太阳能热水器温控及冷水回流系统
-------《过程装备控制技术及应用》大作业
目录
第一章执行概要
一、项目背景 (3)
二、技术及产品 (4)
三、盈利模式 (4)
第二章产品技术
一、温控系统的组成 (5)
二、回流系统的研究 (14)
第三章产品简介
一、原理简介 (20)
二、产品竞争的优劣势 (21)
三、产品定位 (22)
四、发展前景 (22)
第四章参考
一、参考书目 (24)
第一章执行概要
一、项目背景
(1)政治环境
欧盟市场已制定了淘汰电热水器的路线图，日、美等国采取财政补贴的手段鼓励空气能热泵热水器的购买，间接地推动了电热水器的逐步淘汰，而澳大利亚已规定新购买的热水器只能是太阳能、空气能热泵和天然气热水器，禁止了电热水器的新增购买。各国的节
能法规和措施对我国将会有很大的影响，特别是欧盟的节能环保措施影响着全世界。中科院广州能源研究所李凡教授表示，“我国也会紧随其后。”
（2）社会环境
随着全球节能减排的呼声越来越高，低碳经济日益受到全球各国的推崇和大力发展，太阳能产品被给予厚望。太阳能热水器行业也已逐步成为我国可再生能源领域规模最大的行业。近5年来，太阳能热水器产业以每年30%～35%的速度增长，预计到2015年，全国住宅用太阳热水器将达到2.32亿平方米，行业产值超过1000多亿元，太阳能热水器将成为住宅用热水器最具潜力的品类。
(3)技术环境
为解决太阳能热水器水资源流失的技术难题, 一些厂家曾经进行了多年研究，提出过不少技术方案。有人提出，不用顶水法，用落水法。但是，我们认为，让太阳能热水器失去顶水功能的方案是不可取的，因为顶水法具有落水法不可替代的优点。也有人提出用浮球法。这虽然可以对热水箱及时补水，却增加了装置的复杂性和楼顶露天维修的种种麻烦, 因此, 在家用太阳能热水器中已被淘汰。此外，还有人试验过落球法、弹簧压力法、阀门锁定法,均未获成功。国内外相关技术处于研发阶段，当然相关产品也未投入市场，目前该类产品市场上呈空缺状态。
二、技术及产品
(1)产品名称
温控及冷水回流系统太阳能热水器
(2)产品工作原理
太阳能热水器冷水回流装置以单片机为核心,在真空管太阳能热水器的保温储水箱内增加有一个与电热水器类似的电热元件并固定在绝缘底座上，引出交流电源线入户，由辅助控制系统的继电器控制通断电。水位、水温探测器从保温储水箱顶部安装
在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。进行管道排空时，由控制系统关闭排空控制阀，打开热水开关和淋浴开关，将管道中的水放掉；用水时则打开排空控制阀。系统自动上水时，通过单项电磁阀上水。水流电开关用于检测淋浴开关是否打开、是否有水的流动，当淋浴开关打开用水时，系统自动停止上水、切断辅助电加热器的电源。
三、盈利模式
利润主要来源于以下几个方面：
（1）销售利润
企业通过生产并销售产品，获得一定利润。
（2）成本压缩
企业发展到一定规模时，产生规模效益，就可以通过增加产量，降低单件产品生产成本，从而压缩总成本，获得一定利润。
（3）单独安装冷水回流装置盈利
部分家庭已安装未改进的太阳能热水器，还没有冷水回流装置，公司提供冷水回流装置的安装服务，依靠安装冷水回流装置，赚取一定利润。
公司计划以产品销售利润为主，冷水回流装置出售及安装服务盈利为辅，构建完整的产品销售及服务体系，创造产品价值，为企业带来利润。另外，通过产品外包生产及原料大规模采购折扣，进一步压缩产品成本，为企业带来更多的利润。
第二章产品技术
一、温控系统的组成
按照系统的性能及设计要求以及系统的工作环境，系统的方案可以从以下几个方面考虑。
1、系统框架
系统的构架可以采用基于单片机的形式。单片机成本低，体积小，便于实现嵌入式系统，符合系统的要求。利用单片机的运算功能实现PID 控制算法。以AT89C51单片机为核心的控制系统的框图如图3-1所示。
图3-1控制系统的框图如图
控制系统主要包括了：测量电路、放大电路、A/D 、89C51单片机、键盘显示电路、报警器、复位及看门狗、步进电机控制芯片、步进电机、阀门。
2、功能实现系统的工作主要包括以下几个方面
㈠ 温度的采集
与热敏电阻、RTD 和热电偶传感器相比，集成温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量，而且集成传感器集成复杂电路的能力意味着比热敏电阻的总系统成本低(热敏电阻需要许多附加的外部元件)，并且随着集成制造线宽的迸一步缩小，集成传感器的封装尺寸也将减小，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一，目前测
量放大电路 A/D 89C51 单片机 键盘显示电路
报警器
复位及 看门狗 步进电机步进
电机 阀
已经广泛应用于-500～+150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿的许多场合。因此，考虑采用集成温度传感器对温度信号进行采集。型号为LM311集成温度传感器
图3-2 LM311集成温度传感器
㈡温度的变送
温度传感器信号经放大电路调理后，必须进行A/D或V/F转换才能为系统所接受；因此,必须考虑模拟量到数字量的实现形式。
A/D转换方式有多种形式：并行A/D转换和双积分转换等．前者又有并行输出和串行输出之分。并行转换一般适用于变化较快的动态信号，双积分转换一般只适用于变化较缓慢的信号,利用A/D转换必须考虑转换的精度，速度要求以决定芯片的位数，转换速率主要特性。
㈢调节阀的驱动
调节阀阀芯的转动需要一个具有一定功率的执行器，因此考虑用微型电机实现调节阀的驱动。目前，应用最广泛的小型电机包括直流电机、无刷直流电机和步进电机。
步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用。目前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能力。步迸电机采用直接控制方式,它的主要命令和控制变量都是步阶位置。相比之下，直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统,它会以间接方式控制电机位置,步迸电机系统大多是以开环方式进行操作。
由于步进电机具有步距值不受诸如电压和温度等因素变化的影响，误差不会长期的积累以及控制性能好等优点。因此选用步进电机作为调节阀的执行器而不选用其它电机。
㈣温度控制的方法
温度控制是变参数、有时滞后和随机干扰的动态过程，为了达到满意的控制效果，常用的温度控制包括常规PID、模糊、神经网络以及多种方法结合的复合控制等方法。由于常规PID控制结构简单、实用、性价比高，而且完全能够热水器的控制要求，因此，本设计采用常规PID控制方法实现对水温的控制。
㈤人机接口
人机交互模块在整个系统中占据非常重要的位置，它是系统同使用人员之间沟通的桥梁，在这里最主要就是键盘和显示。在本设计中可供选择的显示器主要有LED 数码管、IED液晶显示器和VFD真空荧光显示屏等数显器件。
LED数码管是目前单片机控制系统和一些智能仪表中最常用的一种数显器件。LED数码管主要组成器件为半导体发光二极管，把发光二极管制成条状，再按一定方式连接，就能构成LED数码管。数码管体积小、重量轻、抗冲击性能好，能在低电压、小电流条件下驱动发光，发光响应时间极短，单色性好，亮度高，寿命高，但是不能显示复杂字符。
LCD液晶最示器利用液晶对光线的反射显示数据,它本身不发光,具有比LED更低的能耗,点阵式液晶显示器则弥补了LED不能显示复杂字符的缺点。LCD液晶显示器寿命长，价格低等优点，其缺点是，亮度低，不宜在暗窀中使用。
VFD是从真空管发展而来的显示元件,利用阳极上荧光体受电子的冲击而发光,是一种自发光显示元件。由于它易于做多色彩显示，又可以用低电压来驱动。所以，与半导体有较好的相容性，可靠性也高，因而被广泛使用在各种领域。VFD真空荧光显示屏具有亮度高、可调节、显示图案灵活的优点。
由热水器的工作环境来看，要求显示器具有一定的亮度。相比之下，LED数码管显示不仅能完全满足系统对显示的要求，而且具有更高性价比，故采用LED数码管实现显示接口，键盘则采用普通键盘即可。
