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Industrial Automation Instrumentations and Process Control
3章DCS与FCS
计算机直接控制系统(DDC：Computer Direct Control System)
3章DCS与FCS
集散控制系统(DCS：Distributed
Control System)
集中管理，控制分散。
这种既集中又分散的控
制方式使它既有计算机
控制系统控制算式先进、
精度高、响应速度快的
优点，又有常规仪表控
制系统安全可靠、维护
方便的优点。
?结构上是一种分层次的控制装置；
?基本控制器完成现场各子系统的现场直接控制任务；?监控计算机则通过协调各基本控制器的工作，完成监控
操作；达到过程的动态优化；?管理或调度计算机则完成制定生产计划、产品管理、财
务管理、人员管理以及工艺
流程管理等一系列来自组织
层的任务。
?PLC组成的DCS系统
3章DCS与FCS
?控制站
?基本控制站：可以代替模拟式控制器的
工作，可以有多个控制回路。采用功能模块组
件组装式的总线结构。除了进行基本的PID控制外，还可以进行位式控制、串级控制、选择性
控制及顺序控制等
?数据采集站：过程中的非控制变量专门
设置的数据采集系统。它不但能完成现场数据
的采集及预处理，而且还能对实时数据进一步
加工处理，
3章DCS与FCS ?控制站基本组成?CPU
?电源
?通信接口
?I/O通道
3章DCS与FCS ?CENTUM系统现场
控制站：CFCD2
3章DCS与FCS CENTUM系统现场控制站主要I/O插卡MCA2：8路模拟输入输出；PM1：16路脉冲输入VM1：16路模拟电压输入；VM2：模拟8入8出PAC：8路脉冲输入，8路模拟输出
ST2：状态16路入16路出；ST3：32路状态输出；ST4：32路状态输入：PB5：16路按钮输入LCS：回路通信
第3章DCS 与FCS
CFCD2现场控制站
硬件配置例
第3章DCS与FCS ?控制站基本功能
?通信功能
?报警功能
?反馈控制功能
?顺序控制功能
?算术运算功能
3章DCS与FCS
操作站：
作为集散系统的人—机接口装置，操作站除了执行对过程的监控操作外，系统的组态、编程也可在操作站上进行。还应该具有打印输出功能，可以完成部分的生产管理工作，如打印各种日报表、报警表和CRT屏幕拷贝，以及提供特种打印服务。
3章DCS与FCS 操作站基本功能：
?工程功能
?操作功能
?通信功能
第3章DCS与FCS
高速数据通道：
集散系统的特征之一是系统中采用多处理机结构，这就使各处理机之间的联系，特别是上位计算机与各基本控制站的处理机之间的数据传送。为了使各处理机之间的数据能够合理传送，必须将通信系统构成一定的网络，并遵循一定的通信方式才能实现。
3章DCS与FCS
分层递阶的工业计算机网络
分层递阶的工业计算机网络
提高系统可靠性的措施：双重化冗余备用
3章DCS与FCS 操作站监控画面
操作站监控画面例
操作站监控画面例
填空30 问答20 分析10 设计15 计算分析25 第一章： 什么是过程控制？过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或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。 过程控制系统的组成：被控对象和自动化仪表（包括计算机）两部分组成。（被控参数，控制参数，干扰量f(t)，设定值r(t)，反馈值z(t)，偏差e(t)，控制作用u(t)） 过程控制系统的分类：按结构不同：（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；按定值不同：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）顺序控制系统 过程控制系统的性能指标：根据稳定性、快速性、准确性的要求提出以下 单向性能指标：（1）衰减比（2）最大动态偏差和超调量（3）参与偏差（4）调节时间、峰值时间和振荡频率 综合性能指标：（1）偏差绝对值积分IAE（2）偏差平方积分ISE（3）偏差绝对值与时间乘积积分ITAE（4）时间乘偏差平方积分ITSE 第二章： 检测误差的类型、怎样克服？ 1、检测误差的描述 （1）真值所谓真值是指被测物理量的真实（或客观）取值。在当前现行的检测体系中，许多物理量的真值是按国际公认的公式认定的，即用所谓“认定设备”的检测结果作为真值。（2）最大绝对误差绝对误差是指仪表的实测示值x与真值x a的最大差值，记作△，即△=x-x a （3）相对误差δ=△/x a *100% （4）引用误差γ=△/（x max-x min）*100% （5）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所出现的误差。 （6）附加误差附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。 2、检测误差的规律性 （1）系统误差系统误差是指对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。克服系统误差的有效方法之一是利用负反馈结构。 （2）随机误差或统计误差当对同一被测参数进行多次重复测量时，误差绝对值的大小和符号不可预知地随机变化，但就总体而言具有一定的统计规律性，通常将这种误差称为随机误差或统计误差。引起随机误差的原因很多且难以掌握，一般无法预知，只能用概率和数理统计的方法计算它出现的可能性的大小，并设计合适的滤波器进行消除。 （3）粗大误差又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差，首先应设法判断是否存在，然后再将其剔除。 检测仪表的组成：传感器、变送器 检测仪表的基本特性 固有特性：（1）精确度及其等级（2）非线性误差（3）变差（4）灵敏度和分辨力（5）漂移（6）动态误差
