过程控制及仪表(1)

过程控制及仪表课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解过程控制的基本原理，掌握仪表的种类及其工作原理；2. 使学生能够运用所学知识，分析实际工业生产过程中存在的问题，并设计合理的控制方案；3. 培养学生对过程控制及仪表相关知识的综合运用能力。

技能目标：1. 培养学生具备操作和调试常见仪表的能力；2. 培养学生运用计算机及相关软件进行过程模拟和优化的能力；3. 培养学生团队协作，沟通协调和解决问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制及仪表技术的兴趣，激发学生的创新意识和探索精神；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践，提高学生的工程素养；3. 增强学生的环保意识，使其在设计和实施过程控制方案时，充分考虑节能、环保等因素。

课程性质：本课程为理论与实践相结合的课程，强调知识的应用性和实践性。

学生特点：学生具备一定的物理、数学和工程基础知识，具有较强的学习能力和动手能力。

教学要求：结合课程特点和学生实际，注重启发式教学，引导学生主动探究，提高学生的实践操作能力。

在教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，以便进行有效的教学设计和评估。

二、教学内容1. 过程控制基本原理：包括过程控制的基本概念、分类、性能指标、控制系统数学模型等，对应教材第1章内容。

2. 常见仪表的种类及工作原理：涵盖压力、温度、流量、液位等传感器及执行器的工作原理和特性，对应教材第2章内容。

3. 控制器的设计与实现：介绍PID控制算法、控制器参数整定方法，结合实际案例进行讲解，对应教材第3章内容。

4. 计算机过程控制系统：包括集散控制系统、现场总线控制系统、工业以太网控制系统等，对应教材第4章内容。

5. 过程控制系统的仿真与优化：运用计算机及相关软件进行过程控制系统的建模、仿真和优化，对应教材第5章内容。

6. 实践教学环节：组织学生进行仪表操作、调试和过程控制系统的设计、实施，提高学生的实际操作能力。

教学内容安排和进度：1. 第1-2周：过程控制基本原理、常见仪表的种类及工作原理；2. 第3-4周：控制器的设计与实现；3. 第5-6周：计算机过程控制系统；4. 第7-8周：过程控制系统的仿真与优化；5. 第9-10周：实践教学环节。

过程控制与仪表课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解过程控制的基本概念，掌握仪表的种类、工作原理及其在工业中的应用。

2. 使学生掌握过程控制系统的数学模型，了解被控对象、控制器、执行器等组成部分的特性。

3. 让学生了解过程参数的检测与变送原理，掌握各类传感器的使用方法和调试技巧。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析、解决实际过程控制问题的能力，能设计简单的过程控制系统。

2. 培养学生动手操作仪表，进行系统调试、故障排除的能力。

3. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，能在小组合作中发挥各自优势，共同完成过程控制系统的设计与优化。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制与仪表领域的兴趣，激发学生主动学习的积极性。

2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践与理论相结合，提高学生的工程素养。

3. 引导学生关注过程控制技术在实际生产中的应用，认识到学习本课程的实际意义，增强学生的社会责任感。

课程性质：本课程为专业技术课程，旨在使学生掌握过程控制与仪表的基本理论、方法和技术，培养学生的实际操作能力和工程素养。

学生特点：高二年级学生，已具备一定的物理、数学基础，对工程技术有一定了解，具备初步的分析问题和动手能力。

教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强化学生的实际操作能力，提高学生解决实际问题的能力。

将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。

二、教学内容1. 过程控制基本概念：控制系统的分类、性能指标、稳定性与可控性。

2. 仪表及传感器：仪表的分类及工作原理，常见传感器（如温度、压力、流量传感器）的原理与应用。

3. 过程控制系统的数学模型：被控对象、控制器、执行器的数学描述，传递函数与方框图。

4. 控制器设计：PID控制算法，参数整定方法，串、并联控制系统的设计与分析。

5. 过程参数检测与变送：检测原理，变送器的种类及特性，信号处理与传输。

6. 过程控制系统的实现：控制系统硬件、软件组成，系统调试与优化。

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；反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；偏差e(t)：设定值与反馈值之差；控制作用u(t)：控制器的输出值。