3、温度设定与数码管显示电路
为减小电路的复杂程度又能得到良好的效果，本系统设计“升温”、“降温”两个键对温度进行没定。开机后，系统默认“设定温度”为40。C ，并开始工作，通过按键对“设定温度”进行增减，达到20℃～50℃可调的效果。同时，对设定温度，用数码管进行显示。温度显示部分采用4位7段数码管显示电路，数码管选用共阳极数码管，前2位显示实际温度，后2位显示设定温度．电路连接如图4所示。数码管以动态扫描方式显示，显示数据由P0 13送出，位选信号由P2口送出。T1定时器每4 ms 对数码管扫描显示1次。
图3-3 温度设定流程图
程序部分代码：
? ：定义变量、常量和端口等
0RG 0000h 开始
参数初始化
有键按下 调用
DS18B20
程序
PID 计算
PWM 输出
温度设定
N
Y
JMP MAIN
0RG OOBH
JMP TO—INT；TO中断输出PWM脉冲
ORG 001BH
JMP T1_INT; T1 中断扫描显示数码管
MAIN;
…
MOV SP ,#40;
LOOP:
LCALL KEYSCAN;扫描按键得到设定温度值
LCALL DS18B20；获取实际温度值
LCALL PID; 用设定温度和实际温度运算得出占空比JMP LOOP
…
KEYSCAN:
JB KEYUP,KEY1; 加温
CLR C
MUV R3．#5
LCALL KEYDELAY：调用消抖程序
?；将设定温度值放入STEMP
DSl8820：
CLR DQ：数据线清零
MOV R6，#250
DJNZ R6，$；延时500“s
SETB DQ
?：初始化
WRITE：
MOV R5，#08H
CLR C
WLP：
CLR DQ
RRC A
MOV R6，#06
DJNZ R6．$
?：写入1字节指令
其他略
4、测温电路
根据热水控制器的功能要求并结合对市场51核心系列单片机的资源分析，采用性能较稳定，价格较低的ATMEL89C51单片机作为系统核心。控制电路的+5V电源由市电变压、整流、滤波后由7805芯片提供。系统中，P0．o～Po．1连接AT24C01，保存热水控制器的一些控制参数；P2．o～P2．2控制电加热管、电磁阀；P2．3驱动蜂呜器，P2．5～P2．6用于控制配水阀的直流电动机，P1．0～P1．2用于键盘输入设定加热温度等；P1.3作为漏电信号的检测输入端；P1.4用于热水器水位检测，防止干扰；P1.5用于断电保护信号的输入，当断电时该引脚有信号，单片机可将一些使用参数保存到EEPROM,便于以后使用；P3.2用于检测键盘中断；P3.3用于检测温度信号—脉搏；P3.6-P3.7用于选择温度传感器。
图3-5 温度测量电路图
图3-5 电路板
图3-6 外接电路控制器
二、回流系统的研究
1、太阳能热水器的安装现状
目前市场上的太阳能热水器，由于房屋楼层很高，出水管较长，一段时间不使用时，热水器出口端与水龙头之间往往残留大量冷水。当用户需要热水时，常常需要先排放掉这些冷水，这不仅仅给使用带来极大的不便，还造成水资源的浪费。例如对于5层楼高的房屋，估计该段水管长度约为15 m，假定用户水管的管径为1in，则当天洗澡前所排出冷水将是716L，一年365天计算下来有2774L，这只是按一天排一次计算，实际上可能多于一次，而且这只是一栋5层楼高的楼房，想象一下，现在有多少楼房，而且有无数的高楼大厦，那一年下来这部分浪费的水将无法想象。而研究的节水型热水器控制系统，通过使用前检测出口端与水龙头之间水的温差，能够将残留冷水自动泵回主水管道，直至两端的温差达到设定的要求，这样就避免了大量冷水的浪费，既节能又方便，由此可见其广阔的市场前景。
2、回流系统总体结构与工作原理
（1) 总体结构
该装置整体结构原理图，如图4-1所示。
图4-2 回流系统原理图
由图可得系统结构部分有热水器，PVC水管，温度传感器，电磁阀，泵，水龙头组成。
（2) 工作原理
当用户打开水龙头时，由于两处温度传感器测得的温差不在预设的范围内，所以此时泵工作，将水抽回主水管，而且此时电磁阀1、2均关闭，水龙头不出水；经过一段时间之后，热水下流，冷水被不断抽走，导致温度传感器测得的温差在预设范围，此时，电磁阀1、2打开，泵停止抽水，水龙头出水，通过调节水龙头就可以得到合适的温水了。
另外，还可以设置当热水器里热水温度未达到所设置的某一温度时，系统不工作即泵不抽水，电磁阀也关闭。
3、实验用模拟装置设计与构建
（1) 模拟装置总体设计
该装置是用于装有太阳能热水器的高楼里的，所以在演示时不可能把它放在高楼的实验，故必须设计一套实验用的模拟装置，便于演示说明。
该模拟装置整体结构的原理图，分别如图2所示。
图4-3 实验模拟装置图
其中，热水箱代表实际中的太阳能热水器。
（2) 工作流程介绍
实际生活中，刚要用热水器时，热水出水口至水龙头之间的水管一般情况下都是充满了冷水，在演示开始前，热水器和水龙头之间部分水管是充满冷水的，开始演示时，往热水箱里加热水，加完热水后，打开水龙头开关，系统开始工作，由于此时温差未在预设范围内(这次设的温差为10 ℃，是可调的)，故泵开始工作，将管中的冷水抽回主水管道重新利用，此时水龙头两边的电磁阀处于关闭状态，所以此时水龙头不出水，在上下端的温度所检测到的温差未在预设范围之前，泵一直抽水，直到检测到温差在预设范围内，泵才停止抽水，此时，PLC发出信号使两端电磁阀打开，通过左右调节水龙头就可以得到满意的温水。当然在实际生活当中，如果是连续下雨天的话，太阳能热水器中将会都是冷水，那么此时两处传感器所检测到得温度将是相差很
小，所以为了避免这种情况下，水龙头出水，把系统完善一下，只有当上端传感器，也就是热水器出口处的传感器，大于等于预设的温度值时，系统才会开始工作。(该温度值可调,此次实验温度值设为50 ℃)
（3) 重要元器件的选型
①泵型号的选型
由于该装置中需要抽水的高度为116 m左右，选用普兰迪12 V25 W 直流隔膜泵，属于微型泵，而且价格很便宜，其参数如下:
电压为12 V；电流为115 ～2 A；最大压力为016MPa；平均压力为013～015 MPa；最大流量为312 L /min；外形尺寸为160mm×100mm×60mm;最大吸程为2 M；扬程为80 m；进出口内径：6 mm，9 mm。
当然实际生活当中应该选用功率更大，吸程扬程都比较大的泵。
②温度传感器的选择
选用温敏电阻，该器件比其他温度传感器便宜，这就降低了成本，而且它输出的电阻值变化范围大，便于调试。
③PLC的选型
由于此次演示规模小，故选用三菱FX1S系列的PLC，它成本低，功能强大，结构紧凑，型号为FX1S210MR。
4、系统调试
（1) 机械部分调试
首先往水箱里加水，由于水塔高度及密封性问题，导致水压不足，水不能顺利装满水管，于是更改了水管的布局，使其尽量能够顺利流出。
（2) PLC程序调试
首先用GX DEVELOP2ER 软件编辑完程序,直接进行模拟仿真。
（3) 温度显示模块部分调试
温度显示模块可以显示热水器出水口的温度,下端电磁阀前的温度,和最终混合的水温。所以不断调试这三处的水温，并用温度计进行校准，最后使得温度显示值与实际值相差在 2 ℃以内。由于该部分电路还对系统设置了当上端传感器所检测到的温度低于某个值时，整个系统不工作，所以又对该项功能进行检测，最终把该温度值设为50 ℃，该温度是可调的。
图4-4 实验装置图
（4) 总体调试
在以上部分调试成功之后就进行总体调试，先往水管里注满冷水，然后按下启动按钮，打开水龙头，此时上端温度传感器检测到得温度低于预设值，泵和电磁阀都不工作，因此水龙头不出水，泵也不抽水，同时指示灯亮；接着开始往热水箱里倒热水，此时上下温差高于预设值，泵开始抽水，过一段时间之后，上下温差在允许范围内(本处预设为50 ℃，可调)泵停止抽水，与此同时电磁阀吸合，水龙头出水，并左右调整水龙头位置，得到满意的温度。
但是过了大概3 min左右，电磁阀不断地吸合断开，而且频率很高，经过排除种种原因，断定是开关电源的功率不够，于是换了一个120W的开关电源(原来只有50 W)，在重复上次实验，均不出现问题，过段时间之后，再往热水箱里倒冷水，使水箱里的水温低于50 ℃，此时，热水温度不足的指示灯亮，系统停止工作，阀关闭，泵也不抽水，一切都和设想的一样，调试成功。