绪论 ●自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表? 答:a:是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表. ●DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处? 答:在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-III型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mA直流电流作为标准信号.这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活. ●什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分. 答:a.就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b. 1有利于识别仪表的断电断线等故障2不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.3上限值较大,有利于抑制干扰4上下限的比值为5:1与气动仪表信号制对应,便于相互折算,产生较大的磁力c.图. ●什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100~+100℃.精确度为0.5级的测量仪表,在量程围的最大误差为多少? 答:模拟式仪表的合理精确度,应该以测量围中最大的绝对误差和该仪表的测量围之比来衡量,这种比值称为相对百分误差,仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(100+100)=0.5%x=1℃. 1-1试述热电偶的测温原理，工业上常用的测温热电偶有哪几种？什么热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线？ 答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度围温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。 1-2热电阻测温有什么特点？为什么热电阻要用三线接法？ 答：a、在-200到+500摄氏度围精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温围比热电偶低，存在非线性。 b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。 1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。在什么情况下要做零点迁移？ 答：a、结构：其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 自动化仪表与过程控制课后答案 自动化仪表与过程控制课后答案 0-1 自动化仪表是指哪一类仪表？什么叫单元组合式仪表？自动化仪表:是由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的自动化技术工具单元组合式调节仪表 : 由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表 0-2DDZ-II 型与 DDZ-III 型仪表的电压,电流信号输出标准是什么？在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处？ P5 第二段 0-3 什么叫两线制变送器？它与传统的四线制变送器相比有什么优点？试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分？ P5~6 0-4 什么是仪表的精确度？试问一台量程为-100~100C,精确度为 0.5 级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少？一般选用相对误差评定，看相对百分比，相对误差越小精度越高 x/(100+100)=0.5% x=1 摄氏度 1-1 试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种？什么叫热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线？答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿 1/ 11
1：串级控制系统参数整定步骤应为（）。 1.先主环，后副环 2.先副环后主环 3.只整定副环 4.没有先后顺序 2：仪表的精度等级指的是仪表的（） 1.误差 2.基本误差 3.允许误差 4.基本误差的最大允许值 3：串级控制系统主、副回路各有一个控制器。副控制器的给定值为（） 1.恒定不变 2.由主控制器输出校正 3.由副参数校正 4.由干扰决定 4：用K分度号的热偶和与其匹配的补偿导线测量温度。但在接线中把补偿导线的极性接反了，则仪表的指示（） 1.偏大 2.偏小
3.可能大,也可能小,要视具体情况而定 5：用4：1衰减曲线法整定控制器参数时得到的TS值是什么数值（） 1.从控制器积分时间旋纽上读出的积分时间 2.从控制器微分时间旋纽上读出的积分时间 3.对象特性的时间常数 4.是4：1衰减曲线上测量得到的振荡周期 6：当高频涡流传感器靠近铁磁物体时（） 1.线圈的震荡频率增加 2.线圈的电阻减小 3.线圈的电感增大 7：某容器控制压力，控制排出料和控制进料，应分别选用的方式为（）。 1.气开式；气开式 2.气关式；气关式 3.气开式；气关式 4.气关式；气开式 8：准确度等级是仪表按（）高低分成的等级。 1.精度 2.准确度
