小被测值。变差：在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程） 范围之比称为变差2.1- 5. 测试题（习题、补充题）1.某一标尺为01000 c的温度计，出厂前校验数据如下:标准表读数/C0

13、2004006008001000被校验表读数/C02014026048061001求：该表最大绝对误差；仪表的精度；如果工艺要求允许最大误差为土5C,该表是否能用?解:标准表读数/C02004006008001000被校验表读数/C02014026048061001绝对误差0+ 1+2+4+6+ 1满度相对误差+0.1%+0.2%+0.4%+0.6%+0.1%最大绝对误差：+6 C如果工艺要求允许最大误差为土5C,该表maxa SFS1001 100010 C,不能用100仪表的精度：1级标准表读数/MPa0246810被校验表读数/MPa正行程01 . 983. 965. 947. 979.

14、 99反行程02. 024. 036. 068. 0310. 01求：变差；基本（最大满度相对）误差；该表是否符合1级精度。解:标准表读数/MPa0246810被校验表读数/MPa正行程01 . 983. 965. 947. 979. 99反行程02. 024. 036. 068. 0310. 01绝对误差正行程0-0. 02-0. 04-0. 060. 03-0. 01反行程0+ 0. 02+ 0. 03+ 0. 06+ 0. 03+ 0. 01变差0.040.070.120.060.0200. 4%0. 7%1 . 2%0. 6%0. 2%满度相对误差正行程0-0. 2%-0. 4%-0.

15、 6%0. 3%-0. 1%反行程0+ 0. 2%+ 0. 3%+ 0. 6%+ 0. 3%+ 0. 1%变差：0. 12%基本（最大满度相对）误差：土0. 6%该表的变差为1. 2%,不符合1级精度?仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度！照这个条件该表不符合1级精度！3 .如果某反应器最大压力为1.0MPa,允许的最大名对误差为 0. 01MPa现用一台测量范围为 01. 6MPa精度为1级的压力表进行测量， 问：能否符合工艺要求？若用一台测量范围为01. 0MPa精度为1级的压力表进行测量， 问:能否符合要求？解：测量范围为01. 6MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为：ma

16、xa SFS1001 1.61000.016 MPa大于0. 01MPa不能符合工艺要求测量范围为01. 0MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为:maxa Sfs1001 1.01000.01 MPa,等于0. 01MPa从允许的最大绝对误差角度，能符合工艺要求，但量程不符合！4 .如果某反应器最大压力为0. 8MPa允许的最大名对误差为 0. 01MPa现用一台测量范围为01. 6MPa精度为1级的压力表进行测量，问：能否符合工艺要求？若用一台测量范围为01. 0MPa精度为1级的压力表进行测量，问：能否符合要求？解：测量范围为01. 6MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差

17、为：a SFSmax1 1.61001000.016 MPa大于0. 01MPa不能符合工艺要求测量范围为01. 0MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为:maxa SFS1001 1.01000.01 MPa,等于0. 01MPa从允许的最大绝对误差角度，能符合工艺要求，量程也符5 .某温度控制系统，控制温度为800C,要求绝对误差不超过土 7C,现选择一台测量范围为 01200C、精度等级为1.0级的仪表，问：是否合适？如果不合适，应如何选择？解：测量范围为01200C、精度等级为1。0级的仪表，其最大误差：a SFSmax-7TT-1001 1200人1 120012 C, 12

18、c大于7C,不合适100应选择测量范围为01200C、精度等级为 0。5级的仪表a SFS max - 1000.5 12006 C, 6c小于 7C,合适1002. 2温度检测及仪表2. 2-0 .温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。2. 2-2 .热电偶1 .热电偶是以热电效应为原理的测温元件,能将温度信号转换成电势信号（ mV 。特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量5001600c之间的温度。2 .将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同,回路中会产生电势。此电势称为热电势。 3 .热电偶回路总电势由接触电势和温差电

19、势叠加而成,称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构 成。4 .热电偶的基本定律均质导体定律：热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。但其几何形状截面和长度等不限。第三导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三导体两端温度相同,第三导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。5 .热电偶冷端温度补偿：热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热 电偶冷端温度恒定。但实际使用的热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶 冷端延至温度稳定处。为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶

20、丝在低温区的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。6 .热电偶的冷端温度校正：1）查表法、2）电桥补偿法、7 . 2-3 .热电阻1 .对于500c以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进 行中低温度的测量。2 .金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。3 .钳材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259+630 C间的基准器，但线性度稍差，常用于 -200+600 C温度测量。4 .钳电阻的电阻温度关系：Rt R01 At Bt2 C(100 t)t3(-2000 C)Rt

21、 R1 At Bt2( 0850C)钳电阻有两种分度号：Pt10 , Pt1005 .铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于 -50+100 C温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50 ,Cu100 。电阻温度关系：RtR1t(-50150 C)6 .热电阻的三线制接法：电阻测温信号通过电桥转换成电压时,热电阻的接线如用两线接法，垂线电阻随温度变 化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。7 . 2-4 .集成温度传感器：1 .集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。特点：体积小、反应 快、线性较好、价格便宜，测温范围为 -50150C。2 .

22、集成温度传感器按输出量形式不同，可分为电压型、电流型和数字型三类。3 . 2-6 .温度变送器1.检测信号要进入控制系统，必须传递符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热 电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。2,现代电控系统：模拟控制系统的信号标准是：II 型：070mA 010V; III型：420mA 15V。数字控制系 统的信号标准有：FF协议、HART协议等。补充习题、例题、典型题1.用分度号K的热电偶测量某设备的温度，在没有采用冷端补偿措施的情况下，显示仪表的指示值为500 C,而这时冷端温度为 60Co此时实际温度为多少？如果热端温度保持不变，设法使冷

23、端温度保持为20 C,此时显示仪表的指示值为？解：E(t,t。)E(t0,0)E(t,0)t 550E(500,0) 20.640E(60,0) 2.436E(t,t0) E(t0,0) 20.640 2.436 23.07623.076 22.772 10 55723.198 22.772使冷端温度保持为 20 CE(t,t。)E(t/ ,0)E(557,0)22.278E(20,0) 23.076 0.798 22.278t/53022.27822.346 21.91921.919 , 10 538.44.用Pt100钳电阻测温，在查表时错用了Cu100的分度表，查得温度为140 C,问：

24、实际温度为多少?解：查Cu100的分度表:140 C- R 159.96 q查Pt100的分度表Rt 159.96 - t 157.1C。5.某温度控制系统，最高温度为700C,要求测量的绝对误差不超过土10C,现有两台量程分别为01600C、01000 c的1.0级温度检测仪表，试问应该选择哪台仪表更合适？如果两台量程均01000C,精度等级分别为 1.0级和0.5级，那么又应该选择哪台仪表更合适?解：因为maxa Sfs100同为1.0级仪表，量程为01600 c的仪表， maxa Sfs100160016;量程为01000c的仪表，100a SfsmaxJ-100100010100同为量

25、程为01000c的仪表，精度为1.0级的仪表 maxa SFS100100010010已经能够满足要求；从经济角度考虑，不必选用 0.5级的仪表。6.现用一支馍铭一铜馍热电偶测量某换热器的温度，其冷端温度为30 C,显示仪表为动圈仪表、机械零点为0 C,这时仪表显示值为 400 C,若认为换热器的温度为430 C,对不对？正确值是多少?解：不对！热电偶的热电势是非线性的查表可知:显示仪表测出的毫伏值E(t,t0)E(t,30)E(400,0) 28.943mV热端温度保持不变:冷端温度为 30C, E(to，0)E(30,0) 1.801 mV热电偶的热电势 E(t,0)E(t,30) E(3

26、0,0) 28.943 1.80130.744 mV查表得：t 422 c。7.用馍铭一馍硅热电偶测量炉温，其冷端温度为30 C,测得热电势为 33.29mV,求被测炉子的实际温度？解：查馍铭一馍硅热电偶的分度号为K的分度表：E(30,0) 1.285mVE(t,30) 33.29mVE(t,0)E(t,30) E(30,0) 33.29 1.285 34.575 Mvt 831.55 c8.某台动圈式仪表是与馍铭一馍硅热电偶配套使用的，但错接了钳铐10钳热电偶，仪表指示为201 C,(冷端温度为0C!)问实际温度为多少？解：解馍铭一馍硅热电偶的分度号为K的分度表：E(201,0) 8.177

