Q 控制规律的表达式可能考计算P13
1.参数含义：△y变化量KP控制器比例增益TI控制器积分时间TD控制
器微分时间ε偏差
2.偏差的正负：ε=Xi-Xs 测量值-给定值
3.控制器的正作用反作用选择依据（分析题）给你对象能分析出是正作用还
是反作用：若KP前有负号则为反作用
4.①选阀：怎么安全怎么来，P1的例子温度控制系统，选气开或电开；②
假设温度过高，则偏差（温度）=测量值-设定值大于零，目标是△y（燃料）变化值小于零，所以选择反作用。
P PI PD 规律的特点阶跃响应要会分析P13-18
P PI PD PID 阶跃响应曲线特点PI PD 规律的阶跃响应综合题里考记住实际的时域公式
1.P控制特性：输入输出成比例关系，只要有偏差存在，控制器的输出就会
立刻与偏差成比例地变化，控制作用及时迅速。系统会出现余差，被控变量受干扰影响偏离给定值后，无法回到原先数值；若偏差为零，则输出不会变化，系统无法保持平衡。增大KP可以减小余差，但系统稳定性变差，容易产生震荡。P用于干扰较小，允许有余差的系统中。
比例度δ、比例增益KP互为倒数，成反比，比例度越小，比例增益越大，比例作用越强。
2.PI控制特性：I能消除余差，只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间
不断变化，知道偏差消除，控制器的输出才会稳定下来；积分作用输出快慢与输入偏差ε的大小成正比，与积分时间成反比，积分时间越短，积分
速度越快，积分作用越强；积分输出控制动作缓慢，会造成控制不及时，系统稳定裕度下降，因此积分作用与比例作用组合起来使用。
控制点偏差：控制器输出稳定在某一值时，测量值和给定值之间存在偏差。
控制精度：控制点最大偏差的相对变化值，表征控制器消除余差的能力，KI越大，控制精度越高，消除余差能力越强。
3.PD控制特性：当积分时间TI趋于无穷大，控制器成PD控制特性；微分
时间越长，微分作用越强；微分作用比单纯比例作用快，微分作用比单纯比例作用提前一段时间，这段时间就是TD；微分根据偏差变化速度进行控制，只要偏差出现变化趋势，就有控制作用输出，超前控制；偏差恒定不变，微分作用为零，所以不能单独使用。
微分增益KD＜1，控制作用减弱，反微分，目的是滤波，KD =1相当于比例作用。
4.PID控制特性：both
5.微分先行目的：设定值放在微分之后，不对设定值做微分，效果是不因为
设定值的变化，引起输出值较大的变化。
6.如果PI阶跃曲线，KP增加或者TI减小的情况下，曲线如何变化，会分
析，做实验做的：KP增加比例作用增强，TI减小积分作用增强，积分增益变大，曲线变陡。
Q 基型控制器的电路方框图P20会画根据框图知道具备哪些功能
指示手操参数设定输入输出
用单片机设计基型控制器画框图各种东西都要含有有输入（键盘）参数指示显示输入输出
Q 输入电路P21 分析偏差差动电平移动电路电平平移的目的
1.作用：①将测量信号和给定信号相减，得到偏差信号，再将偏差信号放大
输出；②电平移动，将以0V位基准的给定信号和偏差信号转换成以电平UB(10V)位基准的输出信号UO1
2.电平移动的目的：使运算放大器工作在允许的共模输入电压范围内。
Q 分析PD电路在“断”的位置，通过电阻引到n分之一UO1目的是P23 A 在“断”的位置，运放的同向端电压为n分之一UO1，电容CD通过电阻R1接至n分之一UO1，CD被充电。因为输入信号为阶跃信号，所以不能直接加在电容CD两端，加入R1起到保护作用。
Q 分析实际PI电路在基型控制器当中有积分饱和P26
A 正常工作时，电容电压恒等于输出电压，但在饱和状态，输出电压已被限制住，而输入电压依然存在，并会通过RI向电容继续充电（或放电），所以电容电压将继续增加（或减小），这时电容电压不等于输出电压，导致运放的同向端电压和反向端电压不相等，这一现象称为积分饱和。
输出电路不做要求
Q 分析软手操、硬手操电路分析简化电路
重点自动软手操硬手操互相之间切换的电路哪些无需预平衡即可无扰动哪些需要预平衡才能无扰动原因是什么P30
A 自动→硬手操软手操→硬手操需要预平衡才能无扰动，若不事先平衡，
则会导致输出电压发生变化，对生产过程有扰动。
概论思考题与习题 0-1 控制仪表与装置采用何种信号进行联络？电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？ 0-2 说明现场仪表与控制室仪表之间的信号传输及供电方式。0～10mA的直流电流信号能否用于两线制传输方式？为什么？ 0-3 什么是本质安全型防爆仪表，如何构成本质安全防爆系统？ 0-4 安全栅有哪几种？它们是如何实现本质安全防爆的？ 第一章思考题与习题 1-1 说明P、PI、PD调节规律的特点以及这几种调节规律在控制系统中的作用。 1-2 调节器输入一阶跃信号，作用一段时间后突然消失。在上述情况下，分别画出P、PI、PD调节器的输出变化过程。如果输入一随时间线性增加的信号时，调节器的输出将作何变化？ 1-3 如何用频率特性描述调节器的调节规律？分别画出PI、PD、PID的对数幅频特性。 1-4 什么是比例度、积分时间和微分时间？如何测定这些变量？ 1-5 某P调节器的输入信号是4～20mA，输出信号为1～5Ｖ，当比例度δ=60%时，输入变化6mA所引起的输出变化量是多少？ 1-6 说明积分增益和微分增益的物理意义。它们的大小对调节器的输出有什么影响？ 1-7 什么是调节器的调节精度？实际PID调节器用于控制系统中，控制结果能否消除余差？为什么？ 1-8 某PID调节器（正作用）输入、输出信号均为4～20mA，调节器的初始值I i=I0=4mA，δ=200%，T I=T D=2min，K D=10。