3.限度 9：不属于工程上控制参数的整定方法是（） 1.动态特性法 2.稳定边界法 3.衰减曲线法 4.比较法 10：最常见的控制结构除了反馈控制结构外还有。（） 1.串级控制 2.前馈控制 3.单回路控制 4.多回路控制 11：串级均匀控制系统结构形式与串级控制系统相同，它与串级控制系统有区别也有相同的地方。相同是（） 1.系统构成目的 2.对主、副参数的要求 3.参数整定顺序、投运顺序 4.干扰补偿方式 12：工业现场压力表的示值表示被测参数的（）。 1.动压 2.全压
自动化仪表与过程控制课后答案 0-1自动化仪表是指哪一类仪表什么叫单元组合式仪表 自动化仪表:是由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的 自动化技术工具单元组合式调节仪表: 由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表 0-2DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压,电流信号输出标准是什么在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处P5 第二段 0-3什么叫两线制变送器它与传统的四线制变送器相比有什么优点试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分P5~6 0-4什么是仪表的精确度试问一台量程为-100~100C,精确度为级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少 一般选用相对误差评定，看相对百分比，相对误差越小精度越高x/(100+100)=% x=1摄氏度 1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种什么叫热电偶的分度号在什么情况下要使用补偿导线 答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。 1-2 热电阻测温有什么特点为什么热电阻要用三线接法 答：a、在-200到+500摄氏度范围内精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低，存在非线性。 b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。 1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。在什么情况下要做零点迁移 答：a、结构：其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。 b、工作原理：应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻，热敏电阻集成温度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号。 c、由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处，当冷端温度变化时，利用铜丝电阻随温度变化的特性，向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿。桥路左臂由稳压电压电源Vz（约5v）和高电阻R1（约10K欧）建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu，在Rcu 上产生一个电压，此电压与热电动势Et串联相接。当温度补偿升高时，热电动势Et下降，但由于Rcu增值，在Rcu两端的电压增加，只要铜电阻的大小选择适当，便可得到满意的补偿。 d、当变送器输出信号Ymin下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移。
第4章 1、基本练习题 （1）什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？为什么要研究过程的数学模型？ 目前研究过程数学模型的主要方法有哪几种？ Q：1）被控过程的特性：被控过程输入量与输出量之间的关系。2）被控过程的数学模型：被控过程的特性的数学描述，即过程输入量与输出量之间定量关系的数学描述。3）研究过程的数学模型的意义：是控制系统设计的基础；是控制器参数确定的重要依据；是仿真或研究、开发新型控制策略的必要条件；是设计与操作生产工艺及设备时的指导；是工业过程故障检 测与诊断系统的设计指导。4）主要方法：机理演绎法、试验辨识法、混合法。 （2）响应曲线法辨识过程数学模型时，一般应注意哪些问题？ Q：试验测试前，被控过程应处于相对稳定的工作状态；相同条件下应重复多做几次试验； 分别作正、反方向的阶跃输入信号进行试验；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大也不能过小。 （4）图4-30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）列写该过程的微分方程组。2）画出该过程框图。3）求该过程的传递函数G0(s)=H(s)/Q1(s)。 q q q C 123d h dt Q：1）微分方程组：q 2 h R 2 q 3 h R 3 2)过程框图：
3）传递函数：0 1 G (s) H (s) / Q (s) Cs 1 1 1 R R 2 3 （5）某水槽水位阶跃响应的试 验记 录为： t/s 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 ? h/mm 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 ?98 其中阶跃扰 动 量u 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0 y (t) y(t) y(t) y( ) 98 ，图略。 2 ）一阶惯性环节传递函数：G( s) K T s 1 ，又u =10%*h( ∞)=9.8 ，放大系数 K= y( ) 98 u 9.8 10 ，时间常数T=100s，是达到新的稳态值的63%所用的时间。 （6）、有一流量对象，当调节阀气压 改 变0.01MPa时，流量的变化如表。 若该对象用一阶惯性环节近似，试确定 其传递函数。 解：方法一：作图得，T1=5.2S; 方法二： T 2 1.5(t0.632 - t 0.283 ) 1.5 * (5.2 - 1.9) 4.95 我们用两种方法求平均：