图4-5 压力测试图
第三章产品介绍
一、原理简介
太阳能热水器冷水回流装置以单片机为核心,在真空管太阳能热水器的保温储水
箱内增加有一个与电热水器类似的电热元件并固定在绝缘底座上，引出交流电源线入户，由辅助控制系统的继电器控制通断电。水位、水温探测器从保温储水箱顶部安装在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。进行管道排空时，由控制系统关闭排空控制阀，打开热水开关和淋浴开关，将管道中的水放掉；用水时则打开排空控制阀。系统自动上水时，通过单项电磁阀上水。水流电开关用于检测淋浴开关是否打开、是否有水的流动，当淋浴开关打开用水时，系统自动停止上水、切断辅助电加热器的电源。
二、产品的竞争优劣势
1、优势
在无光照阴雨天或寒冷季节进行辅助电加热，且温度可由用户预置；能将刚开始放水阶段时管中的冷水有效回流；在寒冷的冬季能对上水管道的水进行排空，防止管道冻裂；具有防漏电、防干烧等多种安全保护和声光报警功能。
主要优势为以下几点：
1、太阳能热水器含有冷水回流装置，可使管道中的冷水回流，可以起到节约水资源的作用。
2、冷水回流装置技术为新开发技术，市场上还没有同类产品，因此具有一定的技术垄断优势。
3、消费者使用热水时，不需等待管道中的冷水排尽，既节约了时间，也避免因为排冷水而引起心情的不愉快，可增加了消费者对本产品的满意度。
4、太阳能热水器冷水回流装置在目前的市场上还未出现，如果我公司能够先下手为强，抢占市场，并通过有效的营销策划把该装置推广进入市场，通过品牌效应，巩固市场地位，
就算之后有效仿者，我公司也将以行业先驱者为优势，立于竞争的有利位置。
2、劣势
1、部分市场开拓有困难。
在热水器市场上，存在三种热水器：太阳能、燃气、电热水器。而我们公司的冷水回流装置是专门为太阳能热水器设计的，所以在燃气、电热水器的市场里，冷水回流装置是不适用的。
2、该太阳能热水器冷水回流装置的成本较高，并且太阳能热水器在市场上的销售价格也较高，消费者承担该费用有一定的难度。
3、该产品的知名度不高，还需进行宣传。
因为是新开发技术，产品的知名度不高，需进行宣传，并且公司刚成立，规模较小，所以前期利润较小。
三、产品定位
太阳能热水器企业为了更好地满足消费者的需求，就必须加大技术投入，积极创新，今后的太阳能产品技术上将向四个方面发展：
①品质更好：随着产业进步，竞争更激烈，三、四级市场消费者的需求提升，粗制滥造的产品将退出市场，太阳能热水器企业必须生产高品质的产品。
②寿命更长：三、四级市场消费者目前的消费能力决定了品质更好，寿命更长的产品更受欢迎。以往靠低价生产的低质太阳能产品，也因为质量缺陷给消费者、给经销商带来众多纠纷，使低质太阳能产品渐渐没有市场。
③更节能：随着产业技术的创新，尤其是一些太阳能热水器创新型骨干企业的带领下，能效比更高、综合节能效果更好的产品将取代以往的低质太阳能产品。
④具备健康功能：这两年，在家电产品的大类中，具有健康功能的产品大受消费者的青睐！
这种创新趋势随着三、四级市场消费者的生活品质的提升，在太阳能产品中将会体现。
四、发展前景
1、太阳能产业技术的升级
据我们对太阳能热水器产业的观察跟踪，在经过20多年的专业发展后，2010年太阳能热水器产业将进入一个技术创新期。随着家电下乡的深入开展，一些不负责任的企业将一些库存积压、滞销或劣质的产品销往农村，引发消费者的不满。地方各级监管部门开展并加大了质量监管力度，促使太阳能热水器企业要求越来越追求技术品质。
2、国家对太阳能产业寄予厚望并大力支持：
2007年，我国部分城市已经以地方性法规的形式提出新建建筑必须安装太热水系统的规定，如江苏、济南、烟台等地区都明确要求12层以下新建阳能建筑要全面推广和配置太阳能热水系统；合肥、江西等地政府都出台了一系列补贴优惠政策，大力支持太阳能的发展。
2008年，国家发改委下发了《推进全国太阳能热利用工作实施方案》，其中明确提出我国将制定太阳能热水器的强制安装政策。
2009年，太阳能热水器纳入家电下乡范畴，消费者凡购买太阳能下乡中标企业的产品均享受国家财政补贴13%的优惠。
太阳能热水器产业作为新能源产业的支柱产业，在国家宏观大政和当前迫切转型的生产方式下，势必迎来新的发展契机！
3、家电下乡政策，放大太阳能产业成长总量
在20多年的太阳能热水器发展中，太阳能热水器主要是在三、四级市场自然销售，靠各种促销手段销售。
进入2009年，太阳能热水器被纳入国家家电下乡工程，享受国家销售补贴政策，这个政策的出台，将会极大地刺激太阳能热水器的销量。
第四章参考书目
1.《过控装备控制技术及应用》王毅张早校化学工业出版社
2.《推进全国太阳能热利用工作实施方案》百度
3.《MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用》王忠飞胥芳西安电子科技大学出版社
过程装备控制技术 及应用习题及参考答案 第一章控制系统的基本概念 1?什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含： ①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2. 自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y――被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）y s――对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值y m 由检测原件得到的被控变量的实际值； 操纵变量（或控制变量）m――受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰f――引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e） 被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u――控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3. 什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图
一、一、填空题（25分） 1、1、工业生产对过程装备的基本要求是（）、（）和（） 等。 2、2、压差式流量计的核心部件是（），常见的节流装置有（）、 （）和（）等。 3、3、液位是指（），常用的液位计有（）、（）、（）等。 4、4、在PID调节器中，需要整定的参数为（）、（）和（）。 5、5、调节阀的选型主要包括（）、（）、（）和（）等 内容。 6、6、计算机在过程控制中的应用类型一般可分为（）、（）、 （）、（）等几种类型。 7、7、PLC的程序表达方式常采用（）、（）和（）等方法。 二、二、判断改正题（10分） 1、1、一单纯比例控制的液位对象，只要比例度选择的合适，系统就能跟踪 并最终稳定到设定值。( ) 2、2、自动调节系统中，滞后的存在总不利于调节的。（） 3、3、时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越 短。（） 4、4、控制系统中直接产生控制作用的是控制信号。（） 5、5、串联管路中，随S值下降，调节阀的等百分比流量特性畸变趋近于直 线特性。 三、三、简答题（20分） 1、1、何为调节器参数的工程整定法，并简述临界比例度法进行参数整定的 过程。 2、2、试简要分析计算机控制系统与常规模拟控制系统的异同点。 3、3、试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理。 4、4、何为单容液位对象的自衡作用，并简要分析产生自衡作用的原因。 四、四、分析计算题（45分） 1、1、如图为一简单水槽液位控制系统，要求：（10分） （1）（1）画出本控制系统方框图。 （2）（2）系统被控变量、控制变量和检测变送环节各是什么？ （3）（3）系统调节机构的输入、输出量各是什么，属哪种调节规律，并推导出调节规律的数学表达式。
