过程控制及仪表

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z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z19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。

z19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。

z19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。

过程控制与自动化仪表课程设计前言过程控制与自动化仪表课程是工程领域中非常重要的基础课程之一，它涉及到工程研发、生产运营以及企业管理等多个方面。

本文将介绍一种基于实践的课程设计方法，旨在让学生深入掌握过程控制与自动化仪表的基础知识。

设计目标•确定学生对过程控制与自动化仪表的基本概念和技术掌握程度。

•培养学生的设计和实验能力，让他们能够运用所学知识分别设计并完成过程控制实验和自动化仪表实验。

•提高学生的团队合作和沟通能力，通过设计项目的过程，激发学生的创新潜力。

设计内容过程控制实验设计实验一：温度控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于PID控制算法的温度控制系统。

通过调整控制器的参数，让温度快速稳定在设定值附近，并且能够在温度变化时快速响应和自适应调整。

实验二：流量控制系统设计在该实验中，学生需要设计一个基于比例控制算法的流量控制系统。

通过调整控制器的参数，让流量在设定值附近稳定，并且能够在流量变化时快速响应和自适应调整。

自动化仪表实验设计实验三：温度传感器的实现在该实验中，学生需要实现一个基于热电偶的温度传感器。

通过校准测试，让学生了解测量误差来源和校准方法。

实验四：流量计的实现在该实验中，学生需要实现一个流量计，通过实验测试让学生了解其特性和测量误差来源。

设计方法阶段一：学习基础概念和技术在本阶段，学生需要学习过程控制和自动化仪表的基础概念和技术，包括控制系统、PID控制器、量程、精度等方面的知识。

阶段二：组建设计小组在本阶段，每个小组需要选择一个相对复杂的课程设计内容，进行深入的研究和讨论，拟定初步设计方案。

阶段三：设计与实现在本阶段，学生需要分成小组，负责具体的实验设计与实现。

在设计的过程中，需要充分考虑过程控制和自动化仪表的基本原理和设计要求。

在实现的过程中，需要用到软件工具和实验平台。

阶段四：实验测试与评价在本阶段，学生需要对实验设计进行测试，并记录数据处理结果。

测试过程中需要考虑实验中的各种随机与不确定因素。

过程控制系统与仪表第一章1 过程控制系统主要任务：对生产过程中的有关参数（温度压力流量物位等）进行控制使其保持恒定或按一定规律变化在保证产品质量和生产安全的前提下使连续生产过程自动进行下去2 特点：1）控制对象复杂控制要求多样2）检测方案丰富3）控制多属于慢过程控制4）定值控制是过程控制的一种主要形式5）过程控制系统由规范化的过程检测仪表组成过程控制分类方法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）过程控制系统2按系统地结构特点分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稳态：对于定值控制当控制系统输入不变时整个系统若能达到一种平衡状态系统各个组成环节暂时不动作它们的输入输出信号都处于相对静止状态就是稳态动态：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调节过程结束的这一段时间整个系统的各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中叫动态控制系统的过度过程：系统从原来的平衡状态经过动态过程达到新的平衡状态的动态历程稳定过渡过程：不稳定过渡过程系统的控制作用能否使被控参数回到原来的设定值用阶跃输入分析过渡过程外部扰动阶跃变化时被控参数响应曲线与设定阶跃变化时的特征是相同的通常采用设定值阶跃变化时被控参数响应的典型曲线来定义控制系统的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震荡频率等第二章计算题会选择仪表精度思考与练习题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＝0.1MPa2）校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010508.5=⨯-=δ 0.8％<1％ ，所以符合1.0级表。

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。

WORD文档可编辑第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。

过程控制系统与仪表复习材料四、简答题：1、过程控制系统按其基本结构形式可分为⼏类?其中闭环系统中按设定值的不同形式⼜可分为⼏种?答：过程控制系统按其基本结构形式可分为闭环⾃动控制系统和开环⾃动控制系统。