工业过程控制系统(DCS) ?西门子PCS7系统介绍 ?PCS7系统高达的应用 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 西门子PCS7系统介绍 西门子为了应对制造业、过程工业和楼宇自动化行业中的挑战，提出了自己的独特解决方案—全集成自动化（TIA）和全集成能源管理（TIP）的驱动与自动化的解决方案，适用于各种行业。 SIMATIC PCS7过程控制系统是全集成自动化（TIA）的核心部分，为生产、过程控制和综合工业中所有领域实现统一且符合客户要求的自动化平台。 通过采用 SIMATIC PCS 7 的全集成自动化解决方案，可实现一致性的数据管理、通讯和组态，性能优异并可前瞻性地确保满足典型的过程控制系统应用需求。 ?简单而可靠的过程控制 ?用户友好的操作和可视化，并可通过因特网实现 ?系统范围内功能强大、快速、一致性的工程与组态 ?系统范围内的在线修改 ?在各个层级的系统开放性 ?灵活性和可扩展性 ?与安全相关的自动化解决方案 ?广泛的现场总线集成 ?仪表与控制设备的资产管理（诊断、预防性维护和维修） 1. PCS7工程组态系统—ES SIMATIC管理器是工程组态控制的控制中心，是工程组态工具套件的综合平台，同时也是SIMATIC PCS7过程控制系统所有工程组态任务的组态基础。SIMATIC PCS7项目各个方面的创建、管理、归档和记录都在这里进行。
浅谈过程控制与自动化仪表 摘要随着自动化仪表的更新换代，现代科学技术的发展需要自动化仪表和过程控制提供技术保障，要不断地改进生产技术，使其朝着智能化、网络化、开放性发展。 关键词自动化仪表；自动化技术；过程控制 1 引言 过程控制泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，其被控量通常为压力、液位、流量、温度、PH值等过程变量，是自动化技术的重要组成部分。其作用体现在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。自动化仪表是用于生产过程自动化的仪器或设备，是实现工业企业自动化的必要手段和技术工具。其特点是兼容性、统一标准。 2 过程控制概述 2.1 过程控制的特点、要求及任务、功能结构 过程控制的特点：系统由被控过程和检测控制仪表组成；被控过程的多样性；控制方案的多样性；控制过程大多属于慢变过程与参量控制；定值控制是过程控制的主要形式。 生产过程对控制最主要的要求可以归结为三个方面，即：安全性、稳定性和经济性。过程控制的任务，就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的各种特性的基础上，根据工艺生产提出的要求，应用控制理论对控制系统进行分析、设计和综合，并采用相应的自动化装置和适宜的控制手段加以实现，最终达到优质、高产、低耗的控制目标。 图1过程控制的功能结构图 过程控制的功能结构：测量变送与执行，由测量变送装置与执行装置实现；
操作安全与环保，保证生产安全、满足环保要求的设备(独立运行)；常规与高级控制，实现对过程参数的控制，满足控制要求；实时优化，实现最优操作工况(时间，成本，设备损耗)而设计的方案；决策与计划调度，对整个过程进行合理计划调度和正确决策，使企业利益最大化。 2.2 过程控制的分类 按照被控变量的给定值分类，可分成以下三类： 1. 定值控制系统，是一种被控变量的给定值始终固定不变的控制系统。如：液位控制系统； 2. 随动控制系统随动控制系统是一种被控变量的给定值随时间不断变化的控制系统，例如：锅炉的燃烧控制系统； 3. 程序控制系统(又称顺序控制系统)程序控制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变化的控制系统。例如：冶金工业中的金属热处理的温度控制。 2.3 过程控制发展概况 20世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低； 20世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，实现了仪表化和局部自动化； 20世纪60年代(综合自动化阶段)：检测和控制仪表-----采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构------多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统，控制目的------提高控制质量或实现特殊要求； 20世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。 3 自动化仪表概述 自动化仪表是用于过程自动化的仪器或设备，过程控制系统是实现生产过程自动化的平台，而自动化仪表与装置是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。 3.1 自动化仪表的分类 (1) 按照安装场地分 现场仪表(一次仪表)、控制室仪表(二次仪表)； (2) 按能源形式分 ①气动控制仪表：以压缩空气为能源。 优点：结构简单，性能稳定，可靠性高，易于维修，天然防爆； 缺点：气动信号传输速度极限=声速340 s，体积庞大。 ②电动控制仪表 优点：信号快速，远距离传输：易于实现复杂规律的信号处理，易 于与其他装置相连，供电用电方便，无需空压机和油泵、水泵； 缺点：不天然防爆；易受电磁干扰；功率不易大，近年的电动仪表 多采用了安全防爆措施，应用更加广泛。 ③液动仪表(以高压油和高压水为能源) 优点:工作可靠，结构简单，功率大，防爆；