1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容：自动检测系统：采用检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传感器等）对温度、压力、流量、液位等 进行测量，自动控制的依据 ? 信号连锁系统：信号连锁系统是一种安全装置，包括信号报警和联锁保护 ，信号连锁系统的作用 ，在事故发生前，自动发出声光报警 信号，引起操作员的注意以便及早采取措施 ? 自动操作系统：按预先规定的程序周期性操作（如PLC 程序控制） ? 自动控制系统：根据实际的工艺参数变化进行自动调节（如PID 调节期、计算机数控等） 1、工业生产对过程装备的基本要求是（安全性；经济性；稳定性）等。 2、压差式流量计的核心部件是（节流装置 ），常见的节流装置有（孔板；喷嘴；文都利管 ）等。 3、液位是指（容器内液体介质液面的高低），常用的液位计有（浮力式；静压式；电容式；光纤式） 4、在PID 调节器中，需要整定的参数为（比例度；积分时间；微分时间）。 5、调节阀的选型主要包括（阀的口径选择；型式选择；固有流量特性选择；材质选择）等内容。 6、计算机在过程控制中的应用类型一般可分为（直接数字控制系统；监督控制系统；分级控制系统；集散控制系统）等几种类型。 7、PLC 的程序表达方式常采用（梯形图；语句表；逻辑功能图）等方法。 判断1、一单纯比例控制的液位对象，只要比例度选择的合适，系统就能跟踪并最终稳定到设定值。(错误。单纯的比例控制不可能消除余差) 2、自动调节系统中，滞后的存在总不利于调节的。（错误。控制通道的滞后总是不利的，但干扰通道中的容量滞后可以缓和干扰的影响，对控制系统有利。） 3、时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越短。（错误。时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越长） 4、控制系统中直接产生控制作用的是控制信号。（错误。控制系统中直接产生控制作用的是操纵变量。） 5、串联管路中，随S 值下降，调节阀的等百分比流量特性畸变趋近于直线特性。正确 三、简答题1、何为调节器参数的工程整定法，并简述临界比例度法进行参数整定的过程。1、所谓的工程整定法，就是避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控变量的过渡过程，来获取调节器参数的最佳数值。临界比例度法整定参数的步骤是：首先将调节器的积分、微分作用全部去除，在纯比例作用调节比例度，直至得到等幅振荡的阶跃干扰过渡过程，此时的比例度和振荡周期称为临界比例度和临界周期，最后按照相应的经验公式计算出调节器各参数的整定数值。临界比例度法参数整定是以闭环系统得到4:1衰减比，且有合适的超调量为目标的。 2、试简要分析计算机控制系统与常规模拟控制系统的异同点。2、计算机直接控制系统与常规模拟控制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程也相同，都是基于“检测偏差、纠正偏差”的控制原理。不同之处在于计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。 3、试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理。3、本质安全防爆型是指在正常和故障状态下，电路及设备产生的火花能量都不足于引起爆炸的防爆类型。它由两种场所、两种电路组成，即安装在危险场所的本质安全电路及安装在非危险场所的非本质安全电路，两者间采用防爆安全栅隔离。仪表的防爆性能是靠电路设计来实现和保证：采用低的工作电压和小的工作电流；用防爆安全栅将危险与非危险场所电路隔开；现场和控制室之间仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。 4、 何为单容液位对象的自衡作用，并简要分析产生自衡作用的原因。4、单容液位对象的自衡作用是指当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象的自身能重新恢复平衡的特性。产生的原因主要是出口阀的流量特性，即在流出变化量很小的情况下，流出量与液位成正比关系，即：s v R H q 2 四、分析计算题（45分）1、如图为一简单水槽液位控制系统，要求：（10分）（1） 画出本控制系统方框图。（2） 系统被控变量、控制变量和检测变送环节各是什么？ （3） 系统调节机构的输入、输出量各是什么，属哪种调节规律，并推导出调节规律的数学表达式。 2、聚合釜温度与流量的串级控制系统，如图所示，(10分)（1） 画出控制系统方框图。（2） 说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？（3） 分析系统不采用简单温度控制而采用串级温度、流量控制的原因。 3、如图为一牛奶干燥过程流程图，要保证产品质量，需严格控制干燥器的温度，试分析：（15分） （1） 影响干燥器温度的因素有哪些？（2） 合理选择系统控制变量，并说明原因。 （3） 画出控制系统方框图。
过程装备控制技术及应用试题 一、选择题（每题2分，共20分） 1、闭环控制系统是根据信号进行控制的。 A、被控量 B、偏差 C、扰动 D、给定值 2、 DDZ-皿型仪表采用国际标准信号，现场传输信号是（4?20mADC ），控制联络信号为1?5VDC。 （A）0 ?10mADC ; （B）4 ?20mADC ; （C）1 ?5VDC ; （D）1 ?10VDC。 3、对于PID调节器（I的作用是消除静态偏差、D的作用是减小动态偏差）。 （A）I的作用是减小动态偏差、D的作用是消除静态偏差；（B）l的作用是消除静态偏差、D的作用是消除动态偏差；（C）l的作用是消除动态偏差、D的作用是减小静态偏差；（D）l的作用是消除静态偏差、D的作用是减小动态偏差。 4、因为（微分动作）对于干扰的反应是很灵敏的。因此，它常用于温度的调节，一般不能用于压力、流量、液位的调节。 （A）比例动作；（B）积分动作；（C）微分动作；（D）比例积分。 5、调节系统中用临界比例带法整定参数的具体方法是（先将Ti置最大，TD置最小，SP置较大）。 （A）先将Ti置最大，TD置最小，SP置较大；（B）先将Ti置最小，TD置最大，SP置较大；（C）先将Ti置最小，TD 置最小，SP置较小；（D）先将Ti置最小，TD置最小，SP置较大。 6、调节对象在动态特性测试中，应用最多的一种典型输入信号是（阶跃函数）。 （A）阶跃函数；（B）加速度函数；（C）正弦函数；（D）指数函数。 7、霍尔压力变送器是利用霍尔效应把压力作用下的弹性元件位移信号转换成（电动势）信号，来反应压力的变化。 （A）电流；（B）相位；（C）电动势；（D）以上都是 8、要使PID调节器为比例规律，其积分时间Ti和微分时间TD应设置为（^、0 ）。 （A）g 汽（B）g 0 ；（C）0、0；（D）0、g 9、动态偏差是指调节过程中（被调量与给定值）之间的最大偏差。 （A）被调量与调节量；（B）调节量与给定值；（C）被调量与给定值；（D）以上都不是 10、需要知道对象的动态特性，才能进行参数整定的工程方法是____________ 。 A、临界比例带法 B、衰减曲线法 C、响应曲线法 D、广义频率法 二、填空题（每空2分，共30分） 1、工业生产对过程装备的基本要求是________________ 、_____________ 、__________ （安全性；经济性；稳定 性）等 2、在阶跃干扰作用下，自动控制系统的过度过程有哪几种基本形 式_____________ 、_____________ 、__________ 、 __________ 。①发散振荡过程② 等幅振荡过程③衰减 振荡过程④非振荡的单调过程