过程控制与自动化仪表刘波峰课后答案第一章1、调节器正反作用方式的定义是什么？在方案设计中应该怎样确定调节器的正反作用方式？P157-P158答：（1）当被控过程的输入量增加（或减小）时，过程的输出量（即被控参数）也随之增加（或减小），则称为正作用被控过程，反之称为反作用被控过程；（2）①首先根据生产工艺要求及安全等原则确定调节阀的气开、气关形式，以确定Kv的正负；②然后根据被控过程特征确定其属于正、反哪种类型，以确定Ko的正负；③最后根据系统开环传递函数中各环节静态增益的乘积α必须为正这一原则确定调节器Ko的正负，进而确定调节器的正反作用类型。

2、P、I、D调节规律各有何特点？P152答：P调节（比例调节规律）特点：1) 有差调节，不可避免地存在稳态误差：2) 稳态误差随比例度的增大而增大；；3) 不适用于给定值随时间变化的系统；4) 增大Kc，不仅可以减小稳态误差，还可以加快响应速率I调节（积分调节规律）特点：1) 可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度：2) 过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性差D调节（微分调节规律）特点：1) 单纯的微分调节器是不能工作的；2) 能预测偏差变化趋势，防止系统被调量出现较大动态偏差；3、调节器的参数有哪些工程整定方法？各有什么特点？P159答：（1）反应曲线法，临界比例度法，衰减曲线法（2）特点：a) 反应曲线法是一种开环整定方法，是得到被控过程的典型参数之后，再对调节器参数进行整定的；b) 临界比例度法是一种闭环整定方法，不需测试动态特征，方便简洁，使用方便；c) 衰减曲线法与临界比例度法类似，都是依赖系统在某种运行状况下的特征信息对调节器进行参数整定的，无需单据被控的数学模型，但不同的是无需出现等幅振荡过程4、微分控制为什么不能单独作用调节规律？P154答：因为任何实际的调节器都有一定的不灵敏区（或称死区），在不灵敏区内，当系统的输出产生变化时，调节器并不动作，从而导致被调节的偏差有可能出现相当的数值而得不到校正5、控制方案确定中为了减小或消除控制通道中纯时延时对系统控制品质不良影响，怎样设计一种补偿措施？答：在系统设计时，应使控制通道的时间常数To既不能太大也不能太小。

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：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：1-10 某被控过程工艺设定温度为900℃，要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃。

现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-4所示。

试求该系统过渡过程的单项性能指标：最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？解答：最大动态偏差A：衰减比n：振荡周期T：A<80, 且n>1 (衰减振荡)，所以系统满足工艺要求。

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，0～250mA2）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；2）∆max＝75×2.5％＝1.875mA；选择2.5级，0～75mA的表。

过程控制及自动化仪表——作业11. 用分度号为S的热电偶测温，冷端温度为20℃。

测得热电势E(t, 20) = 11.30 mV，求被测温度t。

E(t, 0)=E(t, 20)+E(20, 0)=11.30+0.113=11.413 mV查询附表A-1,t1=1150, E1=11.348t2=1160, E2=11.467(E-E1)/(E2-E1)=(t-t1)/(t2-t1)=> t=1155.46 ℃2. 用分度好为K的热电偶测试，冷端温度为25℃，热端温度为750℃，则产生的热电势是多少。

查附表A-3E(750, 0)=31.214 mVE(20, 0)=0.798 mVE(30, 0)=1.203 mV由内插法，得E(25, 0)=(0.798+1.203)/2=1.0005 mVE(750, 25)=E(750, 0)－E(25, 0)=31.214-1.0005=30.2135 mV过程控制及自动化仪表——作业23. 弹簧管测蒸汽管道内压力，仪表低于管道安装，二者标高分别为1.6m和6m，若仪表读数为0.7 MPa，已知蒸汽冷凝水密度ρ= 966 kg/m^3，g = 9.8 m^2/s，求管道内蒸汽的实际压力。

当前仪表的绝对压力：p=Δp+p0 = 0.8 MPa管道内压力按力平衡：p' = p - ρgh = 0.8 - 966*9.8*(6-1.6)*1e-6=0.7583 MPa4. 被测压力波动范围0.5~1.4 MPa，要求测量误差不大于压力示值的±5%，确定压力表量程和精度等级。

1/3*A<=(0.5~1.4) <= 2/3*AA<=1.5 MPa && A>=2.1 MPa这两个条件相互矛盾，即量程选择不能同时满足低限和高限要求，以高限优先则取量程A =0 ~ 2.5MPa >= 2.1P=(1.4*0.05)/(2.5-0)*100% = 2.8%取精度等级时按系列小于等于的最大值取，即P=2.5级。