●自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表? 1 答:a:是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术 工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组 合而成的自动调节仪表. ●DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处? 答:在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-III型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mA直流电流作为标准信号.这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活. ●什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分. 答:a.就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b. 1有利于识别仪表的断电断线等故障2不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.3上限值较大,有利于抑制干扰4上下限的比值为5:1与气动仪表信号制对应,便于相互折算,产生较大的磁力 c.图. ●什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100~+100℃.精确度为0.5级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少? 答:模拟式仪表的合理精确度,应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量,这种比值称为相对百分误差,仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(100+100)=0.5%x=1℃. ●1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种?什么热电偶的分度号?在什么情况下要使用补偿导线? 答:a.当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流.b.铂极其合金,镍铬-镍
1、（本题15分）试画出IMC 的基本结构框图，详细解释在对象模型精确条件下如何保证该控制系统的 稳定性？试给出一种增强系统鲁棒性的改进IMC 方案并举例说明。 答： 如果对象模型精确的话，那么00 ?()()G z G z =，并且除去外界干扰的话，()0m D z =，所以()R z 是不变的。如果有干扰的话，()()m D z D z =即()()R z D z -来减少输入，以使()Y z 趋于稳定。 令() ()?1()() c i p c G z G z G z G z = +，用()i G z 来完全补偿扰动对输出的影响，()i G z 相当于一个扰动补偿器或 称前馈控制器。且当0 ?()G z 不能精确描述对象，即模型存在误差时，扰动估计量()m D z 将包含模型失配的某些信息，从而有利于系统的鲁棒性设计。
2、（本题15分）画出动态矩阵控制的算法结构框图，试述其工作过程以及DMC 算法离线准备的参数和 这些参数的选取原则。 答： 工作过程：输入()u k 通过预测模型预测未来几个输出值，我们一般取第一个值，与当前的输出值进行在 线校正，且校正后的值()c y k i +，输出值和给定值通过参考模型也给出一个值()r y k i +，把 ()c y k i +与()r y k i +进行比较，把它们之间的误差通过优化计算来改变输入值()u k ，从来对模型 的失配与干扰的影响在()u k 的变化上体现出来，从而使()y k 有很强的鲁棒性。 DMC 算法离线准备的参数和这些参数的选取原则 1、 脉冲响应系数长度N 的选择 如果采样周期短，则N 会相应的增大。且N 可适当选得大一些，但N 太大会增加预测估计控制的计算量和存储量。通常N=20~60为宜。 2、 输出预估时域长度P 的选择 通常P 越大，预测估计的鲁棒性就越强。但相应的计算量和存储量也增大。一般，设置P 等于过程单位阶跃响应达到其稳态值所需过渡时间的一半所需的采样次数。 3、控制时域长度M 的选择 M 越大，系统的鲁棒性也就越弱。M 不宜选得太大，一般M 取小于10为宜。 4、参考轨迹的收敛参数α的选择 α越大，系统预测控制的鲁棒性越强，但导致闭环系统的响应速度变慢。相反，α过小，过渡过程较易
西南科技大学成教学院德阳教学点 《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案 班级： 姓名： 学号： 成绩： 一、填空题 1、过程控制系统一般由 控制器 、 执行器 、 被控过程 和测量变送等环节组成。 2、仪表的精度等级又称 准确度级 ，通常用 引用误差 作为判断仪表精度等级的尺度。 3、过程控制系统动态质量指标主要有 衰减比n 、 超调量σ 和过渡过程时间s t ；静态质量指标有 稳态误差e ss 。 4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用 约定真值 或 相对真值 来代替。 5、根据使用的能源不同，调节阀可分为 气动调节阀 、 电动调节阀 和 液动调节阀 三大类。 6、过程数学模型的求取方法一般有 机理建模 、 试验建模 和混合建模。 7、积分作用的优点是可消除 稳态误差(余差)，但引入积分作用会使系统 稳定性 下降。 8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为 单闭环比值控制 、 双闭环比值控制 和 变比值控制 三种。 