在闭环控制系统中，按照设定值的不同形式⼜可分为： (1)定值控制系统 (2)随动控制系统 (3)程序控制系统2、试述热电阻测温原理，常⽤热电阻的种类有哪些？0R 各为多少？答：热电阻温度计是利⽤⾦属导体的电阻值随温度变化⽽变化的特性来进⾏温度测量的，只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的⽬的。

⼯业上常⽤的热电阻有：铂电阻，铜电阻。

⽬前⼯业上使⽤的铂电阻有两种：⼀种是0R =10Ω；另外⼀种是0R =100Ω。

⼯业上使⽤的铜电阻也有两种：⼀种是0R=50Ω；另⼀种是0R =100Ω。

3、试述过程控制系统中常⽤的控制规律及其特点。

答：控制系统中常⽤的控制规律有⽐例(P)、⽐例积分(PI)、⽐例积分微分(PID)控制规律。

⽐例控制规律是控制器的输出信号与它的输⼊信号(给定值与测量值的偏差)成⽐例。

它的特点是控制及时，克服⼲扰能⼒强，但在系统负荷变化后，控制结果有余差。

⽐例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输⼊信号成⽐例，⽽且与输⼊信号对时间的积分成⽐例。

它的特点是能够消除余差，但是积分控制作⽤⽐较缓慢、控制不及时。

⽐例积分微分控制规律是在⽐例积分的基础上再加上微分作⽤，微分作⽤是控制器的输出与输⼊的变化速度成⽐例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。

4、何为控制阀的理想流量特性和⼯作流量特性？常⽤的调节阀理想流量特性有哪些？答：阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使⽤过程中，阀前后的压差会随阀的开度的变化⽽变化，此时的流量特性称为⼯作流量特性。

常⽤的调节阀理想流量特性有：直线流量特性、等百分⽐(对数)流量特性、快开特性。

5、控制器参数整定的任务是什么?⼯程上常⽤的控制器参数整定有哪⼏种⽅法?答：控制器参数整定的任务是：根据已定的控制⽅案，来确定控制器的最佳参数值(包括⽐例度δ积分时间1T 微分时间D T )，以便使系统能获得好的控制质量。

第一章1、不设反馈环节的，称为开环控制系统；设有反馈环节的，称为闭环控制系统。

2、开环控制是最简单的一种控制方式。

它的特点是，仅有从输入益到输出端的前向通路，而没有从输出端到输入端的反馈通路。

3、开环控制系统的特点是：操纵情度取决于组成系统的元器件的精度，因此对元器件的要求比较高。

4、开环控制系统普通是根据经验来设计的。

5、为了实现系统的自动控制,提高控制精度，可以改变控制方法，増加反馈回路来构成闭环控制系统。

6、系统的输岀量通过测量变送元件返回到系统的输入端，并和系统的输入量作比较的过程就称反馈。

7、如果输入量和反馈量相减则称为负反馈；反之若二者相加，则成为正反馈。

8、闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的，所以经典控制理论的主要研究对象是负反馈的闭环控制系统，研究目的是得到它的普通规律，从而可以设计岀符合要求的、满足实际需要的、性能指标优良的控制系统。

9、由人工来直接进行的控制称为人工控制。

10、人在控制过程中起到了祖测、比较、判断和控制的作用，而这个调基过程就是n栓测偏差、纠正偏差”的过程。

11、液位变送器代替玻璃管液位计和人眼；控制器代替人脑；调节阀代替人手。

过程控制系统普通由自动化装置及生产装置两部份组成。

生产装置包括：被控对象；自动化装置包括：变送器，控制器，执行器。

12、系统的各种作用虽:①被控变量②设定值③测量值④控制变量⑤扰动量⑥偏差13、在生产过程中,如果要求控制系统使被控变量保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的设定值不变，则将这种控制系统称为定值控制系统。