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。

过程控制与自动化仪表介绍1. 引言过程控制是指在工业生产中，通过监测和调整工艺参数，以实现对生产过程的控制和优化。

自动化仪表则是过程控制的重要工具，用于测量、传输和处理工艺参数，为控制系统提供准确的反馈信息。

本文将详细介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、原理和应用。

2. 过程控制的基本概念过程控制是指通过监测和调整工艺参数，使生产过程达到预期目标的过程。

这里的工艺参数可以是温度、压力、流量、液位等物理量，也可以是其他关键的过程指标。

过程控制分为反馈控制和前馈控制两种方法。

反馈控制是根据测量到的实际过程参数值与预期目标值之间的差异，通过调整控制器输出信号来纠正偏差，使过程参数保持在合理范围内。

前馈控制则是根据已知的过程变化规律，提前调整控制器输出信号，以使过程参数能够在预期的变化中保持稳定。

3. 自动化仪表的基本原理自动化仪表是过程控制的关键设备，可以完成对工艺参数的测量、传输和处理。

常见的自动化仪表包括温度传感器、压力传感器、流量计、液位计等。

3.1 温度传感器温度传感器用于测量和监控物体或环境的温度。

常见的温度传感器有热电偶、热电阻和红外线传感器。

热电偶利用两种不同金属的电动势差来测量温度，热电阻则利用电阻与温度呈线性关系的特性来测量温度。

3.2 压力传感器压力传感器用于测量和监控气体或液体的压力。

常见的压力传感器有压阻式传感器和压电式传感器。

压阻式传感器通过测量电阻的变化来间接测量压力，而压电式传感器则是利用压电晶体的压电效应来直接测量压力。

3.3 流量计流量计用于测量和监控液体或气体的流量。

常见的流量计有浮子流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。

浮子流量计通过测量浮子位置的变化来间接测量流量，涡轮流量计则是利用涡轮的旋转速度与流体的流速成正比关系来测量流量。

3.4 液位计液位计用于测量和监控液体的液位高度。

常见的液位计有浮子液位计、压力液位计和超声波液位计等。

浮子液位计通过测量浮子的位置变化来间接测量液体的液位，而超声波液位计利用超声波的传播时间来直接测量液位的高度。

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。

过程控制与自动化仪表介绍过程控制与自动化仪表的工作原理是通过传感器采集各种生产参数，如温度、压力、流量、液位等，然后将这些参数转换成电信号，并送到控制器进行处理。

控制器根据预设的控制算法，可以自动地调节各种执行器，如阀门、电机等，来达到控制生产过程的目的。

这样就能够实现对生产过程的自动化控制。

过程控制与自动化仪表的种类多种多样，根据其功能可以分为传感器、控制器、执行器等多种类型。

传感器可以根据所测量的参数种类分为温度传感器、压力传感器、流量传感器等；控制器可以分为PID控制器、PLC控制器、DCS控制器等不同类型；执行器可以分为阀门执行器、电机执行器等多种类型。

在工业生产中，过程控制与自动化仪表的应用可以帮助实现对生产过程的精确控制，提高生产效率，降低能耗成本，提高产品质量，减少人为因素对生产过程的影响，从而使得生产过程更加稳定和可靠。

同时，过程控制与自动化仪表还可以实现远程监测和操作，方便管理人员对生产过程的监控和调整。

总的来说，过程控制与自动化仪表是工业生产中不可或缺的重要设备，它能够帮助实现生产过程的自动化、稳定和高效运行，是提高工业生产质量和效率的重要手段。

过程控制与自动化仪表在工业生产中扮演了至关重要的角色。

它们不仅能够确保生产设备的稳定运行和生产质量的一致性，还可以实现高效的生产过程，节约能源并降低成本。

在本文中，我们将深入探讨过程控制与自动化仪表的工作原理、类型、应用以及未来发展趋势。

## 工作原理过程控制与自动化仪表的工作原理基于控制系统的闭环反馈原理。

首先，传感器可以通过各种不同的检测方法，如电阻、电容、光电、超声波等，来实时获取生产过程中的各种参数。

接下来，传感器将这些参数转换成电信号，并通过电缆或者wifi等传输方式传送给控制器。

控制器是过程控制与自动化仪表的核心部件，它接收传感器传来的信息，并通过预设的算法来处理这些信息。

比如，通过PID控制算法，控制器可以根据实际测量到的参数值与设定的目标值之间的差异，来调节执行器。