9、Smith 预估补偿原理是预先估计出被控过程的 数学模型 ，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的 纯滞后 进行补偿。 10、随着控制通道的增益K 0的增加，控制作用 增强 ，克服干扰的能力 最大 ， 系统的余差 减小 ，最大偏差 减小 。 11、从理论上讲，干扰通道存在纯滞后， 不影响 系统的控制质量。 12、建立过程对象模型的方法有 机理建模 和 系统辨识与参数估计 。 13、控制系统对检测变送环节的基本要求是 准确 、 迅速 和 可靠 。 14、控制阀的选择包括 结构材质的选择、 口径的选择 、 流量特性的选择 和 正反作用的选择。 15、防积分饱和的措施有 对控制器的输出限幅 、限制控制器积分部分的输出和 积分切除法。 16、如果对象扰动通道增益 f K 增加，扰动作用 增强 ，系统的余差 增大 ， 最大偏差 增大 。 17、在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是 通过旁路控制 。 二、名词解释题 1、衰减比 答：衰减比 n 定义为： 衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:1～10:1。 2、自衡过程 答：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。称该类被控过程为自衡过程。 3、分布式控制系统 答：分布式控制系统DCS ，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系2 1B B n
一、简答题 1、分析如图所示的用不平衡电桥进行热电偶冷端温度补偿方法的原理。 答：热电偶测温时要保持冷端温度恒定。采用不平衡电桥可以对热电偶冷端温度的变化进行补偿，其原理是：将热电偶与不平衡电桥串连，两者输出之和进入显示仪表。而不平衡电桥的一个桥路选择热电阻，其它3个桥臂阻值恒定。测温时，将热电阻与热电偶的冷端置于同样的温度环境下。在某设计的冷端温度下，电桥平衡，输出为0。 当冷端温度升高时，热电偶的输出减小，但热电阻的阻值随着温度的升高而增加，从而引起电桥输出增加。通过合理选择桥路参数，可以在一定冷端温度变化范围内，使得热电偶输出电势减小的数值与不平衡电桥输出相等，从而实现冷端温度补偿。冷端温度减小时，同样也能实现冷端温度补偿。 2、什么叫气动执行器的气开、气关式？其选择原则是什么？ 答：随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定。一般来说，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选择气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的选择气关式。 3、调节器参数整定的任务是什么？工程上常用的调节器参数整定方法有哪几种？ 答：调节器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定调节器的最佳参数值，包括比例度、积分时间、微分时间，以便系统能获得好的控制品质。调节器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。 4、在什么场合选用比例、比例积分和比例积分微分调节规律？ 答：比例调节规律适用于负荷变化较小、纯滞后不太大而工艺要求不高、又允许有余差的控制系统。比例积分调节规律适用于对象调节通道时间常数较小、系统负荷变化较大，纯滞后不大而被控参数不允许与给定值有偏差的调节系统。比例积分微分调节规律适用于容量滞后较大、纯滞后不大、不允许有余差的调节系统。 5、什么是积分饱和现象？有哪些措施防止该现象的发生？ 答：当控制系统长期存在偏差，积分控制作用输出会不断增加或减小，直到输出超过仪表范围的最大值或最小值而达到仪表所能达到的极限最大或最小值。这时当偏差反向时，控制器的输出不能及时反向，要在一定延时后，控制器的输出才能从最大或最小的极限值回复到仪表范围的最大或最小值，在这段时间内，控制器不能发挥控制作用，造成控制不及时。通常把这种由于积分过量造成的控制不及时现象称为积分饱和现象。 防止积分饱和的措施有： 限幅法：采用技术措施，将控制器的输出信号限制在工作信号范围内。 积分切除法：当控制器处于开环状态时，自动切除其积分作用。
第一章绪论 1、过程控制概述 过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中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。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。 过程控制通常是对生产过程中的压力、液位、流量、温度、PH值、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动尽行。 2、过程控制的特点 （1）系统由被控过程和检测控制仪表组成；（2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；（3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；（4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；（5）定值控制是过程控制的主要形式。 3、过程控制的要求与任务 要求：（1）安全性：针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。（2）稳定性：抑制外界干扰，保证正常运行。（3）经济性：降低成本提高效率。掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。 