27、 mV查钳铐10钳热电偶的分度号为 S的分度表：E(t,0) 8.177; t 875.8 C2. 3.压力检测及仪表2. 3-1 .压力检测的方法1 .工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”2 .工程中压力的表示方式有：表压、负压(真空度)、差压、绝对压力。3 .国际单位制(SI”定义的压力的单位是“帕斯卡” 一一1Pa =1N/m2、1MPa =106Pa;过去常用的压力单位是：1工程大气压 =1kgf/cm 2 = 9.80665 x 104Pa=0.980665 x 105Pa= 0.1MPa4 . 3-2 .压力表的选择、安装与校验1 .为了合理、经济使用仪表，仪表的量

28、程不能选得太大，但为了保证测量精度，一般被测压力的最小值不低于仪 表满量程的1/3为宜:同时为了延长弹性元件的使用寿命，避免弹性元件因长期受力过大而永久变形，压力计的上限值应该高于被测量的最大值(量程的3/42/3 ),留有余量2 .仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差Amax来确定的。不能认为选用的仪表精度越高越好，应在满足工艺要求的前提下，尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表习题：1 .反应器最大压力为 1.0MPa,允许最大绝对误差为0.01MPa。现用一台测量范围为 01.6MPa、精度为1级的压力表进行测量，能否满足要求？若采用一台测量范围为01.0MPa、精度为1级的压力表进

29、行测量，能否满足要求?解：测量范围为01.6MPa、精度为1级的压力表:maxa Sfs1.6 11001000.016 0.01 ;不能满足要求测量范围为01.0MPa、精度为1级的压力表：满度值等于被测量值，不能满足要求2 .检定一块1.5级、亥侬为0100MPa的压力表，发现在50MPa处的误差最大，为1.4MPa,这块压力表是否合格?解：该表的最大引用误差为1 4FSmm 100 % 100 %1.4% 1.5%SFS1000这块压力表合格3 .测量稳定压力时，仪表最大量程应为测定值的1.5倍，测量波动压力时，仪表最大量程应为测定值的2倍。2. 4.流量检测及仪表2. 4-1 .流量指

30、单位时间内流过某一截面的流体数量。可以是瞬时流量或者是平均流量。1 .流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为：“节流式流量计”、速度式流量计、容积式流量计、质量 式流量计、电磁式流量计、2 .流量的基本概念：瞬时流量（单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量）与累积流量（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）；体积流量、重量流量与质量流量。3 .流量的检测方法（1）体积流量检测方法：容积法（单位时间内排出流体的固定体积数）和速度法（管道内的平均流速乘以管道面积）；（2）质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度）和直接法（仪表直接测得）。4 . 4-2 .“差压式流量计”1 .速度式流量

31、计一一节流式一一（变差压式）一一孔板、挡板、文丘里管一孔板流量计：2 .节流现象：流体在流过节流装置时,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。3 . 4-3 .转子流量计1 .差压式流量计对管径小于 50mm低雷诺数的流体的测量精度是不高的。而转子流量计则特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。2 .转子流量计，是以压降不变、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、变地 流面积的流量测量方法3 .生产厂是在工业标准状态下(20C, 0.10133MPa),用水或空气进行标度。对液体测

32、量，仪表示值代表20c时水的流量值。对气体测量，则是代表20C, 0.10133MPa压力下空气的流量值。实际使用时，须对指示值进行修正例题与参考题1. 用水刻度的转子流量计，转子由密度为7900kq/m3的不锈钢制成，测量范围为。10L/min ,用它来测量密度为 0.831kq/L的苯的流量，测量范围为多少?解:Kj(zs)j(72901000) 83109(zj)s(7290831) 1000八 1八 1QjQ010 11.1 L/min。Kj 0.92. 5.物位检测及仪表3. 5-1 .概述1 .物位的含义：包括液位：容器中液体介质的高低料位：容器中固体物质的堆积高度界面：两种密度不