14、该定值是一个未知变化虽的控制系统称为随动控制系统,又称为自动跟踪系统。

15、程序控制系统的设定直也是变化的，但它是时间的已知函致，即頑定直按一定的时间顺序变化。

16、过程控制系统有两种状态:①系统的稳态②系统的动态。

17、过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。

检测的基本方法：1接触式与非接触式;2直接、间接与组合测量；3偏差式、零位式与微差式测量..检测仪表的组成：传感器;变送器;显示仪表;传输通道绝对误差Δ：被测量的测量值xi与真值x0之差..即Δ=xi- x0系统误差、随机误差和粗大误差温标三要素：温度计、固定点和内插方程温标不是温度标准;而是温度标尺的简称测温方法及分类：1接触式：测温元件与被测对象接触;依靠传热和对流进行热交换..2非接触式：测温元件不与被测对象接触;而是通过热辐射进行热交换;或测温元件接收被测对象的部分热辐射能;由热辐射能大小推出被测对象的温度..热电偶测温原理两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路;如果两个结合点处的温度不相等;则回路中就会有电流产生;这种现象叫做热电效应..热电势由两部分组成：温差电势和接触电势..热电动势1只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶;且两端温度必须不同；2热电势的大小;只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关;与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关..热电偶的基本定律一均质材料定律二中间导体定律三中间温度定律四参考电极定律热电偶结构：热电极、绝缘套管、保护管和接线盒 S、R、B三种热电偶均由铂和铂铑合金制成;称贵金属热电偶..K、N、T、E、J五种热电偶;是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成;称为廉价金属热电偶热电偶的冷端补偿：冰点法;计算法;冷端补偿器法;补偿导线法可将热电偶的参比端移到离被测介质较远且温度比较稳定场合补偿原理：不平衡电动势Uba补偿抵消热电偶因冷端温度波动引起的误差..压力检测方法：1 弹性力平衡法2 重力平衡方法3 机械力平衡方法4物性测量方法弹性元件：弹簧管;弹性膜片;波纹管霍尔压力传感器：属于位移式压力差压传感器..它是利用霍尔效应;把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号;实现压力信号的远传..压电式传感器：是一种典型的发电型传感器..它以某些电介质的压电效应为基础;将被测量转换成电荷和电压;完成由非电量到电量的转换过程..压电效应：压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时;其内部产生极化现象;并在其表面上产生电荷；而且在去掉外力后;它们又重新恢复到原来的不带电状态;这种现象称之为压电效应..热电偶式真空计：利用发热丝周围气体的导热率与气体的稀薄程度真空度间的关系..流量计类型：速度式流量计;容积式流量计节流装置测量原理：当流体连续流过节流孔时;在节流件前后由于压头转换而产生压差..对于不可压缩流体例如水;节流前后流体的密度保持不变.. Q=αA d√(2△p/ρ)标准节流装置：标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管阿牛巴是一种均速流量探头;配以差压变送器和流量积算器而组成阿牛巴流量计;也属于差压式流量测量仪表;用来测量一般气体、液体和蒸汽的流量电磁流量计原理：被测流体垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时;在与流体流向和磁力线垂直方向上产生感应电势Ex伏;Ex与体积流量Q的关系为: Ex=4B/πDQ×10-8=KQ 利用传感器测量管上对称配置的电极引出感应电势;经放大和转换处理后;仪表指示出流量值..自动控制：就是在没有人直接参与的情况下;利用外加的设备或装置控制装置;使机器、设备或生产过程控制对象的某个工作状态或参数被控量按照预定的规律自动地运行过程控制系统：以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统..过程控制系统组成：对象;检测元件及变送器;控制器;执行器过程控制系统的分类：定值控制系统、程序控制系统与随动控制系统控制系统的品质指标:衰减比n;最大偏差或超调量;余差C;稳定时间;震荡周期或频率自衡的非振荡过程：在阶跃作用下;被控变量无须外加任何控制作用、不经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性质;称自衡的非震荡过程..无自衡非振荡过程：如果不依靠外加控制作用;不能建立起新的物料平衡状态;这种特性称为无自衡..有自衡的振荡过程：在阶跃作用下;被控变量出现衰减振荡过程;最后趋于新的稳态值;称为有自衡的振荡过程..具有反向特性的过程：有少数过程会在阶跃作用下;被控变量先降后升;或先升后降;即起始时的变化方向与最终的变化方向相反..对象特性的参数 :一放大系数K放大系数K是一个静态特性参数;只与被控量的变化过程起点与终点有关;而与被控量的变化过程没有关系..