任务：指在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符合上述三项要求的过程控制系统，并采用适宜的技术手段（如自动化仪表和计算机）加以实现。 4、过程控制的功能 测量变送与执行功能；操作安全与环境保护功能；常规控制与高级控制功能；实时优化功能；决策管理与计划调度功能。 5、过程控制系统的组成 被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数； 控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量； 干扰量f(t)：作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数； 设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；
第1章 1. 系统动态性能的常用单项指标有哪些？这些指标那些分别属于稳定性、准确性和快速性？会计算给定值单位阶跃响应下的性能指标。P8，9，10 解：单项性能指标主要有：衰减比n 、超调量与最大动态偏差A 、静差C 、调节时间T S 、振荡频率w 、振荡周期T 和峰值时间T P 等。 稳定性：衰 减 比，最大动态偏差。 准确性：静 差，最大动态偏差。 快速性：调节时间，振 荡 频 率 。 1y 为第一个波峰值，y 3为与1y 相邻的同向波峰值，y （∞）为最终稳态值,X 1为设定值。 n=1y ：y 3；1100%() y y σ=?∞；A=最高峰-设定值；C=丨X 1-y （∞）丨;T 为相邻两个同向波峰之间的时间间隔。 2. 典型过程控制系统由哪几部分构成，并画出典型过程控制系统方框图？ 解：测量变送器、控制器、执行器和被控对象. 第2章 1. 热电偶的中间温度定律及中间导体定律？什么是热电偶冷端补偿？常用补偿方法的应用场合？补偿导线的作用？ 解：中间温度定律：E AB (t ，t o )=E AB (t ，t n )+E AB (t n ，t o ) 中间导体定律：在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度 相同，则对热电偶的热电动势没有影响。接入多种导体时亦然。 热电偶冷端补偿：实际应用时热电偶冷端温度波动较大给测量带来误差，为 降低影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。 补偿导线的作用：将热电偶的冷端延长到距热源较远且温度比较稳定的地 方。 常用补偿方法的应用场合： （1）查表法。只能用于临时测温。 （2）仪表零点调整法。适宜冷端温度稳定的场合。 （3）冰浴法。一般用于热电偶的检定。 （4）补偿电桥法。广泛用于热电偶变送电路中。
编订：__________________ 审核：__________________ 单位：__________________ 工业生产过程自动化技术 及安全控制 Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑
文件编号：KG-AO-7680-32 工业生产过程自动化技术及安全控 制 使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 自19世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生产需要。作为工业生产过程一部分的工业过程控制系统也在不断发展和提高。 自动化仪表技术的发展 在工业安全生产过程，通常需要测量和控制的变量有：温度、压力、流量、液面、称重、电量(电流、电压、功率)和成分等。这些变量的测量和控制随着电子技术、计算机技术以及测量技术的不断发展，虽然其基本测量原理变化不大，但是信号置换、显示和控制装置的变化十分迅速。最近50年，工业自动化仪表从气动仪表到电动仪表，从现场就地控制到中央控制
室控制，从在仪表屏上操作到用计算机操作站(CRT)操作，从模拟信号到数字信号等，其发展和变化十分惊人，如表1—1所示。 20世纪50年代是电子真空管时代，工业生产过程规模比较小，所用的仪表与控制系统都比较简单且粗笨，多用气动仪表进行测量与控制，采用o．2—1．Okgf／cm2(3—15psi)气动信号作为统一标准信号，记录仪是电子管式的自动平衡记录仪。控制系统为就地式的简单装置。 到了20世纪60年代，随着工业规模的不断扩大，特别是石油化2E212业的迅速发展，工业生产过程要求集中操作与控制。在这期间，半导体技术有了迅速的发展，自动化仪表开始用电动仪表，电子管由晶体管代替，开发出以半导体分立元件制造的电动Ⅱ型仪表，统一信号标准为０～10mA。采用中央仪表控制室对工业生产过程进行操作、监视和控制，同时，计算机开始在工业生产过程中应用，实现直接数字控制(DDC-Directly DigitalComtrol)。进入20世纪
自动化仪表与过程控制后 习题答案 ●自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表？ 1答:a：是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表. ●ＤDZ－II型与DDZ-IＩＩ型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处? 答：在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDＺ-ＩＩI型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mＡ直流电流作为标准信号．这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活．