1.1.1生产过程自动化系统所包含的内容：自动检测系统：采用检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传 感器等）对温度、压力、流量、液位等进行测量，自动控制的依据 ?信号连锁系统：信号连锁系统是一种安全装置，包括信号报警和联锁保护，信号连锁系统的作用， 在事故发生前，自动发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施 ?自动操作系统：按预先规定的程序周期性操作（如PLC程序控制） ?自动控制系统：根据实际的工艺参数变化进行自动调节（如PID调节期、计算机数控等） 1、工业生产对过程装备的基本要求是（安全性；经济性；稳定性）等。 2、压差式流量计的核心部件是（节流装置），常见的节流装置有（孔板；喷嘴；文都利管）等。 3、液位是指（容器内液体介质液面的高低），常用的液位计有（浮力式；静压式；电容式；光纤式） 4、在PID调节器中，需要整定的参数为（比例度；积分时间；微分时间）。 5、调节阀的选型主要包括（阀的口径选择；型式选择；固有流量特性选择；材质选择）等内容。 6、计算机在过程控制中的应用类型一般可分为（直接数字控制系统；监督控制系统；分级控制系统； 集散控制系统）等几种类型。 7、PLC的程序表达方式常采用（梯形图；语句表；逻辑功能图）等方法。 判断1、一单纯比例控制的液位对象，只要比例度选择的合适，系统就能跟踪并最终稳定到设定值。(错误。单纯的比例控制不可能消除余差) 2、自动调节系统中，滞后的存在总不利于调节的。（错误。控制通道的滞后总是不利的，但干扰通道 中的容量滞后可以缓和干扰的影响，对控制系统有利。） 3、时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越短。（错误。时间常数越大， 表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越长） 4、控制系统中直接产生控制作用的是控制信号。（错误。控制系统中直接产生控制作用的是操纵变量。） 5、串联管路中，随S值下降，调节阀的等百分比流量特性畸变趋近于直线特性。正确 三、简答题1、何为调节器参数的工程整定法，并简述临界比例度法进行参数整定的过程。1、所谓的 工程整定法，就是避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控变量的过渡过程，来获取调节器参数的最佳数值。临界比例度法整定参数的步骤是：首先将调节器的积分、微分作用全部去除，在纯比例作用调节比例度，直至得到等幅振荡的阶跃干扰过渡过程，此时的比例度和振荡周期称为临界比例度和临界周期，最后按照相应的经验公式计算出调节器各参数的整定数值。临界比例度法参数整定是以闭环系统得到4:1衰减比，且有合适的超调量为目标的。 2、试简要分析计算机控制系统与常规模拟控制系统的异同点。2、计算机直接控制系统与常规模拟控 制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程也相同，都是基于“检测偏差、纠正偏差”的控制原理。不同之处在于计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。 3、试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理。3、本质安全防爆型是指在正常和故障状态下，电路及 设备产生的火花能量都不足于引起爆炸的防爆类型。它由两种场所、两种电路组成，即安装在危险场所的本质安全电路及安装在非危险场所的非本质安全电路，两者间采用防爆安全栅隔离。仪表的防爆性能是靠电路设计来实现和保证：采用低的工作电压和小的工作电流；用防爆安全栅将危险与非危险场所电路隔开；现场和控制室之间仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。 4、何为单容液位对象的自衡作用，并简要分析产生自衡作用的原因。4、单容液位对象的自衡作用 是指当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象的自身能重新恢复平衡的特性。产生的原因主要是出口阀的流量特性，即在流出变化量很小
1. 什么是被控对象的控制通道?什么是干扰通道? 答:对一个被控对象来说,输入量是扰动量和操纵变量,而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道;扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道 2. 被控对象的特性是由生产工艺过程和工艺设备决定的,在控制系统的设计中是无法改变的。 3. 被控对象数学描述推导依据的:物料平衡和力学平衡. 4. 传感器的主要组成部分:敏感元件、转换元件、测量电路与其他辅助部件组成. 5. 力平衡式压差变送器主要组成部分:测量部分、放大器和反馈部分。 6,. 温度变送器类型:直流毫伏、电阻体温度和热电偶温度变送器. 7.试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。 答:电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种:四线制和两线制,四线制中, 供电电源通过两根导线接入,另两根导线与负载电阻R2相连,输出0~10mA DC 信号。这种连线方式中,同变送器连接的导线共有4根,成为四线制,如图(a所示。如图b中所示,同变送器连接的导线只有两根,同时传送变送器所需的电源电压和4~20mA DC输出电流,称为两线制。 8.何为基型调节器?它具有哪些主要特点? 答:基型调节器是一种具有PID运算功能,并能对被调参数,给定值及阀门位置进行显示的调节器。 特点:①采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件,提高万仪表的精度,稳定性和可靠性,降低了能耗。
②有软、硬两种手动操作方式,软手动与自动之间由于有保持状态而使调节器输出能够长期保持,因而在互相切换时具有双向无平衡无抗扰特性,提高了操作性能。 ③采用集成电路便于各种功能的扩展。 ④采用标准信号制,接受1-5V DC测量信号,输出4~20mA DC信号,由于空气受点不是从零点开始的,故容易识别断电、断线等故障 ⑤能与计算机联用。 9.什么是自动控制系统的方框图?它与工艺流程图有什么不同? 答:自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线(带有箭头的线段、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分,方块内填入表示其自身特性的数学表达式;方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系,以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号,表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接,借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程,即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。10.在自动控制系统中,什么是干扰作用?什么是控制作用?两者有什么关系?答:干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用;控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象,通过改变操纵变量克服干扰作用,使被控变量保持在给定值,两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用,不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值,而控制作用是使被控变量接近给定值。 11.什么是自动控制系统的过度过程?在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式? 其中哪些能满足自动控制的要求,哪些不能,为什么?