二时间常数 Tc时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数;其值等于系统阻值R与容量C的乘积三滞后时间τ对象在受到扰动作用后;被控量不是立即变化;而是经过一段时间后才开始变化;这个时间就称为滞后时间被控过程的数学模型 :模型分类：动态与静态模型；参数模型与非参数模型..建模方法：机理建模；实验建模变送器在自动检测和控制系统中的作用;是将各种工艺参数转换成统一的标准信号;以供显示、记录或控制之用..温度变送器其作用是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一的信号;输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制差压变送器用于防止管道中的介质直接进入变送器里;感压膜片与变送器之间靠注满流体的毛细管连接起来..它用于测量液体、气体或蒸汽的液位、流量和压力;然后将其转变成4～20mA DC信号输出..被控量的选择原则：1作为被控量;必须能够获得检测信号并有足够大的灵敏度;滞后要小2必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状;检测点的选取必须合适..3以产品质量指标为被控量4以工艺控制指标为被控量操纵量的选择原则：1控制通道对象放大系数适当地大些;时间常数适中;纯滞后越小越好；2扰动通道对象的放大系数应尽可能小;时间常数应尽可能大；3扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件;增大扰动通道的容量滞后;可减少对被控量的影响； 4操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发;还必需考虑生产工艺的合理性、经济性..前馈控制是指按照扰动产生校正作用的控制方法..基本原理：测取进入过程的扰动量外界扰动和设定值变化;并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量;已抵消补偿扰动对被控量的影响..计算机控制系统的组成：工业控制计算机和生产过程计算机控制系统：1操作指导控制系统2直接数字控制系统3监督控制系统4数据采集与监视控制系统5集散控制系统6现场总线控制系统7计算机集成制造系统可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统;专为在工业环境应用而设计的PLC 的基本特点:1可靠性高、抗干扰能力强；2设计、安装容易;接线简单;维护方便；3编程简单、使用方便；4模块品种丰富、通用性好、功能强；5体积小、重量轻、能耗低;易于实现自动化..集散控制系统DCS 就是以微处理器为基础的集中分散型控制系统..分级：1分散过程控制级2集中操作监控级3综合信息管理级1操作员站2现场控制站3工程师站4服务器和其它功能站DCS 功能特点:1分散控制;集中管理；2硬件积木化;软件模块化；3采用局域网通信技术；4完善的控制功能；5管理能力强；6安全可靠性高；7高性能/价格比..DDZ Ⅱ与III 区别：DDZ-Ⅱ型是分立元件放大器;主输出0～5V;辅助输出0～10mA;这样故障输出0和零点输出0就分辨不出来；Ⅲ型是集成电路放大器;主输出4～20mA;辅助输出1～5V;可以分辨出故障输出0和零位输出0实际输出是1V 或者4mA..而且超量程可以输出3.8mA 和20.8mA..这样仪表检修工容易判断是否故障..PID 参数特点、优点、控制规律：P 灵敏简单;只有一个整定参数但存在误差PI 消除静差灵敏;但对滞后较大对象;调节慢且效果不好PD 增进调节系统的稳定性;调小比例度加快调节过程减小动态偏/静差;系统对高频干扰特别明显;输出易夹杂高频干扰PID 综合了各类调节作用的优点所以有更高的调节质量;对于滞后大;负荷大的对象;用复杂控制系统PID 调节器的参数p K 、I T 、DT 对控制性能各有什么影响 1比例增益p K 反映比例作用的强弱;p K 越大;比例作用越强;反之亦然..比例控制克服干扰能力较强、控制及时、过渡时间短;但在过渡过程终了时存在余差2积分时间I T 反映积分作用的强弱;IT 越小;积分作用越强;反之亦然..积分作用会使系统稳定性降低;但在过渡过程结束时无余差；3微分时间DT 反映积分作用的强弱;DT 越大;积分作用越强;反之亦然..微分作用能产生超前的控制作用;可以减少超调;减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用..检测仪表的基本技术指标a 绝对误差:检测仪表的指示值X 与被测量真值X t 之间存在的差值称为绝对误差Δ..表示为： Δ= X －X tb又称引用误差或相对百分误差..c 精确度精度为了便于量值传递;国家规定了仪表的精确度精度等级系列.. 如0.5级;1.0级;1.5级等..仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号;套入规定的仪表精度等级系列..d 灵敏度和分辨率：灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度;常以仪表输出如指示装置的直线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比表示：S=ΔY/ΔX S －仪表灵敏度；ΔY －仪表指针位移的距离或转角；ΔX －引起ΔY 的被测参数变化量..分辨率表示仪表显示值的精细程度..