第四章过程控制仪表
?本章提要
1.过程控制仪表概述
2.DDZ-Ⅲ型调节器
3.执行器
4.可编程控制器
?授课内容
第一节概述
?过程控制仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应
用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控
变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，
还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变
量达到预期的要求。
过程控制仪表包括调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。
过程控制仪表的分类：
●按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。
●按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控
制仪表、集散控制装置等。
[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。
基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。
目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。
[单元组合式控制仪表]将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。
广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。
[组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。
它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。
其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。
●按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。其中DDZ型仪表
和QDZ型仪表都属于模拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节
器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。
过程控制仪表的发展：
过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别经历了基地式、单元组合式(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、组装式及数字智能式等几个阶段。 过程控制仪表的信号制与传输方式：
为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。
调节器（控制器）分类：
●按能源形式可分电动、气动等
●按信号类型可以分为模拟式和数字式两大类
●按结构形式可分为基地式、单元组合式、组装式以及集散控制系统。
第二节DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）
1.有关DZZ-Ш型电动单元调节器的概述
控制器（调节器）-----是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。控制器使用是否得当，直接影响控制质量。
控制器特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。
控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。
DDZ—Ш型电动单元调节器-----是模拟式控制器个较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出l～5V或4～20mA 直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。
Ш型调节器的特点：
●采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性相可靠
性，降低了功耗。
●采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能。如非
线性调节器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解
决大扰动及大滞后过程的控制，还可以根据需要在调节器上附加一些单元，
如偏差报警、输出双向限幅及其他功能的电路。
●整套仪表可以构成安全火花型防爆系统．而且增加了安全单元——安全栅，
实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。
●有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡
无忧动特性，提高了调节器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有
保持状态，此时调节器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能
实现无扰动切换。所谓无扰动切换，是指调节器在不同操作方式切换瞬间
保持输出值不变，这样调节阀的开度也将保持不变，不会内于调节器不同
操作方式的切换引起被控变量发生变化，即不会产生干扰。
●采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信
号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。
Ш型调节器中的基型调节器类型：全刻度指示调节器、偏差指示调节器基型全刻度指示调节器的原理方框图：
基型全刻度指示调节器的原理线路图：
调节器结构组成：控制单元、指示单元
●控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与
PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；
●指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。
调节器的信号：
●输入信号、内设定信号：1～5V直流电压；
●外设定信号：4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V
直流电压）
调节器的工作状态：有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。
● “自动”状态：测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分
电路、比例积分电路对其偏差进行PD 和PI 运算后，再经过电路转换为4～20mA 直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。 ● “软手动”状态：可以通过选择键位调节器处于“保持’’(即它的输出保
持切换前瞬间的数值)状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。
● “硬手动”状态：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操
作杆的位置一一对应。
调节器的“正”、“反”作用：
? 正偏差-----调节器中将偏差e 定义为测量值与设定值之差（e ＝y －r ），在测
量值大于设定值时。
? 负偏差-----测量值小于设定值。
? “正”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而增加。若是负偏差，情
况相反。
? “反”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而减小。若是负偏差，情
况相反。 2. 输入电路
作用：
● 一是将测量信号V i 和设定信号V s 相减，得到偏差信号，再将偏差放大两
倍后输出；（其输出信号将送至比例微分电路。）
● 二是电平移动，将以零伏为基准的V i 和V s 转换成以电平V B （10V ）为基
准的输出信号V O1。
电路图：
电路分析：
输入电路的传递函数：
2)
()()
(1-=-s V s V s V s i o
3.比例微分电路（PD）
作用：
●接收以10V电平为基准的偏差信号V O1，进行比例微分运算，其输出电压
信号V O2送给比例积分电路。