《过程装备控制技术及应用》 （第二版） 王毅、张早校 化学工业出版社 思考题与习题及参考答案 第一章控制系统的基本概念 1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？ 答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值；
操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。 4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？ 答：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？
第一章控制系统的基本概念 1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含： ①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值； 操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素； 偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。 4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？
1. 过程装备的三项基本要求过程装备的三项基本要求：安全性、经济性和稳定性. A.安全性:指整个生产过程中确保人身和设备的安全 B.经济性:指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高 C.稳定性:指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力. 2. 过程装备控制的主要参数：温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等. 3. 流程工业四大参数：温度、压力、流量、液位（或物位） 4. 控制系统的组成控制系统的组成:(1)被控对象 (2)测量元件和变送器 (3)调节器 (4)执行器 5. 控制系统各参量及其作用:1.被控变量 y 指需要控制的工艺参数，它是被控对象的输出信号 2.给定值（或设定值) ys 对应于生产过程中被控变量的期望值 3.测量值 ym 由检测元件得到的被控变量的实际值 4.操纵变量（或控制变量）m 受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号 5.干扰（或外界扰动）f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素 6.偏差信号 e 在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差 7.控制信号u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 6. 控制系统的分类（1）控制系统的分类：按给定值 a 定值控制系统；随动控制系统；程序控制系统（2） b c 按输出信号的影响 a 闭环控制；b 开环控制（3）按系统克服干扰的方式 a 反馈控制系统；b 前馈控制系统；c 前馈-反馈控制系统 7. 控制系统过度过程定义：从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内，然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。 8. 阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点（1）发散振荡过程：这是一种不稳定的阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点：过渡过程，因此要尽量避免（2）等幅振荡过程：被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变，这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用（3）衰减振荡过程：被控变量在稳定值附近上下波动，经过两三个周期就稳定下来，这是一种稳定的过渡过程（4）非振荡的过渡过程：是一个稳定的过渡过程，但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢，时间长，一般不采用。 9. 评价控制系统的性能指标（1）以阶跃响应曲线形式表示的质量指标: A.最大偏差 A（或评价控制系统的性能指标：超调量σ） B.衰减比 n C. 过渡时间 ts D.余差 e E.振荡周期 T （2）偏差积分性能指标: A.平方误差积分指标（ISE） B.时间乘平方误差积分指标（ITSE）C.绝对误差积分指标（IAE） D.时间乘绝对误差积分指标（ITAE） 10. 被控对象特性的定义被控对象特性的定义：就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度等）。 11. 连续生产过程所遵守的两个最基本的关系：物料平衡和能量平衡。即静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）等于从系统中流出的物料（或能量）；动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）与从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）存储量的变化率。 12. 有自衡作用和无自衡作用单容液位对象的区别有自衡作用和无自衡作用单容液位对象的区别：A.自衡特性有利于控制，在某些情况下，使用简单的控制系统就能得到良好的控制质量，甚至有时可以不用设置控制系统。B.无自衡特性被控对象在受到扰动作用后不能重新恢复平衡，因此控制要求较高。对这类被控对象除必须施加控制外，还常常设有自动报警系统。 13. 一阶被控对象一阶被控对象：它是一个一阶常系数微分方程，具有该特性的被控对象叫一阶被控对象. 14. 描述被控对象特性的参数及其对对象控制质量的影响（1）放大系数 K 对控制通道，K 描述被控对象特性的参数及其对对象控制质量的影响：值大，控制灵敏，但被控变量不易控制，系统不稳定；对干扰通道，K 值越小，相同干扰产生的作用越小，利于控制。（2）时间常数 T 不同通道,时间常数对系统的影响：对控制通道，若时间常数 T 大，则被控变量的变化比较缓和，一般来讲，这种对象比较稳定，容易控制，但缺点是控制过于缓慢；若时间常数 T 小，则被控变量的速度变化快，不易控制。因此，时间常数太大或太小，对过程控制都不利；对干扰通道，时间常数大有明显的好处，使干扰对系统的影响变得比较缓和，被控变量的变化平稳，对象容易控制。（3）滞后时间不同通道、不同滞后对控制性能的影响：对控制通道，滞后的存在不利于控制；对于干扰通道，作用不一，纯滞后是只是推迟了干扰作用的时间，因此对控制质量没有影响；容量滞后则可以缓和干扰对被控对象的影响，因而对控制系统是有利的。 15. 单回路控制系统参数选择的原则（1）被控变量的选择基本原则；被控变量信号最好是单回路控制系统参数选择的原则：能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小。若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量。被控变量必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定。被控变量必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。（2）操纵变量的选择；使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好；使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。（3）检测变送环节：检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送信息的作用。①减小纯滞后的方法，正确选择安装检测点位置，使检测元件不要安装在死角或容易结焦的地方。当纯滞后时间太大时，就必须考虑使用复杂控制方案。②克服测量滞后的方法，一是对测量元件时间常数进行限定。尽量选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象的时间常数的十分之一以下为宜；二是在测量元件后引入微分环节，达到超前补偿。