在t=0时输入ΔI i=2mA的阶跃信号，分别求取t=12s 时：（1）PI工况下的输出值；（2）PD工况下的输出值。 1-9 PID调节器的构成方式有哪几种？各有什么特点？ 1-10 基型调节器的输入电路为什么采用差动输入和电平移动的方式？偏差差动电平移动电路怎样消除导线电阻所引起的运算误差？ 1-11 在基型调节器的PD电路中，如何保证开关S从“断”位置切至“通”位置时输出信号保持不变？ 1-12 试分析基型调节器产生积分饱和现象的原因。若将调节器输出加以限幅，能否消除这一现象？为什么？应怎样解决？ 1-13 基型调节器的输出电路（参照图1-20）中，已知R1=R2=KR=30kΩ，R f=250Ω，试通过计算说明该电路对运算放大器共模输入电压的要求及负载电阻的范围。 1-14 基型调节器如何保证“自动”→“软手操”、“软手操”（或硬手操）→“自动”无平衡、无扰动的切换？ 1-15 积分反馈型限幅调节器和PI-P调节器是如何防止积分饱和的？ 1-16 简述前馈调节器和非线性调节器的构成原理。 1-17 偏差报警单元为什么要设置U b和U c？简述其工作原理。 1-18 输出限幅单元是如何实现限幅的？电路中的二极管起什么作用？ 第二章思考题与习题 2-1 变送器在总体结构上采用何种方法使输入信号与输出信号之间保持线性关系？ 2-2 何谓量程调整、零点调整合零点迁移，试举一例说明。 2-3 简述力平衡式差压变送器的结构和动作过程，并说明零点调整合零点迁移的方法。 2-4 力平衡式差压变送器是如何实现量程调整的？试分析矢量机构工作原理。 2-5 说明位移检测放大器的构成。该放大器如何将位移信号转换成输出电流的？ 2-6 以差压变送器为例说明“两线制”仪表的特点。
简答题5X8=40分 第1章概论 1. 一个简单的闭环调节系统中至少应包含哪几个环节？P1 输入环节；输出环节；反馈环节等 2. 过程控制仪表与装置的分类有哪几种形式？ P2 按能源形式分类:可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表；按信号类型分类:分为模拟式和数字式两大类；按结构形式分类:单元组合式控制仪表,基地式控制仪表,集散型计算机控制系统,现场总线控制系统。 3. 过程控制仪表与装置按能源形式分类可分为哪几种？目前工业上普遍使用的是哪两 种？ P2 过程控制仪表与装置按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。 4.数字式控制仪表的特征有哪些？ 其传输信号为断续变化的数字量，可以进行各种数字运算和逻辑判断，功能完善性，能优越，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。 5. 变送单元的作用是什么？ 它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。 6. 控制单元的作用是什么？ 将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。 7. 执行单元的作用是什么？ 它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。 8. 现场总线控制系统的特征？ P3 其特征为：现场控制和双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。 9. 信号制是指什么？P3-4 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。 10. 制定信号制的目的是什么？P3-4 达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。 11. 气动仪表的信号标准？P3-4 现场与控制室仪表之间宜采用直流电流信号。 14. 直流电流信号有哪些优缺点？P4-5 优点：a、直流比交流干扰少b、直流信号对负载的要求简单c、电流比电压更利于远传信息缺点：
第一章绪论 ?本章提要 1.过程控制系统的基本概念 2.过程控制的发展概况 3.过程控制系统的组成 4.过程控制的特点及分类 5.衡量过程控制系统的质量指标 ?授课内容 第一节过程控制的发展概况 1.基本概念 ?过程控制系统-----指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成 分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。(P3) ?过程控制-----指工业部门生产过程的自动化。(P3) 2.过程控制的重要性 ●进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技术。过程控制是 自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术 正在为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。 3.过程控制的发展概况 ●19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。 ●19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，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪 表-----采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系 统结构------单输入、单输出系统；被控参数------温度、压力、流量和液位 参数；控制目的------保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主 要扰动；理论-----频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出 的定值控制系统的分析和综合问题。 ●19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业 实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-----采用单 元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，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；理论-----除经典控制理论， 现代控制理论开始应用。 ?前馈控制-----按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。 ?选择性控制-----在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自 动实现的保护性控制。 ●19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。主要特点：检测和控制仪表-----新型仪表、
习 题 2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x i o o o o 222=++ (2) x tx x x i o o o 222=++ (3) x x x x i o 222o o =++ (4) x tx x x x i o o o 222o =++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有
x m x c x x c i o o 2 o 1 )(=-- 即 x c x c c x m i 1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 )1()()(1 x x c k x x o i -=- )2()(2 x k x x c o o =- 消除中间变量有 x ck x k k x k k c i o 1 2 1 o 2 1 )(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x x c o o i o i 2 1 )()(=-+- 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 ?+=idt C i R u o 12 2 i R u u o i 1 1=-
习 题 2.1 什么是线性系统其最重要的特性是什么下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统 (1) x x x x x i o o o o 222=++&&& (2) x tx x x i o o o 222=++&&& (3) x x x x i o 222o o =++&&& (4) x tx x x x i o o o 222o =++&&& 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有 即 x c x c c x m i &&&&1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 消除中间变量有 (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++&& 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 消除中间变量,并化简有
u R C u C C R R u R C u R C u C C R R u R C i i i o o o 1 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1)()1(1+++=-+ ++&&&&&&& (2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有 消除中间变量,并化简有 2.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。图中M 为输入转矩,C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。 解：设系统输入为M （即），输 出θ(即)，分别对圆盘和质块进行动力学分析，列写动力学方程如下： 消除中间变量 x ,即可得到系统动力学方程 KM M c M m C R c k KJ c C km R cJ mC mJ m m m ++=++-++++&&&&&&&&&θ θθθ）（2 2 )()() 4(2.5 输出y(t)与输入x(t)的关系为y(t)= 2x(t)+0.5x 3(t)。 （1）求当工作点为x o =0,x o =1,x o =2时相应的稳态时输出值； （2）在这些工作点处作小偏差线性化模型，并以对工作的偏差来定
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。