电路图：
电路分析：
比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。
比例微分电路的传递函数：
4.比例积分电路（PI）
作用：
●接收以10V为基准的PD电路的输出信号V O2，进行PI运算后，输出以10V
为基准的l～5V电压V O3，送至输出电路。
电路图：
电路分析：
5.整机PID电路传递函数
调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。其传递函数应是这三个环节传递函数的乘积。
调节器各项参数的取值范围：（略）
由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。
6.输出电路
作用：将PID电路输出的l～5V直流电压信号转换成4—20mA直流电流输出，
它实际上是一个具有电平移动的电压—电流转换器。
电路图：
电路分析：（略）
7.手动操作电路
手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。
电路图：
电路分析：（略）
8.指示电路
输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。调节器采用双针电表，全量程地指示测量值和设定值。偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。
电路图：
电路分析：（略）
第三节执行器
1.有关执行器的概述
执行器作用：接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器安装在生产现场直接与介质接触。
执行器组成：由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。
执行器分类（按能源形式）：气动、电动、液动
气动应用最广，电动次之。
气动：输入信号为0.02～0.1MPa的压力信号，其结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆，可以与QDZ、DDZ仪表配用，因而广泛使用。
电动：动作迅速，其信号便于远传，并便于与计算机配合使用，但不适用于防火防爆等生产场合。
上述三种执行器除执行机构不同外，所用的调节机构(调节阀)都相同。
2.电动执行机构
电动执行器有直行程和角行程执行器两类。
电动执行机构的组成框图：
电动执行机构的工作原理：
来自调节器的I i作为伺服放大器的输入信号，它与位置反馈信号I f进行比较，其差值经放大后控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，改变输出轴即调节阀的开度(或挡板的角位移)。与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号，作为阀位指示与反馈信号I f。当I f与I i相等时，两相电动机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与调节器输出(即执行器的输入)信号I i成比例的位置上。
电动伺服放大器：它由前置级磁放大器、触发器、交流可控硅开关、校正回路和电源等组成。
伺服电动机：包括永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。
3.气动执行机构
结构组成：膜片、推杆、平衡弹簧
作用：是执行器的推动装置，推动调节机构动作。它接受气动调节器或电—气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。
气动执行机构有正作用和反作用两种形式。
气动执行机构有薄膜式和活塞式等。在工程上气动薄膜式应用最广。
气动执行的结构示意图：
4. 气动调节机构（调节阀）
工作原理：
根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。 种类：
直通双座调节阀、直通单座调节阀、高压调节阀、低温调节阀、套筒调节阀、三通调节阀、角形调节阀、隔膜调节阀、蝶阀、小流量调节阀、球阀、低噪音调节阀等。
5. 气动执行器的选用
应根据介质的特点和工艺要求等来合理选用执行器。具体选用时应考虑以下几个主要问题：
调节阀的尺寸选择：
调节阀的尺寸通常用公称直径D g 和阀座直径d g 来表示。D g 、d g 是根据计算出来的流通能力C 来查表选择。
p
Q
C ?=γ
流体重度调节阀前后压差；体积流量；----?--γp Q 气开式、气关式阀的选择
气开、气关式阀示意图：
在生产过程中，调节阀气开、气关形式的选择，主要是从工艺生产的安全来考虑。例：蒸气加热器选用气开阀；锅炉进水的调节阀则选用气关式。 单座阀和双座阀的选择
单座阀-----只有一个阀芯的调节阀。（适用小口径的调节阀，D g <25mm ）。阀关闭时泄漏小。
双座阀-----有两个阀芯的调节阀。（适用大口径的调节阀）。阀关闭时泄漏大。 流量特性的选择
? 调节阀的流量特性-----指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的
关系即：
)(max L
l
f Q Q ，它是调节阀最重要的特性。 max
Q Q
-----相对流量，即调节阀某一开度流量Q 与全开流量Q max 之比 L
l
-----相对开度，即调节阀某一开度行程l 与全行程L 之比 理想流量特性-----就是在调节阀前后压差一定的情况下(△p ＝常数)得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。阀芯形状有快开、直线、抛物线、等百分比四种，相应有四种流量特性。
工作流量特性-----实际工作时调节阀前后的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与阀芯相对位移之间的关系称为工作流量特性。 调节阀流量特性选择考虑的方面：
● 过程控制系统的控制质量指标：一般要求（K v K o =常数），故当过程的K o
为线性时应选择直线特性的调节阀，否则就选择等百分比特性的调节阀。 ● 配管情况：
● 负荷变化情况：在负荷变化较大的场合，选择等百分比调节阀为宜。当调
节阀经常工作在小开度时，宜选用等百分比调节阀。 常用的调节阀流量特性选择：（见下表）
调节阀的结构形式和材料的选择
调节阀的结构形式和材料可根据不同的工艺操作条件和使用要求(如温度、压力及介质的物理、化学特性)来选用。
调节阀的多种结构形式：
各种国产调节阀的特性参数、使用场合见书P123～124
6.阀门定位器
阀门定位器-----是气动执行器的主要附件。利用负反馈原理来改善调节阀的定位精度和提高灵敏度，从而使调节阀能按调节器来的控制信号实现准确定位。 阀门定位器的主要功能：
●实现准确定位
●改善调节阀的动态特性
●改变调节阀的流量特性
●实现分程控制
7.电-气转换器
作用：是气动单元组合仪表的一个转换单元。它能将电动单元组合仪表的标准统一信号(0～10mADC或4—20mADC)转换为气动单元组合仪表的统一标准信号(0.02～0.1MPa)。
工作原理：按力矩平衡原理工作
原理图：
第四节可编程调节器（数字式控制器）
1.有关可编程调节器的概述
可编程调节器-----是数字式控制仪表中较为新型的一种。可编程调节器是以微处理机为运算和控制核心，可由用户编制程序，组成各种调节规律的数字式控制仪表。
目前，我国从国外引进或组装、并广泛使用的产品有DK系列的KMM调节器、YS-80系列的SLPC调节器、FC系列的PMK调节器、VI系列的VI87MA-E调节器等。由于上述产品均控制一个回路，因此习惯上称之为“单回路调节器”。 DK系列仪表包括：KMM可编程调节器、KMS固定程序调节器、KMB批量混合调节器、KMP可编程运算器、KMK100程序装入器、KMF指示器、KMR记
录仪、KMH手动操作器、KMA辅助仪表。
可编程调节器的主要特点：
●与模拟仪表兼容
●具有极其丰富的运算、控制功能：调节器具有30个运算单元(运算模块)和
45种运算式子(即45种子程序)。根据生产实际的需要，用户只要选用相应
的模块进行组态，即可实现多种运算处理和各种过程控制，除PID控制外，
能实现前馈控制、采样控制、选择性控制、时延控制和自适应控制等。
●具有通信功能
●具有通用性强、可靠性高、使用维护方便的特点
KMM调节器的面板结构
KMM调节器的接线端子
各端子的作用见书表4-10（P128）
2.KMM可编程调节器的硬件系统
KMM可编程调节器硬件构成原理框图：
硬件各部分组成：
●CPU（中央处理单元）：是KMM调节器的核心。采用8位微处理器，完成
接受指令、数据传送、运算处理和控制功能。
●系统ROM（只读存储器）：容量为10K，存放系统程序。系统程序由制造
厂家编制，用来管理用户程序、功能子程序、人机接口及通讯等，一般用
户是无法改变的。
●用户ROM：容量2K，采用EPROM芯片，存放用户编制的程序。