在调节器中加入微分控制作用，使调节器在偏差产生的初期，根据偏差的变化趋势发出相应的控制信号。③减小信号传递滞后的方法，尽量缩短气压信号管线长度，一般不超过 300m；较长距离的传输尽量转换成电信号；在气压管线上加气动继电器，以增大输出功率；按实际情况尽量采用基地式仪表等。 16. 基本调节规律：A.断续调节：位式；B.连续调节：比例、积分、微分。 17. PID 调节器的参数整定：整定内容；调节器的比例度δ，积分时间 T1 和微分时间 TD。整定方法；①经验试凑法，②临界比例度法，③衰减曲线法。 18. 复杂控制系统的分类分类：①为提高响应曲线的性能指标而开发的控制系统； ②为某些特殊目的而开发的控制系统。 19. 串级控制系统的工作原理：串级控制系统由两套检测变送器，两个调节器，两个被控对象和一个调节阀组成，其中两个调节器串联起来工作，前一个调节器的输出作为后一个调节器的给定值，后一个调节器的输出才送往调节阀。串级控制系统与简单控制系统有一个显著的区别，它在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，成为副环或副回路，在控制过程中起着“初调”的作用，一个闭环在外面，称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以保证被控变量满足工艺要求。 20. 串级控制系统的工作特点控制系统的工作特点：①能迅速克服进入副回路的干扰②能改善被控变量的特性，提高系统克服干扰的能力③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。 21. 串级控制系统的适用对象：凡是可以利用上述特点之一来提高系统的控制品质的场合，都可以采用串级控制系统，特别是在被控对象的容量滞后大，干扰强，要求高的场合，采用串级控制可以获得明显的效果。 22. 主副回路的选择依据主副回路的选择依据：让主要干扰位于副回路。23. 前馈控制相较于反馈控制的特点：在反馈控制中，信号的传递形成了一个闭环系统，而在前馈控制中，则只有一个开环系统,闭环系统存在一个稳定性的问题，调节器参数的整定首先要考虑这个稳定性问题，但是，对于开环控制系统来讲，这个稳定性问题是不存在的，补偿的设计主要是考虑如何获得最好的补偿效果。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控变量始终保持不变，或者说兑现了“不变性”原理。 24. 前馈-反馈控制系统：在工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对被控变量最终检验的长处，是一种适合化工过程控制的控制方法。 25. 系统误差：指在相同条件下，多次测量同一被测量值的过程中出现的一种误差，它的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。 26. 随机误差:又称偶然误差，它是在相同条件下多次测量同一被测量值的过程中所出现的绝对值和符号以不可预计的方式变化的误差。 27. 粗大误差：明显的歪曲测量结果的误差称为粗大误差，这种误差时由于测量操作者的粗心，不正确的操作，实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙实验等原因所造成的。 28. 减小误差的方法：①标准法：预先测出系统误差，然后对测量值进行修正。由于修正值本身存在一定误差，因此这种方法只适用于工程测量，②零示法：测量误差与读数误差无关，主要取决于已知的标准量，但要求指示器灵敏度足够高，如电位差计（平衡式电桥）。③代替法：用已知量来代替被测量的测量方法。④交换法：将引起系统误差的某些条件相互交换以达到减小或消除误差的方法。（例如等臂天平称量物体时），此外还有对称法、微差法、比较法等。 29. 仪表的绝对误差：仪表指示值与被测变量真值之间的代数差. 30. 仪表的相对误差：测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比. 31. 仪表的引用误差：绝对误差与仪表的量程之比. 32. 仪表的精度等级：工业自动化仪表通常根据引用误差来评定其精确度等级，并规定用允许引用误差限去掉百分号后的数字来表示精度等级。如精度等级为 1.0 级的仪表其允许引用误差为 1.0%。精密等级值越低的仪表其精确度越高。 33. 流量的概念：流量是指单位时间内流过某一截面的流体数量的多少。 34. 流量计的分类：A 压差式流量计，B 转子式流量计、C 电磁式流量计 35. 压差式流量计的工作原理：当充满管道的流体流经节流装置时，流束收缩，流速提高，静压减小，在节流装置前后会产生了一定的压差。这个压差的大小与流量有关，根据它们之间的关系即可得到流量的大小。 36. 压差式流量计结构上的核心部件：核心部件是节流装置，包括节流元件，取压装置以及其前后管段。 37. 常见的节流装置分类：孔板，喷嘴，文都利管. 38. 液位的概念：液位是指液体介质液面的高低。 39. 液位计的分类：按工作原理可分为直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式。 40. 静压式液位计的工作原理：通过测量某点的压力或该点与另一参考点的压差来间接测量液位。 41. 变送器的作用:将测量元件的输出信号转换为一定的标准信号，送后续环节显示、记录或调节。 42. 变送器的分类：变送器按驱动能源不同的分类:气动变送器，电动变送器。 43. 气动变送器和电动变送器的区别：气动变送器是以压缩空气为驱动能源，电动变送器是以电力为能源。 44. 常用的标准信号：电压(1-5V DC)，电流(4-20mA)，气压(20-100kPa)信号。 45. 常见的气动元件和组件：1.气阻 2.气容 3.阻容耦合组件:(1)节流通室(2)节流盲室 4. 喷嘴-挡板机构 46. 安全火花的定义安全火花的定义：指该火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。 47. 自动化仪表的防爆结构类型及各自特点：①隔爆型，仪表的电路和接线端子全部置于隔爆壳体中，表壳的强度足够大，表壳接合面间隙足够深，最大的间隙宽度又足够窄，即使仪表因事故产生火花，也不会引起仪表外部的可燃性物质发生爆炸。②本质安全防爆型，防爆性能好，理论上适用于一切危险场所；安全性能不随时间而变化；可在线进行维修、调整。 48. 安全防爆系统的构成及工作原理：安装在危险场所中的本质安全电路及安装在非危险场所中的非本质安全电路。为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路中，在两者之间采用了防爆安全栅，使整个仪表系统具有本质安全防爆性能。 49. 执行器按工作能源的分类：气动执行器、电动执行器、液动执行器 50. 电动执行器的分类：1.按照输入位移的不同，电动执行机构可分为角行程（DKJ 型）和直行程（DKZ 型）；2.按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。 51. 调节阀的理想流量特性：在调节阀前后压差一定的情况下的流量特性称为调节阀理想流量特性，根据阀芯形状不同，主要有直线，等百分比（对数），抛物线及快开四种理想流量特性。 52. 调节阀的工作流量特性：在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。 53. 常见的流量特性分类及其使用特性：A.理想流量特性①直线流量特性，在流量小时，流量的变化值大，而流量大时，流量变化的相对值小。因此具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大的场合。②对数流量特性，适应能力强，在工业过程控制中应用广泛。③快开流量特性，主要用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统。④抛物线流量特性，介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。 B.工作流量特性①串联管道工作流量特性②并联管道工作流量特性. 54. 串联管道工作流量特性:系统的总压差ΔP 等于管路系统的压差ΔP1 与调节阀的压差Δ Pv 之和.系统管道的压差与通过的流量的平方成正比,若系统的总压差ΔP 不变,调节阀一旦动作, ΔP1 将随着流量的增大而增加,调节阀两端的压差ΔPv 则相应减少.以 S 表示调节阀全开时阀上的压差ΔPv 与系统总压差ΔP 之比,S=1 时，工作特性与理想特性一致；随着 s 值减小，管道阻力损失增加，实际可调比减小，流量特性发生畸变，由直线趋于快开，等百分比趋于直线。实际使用中，S 过大或过小都不合适，通常希望介于 0.3-0.5. 55. 调节阀选型内容：口径、型式、固有流量特性、材质. 56. 调节阀的可调比:调节阀能够控制的最大流量与最小流量之比,即R=qvmax/qvmin . qvmin 不等于阀的泄漏量, qvmin 指阀能控制的流量下限,一般为(2%--4%)qvmin,而阀的泄漏量指阀处于关闭状态下的泄漏量,一般小于0.1%C(C 为流量系数). 57. 进行电-气或气-电转换的原因:控制系统中调节执行单元品种繁多，电、气信号常混合使用，需进行电-气或气-电转换. 58. 电-气转换器及电-气阀门定位器：A.电-气转换器作用:将从电动变送器来的电信号变成气信号，送气动调节器或气动显示仪表。工作原理：力矩平衡原理 B.电-气阀门定位器作用：将电动调节器输出信号变成气信号去驱动气动调节阀主要功能：电气转换+气动阀门定位工作原理：力矩平衡原理. 59. 计算机控制系统的组成:计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大