习 题 什么是线性系统其最重要的特性是什么下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统 (1) x x x x x i o o o o 222=++&&& (2) x tx x x i o o o 222=++&&& (3) x x x x i o 222o o =++&&& (4) x tx x x x i o o o 222o =++&&& 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 图（题）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有 x m x c x x c i &&&&&o o 2 o 1 )(=--
即 x c x c c x m i &&&&1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 )1()()(1 x x c k x x o i &&-=- )2()(2 x k x x c o o =-&& 消除中间变量有 x ck x k k x k k c i o &&1 2 1 o 2 1 )(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x x c o o i o i 2 1 )()(=-+-&& 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++&& 求出图(题所示电系统的微分方程。 图（题） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 ?+=idt C i R u o 1 2 2 i R u u o i 1 1=-
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 CPC20001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： 表 3-1 输入压力（ KPa ） 输出电流（ mA ） 上行程 理论值 示值 绝对误差 1.01 4.00 4.00 0.00 2.04 8.00 8.02 0.02 3.01 1 12.01 0.01 12.00 4.02 16.00 15.99 0.01 5.00 20.00 20.00 0.00 表 3-2 输入压力（ KPa ） 输出电流（ mA ） 下行程 理论值 示值 绝对误差 4.99 20.00 20.01 0.01 4.00 16.00 16.02 0.02 3.01 12.00 12.01 0.01 2.00 8.00 8.00 0.00 1.00 4.00 3.98 0.02 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， 输出电流 /mA 16 4 输入压力 /KPa O 1 5 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：
Q 控制规律的表达式可能考计算P13 1.参数含义：△y变化量KP控制器比例增益TI控制器积分时间TD控制 器微分时间ε偏差 2.偏差的正负：ε=Xi-Xs 测量值-给定值 3.控制器的正作用反作用选择依据（分析题）给你对象能分析出是正作用还 是反作用：若KP前有负号则为反作用 4.①选阀：怎么安全怎么来，P1的例子温度控制系统，选气开或电开；② 假设温度过高，则偏差（温度）=测量值-设定值大于零，目标是△y（燃料）变化值小于零，所以选择反作用。 P PI PD 规律的特点阶跃响应要会分析P13-18 P PI PD PID 阶跃响应曲线特点PI PD 规律的阶跃响应综合题里考记住实际的时域公式 1.P控制特性：输入输出成比例关系，只要有偏差存在，控制器的输出就会 立刻与偏差成比例地变化，控制作用及时迅速。系统会出现余差，被控变量受干扰影响偏离给定值后，无法回到原先数值；若偏差为零，则输出不会变化，系统无法保持平衡。增大KP可以减小余差，但系统稳定性变差，容易产生震荡。P用于干扰较小，允许有余差的系统中。 比例度δ、比例增益KP互为倒数，成反比，比例度越小，比例增益越大，比例作用越强。 2.PI控制特性：I能消除余差，只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间 不断变化，知道偏差消除，控制器的输出才会稳定下来；积分作用输出快慢与输入偏差ε的大小成正比，与积分时间成反比，积分时间越短，积分
速度越快，积分作用越强；积分输出控制动作缓慢，会造成控制不及时，系统稳定裕度下降，因此积分作用与比例作用组合起来使用。 控制点偏差：控制器输出稳定在某一值时，测量值和给定值之间存在偏差。 控制精度：控制点最大偏差的相对变化值，表征控制器消除余差的能力，KI越大，控制精度越高，消除余差能力越强。 3.PD控制特性：当积分时间TI趋于无穷大，控制器成PD控制特性；微分 时间越长，微分作用越强；微分作用比单纯比例作用快，微分作用比单纯比例作用提前一段时间，这段时间就是TD；微分根据偏差变化速度进行控制，只要偏差出现变化趋势，就有控制作用输出，超前控制；偏差恒定不变，微分作用为零，所以不能单独使用。 微分增益KD＜1，控制作用减弱，反微分，目的是滤波，KD =1相当于比例作用。 4.PID控制特性：both 5.微分先行目的：设定值放在微分之后，不对设定值做微分，效果是不因为 设定值的变化，引起输出值较大的变化。 6.如果PI阶跃曲线，KP增加或者TI减小的情况下，曲线如何变化，会分 析，做实验做的：KP增加比例作用增强，TI减小积分作用增强，积分增益变大，曲线变陡。 Q 基型控制器的电路方框图P20会画根据框图知道具备哪些功能 指示手操参数设定输入输出 用单片机设计基型控制器画框图各种东西都要含有有输入（键盘）参数指示显示输入输出