分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值..e 变差：在外界条件不变的情况下;同一仪表对被测量进行往返测量时正行程和反行程;产生的最大差值与测量范围之比称为变差..造成变差的原因:传动机构间存在的间隙和摩擦力; 弹性元件的弹性滞后等..正反行程测量：将规定的输入信号平稳地按增大或减小方向输入执行机构气室或定位器;测量各点所对应的行程值;计算出实际"信号－行程"关系同理论关系之间关系f 响应时间：当用仪表对被测量进行测量时;被测量突然变化以后;仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来..这段时间称为响应时间..气开、气关式选择依据：按控制信号中断时;保证生产设备安全的原则确定..调节阀正反作用的选择是在调节阀气开气关确定后;其确定原则是：使整个回路构成负反馈系统..简述“积分饱和现象”产生的内因和外因..什么是积分饱和现象 积分饱和现象如何消除： 内因：控制器包含积分控制作用;外因：控制器长期存在偏差..在偏差长期存在的条件下;控制器输出会不断增加或减小;直到极限值引起积分饱和..积分饱和：具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的长时间作用下;其输出达到输出范围上限值或下限值以后;积分作用将继续进行;从而使控制器脱离正常工作状态..消除： 1采用积分分离的方法;将PID 调解分开执行 2对积分调节器设置输出高低限幅;达到限幅时暂时切除积分作用使其跟踪;待偏差减小后再投入温度传感器①双金属片：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片..受热后由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲..若将双金属片制成螺旋形;当温度变化时;螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转;带动指针在刻度盘上指示出相应温度值..②压力式：利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温..原理: 封闭容器中的液体气体或低沸点液体的饱和蒸汽;受热后体积膨胀;压力增大..③热电偶：根据热电效应;将两种不同的导体接触并构成回路;若两个接点温度不同;回路中产生热电势..通过测量热电偶输出的热电势测量温度利..④热电阻：利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温..定值、随动、前馈、程序控制系统特点、概念⑴定值：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.. ⑵随动：设定值随时可能变化..变差=量程正反行程最大差值×100%⑶前馈控制的原理：当系统出现扰动时;立即将其测量出来;通过前馈控制器;根据扰动量的大小改变控制变量;以抵消扰动对被控参数的影响..前馈控制的特点：①前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的; 称为“扰动补偿”..如果补偿精确;被调变量不会变化;能实现“不变性”控制..②前馈控制是开环控制;控制作用几乎与干扰同步产生;是事先调节;速度快..③前馈控制器的控制规律不是PID 控制;是由对象特性决定的..④前馈控制只对特定的干扰有控制作用;对其它干扰无效..⑷程序：设定值按预定的时间程序变化..过渡过程的品质指标衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ；4-10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；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；调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰或波谷之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期;其倒数称为振荡频率；峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间..现场总线：连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信线路..现场总线;是指将现场设备如数字传感器、变送器执行器等与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络..具有全数字化、分散、双向传输等特点;是工业控制网络向现场级发展的产物..调节阀的流量特性：调节阀的流量特性指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系： 为相对流量;即调节阀某一开度的流量与全开流量之比； 为相对开度;即调节阀某一开度的行程与全行程之比..若阀门前后压差保持不变/总是变化理想/工作特性..直线/等百分比对数/快开流量特性过程控制系统各个部分组成作用控制器或调节器的作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较;得出偏差后;按一定的调节规律进行运算;输出控制信号;以推动执行器动作;对生产过程进行自动调节..