●什么叫两线制变送器？它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分. 答:a．就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b．1有利于识别仪表的断电断线等故障２不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.３上限值较大，有利于抑制干扰4上下限的比值为５：１与气动仪表信号制对应，便于相互折算,产生较大的磁力ｃ.图. ●什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100~+100℃.精确度为0.5级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少？答:模拟式仪表的合理精确度，应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量，这种比值称为相对百分误差，仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(１０0+１00)＝0.５%x=１℃. ●1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种?什么热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线? 答:a．当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势，并产生电流．b.铂极其合金,镍铬-镍硅,镍铬-康铜,铜-康铜．c.分度号是用
工业过程和过程控制 实验报告 学号：1013401XXX 姓名：XXX 学院：XXXX学院 专业：冶金过程自动化 苏州大学机电工程学院 二零一三年五月
实验一锅炉液位控制系统实验 一、实验目的 1 了解锅炉液位控制系统的组成。 2 建立液位控制数学模型（阶跃响应曲线）。 3 计算系统各参数下的性能指标。 4 分析PID参数对控制系统性能指标的影响。 二、实验步骤 1 出水流量控制系统置于“手操”，即开环方式，设定OUTL=60%。 2 令δ=20%、T i=80（s）、T d=10(s)，设置到液位控制器中。 3 液位控制系统置于“自动”，即闭环方式，设定SV=200mm，等待 稳定下来。 4 将液位控制器的“自动”输出阶跃变化100mm，即设定 SV=300mm,同步记录液位的PV值（间隔30秒记录一次，约 20分钟） 5 改变比例带：令δ=10%、T i=80（s）、T d=10(s)，设置到控制器中， 重复步骤3和步骤4。 6 改变积分时间：令δ=20%、T i=40（s）、T d=10(s)，设置到控制器 中，重复步骤3和步骤4。 7 改变微分时间：令δ=20%、T i=80（s）、T d=20(s)，设置到控制器 中，重复步骤3和步骤4。 三、数据记录和处理 锅炉液位控制系统实验记录表
时间：(min) 液位：(mm) 液位：(mm) 液位：(mm) 液位：(mm) 0.0 200 200 200 200 0.5 203.5 206.4 206.5 205.0 1.0 209.9 215.9 216.9 21 2.0 1.5 216.5 225.9 228.8 219.5 2.0 224.4 236.5 241.4 228.2 2.5 232.9 248.2 256.1 236.0 3.0 241.8 259.6 270.4 245.8 3.5 250.9 271.4 285.7 25 4.8 4.0 260.6 283.2 299.1 264.4 4.5 269.8 293.6 308.7 273.9 5.0 279.2 301.3 310.0 283.3 5.5 289.0 304.1 308.5 292.4 6.0 29 7.1 304.5 305.3 299.6 6.5 302.8 303.3 301.8 304.7 7.0 306.2 302.2 298.9 306.0 7.5 306.7 301.7 297.1 306.5 8.0 306.0 300.7 297.1 305.9 8.5 305.1 300.0 297.2 304.8 9.0 303.8 299.9 298.7 303.6 9.5 302.5 299.6 300.0 301.7 10.0 301.4 299.7 300.3 300.8
自动化仪表与过程控制课程大作业 1、（20分）如图所示热化工生产中的连续反应器示意图。 其工艺为：物料自顶部连续进入槽中，经反应产生的 热量由冷却夹套中的冷却水带走。为了保证产品质量，必须严格控制反应温度θ1。 原来选择的控制方案如图所示，控制精度无法达到预期要求。 （1）该系统是一个时间常数较大的系统，尤其是冷却水的进水流量常常波动，导致反应器内部温度动态偏差较大。试设计一个串级控制系统，提高控制精度。（画出控制系统连接图和方框图） （2）分析当冷却水的进水流量突然增大时，该系统是如何消除扰动、提高控制精度的。 2、（20分）（用MATLAB 仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下： 如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T 和τ，并根据这些参数整定PI 调节器的参数，用仿真结果验证之。 3、（20分）某隧道窑系统，考虑将燃料室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数12,o o G G 分别为：11()(301) o G s s = +， 2 21 ()(101)(1)o G s s s = ++，其中有一个10s 的传输延迟，其传递函数为10()s d G s e -=。当延迟环节 分别放在主回路和副回路时，设计串级控制主、副PID 调节器的参数，并绘制出整定后的阶跃响应曲线，分析二次扰动系统的影响。 4、（15分）根据如图所示，当选择进水流量Q1为控制量时，设计水箱水位的单回路控制系统。 （1）要求画出系统的连接图和方框图； （2）若进水阀为气动阀，选择其气开、气关的形式，并确定调节器的正、反作用方式。要求有分析过程。