一、填空(每空2分，共30分) 1. 电动控制仪表控制仪表按信号类型可以分为：( )和( )两类； 2.变送器的作用是( ) ； 3.安全栅的作用是（），（）； 4. DDZ-Ⅲ型仪表是以( )作为标准统一信号的； 5.配电器的作用是( )； 6.安全防爆系统应具备的条件是( )和( )； 7.选择气动执行器作用方式气开气关的依据是以（）为原则； 8.智能变送器就结构而言一般是由( )和（）组成； 9.热电阻温度变送器量程单元中热电阻采用三线制连接的目的是( )； 10.控制仪表中DCS是指( )，FCS是指( )； 二.解答下列各题（每题4分，共20分） 1.画出齐纳式安全栅的原理电路图，并说明其工作原理。 2.试述电容式差压变送器测量部分的工作原理。 3.画出电动执行器中伺服放大器的原理框图,并叙述其工作原理。 4.试述变送器中调量程、零点以及零点迁移的意义和方法。 5.解释开方器为何要设小信号切除电路?并说明DDZ-Ⅲ型开方器的小信号切除 电路工作原理。 三．写出理想P，PI，PD，PID四种调节器的传递函数，划出其阶跃响应曲线（20分）。 四．Ⅲ型调节器考虑导线电阻压降的差动输入电路原理图如下，试推导V 01与V i 之 间的关系，并说明导线电阻压降V CM1，V CM2 能否影响运算电路的精度。 （R 1=R 2 =R 3 =R 4 =R 5 =R=500kΩ,R 7 =R 8 =5 kΩ）（15分）
五．如图位移检测放大器原理线路图，哪些器件是为实现本质安全防爆措施而设置的，各是如何起作用的(15) 2009~2010学年二学期控制仪表及装置试题A标准答案 （答案要注明各个要点的评分标准） 一．(每空2分) 1（数字式）（模拟式） 2（是将传感器来的各种工艺变量转换成标准的统一信号） 3（信号传输）（阻止危险信号进入危险场所） 4（4~20mA或1~5V） 5（信号变换与隔离、供电）, 6（危险场所使用安全防爆仪表）（使用安全栅） 7（安全生产）, 8（传感器部件）（电子部件） 9（克服热电阻的连接导线电阻对测温的影响） 10（集散控制系统）（现场总线控制系统） 二．(每题4分，共20分) 1 、齐纳式安全栅是利用齐纳二极管的反向击穿特性制作的。这就安全侧异常高电压不能窜入危险侧。
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。
一、填空题： 1．控制仪表及装置按照结构形式分__________________、__________________、__________________三类。 2．控制仪表及装置按照能源分为__________________、__________________、__________________。 3．国际电工委员会将范围为_________的电流信号和范围为________的电压信号确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准 4．气动仪表的标准联络信号为：__________________。 5．在单元组合仪表中，调节器比例度与调节器的比例增益的关系为：_________。 6．执行器一般由_________和_________两大部分构成。 7、信号制是指------------------------------------------------------------------------------------------------。 8、PID调节器主要由、、三部分组成。 9、调节器的工作状态有-------------、-------------、----------------、----------------四种。 10、III型调节器的双向无平衡无扰动切换是指-------------------------------------------------------------。 11、D T越大，则微分作用------------；D K越大，则微分作用-----------。 12、I T越大，则积分作用------------；I K越大，则积分作用-----------。 二、简答题： 第一章 1、控制仪表及装置的分类有那些？ 1.答：分类：按能源形式分类：电动、气动、液动三类；按信号类型分类：模拟式和数字式：按结构形式分：基地式、单元组合式、组件组装式。 2、什么是信号制？ 答：信号制：在成套系列仪表中，各个仪表的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题3、控制仪表及装置采用何种信号进行联络？电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？ 答：在成套仪表系列中，仪表之间采用统一的标准信号进行联络。气动仪表20-100KPa，电动仪表：IEC将4-20mA(DC),1-5V(DC)确定为模拟信号的统一标准信号。 （一）直流信号的优点 （1）干扰小。交流信号容易产生电磁场的干扰。 （2）对负载要求简单。交流信号有频率和相位的问题，对负载的感抗或容抗敏感。 （3）便于进行数模转换。 （4）易获得基准电压。 （二）电流传输：电流传输特点 适于远距离传输； 拆除仪表要影响其他仪表的工作； 仪表的可靠性降低； 串联时需检查每台表的电路电位是否正确； （三）电压传输：电压传输特点 不适于远距离传输； 接收仪表输入阻抗越高，误差越小；