执行器是自动控制系统中的重要组成部分;作用是将控制器送来的控制信号转换成执行动作;从而操纵进入设备的能量;将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内..检测变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源的转换器..单回路控制系统参数整定步骤方法：Ⅰ、稳定边界法临界比例度法：属于闭环整定方法;根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据临界比例度Pm 和振荡周期Tm;按经验公式求出调节器的整定参数..置调节器Ti →∞; Td=0;比例度P →较大值;将系统投入运行..逐渐减小P ;加干扰观察;直到出现等幅减振荡为止..记录此时的临界值Pm 和Tm.. 根据Pm 和Tm;按经验公式计算出控制器的参数整定值..1.在闭环控制系统里;将控制器置于纯比例作用下i T = ∞;T =0;从小到大逐渐增大控制器的比例增益KC;直到出现等幅振荡曲线为止..2.此时的比例度称为临界比例度cr δ;相邻两个波峰间的时间间隔;称为临界振荡周期T .. 据此确定控制器参数..3.根据cr δ和crT 值;采用经验公式;计算出调节器各个参数..Ⅱ、衰减曲线法 也属于闭环整定方法;但不需要寻找等幅振荡状态;只需寻找最佳衰减振荡状态即可..1把调节器设成比例作用Ti=∞;Td=0置于较大比例度;投入自动运行..2在稳定状态下;阶跃改变给定值通常以5%为宜;观察调节过程曲线..3适当改变比例度;重复上述实验;到出现满意的衰减曲线为止..记下此时的比例度Ps及周期Ts..n=10:1时;记P’s及TsⅣ响应曲线法属于开环整定方法..以被控对象控制通道的阶跃响应为依据;通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值..方法：不加控制作用;作控制通道特性曲线..根据实验所得响应曲线;找出广义对象的特性参数K0、T0、τ0;Ⅴ经验法凭经验凑试.. 其关键是“看曲线;调参数”..在闭环的控制系统中;凭经验先将控制器参数放在一个数值上;通过改变给定值施加干扰;在记录仪上观察过渡过程曲线;根据P、 TI 、TD对过渡过程的影响为指导;对比例度P 、积分时间TI和微分时间TD逐个整定;直到获得满意的曲线为止..经验法的方法简单;但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系..在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时;往往较为费时..串级控制系统：系统有两个闭合回路;形成内外环..主变量是工艺要求控制的变量;副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量..主定值、副随动控制系统调节器是串联工作的;主调节器的输出作为副调节器的给定值..系统通过副调节器输出控制执行器动作;实现对主参数的定值控制.串级控制系统;就是采用两个控制器串联工作;主控制器的输出作为副控制器的设定值;由副控制器的输出去操纵调节阀;从而对主被控变量具有更好的控制效果..建立串级控制数学模型;1．主回路设计:主回路设计与单回路控制系统一样2．副回路的选择:副回路设计中;最重要的是选择副回路的被控参数串级系统的副参数..副参数的选择一般应遵循下面几个原则：①主、副变量有对应关系②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰;并尽可能多包含一些干扰③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配;以防“共振”的发生④应注意工艺上的合理性和经济性3．主、副调节器调节规律的选择:在串级系统中;主参数是系统控制任务;副参数辅助变量..这是选择调节规律的基本出发点..主参数是生产工艺的主要控制指标;工艺上要求比较严格..所以;主调节器通常选用PI调节;或PID调节..控制副参数是为了提高主参数的控制质量;对副参数的要求一般不严格;允许有静差..因此;副调节器一般选P调节就可以了.. 4．主、副调节器正、反作用方式的确定:对串级控制系统来说;主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈..选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则;确定主调节器的正、反作用..过程控制：指根据工业生产过程的特点;采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具;应用控制理论..设计工业生产过程控制系统;实现工业生产过程自动化..压力容器1应选择气关式..因为在气源压力中断时;调节阀可以自动打开;以使容器内压力不至于过高而出事故..2 调节阀应选择气关式;则压力控制器PC应为反作用..当检测到压力增加时;控制器应减小输出;则调节阀开大;使容器内压力稳定..或：当检测到压力减小时;控制器应增大输出;则调节阀开小;使容器内压力稳定..如图所示的锅炉汽包液位控制系统;为保证锅炉不被烧干：1应选择气关式..因为在气源压力中断时;调节阀可以自动打开;以保证锅炉不被烧干..2 调节阀应选择气关式;则液位控制器LC应为正作用..当检测到液位增加时;控制器应加大输出;则调节阀关小;使汽包液位稳定..或：当检测到液位减小时;控制器应减小输出;则调节阀开大;使汽包液位稳定..。