●RAM（随机存储器）：容量1K，用来存放调节器输入数据、显示数据、运
算的中间值和结果等。
●WDT（监视定时器）：用来监视调节器的运行状态，一旦CPU出现异常情
况，则立即用软件使其暂停，并发出报警信号，使调节器进入手动操作。
●CTC（定时／计数器）：有定时／计数功能。定时功能用来确定调节器的采
样周期，产生串行通讯接口所需的时钟脉冲；计数功能主要对外部事件进
行计数。
●模拟量输入电路：由缓冲器、A／D转换电路等构成。有5个模拟输入信
号(1～5VDC)，它们经过缓冲器，在CPU的控制下由多路开关输入A／D
转换成数字量信号。
●模拟量输出电路：由D／A转换器、多路开关和保持器等组成。数字信号
经D／A转换输出1～5V DC和4～20mADC模拟信号，同时还输出PV、
SP模拟电压值至面板供测量和设定值显示之用。
●数字量输入电路：由晶体管阵列和门控电路组成。面板按钮和外部数字量
信号经晶体管阵列和门控电路送入输入接口。
●数字量输出电路：包括锁存器和晶体管阵列。来自输出接口的数字信号通
过锁存器和晶体管阵列送至外部开关电路。此外还引至面板供各种信号灯
用。
●I／O（输入输出接口）：由软件设定其工作方式，分别用作D／A的输入口、
数字信号的输入口和输出口，而且还输入、输出各种逻辑信号。
●键盘显示接口：由软件设定键盘扫描和显示方式，用于数据设定器的数据
修改和LED数码管显示。
3.KMM可编程调节器的软件系统
KMM调节器软件包括系统程序和用户程序（应用程序）。
系统程序
系统程序包括基本程序、输入处理程序、运算式程序和输出处理程序等：
●基本程序：是程序的主体部分．由监控程序和中断处理程序等组成。
●输入处理程序：包括折线处理、温度压力补偿、开方处理和数字滤波处理
等子程序。
●运算式程序：包括算术运算、逻辑运算、PID运算等45种子程序。每个子
程序完成一种特定的运算功能，称之为一个“运算模块”，用户最多能从中
选择30种运算模块进行组态。
用户程序（应用程序）
用户程序又称控制数据，由用户自行编制。KMM调节器采用表格式组态语言（POL）编制程序。
用户程序的控制数据种类：（7类）
●基本数据F001（用来指定调节器的类型、运算周期、是否与上位机连接等）
●输入处理数据F002（指明输入处理的种类等）
●PID运算数据F003（确定PID运算的类型、控制参数等）
●折线数据F004（决定折线表形式）
●可变参数F005（确定运算处理中使用系数、常数等）
●运算模块数据F101～F130（指定运算种类、运算单元的连接方式等）
●输出处理数据F006（指定输出信号）
控制数据由四部分组成，结构如下：
各种控制数据的构成及代码见书P130～P132。
4.KMM可编程调节器的功能
KMM可编程调节器具有输入处理功能、运算处理功能、输出处理功能、自动平衡功能、自诊断功能和通信功能。
●模拟量输入处理功能：KMM调节器可对5个模拟输入信号进行处理-----
折线处理(TBL)、温度补偿(T．COMP)、压力补偿(P．C0MP)、开平方(SQRT)
和数字滤波(D.F)。
●运算处理功能：KMM调节器的运算功能是依靠运算模块、运算单元和内
部信号的组合连接来实现的。它有45种运算模块，用户可选择其中的30
个进行组合。KMM有118种内部信号。
一个运算单元可以放置任何一种运算式。每个运算单元原则上有4个输入端子（H1、H2、P1、P2）和一个输出端子U o，运算式不同使用的端子数亦不同。
内部信号是指运算单元软端子(虚拟代号如Hl、H2、Pl、P2等)之间的联系信号。
●输出处理功能：
●自动平衡功能：
KMM调节器控制类型分为0型、1型、2型和3型共4种。编程时要将所选类型填入“基本数据表（F001）”中。
KMM调节器还有自动平衡功能，可以实现手动M、自动A、串级C之间无平衡无扰动切换。
●自诊断功能
KMM调节器在每一个运算周期内都要对各个回路和各种处理功能进行故障检查。一旦调节器发生异常情况就立即由自动切换到连锁手动(IM)或准备(S)状态。
●通信功能
与上位机进行信息交换有三种不同的通信类型：0型——不用通信、l型——一与上位机有通信，但上位机不能对调节器进行操作控制、2型——与上位机有通信，上位机可对调节器进行操作控制。用户使用哪一种通信类型，应在填写“基本数据表(F001)”时确定。
5.KMM可编程调节器的编程方法
编程的流程：
6.KMM可编程调节器的工业应用举例
天然气压力控制（见书P143～149）控制流程图：
组态图：
控制装置与仪表课程设计 课程设计报告( 2012-- 2013年度第二学期) 名称：控制装置与仪表课程设计 题目：炉膛压力系统死区控制系统设计 院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数：一周 成绩： 日期：2013年7 月5日
一、课程设计(综合实验)的目的与要求 1.1 目的与要求 （1）认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。 （2）了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。 （3）掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。 （4）初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。 1.2设计实验设备 KMM数字调节器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台1 1.3主要内容 1. 按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA 图表示出来。 2 . 组态设计 2．1 KMM组态设计 以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写 KMM的各组态数据表。 2．2 组态实现 在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。 3. 控制对象模拟及过程信号的采集 根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对 象的特性。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。 4. 系统调试 设计要求进行动态调试。动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产 过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改 时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设 备故障。动态调试一般包括以下内容： 1)观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常； 2)检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行； 3）对控制回路进行在线整定； 4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，要重新组态下装。 二、设计（实验）正文 1设计题目：炉膛压力系统死区控制系统设计（如附图1） 附图1： 引风机 炉膛压力系统死区单回路控制系统
过程控制系统与仪表王再英刘淮霞陈毅静编著 习题与思考题解答 机械工业出版社
第1章思考题与习题 1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？ 解答： 1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富 3．控制多属慢过程参数控制 4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式 5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？ 解答： 过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：参照图1-1。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？ 解答： 分类方法说明： 按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类： 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）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（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 1-5 什么是定值控制系统?