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 求：1）该表最大绝对误差； 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 求：1）变差； 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 508.5=?-=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 4 202001000T =--； 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
第五章 1．试简述控制器在自动控制系统中的作用。 答：控制器是自动控制系统中的核心组成部分。它的作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制器根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。 2．从控制仪表的发展及结构原理来看，主要有哪几种类型?各有什么特点? 答：主要有三种类型：基地式控制仪表、单元组合式仪表和以微处理器为基元的控制装置。 基地式控制仪表一般是与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测、控制与显示的功能，所以它的结构简单、价格低廉、使用方便。但由于它的通用性差，信号不易传递，故一般是应用于一些简单控制系统中。 单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元，各个单元之间以统一的标准信号相互联系。其中的控制单元能够接受测量值与给定值信号，然后根据它们的偏差经过一定运算发出与之有一定关系的控制作用信号。单元组合式仪表具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可以与计算机等现代化设备配合，组合各种复杂的与新型的控制系统。 以微处理器为基元的控制装置其控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种复杂控制系统，近年来在自动控制领域得到广泛的应用。 3．控制器的控制规律是指什么?常用的控制规律有哪些? 答：所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号户与输入偏差信号P之间的关系，即 ()()x p- f = = e z f 式中z——测量值信号； x——给定值信号l f——是指某种函数关系。 常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的 组合控制规律，例PI、PD、PID等。 4．什么是位式控制?它有什么特点? 答：位式控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置。最为常见的是双位控制，它的输出只有两个数值(最大或最小)，其执行机构只有两个特定的
控制仪表第二章答案 2—1说明变送器的总体构成。它在结构上采用何种方法使输入信号与输出信号之间保持线性关系 答1变送器包括测量部分即输入转换部分放大器和反馈部分。2如果转换系数 C 和反馈系数F 是常数则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。 2—2何为量程调整、零点调整和零点迁移试举一例说明。 答量程调整即满度调整的目的是使变送器输出信号的上限值ymax即统一标准信号的上限值与测量范围的上限值xmax 相对应。零点调整使变送器输出信号的下限ymin 即统一标准信号的下限值与测量范围的下限值xmin 相对应。在xmin=0时为零点调整。零点迁移使变送器输出信号的下限ymin即统一标准信号的下限值与测量范围的下限值xmin 相对应。在xmin≠0 时为零点迁移。举例量程调整通常是通过改变反馈系数 F 的大小来实现的F 大量程就大F 小量程就小。还可以通过改变转换系数 C 来 调整量程。 2—7说明电容式差压变送器的特点及构成原理。 答1电容式差压变送器结构简单性能稳定、可靠且具有较高的精度。2输入差压⊿pi 作用于测量部件的感压膜片使其产生位移从而使感压膜片与两固定电极所组成的差动电容器的电容量发生变化此电容变化量与电容-电流转换成直流电流信号与调零信号的代数和同发亏信号进行比较其差值送入放大电路经放大 得到整机的输出电流Io。 2—8电容式差压变送器如何实现差压—电容和电容—电流的转换试分析测量部件和各部分电路的作用。 答差动电容器Ci
1、Ci2由振荡器供电经解调后输出两组电流信号一组为差动信号一组为共模信号。差动信号随输入差压⊿pi 而变化此信号与调零及调量程信号叠加后送入运算放大器IC3在经功放和限流得到4~20mA的输出电流。 转换放大电路将差动电容的相对变化量转换为标准的电流输出信号。振荡器向差动电容提供高频电流线性调整电路消除分布电容带来得误差放大及输出限制电路将电 流信号Ii 放大,转换成4-20mA的直流电流。 2—9电容式差压变送器如何进行零点和量程调整 答电路中RP2为调零电位器用以调整输出零位RP3为调量程电位器用以调整变送器的量程。2—11用差压变送器测量流量范围0-16m3/h。当流量为 12m3/h问变送器的输出电流是多少答 12mA 2—13四线制温度变 送器为何采用隔离式 供电和隔离输出线路 在电路上是如何实现的答1四线制为了避免输出与输入之间有直接电的联系在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器T。来传递信号。DC/AC/DC 变换器用来对仪表进行隔离式供电它既为功率放大器提供方波电源又为集成运算放大器和量程单元提供直流电源。 2T。复变电流经过桥式整流和由R 14、C6组成的阻容滤波器滤波得到4~20mA的直流输出电流I。I。在阻值为250Ω的电阻R15上的压降U。1~5V作为变送器输出电压信号。 DC/AC/DC 先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率4~5kHz的交流方波电压再经过整流、滤波和稳压提供直流电压。