33、同液体介质的分界面的高度2 .物位测量仪表可分为下列几种类型。静压式物位测量：利用液体或物料对某定点产生的压力随液位高度而变化的原理而工作。浮力式物位测量：利用浮子所受的浮力随液位高度而变化的原理工作。电气式物位测量：利用敏感元件将物位的变化转换为电量参数的变化，而得知物位。核辐射式物位测量：利用核辐射线穿透物料时，核辐射线的透射强度随物质层的厚度而变化的原理进行测量。声学式物位测量：测量超声波在物质中传播时间的长短，据此可测出物位。光学式物位测量：利用光波在传播中可被不同的物质界面遮断和反射的原理测量物位。p与液位高度H之3 . 5-2 .差压式液位变送器1.用差压变送器测量某储罐的液体，差

34、压变送器安装位置如图；导出变送器所测出的差压值间的关系。变送器零点要不要迁移？如果迁移，迁移量?解: pPoigHighi；PPo2 gh2；pppigH g （ ihi2卜2）H0时，pg（ihi2hJ0需要零点迁移H。时，pg（八2hJ0需要零点正迁移H。时，pg（八2hJ0需要零点负迁移本题12； hi h2；需要负迁移，迁移量 p g （h2 h1）第三章过程控制仪表3. 0.概述1 .控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较,得出偏差后，按一定的调节规律进行运算,输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。2 .控制仪表按工作能源分类有：电动

35、仪表、气动仪表、自力式仪表3 .控制仪表的发展基本上分为三个阶段：基地式仪表：将检测、控制、显示功能设计在一个整体内，安装在现场设备上或控制室内。单元式组合仪表：单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元（例变送单元、给定单元、控制单元、显 示单元等），每个单元只完成其中的一种功能；其中的控制单元是接受测量与给定信号，然后根据它们的偏差进行控制 运算，运算的结果作为控制信号输出；各个单元之间以统一的标准信号相互联系。以微处理器为中心的控制仪表（装置）：内设微处理器，控制功能丰富，很容易构成各种复杂控制系统。在自动控制系统中广泛应用的有：工业控制计算机（ DDS;集散控制装置（DCS;单回

36、路数字控制器（SLPC;可编程数字控制 器（PL。；现场总线控制装置（FCS）4 . i.基本控制规律及特点1 .所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。2 .控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定信号和测量信号经 比较环节比较后得到偏差信号e ,它是设定值信号r与测量信号x之差。3 .控制规律有断续控制和连续控制两类3. 1-1 ,双位控制1 .双位控制器只有两个输出值,相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。如果控制温度, 被控温度在to上下振荡，无法稳定。2 .三位控制：控制器有三集俞出位值，可以控制两个2世里器

37、。温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度快;温度偏差小时，小幅调整。3 . 1-2 .比例控制（P）1 .控制器输出y（t）和偏差信号e（t）成比例关系；比例控制（P）的传递函数为：Gc （s）水2 .比例控制的特点：控制及时、适当。只要有偏差,输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强； 控制结果存在静差3 .在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度P来表示比例控制作用的强弱。4 .所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。3. 1-3 .比例积分控制（PI）1 .当要求控制结果无余差时，就需要在比例控制的基础上，加积分控制作用。2 .积分（

38、I）控制：输出变化量 y与输入偏差e的积分成正比3 .积分控制的特点当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某 一值上。积分作用具有保持功能，故积分控制可以消除余差。输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故积分作用不单独使用4 .若将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差11.一 -1 t . c /。、 izT I s5.比例积分（PI）控制：时域方程 _u（t） 二oedt ，传递函数：G c （s） K c K iT I s1113. 1-4 .比例微分控制（PDI I1 .对于惯性较大的对象,常常希望能加快控制速度，此时可增加微分作用。2 .

39、理想微分P或PI结微分作用能超前控制。 在偏差出现或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和 合，组成PD控制或PID控制。3 .理想的比例微分控制4 .理想微分作用持续时间太短，执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。de5 .理想微分：y TD ；实际微分：在单位阶跃信号作用下dt生ty 1 (Kd 1)e Td习题:6 . DDZ-ni控制器，比例度=50%积分时间TI=0.2min ,微分时间TD=2min,微分放大倍数 KD=10。假定输出初始值为4mA在t 0