解答： 在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。 1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？ 解答： 被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 二者之间的关系： 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？ 解答： 稳态： 对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达 到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静 止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 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（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？ 解答： 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、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n； 过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A； y与最终稳态值y（∞）之比的百分数σ； 超调量：第一个波峰值 1
思考与练习题参考答案 第1章过程控制仪表的基本知识 思考与练习题 ⑴控制仪表和控制系统有什么关系？ 答：过程控制系统是实现生产过程自动化的平台,而过程控制仪表是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。 ⑵什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？ 答：信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。 控制系统仪表之间采用4～20mADC直流电流信号传送，现场变送器和控制室仪表之间采用串联连接方式。电流信号便于远距离传送，不仅节省电缆、布线方便，而且还便于使用安全栅，有利于安全防爆。 采用1～5VDC直流电压信号实现控制室内部仪表间联络。用电压信号传送的信息可以采用并联连接方式，使同一个电压信号为多个仪表所接收。在控制室内，各仪表之间的距离不远，适合采用1～5VDC直流电压作为仪表之间的互相联络信号；任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行；各个仪表既然并联在同一信号线上，当信号源负极接地时，各仪表内部电路对地有同样的电位，这不仅解决了接地问题，而且各仪表可以共用一个直流电源。 （3）防爆仪表与易燃易爆气体或蒸汽之间有何对应关系？ 答：防爆仪表的分级和分组，是与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组相对应的。仪表的防爆级别和组别，就是仪表能适应的某种爆炸性气体混合物的级别和组别，即对于教材表1.3中相应级、组之上方和左方的气体或蒸汽的混合物均可以防爆。 （4）怎样才能构成一个安全火花型防爆控制系统？ 答：构成安全火花防爆系统要求：①在危险场所使用本安仪表；②在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅。 （5）对于采用单个放大器的仪表一般如何着手进行分析？
中南大学考试试卷（模拟试卷） -- 学年下学期时间 110 分钟 过程控制仪表与控制系统课程 64 学时 4 学分考试形式：闭卷专业年级：总分100分，占总评成绩 70 % 注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上 一、填空题（本题10分，每小题1分） 1、DDZ－Ⅲ仪表标准输入信号为。 2、变送器可以通过零点迁移和，来提高仪表的测量精度。 3、调节阀的流量特性是指介质流过控制阀的之间 的关系。 4、通过对干扰通道的分析，干扰通道的放大系数越______越好，这样可减小静差，提高控制 精度。 5、前馈控制是按照进行调节。 6、从一个平衡状态达到另一个平衡状态的过程称为。 7、在锅炉设备的控制中，三大主要的控制系统是：、和 。 8、积分时间愈，积分作愈强。 9、数字PID控制规律主要有位置式和两种。 10、智能控制系统研究的主要内容有：专家控制系统、神经网络控制系统和三 种形式。 二、简答题（本题25分，每小题5分） 1、现场与控制室仪表之间是采用直流电流信号还是采用交流电压信号进行信号传输？为什 么？ 2、写出PID控制规律的数学表达式，并说明式中各符号的意义。 3、电容式差压传感器的结构如下图所示，说明电容式差压变送器测量原理？ 凹形玻璃膜片
4、什么是放大系数K，时间常数T和滞后时间 ？ 5、串级控制系统有哪些特点？主要使用在哪些场合？ 三、计算题（本题32分，每题8分） 1、一台DDZ一Ⅲ型温度比例控制器，测温范围为0～1000℃。当温度给定值由800℃变动到 850℃时，其输出由12mA变化到16mA。试求该控制器的比例度及放大系数？该控制器是属于正作用还是反作用控制器，为什么？ 2、某发酵过程工艺规定操作温度为（40±2）℃。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给 定值最大不能超过6℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示，试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入±2%新稳态值即达到稳定来确定）和振荡周期等过程指标? 3、已知阀的最大流量Q max=100m3╱h，可调范围R=30。 (1)计算其最小流量Q min，并说明Q min是否是阀的泄漏量。 (2)若阀的特性为直线流量特性，问在理想情况下阀的相对行程（l ╱L）为 0.1及 0.9 时的流量值Q。 (3) 若阀的特性为等百分比流量特性，问在理想情况下阀的相对行程为0.1及0.9时的 流量值Q。 4、为了测定某物料干燥筒的对象特性，在t0时刻突然将加热蒸汽量从25m3/h增加到28m3/h， 物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图所示。试写出描述物料干燥筒对象的传递函数，温度变化量作为输出变量，加热蒸汽量的变化量作为输入变量；温度测量仪表的测量范围0-200℃；流量测量仪表的测量范围0-40m3/h。 四、分析与应用题（本题33分，第1小题18分，第2小题15分） 1、如图为一蒸汽加热器，物料出口温度需要控制。试分别设计串级控制系统、前馈控制系统
一、填空题（每题2分，共20分） （1）控制仪表防爆措施主要有隔爆型和本质安全性。 （2）智能仪表的能源信号是24V ，标准传输信号是4~20mA 。电Ⅲ仪表的能源信号是24V ，标准传输信号是4~20mA （3）电气转换器是将4~20MA 信号转换为0.02~0.1MP 信号的设备。 （4）在PID控制器中，比例度越大系统越稳定；积分时间越短，积分作用越强；微分时间越长，微分作用越强。 （5）手动操作是由手动操作电路实现的，手动操作电路是在比例积分电路的基础上附加软手动操作电路和硬手动操作电路来实现的。 （6）DDZ-Ⅲ型控制器有自动（A）、软手动（M）、硬手动(H) 三种工作状态。 （7）执行器按所驱动的能源来分，有电动执行器、气动执行器、液动执行器三大类。 （8）常用的安全栅有：齐纳式安全栅和变压器隔离式安全栅。 （9）气动阀门定位器是按力矩平衡原理工作的，具有精确定位的功能的作用。 （10）电气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的，即具有电器转换器的作用，又具有精确定位的功能的作用。 二、名词解释(每题4分，共20分) （1）流量系数C 流量系数C：流量系数C的定义为:在控制阀全开, 阀两端压差为100kPa, 流体密度为1g/cm3时，流经控制阀的流体流量(以m3/h 表示)。 （2）“虚短” “虚短”；差模输入电压为零，即Ud＝0； （3）“虚断” “虚断”；输入端输入电流为零，即ii＝0。 （4）控制规律： 控制规律，就是指控制器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律 （5）反作用执行机构 反作用执行机构:当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫正作用执行机构(ZMA 型)；当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫反作用执行机构(ZMB 型)。 三、简答题(每题8分，共40分) 1、试述热电偶温度变送器的工作原理。 热电偶温度变送器与热电偶配合使用，可以把温度信号转换为4～20mA、1～5V的标准信号。它由量程单元和放大单元两部分组成，如图2.30所示。 热电偶温度变送器的放大单元包括放大器和直流/交流/直流变换器两部分，放大器由集成运算放大器，功率放大器、隔离输出和隔离反馈电路组成，后者有变换器和整流、滤波、稳压电路组成。放大单元的作用是将量程单元送来的毫伏信号进行电压放大和功率放大，输出统一的直流电流信号Io（4～20mA）和直流电压信号VO（1～5V）。同时，输出电流又经隔离反馈转换成反馈电压信号Vf，送至量程单元。热电偶温度变送器的量程单元原理电路如图2.34所示，它由信号输入回路①，零点调整及冷端补偿回路②，以及非线性反馈回路③等部分组成。