技术文件控制程序 （IATF16949-2016/ISO9001-2015） 1.0目的 保证质量体系运行起重要作用的各个场所，使用正确、完整、适用、有效的技术文件和作业标准。 2.0适用范围 适用于本公司质量体系运行中所有技术文件(含外来文件)、电子图档的控制。 3.0职责 3.1技术开发部负责所有技术文件的归口管理。 3.2 APQP项目小组负责新产品生产定型前的技术文件管理，并负责成套文件的整理及归档。 3.3技术开发部档案员负责技术文件的档案管理，负责技术文件的复制、分发、回收、作废、销毁失效文件的管理，确保现场使用有效、正确的技术文件。 3.4各部门资料管理员负责本部门所使用技术文件的管理和保存。 4.0定义 4.1顾客提供的技术文件：包括引进产品的产品图、顾客提供或确认的产品图、产品有关的传真文件、设计变更通知书、技术商谈会议纪要和电子档等。 4.2供应商提供的技术文件：由外协厂家根据我公司的要求而提供的产品设计图、技术条件、性能参数指标、质量保证计划等。 4.3技术协议：和产品有关的协议，包括试制、正式加工、产品设计变更的协议。 5.0工作程序
5.1公司内文件的管理(自行编制和批准) 5.1.1技术文件编制 技术文件按《技术文件完整性》要求进行编制，技术文件编号、格式和填写方法严格按照《技术文件编号方法》和《技术图样和文件格式及其填写方法》要求执行。 5.1.2审核和批准 技术文件的审核和批准由文件设计/编制人员组织进行，严格按《技术文件审批权限规定》执行。在审批技术文件时，同一人员不允许履行两种审批职责。新产品定型前使用的技术文件的审批，至少应进行编制和审核。 5.1.3归档 5.1.3.1技术文件归档登记，应同时填写“技术文件归档登记表”和更新电子档汇总帐，以利检索。 5.1.3.2审批合格的技术文件应由该产品主管人员及时负责收集、整理，并归档。归档时，由技术开发部档案员办理归档登记。 5.1.3.3档案员对接收的技术文件，按产品类型/日期进行分类记帐，并更新电子档汇总帐；按方便取阅和检索的原则进行存放。 5.1.4发放 5.1.4.1确定发放范围 技术文件的设计/编制人员按生产经营活动的需要于每一份技术文件的尾页编写“文件发放控制页”，“文件发放控制页”应履行审批手续，并与技术文件一并归档（“文件发放控制页”不随技术文件发放，不计入技术文件页数）。 临时性用途技术文件的发放，由需用部门/个人填写“技术文件领用申请单”，
先进控制技术及应用 1．前言 工业生产的过程是复杂的，建立起来的模型也是不完善的。即使是理论非常复杂的现代控制理论，其效果也往往不尽人意，甚至在一些方面还不及传统的PID控制。20世纪70年代，人们除了加强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制等方面的研究外，开始打破传统的控制思想，试图面向工业开发出一种对各种模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的新型算法。在这样的背景下，预测控制的一种，也就是动态矩阵控制（DMC）首先在法国的工业控制中得到应用。因此预测控制不是某种统一理论的产物，而是在工业实践中逐渐发展起来的。预测控制中比较常见的三种算法是模型算法控制（MAC），动态矩阵控制（DMC）以及广义预测控制。本篇分别采用动态矩阵控制（DMC）、模型算法控制（MAC）进行仿真，算法稳定在消除稳态余差方面非常有效。 2、控制系统设计方案 2.1 动态矩阵控制（DMC）方案设计图 动态矩阵控制是基于系统阶跃响应模型的算法，隶属于预测控制的范畴。它的原理结构图如下图2-1所示： 图2-1 动态矩阵控制原理结构图 2.2 模型算法控制（MAC）方案设计图 模型算法控制（MAC）由称模型预测启发控制（MPHC），与MAC相同也适用于渐进
稳定的线性对象，但其设计前提不是对象的阶跃响应而是其脉冲响应。它的原理结构图如下图2-2所示： 图2-2 模型算法控制原理结构图 3、模型建立 3.1被控对象模型及其稳定性分析 被控对象模型为 （1） 化成s 域，g （s ）=0.2713/（s+0.9），很显然，这个系统是渐进稳定的系统。因此该对象 适用于DMC 算法和MAC 算法。 3.2 MAC 算法仿真 3.2.1 预测模型 该被控对象是一个渐近稳定的对象，预测模型表示为： )()1()(?)(?1j k j k u z g j k y m ++-+=+-ε， j=1, 2, 3,……,P . （2） 这一模型可用来预测对象在未来时刻的输出值，其中y 的下标m 表示模型，也称为内 部模型。（2）式也可写成矩阵形式为： )1()()1(?-+=+k FU k GU k Y m 4 1 11 8351.012713.0)(-----=z z z z G
6执行器作用：接受调节器送来的控制信号，自动改变操纵变量，调节被控参数7变送器按驱动能源分为气动和电动式 8变送器作用：在测量元件将压力、温度、液位、流量参测后，将测量元件信号转换成一定标准信号送往显示仪表后调节仪表进行显示、记录或调节 15热电偶温度计原理：基于热电效应即，两种不同材料导体组成一个闭合回路。当回路两端温度不同时，回路产生电动势，形成电流，电流大小与导体材料性质和接点温度有关，对于给定的热电偶，其材料性质一定，热电势是其两端温度的函数，若其冷端温度固定，热电势大小与热端温度一一对应。16热电偶温度计组成：热电偶、电测仪表和连接导线 17热电偶优点：1测温精度高，性能稳定2结构简单，易于制造，互换性好3便于远程传输和实现多点切换测量4测温范围广，-200到2000度5形式多样适于多种测量条件 18热电偶结构形式：普通热电偶、铠装热电偶和特殊热电偶 19弹簧式压力计原理：弹性元件受压后产生的反作用力和被测压力平衡，弹性元件变形是被测压力的函数20弹性元件：弹簧管、弹簧片、膜片、膜盒、膜盒组和波纹管 21弹性元件不完全弹性因素：弹性滞后：由于弹性元件工作时分子间存在摩擦导致加载曲线与卸载曲线不重合的现象弹性后效：弹性元件受载改变后，不是立即完成相应变形，而是在一定时间内逐渐完成变形的现象22传感器组成：敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电路23检测仪表组成：传感器、转换器、显示器和各环节传输通道 27测量分类：接触和非接触式、等精度和不等精度、间接和直接、静态和动态 28过渡过程：从被控对象受到干扰使被控变量偏离给定值开始到调节器发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内所经历的过程。 发散振荡：系统在受到干扰后，被控变量不断偏离给定值，直至超出规定限度，造成事故。该过程不稳定，需要避免等幅振荡：被控变量在某稳定值附近振荡，但振幅保持不变，系统受到干扰后不再稳定，一般不采用。对于工艺上允许被控变量在一定范围内波动、控制要求不高的场合，可以使用 衰减振荡：被控变量在稳定值附近上下波动，经过两三个周期后稳定下来。在大多数控制中都希望得到这种稳定的过渡过程非振荡的单调过程：表明被控变量最终稳定下来、与衰减振荡相比，耗时长，速度慢，一般不采用29控制系统的性能指标：最大偏差（超调量）、衰减比、回复时间、余差和振荡周期详见图1-12 30被控对象的特性：当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律 31自衡特性：输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有认为干预的情况下，被控对象自身重新回复到平衡的特性。有利于控制。 32被控对象的参数：放大系数：被控对象重新达到平衡时输出变化量与输入变化量的比值33时间常数：被控对象受到输入作用后，输出量达到新稳态值的快慢 34滞后时间：在受到输入量的作用后，其被控变量并不立即发生变化而是经过一段时间才发生变化的滞后现象。有传递