一、简答题1、控制系统具有哪些特点？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。

2、为什么常采用阶跃信号作为输入？答：对于一个稳定的控制系统（所有正常工作的反馈控制系统都是稳定系统），要求分析其稳定性、准确性和快速性，就需要对系统的过渡过程进行分析研究。

为了简化分析，在保证系统安全的条件下，只对一些典型的扰动形式引起的过渡过程进行分析，其中最常用的是阶跃输入。

阶跃输入形式简单、容易产生，便于分析、计算和进行试验。

3、什么是零点迁移？什么情况下零点迁移？答：（1）抵消固定压差实现零点对齐的措施称为“零点迁移”。

（2）零点迁移其实质是改变测量仪表的零点，同事改变了测量范围的上、下限。

如果固定压差为负则需负迁移，如果固定压差为正则需正迁移。

4、控制仪表的发展有哪些阶段？答：第一阶段为基地式控制仪表；第二阶段为单元组合式控制仪表；第三阶段为以微处理器为中心的控制仪表。

5、基本控制规律是什么？有哪些基本控制？各自有什么特点？为什么积分控制、微分控制不能单独使用？答：（1）基本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）比例控制（P）、比例积分控制（PI）、比例微分控制。

（3）①控制器的比例度P越小，它的放大倍数Kp越大，它将偏差放大的能力越强、控制力也越强，反之亦然；存在余差是比例控制的缺点。

②积分时间T I越小，积分作用越强，反之积分之间T I越弱；积分控制器组成控制系统可以达到无余差。

③T D为微分时间常数，T D越大，微分作用越强，T D等于零时，微分作用消失；微分的特点是能起到超前控制的作用。

（4）①积分作用输出信号的变化速度与偏差e及1/T I成正比，但其控制作用是随着时间累计才逐渐增强的，控制动作缓慢，控制不及时，因此积分作用一般不单独使用，常常把比例与积分组合使用。

自动化仪表与过程控制复习资料1、过程控制的特点？答：①对象复杂②对象存在滞后③ 对象特性具有非线性④控制系统复杂2、过程控制系统的3个主要发展阶段答：①仪表自动化阶段②计算机控制阶段③综合自动化阶段3、过程控制系统的基本组成答：①被控对象②传感器和变送器③控制器（调节器）④执行器⑤控制阀4、定值控制系统、随动系统、程序控制系统的定义答：①定值控制系统：设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。

②随动系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。

③程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。

5、递减比（衰减比）、超调量、过渡过程时间、静态偏差、相应曲线评价准则（IAE/ISE/ITAE ）。

答：（1）递减比：根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。

（2）超调量：最大动态偏差占设定值的百分比称为超调量。

（不能过大）（3）过渡过程时间：原处于平衡的控制系统受扰动后，由于系统的控制作用，被控量过渡到被控量稳态值的2％～5％时，达到新的平衡状态所经历的时间，也称为过渡过程时间、稳定时间。

（4）静态偏差：过渡过程结束，设定值与被控参数的稳态值之差。

（5）相应曲线评价准则：误差积分IE （不合理）；绝对误差积分IAE （公认，常用）；平方误差积分ISE （抑制大误差）；偏差绝对值与时间乘积积分（ITAE ）（抑制长时间过渡过程）。

1、量程调整的目的：使变送器的输出信号上限值与测量范围的上限值相对应。

量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y 与输入信号x 之间的比例系数。

2、零点调整和零点迁移：零点调整使变送器的测量起点为零，而零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。