第1章思考题与习题 1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？ 解答： 1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富 3．控制多属慢过程参数控制 4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式 5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？ 解答： 过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：参照图1-1。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？ 解答： 分类方法说明： 按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类： 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）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（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 1-5 什么是定值控制系统? 解答： 在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？ 解答： 被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 二者之间的关系： 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？ 解答： 稳态： 对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达 到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静 止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 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（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？ 解答： 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、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n； 过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A； y与最终稳态值y（∞）之比的百分数σ； 超调量：第一个波峰值 1
第1章过程控制 1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？ 解：1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？ 解：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：由被控过程和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器，调节器和执行器）两部分组成。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？ 解：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类：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）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（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 1-5 什么是定值控制系统? 解：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？ 解：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动 态特性？ 解： 稳态：对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达到 一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 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（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在 各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？ 解：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、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ； 过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A ； 超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数σ；1 100%() y y σ= ?∞ 残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差；
实验报告 实验名称：电容式压力变送器校验实验院系：自动化系 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 实验日期：
一．实验目的 1.熟悉1151电容式差压变送器的结构原理和技术指标； 2.掌握此型号变送器的调试、检验和操作方法。 二．实验设备 1.XY1151DP3E电容式变送器（最小量程 0~1.3kpa, 最大量程 0~7.5kpa, 输出信号4-20mA ） 1台 2.数字式压力计CPC2000 1台 3.手操压力泵（-25~25kpa） 1台 4.毫安表 1块 三．实验步骤 1.实验接线 按图3-1接线，数字压力计即可测压力，又能提供24V直流电源。 电源-信号端子位于电气壳体内的接线侧，接线时，可将铭牌上标有“接线侧”那边盖子拧开，上部端子是电源信号端子，下部端子为测试端子，注意不要把电源-信号线接到测试端，否则会烧坏二极管。24VDC是通过信号线送的变送器的。 2.零点及满量程调整： 零点和满量程调整螺钉位于电气壳体内的铭牌后面，移开铭牌即可进行调校，顺时针转动调整螺钉使变送器的输出表大。 （1）零点调整： 由手操压力泵向电容式变送器高压腔轻轻加压，低压腔通大气，注意所加压力不应超过变送器的最大量程（此型号变送器量程是0—7.5KPa），向变送器压力室输入零点所对应的差压1KPa，看变送器的输出是否是4mA，若不是，调整零点螺钉使输出为4mA。 （2）满量程调整： 由手操压力泵轻轻加压，向变送器压力室输入满量程所对应的差压5KPa，看变送器的输出，是否是20mA，若不是调整量程螺钉使输出为20mA。