控制仪表与装置 实验指导书 太原理工大学信息工程学院 自动化实验室
目录 实验一控制仪表调试 (2) 实验二锅炉进水流量定值调节仪表系统调试 (4) 实验三并联管路压力定值调节仪表系统调试 (5) 实验四锅炉液位定值调节仪表系统调试 (6) 实验五DCS系统组态设计 (7) 附录一锅炉进水流量调节系统P&ID图 (8) 附录二并联管压力调节系统P&ID图 (9) 附录三锅炉液位调节系统P&ID图 (10) 附录四过控装置和仪表控制台结构图 (11) 附录五智能仪表、DCS信号转换板图 (12) 附录六智能仪表操作和显示面板说明 (13) 附录七1#、2#、3#过控装置仪表控制台面板布置图 (14) 附录七4#、5#、6#过控装置仪表控制台面板布置图 (15) 附录八仪表控制台信号、电源布置图 (16) 附录九进水流量定值调节系统仪表接线图 (17) 附录十出水压力定值调节系统仪表接线图 (18) 附录十一锅炉液位定值调节系统仪表接线图 (19) 附录十二DCS系统网络布置图 (20) 附录十三DCS系统IP地址分配表 (21) 附录十四DCS控制柜布置图 (22) 附录十五2#控制站DCS模块配置表 (23) 附录十六4#控制站DCS模块配置表 (24) 附录十七6#控制站DCS模块配置表 (25)
实验一控制仪表调试 一、实验目的 1、了解和熟悉控制仪表的种类。 2、了解和熟悉控制仪表的工作原理。 3、了解和熟悉控制仪表的性能测试、使用和调试方法。 二、基本要求 1、变送器的安装、接线和性能测试。 2、执行器的安装、接线和性能测试。 3、数字显示报警仪的安装、接线和性能测试。 4、智能调节仪表的安装、接线和性能测试。 三、实验设备 EFAT/P IIB型过程控制实验装置。 EFAT/P仪表控制台。 四、实验方法与步骤 1、连接信号。 2、连接电源。 3、进行参数设定，观察仪表的变化情况。 下表为流量、压力、液位参数显示仪表的参数设置参考值。
第三章过程控制仪表与装置 教学要求：掌握基本控制规律的数学表示形式 掌握基本控制规律对过渡过程的影响掌握气动、电动执行器的组成和特点了解DDZ-川控 制器的组成及特性掌握工作流量特性和理想流量特性掌握执行器的选型、气开气闭方式的 选择了解可编程控制器的编程方法了解可编程控制器的组成、工作过程 点：基本控制规律对过渡过程的影响 理想流量特性执行器气开、气闭方式的选择 点：基本控制规律对过渡过程的影响 直线流量特性分析 执行器气开、气闭方式的正确选择 §3.1 概述 、过程控制仪表与装置的分类和特点 控制仪表---- 控制器、执行器、运算器以及可编程控制器等。 按所用能源分类：气动、电动、液动等。电动仪表和气动仪表应用的最多。 按信号类型分类：模拟式和数字式两种。 气动控制仪表的特点。 电动控制仪表的特点。 模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低模拟式仪表：基地式单 元组合式组件组装式仪表 数字式传输信号为断续变化的数字量。 现场级数字仪表 可编程调节器 可编程控制器 信号制及供电方式 气动控制仪表：0.02?0.1MPa的模拟气压信号，作为仪表间的标准联络信号。 电动控制仪表：0?10mA( DC)电流信号作为电动n型仪表的统一标准联络信号， 20mA ( DC)电流信号和1?5V (DC )电压信号确定为过程控制系统 ^4
中电动川型仪表统一标准的模拟信号。 电动仪表信号之间的传输方式是： 进出控制室的传输信号采用电流信号， 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号, 电动仪表的供 电方式有交流供电和直流集中供电两种形式。 §3.2基本控制规律及其对控制过程的影响 、基本控制规律概述 1.控制规律概述 控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。 正作用控制器：输入 e 与输出△ y 的变化方向相同； 反作用控制器：输入 e 与输出△ y 变化方向相反。 本节中以正作用的控制器为例进行研究。 工程实际中应用最广泛的控制规律为比例（ P ）、积分（I ）、微分（D ）控制规律，简称 PID 控制规律，各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合而成。 2.控制规律的表示形式 PID 控制器的一般形式为： △ y = f （e ） 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别 表示为: 比例作用（P ） 比例积分微分作用（PID ） 二、PID 控制规律对控制过程的影响 1 .比例控制规律对控制过程的影响 当控制器只具有比例控制规律时， 关系为 △ y = K p e K P 是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。 K p 越大，比例控制作用越强。 K P 越小，比例控制作用越弱。 K p e 比例积分作用（PI ） K p (e T i t 0edt) 比例微分作用（PD ） K p (e T D 》 K P (e — T I 1 0edt T D 些) 0 dt 称此控制器为比例控制器。 比例控制的输出与输入的