测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之称为负迁移。

过程控制与自动化仪表简介过程控制是指通过测量与调节技术来实现对工业过程的控制，以达到预定的工艺要求。

而自动化仪表则是过程控制中不可或缺的一部分，它用来测量、记录和控制各种过程变量，为过程控制提供准确的数据与反馈信息。

本文将对过程控制与自动化仪表进行详细介绍。

过程控制过程控制是指对工业过程进行监测与调节，以实现所需的工艺要求。

过程控制可以分为两种类型：开环控制和闭环控制。

开环控制开环控制是一种基本的控制方式，它仅通过设置一组固定的控制参数来实现对工业过程的控制。

开环控制没有反馈机制，因此无法对过程中的变化进行实时调节。

这种控制方式适用于对过程中变化不大的情况，例如温度或压力稳定的控制。

闭环控制闭环控制是一种更为高级的控制方式，它通过测量过程变量并与设定值进行比较，然后根据比较结果进行调整。

闭环控制能够实时监测过程中的变化，并通过反馈机制来调整控制参数，使得过程保持稳定。

这种控制方式适用于对过程变化较大的情况，例如温度、液位或流量等。

自动化仪表自动化仪表是过程控制中的核心设备，用于测量、记录和控制各种过程变量。

自动化仪表通常由传感器、执行器和控制器组成。

传感器传感器是自动化仪表中最基本的部件，用于将物理量转换为电信号。

常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、液位传感器等。

传感器的选择需要根据需要测量的物理量和工艺要求来确定。

执行器执行器是用于控制过程变量的设备，它根据控制器的指令进行动作。

常见的执行器包括电动阀、电动调节阀、气动执行器等。

执行器的选择需要考虑控制要求、工作环境和应用场景等因素。

控制器控制器是自动化仪表的核心，用于接收传感器的信号并根据设定值进行控制。

常见的控制器有PID控制器、PLC控制器等。

控制器的选择需要根据控制要求和控制策略来确定。

过程控制与自动化仪表的应用领域过程控制与自动化仪表广泛应用于各个工业领域，包括石化、制药、电力、冶金等。

以下是一些典型的应用领域：石化工业在石化工业中，过程控制与自动化仪表用于监测与控制各个工艺单元，例如蒸馏塔、反应器、炉窑等。

过程控制及仪表实验指导书过程控制系统及仪表实验指导书潘岩左利长沙理工大学电气与信息工程学院20XX年4月1目录第一章系统概述第二章实验装置介绍一、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台三、软件介绍四、实验要求及安全操作规程第三章实验内容实验一、单容自衡水箱液位特性测试实验实验二、双容水箱特性的测试实验实验三、单容液位定值控制系统实验2第一章系统概述THSA-1型过程综合自动化控制系统(Experiment Platform of Process Synthetic automation Control system)THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置、THSA-1型综合自动化控制系统实验平台及上位监控PC机三部分组成。

如图1-1所示。

图1-1 THSA-1过程综合自动化控制系统实验平台该套实验装置紧密结合工业现场控制的实际情况，能够对流量、温度、液位、压力等变量实现系统参数辨识，并能够进行单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制等多种控制实验，是一套集成了自动化仪表技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术及现场总线技术等的多功能实验设备。

THSA-1型过程综合自动化控制系统能够为在校学生和相关科研人员提供有力帮助。

学生通过学习，应对传感器特性及零点漂移有初步认识，同时能掌握自动化仪表、变频器、电动调节阀等仪器的规范操作，并能够整定控制系统中相关参数。

这套实验设备综合性强，所涉及的工业生产过程多，所有部件均来自工业现场，严格遵循相关国家标准，具有广泛的可扩展性和后续开发功能，有利于培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的创新能力.整套实验装置的电源、控制屏均装有漏电保护装置，装置内各种仪表均有可靠的自保护功能，强电接线插头采用封闭式结构，强弱电连接采用不同结构接头，安全可靠。

3第二章实验装置介绍“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。