注意，零点调整不影响量程，但量程调整会影响零点，调整量程影响零点的量，为量程调整量的1/5。所以量程和零点须反复调整，直到符合要求为止。 3.线性度校验： 下限差压为，上限差压为，测量量程为 将相当于量程的0%，25%，50%，75%，100%的压力依次送入变送器，从输出电流表看变送器的输出电流，其误差应在精度范围之内（变送器的精度等级是0.2级）。上下行程分别校验，数据表格如下所示： 四．数据分析 1.误差分析：由于此变送器的精度等级是0.2级，量程范围是4`20mA ，所以绝对误差应小于等于0.032mA ，由表3-1、3-2可知，本次实验所用变送器经零点及满量程调节所得输出电流数据绝对误差均<0.03mA ，误差符合要求。 2.线性度分析：理论线性度满足下图， 上行程的最大绝对误差为0.02≤0.032，下行程的最大绝对误差为0.02≤0.032，在平均分配的不同点上均未超出误差限制，所以可认为该变送器线性度良好。 3.实验误差原因分析： /KPa
过程控制系统与仪表习题与思考题 解答
第1章思考题与习题 1-1 过程控制有哪些主要特点为什么说过程控制多属慢过程参数控制 解答： 1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富 3．控制多属慢过程参数控制 4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式 5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统典型过程控制系统由哪几部分组成 解答： 过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：参照图1-1。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类 解答： 分类方法说明： 按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类： 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）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（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 1-5 什么是定值控制系统 解答： 在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
《过程控制仪表与装置》实验指导书 指导书 姓名 学号 班级 成绩 日期
目录 1.《过程控制实训装置》使用说明及注意事项 3 2.《过程控制实训装置》系统原理与工艺说明 4 3.供水流量及压力控制回路实验 8 4.上水箱液位控制回路实验 10 5. 中间水箱温度回路实验 12
一．《过程控制实训装置》使用说明及注意事项 1、安全注意事项 1）上机实训前必须认真仔细阅读实验指导书。 2）严禁散落长发、衣冠不整操作设备。 3）安装设备时注意不要损坏各种阀件及气动元件。 4）请勿使用损坏的插座或电缆，以免发生触电及火灾。 5）安装时请在清洁平坦的位置，以防发生意外事故。 6）请使用额定电压，以防发生意外事故。 7）必须使用带有接地端子的多功能插座,确认主要插座的接地端子有没有漏电，导电。 8）为了防止机械的差错或故障，请不要在控制器和电磁阀附近放置磁性物品。 9）设备的安装或移动时，请切断电源。 2、使用注意事项 1）长时间不使用设备时请切断电源。 2）在光线直射, 灰尘, 震动, 冲击严重的场所请勿使用。 3）在湿度较大或容易溅到水的场所, 以及导电器械, 易燃性物品附近请勿使用。 4）请勿用湿手触摸电源插头.防止触电或火灾。 5）用户在任意分解, 修理, 改造下无法享有正常的保修权利。 6）注意切勿将手以及衣物夹进电机或气缸操作部位。
二．《过程控制实训装置》系统原理与工艺说明 1、系统方案综述及特点 本系统主要有控制柜（内含GE-FANUC标准PAC-3i系统、电源系统、控制面板）、控制对象（过程控制实训装置）两大部分组成。真正模拟了工业现场环境。它实现了温度、流量、液位、压力4个基本模拟量的单独或配合实验，和触摸屏可选择性监控等功能。同时也用到数字量方面的基本知识。这样，学生在这里不仅能学到新的知识，如ifix组态软件、触摸屏的运用等，还能得到前面所学知识的复习和巩固，它是一套综合性的实训设备。 2、系统构成示意图 为了方便学生实验和实训，并根据学校反馈信息，我们将各个部分的安装位置布置如下图： 我们针对系统构成示意图做个简单的说明： 前面说到：成套过程控制系统分成控制对象和控制柜两大部分。控制柜内含GE-FANUC标准PAC-3i系统、电源系统、控制面板等，它就相当于实际工业现场的配电室；控制对象内有模拟现场的水塔，还有工业级仪表、各种阀类等显示和执行部件，我们可以把它看成是真正的现场，各个终端实时数据都能在这里采集，方便学生观察于操作。另外，通过上位机组态，我们可以监控现场
lxc第一章思考题与习题 1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。 解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体 并释放出热量。当电石加入时，部温度上升，温度 检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控 制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调 节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。 系统框图如下： 被控过程：乙炔发生器 被控参数：乙炔发生器温度 控制参数：冷水流量 1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类： 1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。 2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。 3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。 3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？ 答：1. 余差(静态偏差）e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)
与给定值c 之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。 2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第 一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。 衡量系统稳定性也可以用衰减率φ 4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。 5． 过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％ （根据系统要求）围所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s 越小，过渡过程进行得越快。 6．峰值时间tp : 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）围所需要的时间。称为峰值时间tp 。它反映了系统响应的灵敏程度。 静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。 第二章 思考题与习题 2－1 如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h 为被控参数，C 为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求： （1） 列出过程的微分方程组； （2） 求过程的传递函数W 0（S ）＝H （S ）/Q 1（S ）； （3） 画出过程的方框图。 解：（1）根据动态物料平衡关系，流入量＝流出量： B B n ' = B B B '-= ?dt dh )Q Q (Q 321=+-h d ?