40、时施加0.5mA的阶跃信号，试写出在该阶跃信号作用下比例、 积分、微分输出的表达式；计算t 12s时控制器的输出信号值。比例输出:Ii0.5 1mA积分输出:IlTiIi微分输出:1(Kd0.5dt10.51)e (KD/TD)t10.2Ii12,0.5 1 mA60(10 i)e (10/2)(12/60) 0.5 9e 1 3.3 mA 0.5t 12 s时控制器的输出信号值IO I0 IP IT I D 9.3mA7. DDZ-ni控制器，比例度=80%积分时间=0.4min ,微分时间Td =2.4min ,微分放大倍数 a=10。假定输出初始值为6mA在t 0时施加0.4mA的阶跃信

41、号，试写出在该阶跃信号作用下比例、积分、微分输出的表达式；计算t 24s时控制器的输出信号值。解:比例输出:Ii0.4 0.5 mA积分输出:IITiIi微分输出:1 (Kd0.8dt0.80.4240 4 0.5 mA601)e(KD/TD)tIi(10 i)e(10/0.4)(24/60) 0.4 4.5e11.65mA0.8解:-23 - / 39t 12s时控制器的输出信号值I o I 0 I p I t I d 7.85 mA9.某比例积分控制器输入、输出均为420mA若将比例度设为100%积分时间TI =2min ,稳态时输出为5mA某瞬间，输入突然增加了 0.2mA,试问经过5m

42、in后，输出将由5mA变化到多少?解：，对于比例输入：控制器输入、输出均为420mA比例度某瞬间，输入突然增加了 0.2mA,输出增量KpTiIi tKp1IO KP Ii P Ii t 1 0.2 0.2 5 0.7mATi2则经过5min后，输出将由5mA变化到IO 5 0.7 5.7mA3. 2.模拟式控制器1 .模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。2 .单元组合仪表的发展经历了 I型（用电子管） 、n型（用晶体管）和出型（用集成电路）。3 . 2-1 . DDZ-ni型仪表的特点1 .采用统一信号标准：420mADC和15V DC这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电

43、、 断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。2 .广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。3 .可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。4 . 3.数字PID控制器1 .数字调节器的特点是采样一次、计算一次。必须把连续方程用离散方程表示。第n次采样时:1ynenPTi inei T0enen 1 .TD综合实用简答题2 .位式控制是怎样的？答：位式控制是断续控制一一控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。被控温度在T）上下振荡，无法稳定。三位控制控制

44、器有三个输出位值，可以控制两个继电器。温度三位控制效果：温度偏差大时，升温速度快；温度偏 差小时，小幅调整。3 . DDZ-ni基型调节器有哪几部分组成？答：DDZ-ni基型调节器的主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换电路、输出电路及指示电路等组成。4 . DDZ-ni基型调节器的软手动与硬手动有什么区别？各用在什么场合？答：软手动时：调节器的输出是随着时间按一定的速度增加或减少；硬手动时：调节器的输出数值完全由硬手动操 作杆的位置所决定。通常情况下，都是用软手动操作扳键进行手动操作的，这样的控制比较平稳、精细；只有当要求给出恒定不变的操作信号，或者在紧急

45、时刻要一下子就控制到“安全开度”等情况下，才使用软手动。5 .什么叫控制器的无扰动切换？答：基型模拟调节器一般都具备自动与手动两种功能；在进行自动与手动两种功能切换时，在切换瞬间，应保持控 制器的输出不变，这样保证执行器的位置在切换过程中不至于突变、不会对生产过程引起附加的扰动，着称为“无扰 动切换”。6 .什么是调节器的正作用、反作用？答：工程上，通常将调节器的输出随反馈输入的增大而增大时，称为正作用调节器；而将调节器的输出随反馈输入的增大而减小时，称为反作用调节器。7 .从控制器的发展及结构原理来看，主要有哪几种类型？答：.基地式仪表：将检测、显示、控制、乃至记录功能设计在一个整体内。安装

46、简单、使用方便。但一般通用性差，只适用于小规模、简单控制系统。.单元式组合仪表：单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元(例如变送单元、给定单元、控制单元、显示单元等)，每个单元只完成其中的一种功能。其中的控制单元是接受测量与给定信号，然后根据它们的偏差进行控制运算，运算的结果作为控制信号输出。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。.以微处理器为中心的控制仪表(装置)：内设微处理器，控制功能丰富，很容易构成各种复杂控制系统。DDZ-m型组合仪表习题择选1. . DDZ-ni基型调节器，输入彳t号阶跃变化了0。5mAM,其输出信号由6mA变化到7mA试求调节器的比例放大系数Kp与比例度