化工仪表及自动化实验 化工仪表及自动化实验 主编: 何京敏 中国矿业大学化工学院 过程装备与控制工程实验室 二零一零年十一月
目录 实验一化工仪表认识实验 (3) 实验二DCS认识实验 (5) 实验三、单容水箱液位PID整定实验 (9) 附录：实验二“天塔之光”参考程序 (12)
实验一化工仪表认识实验 实验项目性质：演示性 实验计划学时：2 一、实验原理 化工仪表通称为工业自动化仪表或过程检测控制仪表，用于化工过程控制。是对化工过程工艺参数实现检测和控制的自动化技术工具，能够准确而及时地检测出各种工艺参数的变化，并控制其中的主要参数，保持在给定的数值或规律，从而有效地进行生产操作和实现生产过程自动化。 化工仪表按功能可分为检测仪表、在线分析仪表和控制仪表。①检测仪表，或称化工测量仪表。用以检测、记录和显示化工过程参数的变化，实现对生产过程的监视和向控制系统提供信息。如温度、压力、流量和液位等。②在线分析仪表，主要用以检测、记录和显示化工过程特性参数（如浓度、酸度、密度等）和组分的变化，是监视和控制生产过程的直接信息。③控制仪表（又称控制器或调节仪表），用以按一定精度将化工过程参数保持在规定范围之内，或使参数按一定规律变化，从而实现对生产过程的控制。 化工仪表从过去单参数检测发展到综合控制系统装置，从模拟式仪表发展到数字式、计算机式的智能化仪表。仪表基础元器件正在向高精度、高灵敏度、高稳定性、大功率、低噪音、耐高温、耐腐蚀、长寿命、小型化、微型化方向发展。仪表的结构向模件化、灵巧化等方向发展；正在加强红外、激光、光导纤维、微波、热辐射、晶体超声、振弦、核磁共振、流体动力等多种新技术、新材料和新工艺向检测及传感器领域的渗透。以应用微型计算机技术为核心，以现代控制理论和信息论为指导，与各种新兴技术如半导体、光导纤维、激光、生化、超导及新材料等相结合，将使化工仪表进入多学科发展的新阶段。 一、实验目的 1．初步了解《化工仪表及自动化》课程所研究的各种常用的结构、类型、特点及应用。 2．了解常用传感器的结构特点及应用。 3．了解常用智能仪表的结构特点及应用。 4．了解常用电动调节阀的结构特点及应用。 5．增强对化工仪表的结构及化工过程控制的感性认识。 二、实验设备 AE2000A高级过程控制实验装置、常用传感器及仪表。 三、实验方法 学生们通过对实验指导书的学习及“实验装置”中的各种仪表的展示，实验教学人员的介绍，答疑及同学的观察去认识化工常用仪表的基本结构和原理，使理论与实际对应起来，从而增强同学对化工仪表的感性认识。并通过展示的传感器与变送、控制仪表和和执行机构等，使学生们清楚知道化工过程控制的基本组成要素—化工仪表。
青岛科技大学教师授课教案 课程名称控制仪表及装置 课程性质专业课（必修） 授课教师单宝明 教师职称讲师 授课对象自动化031-5 授课时数40学时（34+6） 教学日期2006年2月 所用教材《控制仪表及装置》 吴勤勤化学工业出版社 2002年第二版 授课方式课堂教学
控制仪表及装置教案2006 青岛科技大学授课教案应该覆盖如下内容： 本单元或章节的教学目的与要求 授课主要内容 重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）主要外语词汇 辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）复习思考题 参考教材（资料）
第一章概述 第1章概论 学习目的和要求：掌握控制仪表的基本特点和分类，信号制和传输方法，仪表的分析方法。 重点、难点：信号制和信号传输，仪表电路分析方法 外语词汇：process control（过程控制）, process industries(过程工业)controlling instrument,direct digital control(DDC,直接数字控制)，supervisory system(监控系统)，distributed control system(DCS，集散控制系统或分布式控制系统)，fieldbus(现场总线)，CIMS—computer integrated manufacturing systems(计算机集成制造系统)， CIPS-- computer integrated process systems 参考资料：周泽魁主编《控制仪表与计算机控制装置》化学工业出版社 2002 何离庆主编《过程控制系统与装置》重庆大学出版社 2003 张永德《过程控制装置》，北京化学工业出版社，2000 李新光等编著《过程检测技术》机械工业出版社，2004 侯志林《过程控制与自动化仪表》，机械工业出版社，2002年1月 授课内容： ?过程控制系统概述 ?过程控制仪表与装置总体概述 ?自动控制系统和过程控制仪表 ?过程控制仪表与装置的分类及特点 ?信号制 ?仪表防爆的基本知识 ?仪表的分析方法 ? 1.1过程控制系统概述 1.1.1过程控制系统及其特点 过程控制的定义? 过程控制的参数? 过程控制的特点? 1.1.2过程控制系统发展概况 生产过程自动化的发展大体划分为几个阶段。
第2章 思考题与习题 2-1 某一标尺为0～1000℃的温度计出厂前经校验得到如下数据： 标准表读数/℃ 0 200 400 600 800 1000 被校表读数/℃ 201 402 604 806 1001 2）该表精度； 3）如果工艺允许最大测量误差为±5℃，该表是否能用？ 2-2 一台压力表量程为0～10MPa ，经校验有以下测量结果： 标准表读数/MPa 0 2 4 6 8 10 被校表读数/MPa 正行程 0 1.98 3.96 5.94 7.97 9.99 反行程 2.02 4.03 6.06 8.03 10.01 2）基本误差； 3）该表是否符合1.0级精度？ 2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa ，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δ= 100%? 最大绝对误差?max ＝0.01×10＝0.1MPa 2）校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010 5 08.5=?-=δ 0.8％<1％ ，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大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题？ 解答： 1） 2） 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，0～250mA 2）2.5级，0～75mA 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）?max ＝250×1％＝2.5mA ；%5%10050 5 .2±=?± =δ 2）?max ＝75×2.5％＝1.875mA ；%75.3%10050 875 .1±=?±=δ 选择2.5级，0～75mA 的表。 2-11 某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃，输出为4～20mA 。当变送器输出电流为10mA 时，对应的被测温度是多少？ 解答： 10 4202001000T =--； T=500C ?。 2-12 试简述弹簧管压力计的工作原理。现有某工艺要求压力范围为1.2±0.05MPa ，可选用的弹簧管压力计精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五个等级，可选用的量程规格有0～1.6MPa 、0～2.5MPa 和0～4MPa 。请说明选用何种精度和量程（见附录E ）的弹簧管压力计最合适？ 解答： 1）工作原理： 2）根据题意：压力范围为1.2＋0.5 MPa ，即允许的最大绝对误差?max ＝0.05
第四章过程控制仪表 ?本章提要 1.过程控制仪表概述 2.DDZ-Ⅲ型调节器 3.执行器 4.可编程控制器 ?授课内容 第一节概述 ?过程控制仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应 用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控 变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外， 还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变 量达到预期的要求。 过程控制仪表包括调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。 过程控制仪表的分类： ●按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。 ●按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控 制仪表、集散控制装置等。 [基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。 基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。 目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。 [单元组合式控制仪表]将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。 广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。 [组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。 它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。 其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。 ●按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。其中DDZ型仪表 和QDZ型仪表都属于模拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节
一、某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间），并问该调节系统是否满足工艺要求。 参考答案： 最大偏差 A = 230-200 = 30℃ 余差C= 205-200 = 5℃ 衰减比n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 振荡周期T = 20 – 5 = 15 （min） 设被控变量进入稳态值的土2％，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 ×（±2％）＝±4.1℃ 在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。曲线进入时间点Ts = 22min 工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统A=30℃，不满足工艺要求。
最大偏差 A = 230-200 = 30℃ 余差C= 205-200 = 5℃ 衰减比n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 二、如图所示，用差压变送器检测液位。已知ρ1＝1200kg／m3，ρ2＝950kg ／m3，h1＝1.0m，h2＝5.0m，液位变化的范围为0～3.0m，如果当地重力加速度g＝9.8m／s，求差压变送器的量程和迁移量。 当液位在0～3.0m变化时，差压的变化量为 ρ1gHmax＝1200×9.8×3.0＝35280 Pa 根据差压变送器的量程系列，可选差变的量程为40kPa 当H＝0时，有 Δp＝－ρ2g（h2－h1）＝－950×9.8×（5.0－1.0）＝－37240 Pa 所以，差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为37.24kPa 迁移后该差变的测量范围为－37.24～2.76kPa 若选用DDZ-Ⅲ型仪表，则当变送器输出I＝4mA时，表示H＝0；当I＝20mA时，H＝40×3.0／35.28＝3.4m，即实际可测液位范围为0～3.4m。
第3章 习题与思考题 3-1 什么是控制器的控制规律控制器有哪些基本控制规律 解答： 1）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）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。 3-2 双位控制规律是怎样的有何优缺点 解答： 1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。 2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。 3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。 3-3 比例控制为什么会产生余差 解答： 产生余差的原因：比例控制器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系： e K y p = 为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。 3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消除余差 解答： 1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：?=edt T y 1 1
2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。 3-5 什么是积分时间试述积分时间对控制过程的影响。 解答： 1）? =edt T y 11 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。 2） 在实际的控制器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上，T i =1／K i 。显然，T i 越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。 3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA ，若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA ，某时刻，输入阶跃增加，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化为多少 解答： 由比例积分公式：??? ? ??+=?edt T e P y 111分析： 依题意：%1001==p K p ，即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋； 稳态时：y 0＝5mA ， 5min 后：mA edt T e P y y )7.05()52.02 12.0(151110±=??±±?+=???? ??++ =? 3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响调整比例度时要注意什么问题 解答：P74 1）控制器的比例度P 越小，它的放大倍数p K 就越大，它将偏差放大的能力越