47、。解：DDZ-ni基型调节器的输入、输出均为420mA所以：100%0.5100% 50%；0。502. 一台DDZ-ni型温度控制器，测量的全量程为0800C,当温度阶跃变化了 40c时，控制器的输出由 6mA变化到8mA试求控制器的比例度 。e/(Xmax Xmin)40/8001/200.440%p/(Pmax Pmin)(8 6)/(20 4)2/163. 一台DDZ-ni型温度控制器，测量的全量程为 01000C,当温度阶跃变化了40c时，控制器的比例度=50%试求控制器的输出变化。e/(xmax x min ) . p /( p m ax p m in )50 %, e 40e/(

48、xmaxxm in )/(pmaxpm in)40 /10001。28 mA 0。5/165. DDZ-m比例积分控制器，若将比例度设为200%,稳态时输出为5mA,某瞬间，输入突然增加了0.5mA,试问经过30s后，输出将由5mA变化到6mA,试问积分时间TI =多少?解：，Kr输出增量IO KP IiKPIi tTiTIKP Ii t/( IO KP Ii)0.5 0.5 30/(1 0.5 0.5) 7.5/0.75 10s6. 一台DDZ-ni型温度控制器，测量的全量程为2001200C,当温度给定值由 800c阶跃变化到了 850c时，控制器的输出由12mA变化到16mA试求控制器的

49、比例度及放大倍数；该控制器属于正作用还是反作用？e/( xmax xmin ).p /( p maxp min )(850 800)/(1200 200)100%(16 12)/(20 4)50/10004/16100%20%由于DDZ-ni型温度控制器的输入与输出都是420mA勺统一信号，所以:解:20%KP,故该控制器为反作用!因为：“调节器的反作用：（偏差=给定值一测量值）增加、调节器输出增加”执行器与安全栅4. 1.执行器1 .执行器是自动控制系统中的重要组成部分，它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的 能量，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

50、器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀门是（石油、化工、热工系统）最常见的执行器，种类繁多。3 .自动调节阀按照工作所用能源形式可分为：电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。液动调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。4 . 1-1 .气动调节阀1 .气动调节阀是由气压信号控制的阀门。气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积

51、的大小。2 .直行程输出的气动执行机构有薄膜式执行机构、气动活塞式执行机构两类。薄膜式执行机构：正作用执行机构、反作用执行机构正作用执行机构：信号压力增大时，阀杆向下移动3 .调节机构就是阀门，是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求，阀门的结构型式很多。直通单座阀：流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。直通双座阀：阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反且大小相近，可以 互相抵消，所以不平衡力小。阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。正装：阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小4 .调节阀的流量特性调节阀的阀芯位移与流量之间的

52、关系，对控制系统的调节品质有很大影响。流量特性的定义：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）间的关系称为调节阀的流量特性。固有（理想）流量特性：在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。常用的调节阀的理想流量特性有四种：（1）直线特性、（2）等百分比（对数）特性、（3）快开特性、（4）抛物线特性调节阀的工作流量特性：实际使用时，调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随流量而变化，阀前 后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变。为了表示调节阀两端压差的变化范围，以阀权度 s表示调节阀全开时，阀前后最小压差Rmin与总压力 P之比。5 .

53、调节阀的流通能力用流量系数C值表示。流量系数C的定义：在阀两端压差 100kPa,流体为水（103Kg/m）的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m3 /h ）。例如，某一阀门全开、阀两端压差为100kPa时，流经阀的水流量为 20 m3 /h ,则该调节阀的流量系数为：C=20。在调节阀技术手册上，给出了各种阀门的口径和流通能力C ,供用户查阅。实际应用中阀门两端压差不一定是100kPa,流经阀门的流体也不一定是水，因此必须换算。液体流量系数 C值的计算：C QJ-,10 p4. 2.安全栅4. 2-1 .安全防爆的基本概念1 .安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。2 .不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属I类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属n类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属m类设备。对于H类电气设备，电路电压限