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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。
过程控制仪表一、课程说明课程编号：090011Z10课程名称：过程控制仪表/Instruments for Process Control课程类别：专业课学时/学分：32/2 (其中实验学时：4)先修课程：电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制理论等适用专业：测控技术与仪器,电气工程及自动化教材、教学参考书：1.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年；2.林德杰主编.过程控制仪表及控制系统.北京：机械工业出版社.2009年；3.王再英,刘淮霞,陈毅静编著.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006年；4.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年二、课程设置的目的意义本课程是为测控技术与仪器等电气信息类本科专业的专业选修课程。
通过了解过程控制仪表的发展概况和分类方法，重点掌握包括变送器、调节器和执行器在内的模拟及数字式的调节仪表和装置，培养学生具有使用过程控制仪表和装置构成过程控制系统的能力，为学生后续课程和毕业设计以及今后的工作打下良好的基础。
三、课程的基本要求知识：了解过程控制仪表、系统的概念、组成、分类和发展概况；掌握变送器、执行器、单元控制器的基本工作原理和典型电路分析；掌握差压变送器、温度变送器的工作原理及智能变送器原理与使用方法；掌握防爆安全常识与防爆安全栅原理；掌握P、PI、PD、PID调节器的调节原理及特性；掌握基型PID调节器的工作原理及特性；掌握数字调节器设计方法与参数整定；掌握气动执行器和电动执行器的工作原理及使用方法。
能力：将过程控制仪表与装置及相关先修课程知识综合应用于一般工程问题，正确表达符合需求的工艺过程中参量测量问题及其转化测量问题的能力；依据功能与性能要求和应用环境提出可满足需求的系统解决方案，在学习、讨论和解决工业生产应用实际问题的过程中，积累经验知识并培养创新意识，提高发现、分析、解决问题的能力。
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。
过程控制与仪表实验指导书电子信息工程学院2012年9月目录目录........................................................................ 第一章安全注意事项 .. (1)1.1防止触电 (1)1.2防止烫伤 (1)1.3防止损坏 (1)1.4其他注意事项 (2)第二章 A3000过程控制实验系统说明 (3)2.1现场系统 (3)实验一对象飞升特性曲线实验 (6)1.1实验目的 (6)1.2实验要求 (6)1.3实验设备及系统组成 (6)1.4操作步骤和调试 (8)1.5实验结果 (9)1.6实验思考 (9)实验二单容水箱液位变频器控制实验 (10)2.1实验目的 (10)2.2实验要求 (10)2.3实验设备及系统组成 (10)2.4操作步骤和调试 (10)2.5实验结果 (11)2.6实验思考 (11)实验三单容水箱液位调节阀控制实验 (12)3.1实验目的 (12)3.2实验要求 (12)3.3实验设备及系统组成 (12)3.4操作步骤和调试 (13)3.5实验结果 (14)3.6实验思考 (14)实验四流量调节阀控制实验 (15)4.1实验目的 (15)4.2实验要求 (15)4.3实验设备及系统组成 (15)4.4操作步骤和调试 (16)4.5实验结果 (17)4.6实验思考 (17)第一章安全注意事项安全注意事项：在安装、操作、维护或检查本系统之前．一定仔细阅读以下安全注意事项。
在熟悉设备的知识、安全信息及全部有关注意事项以后使用。
在本使用说明书中，将安全注意事项等级分为“危险”和“注意”。
！危险：不正确的操作造成的危险情况，将导致死亡或重伤的发生。
！注意：不正确的操作造成的危险情况，将导致一般或轻微的伤害或造成物体的硬件损坏。
注意：根据情况的不同，“注意”等级的事项也可能造成严重后果。
请遵循两个等级的注意事项，因为它们对于个人安全都是重要的。
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..。
过程控制与自动化仪表1. 引言过程控制与自动化仪表是现代工业生产中不可缺少的一部分，它们在监测、控制和优化工业过程中起着重要的作用。
过程控制与自动化仪表技术的应用可以提高工业生产的效率、质量和安全性，减少人力资源的消耗，实现工业自动化。
本文将介绍过程控制与自动化仪表的基本概念、发展历程以及在工业生产中的应用。
同时还会讨论一些常见的过程控制与自动化仪表的类型和工作原理，以及它们在不同行业中的具体应用案例。
2. 过程控制与自动化仪表基本概念过程控制与自动化仪表是指一系列用于监测、控制和调节工业过程的设备和系统。
它们可以通过测量和分析过程变量，控制工艺参数并实现自动化控制。
通过使用合适的传感器、执行器和控制算法，可以实现对工业过程的精密控制和优化。
过程控制与自动化仪表主要由以下几个组成部分构成：•传感器：用于测量各种物理量，如温度、压力、流量等；•控制器：根据传感器测量值和设定值进行逻辑运算，生成控制信号；•执行器：接收控制信号，并执行相应的动作，如开关、阀门等；•监控系统：用于监视和记录工业过程中的各种参数和状态；•人机界面：提供工业过程的可视化显示和人机交互界面。
3. 过程控制与自动化仪表的发展历程过程控制与自动化仪表的发展可以追溯到工业革命时期。
在工业革命之前，工业生产主要依靠人工操作，效率低下且易出错。
随着机械设备和工业化的发展，工业生产越来越复杂，对自动化控制的需求也越来越迫切。
20世纪初，工程师们开始研究和开发过程控制与自动化仪表技术。
最早的控制系统是基于机械和电气设备的。
随着电子技术的发展，电子仪表逐渐取代了机械仪表，实现了对工业过程更加精确的控制。
到了20世纪中叶，随着计算机技术的进一步发展，数字化控制系统开始应用于工业生产。
数字化控制系统通过采集和处理大量数据，实现了对工业过程的智能化控制，并提高了系统的可靠性和稳定性。
近年来，随着互联网和物联网技术的快速发展，过程控制与自动化仪表也越来越趋向于网络化和智能化。
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。
其中国产的TF型、MZ—Ⅲ型以及SPEC200等组装仪表即属此类控制仪表。
●按信号形式分类：模拟控制仪表和数字控制仪表两大类。
其中DDZ型仪表和QDZ型仪表都属于模拟控制仪表；SLPC可编程调节器、KMM可编程调节器、PMK可编程调节器等都属于数字控制仪表。
过程控制仪表的发展：过程控制仪表的主体是气动控制仪表和电动控制仪表，它们的发生和发展分别经历了基地式、单元组合式(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型)、组装式及数字智能式等几个阶段。
过程控制仪表的信号制与传输方式：为方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间应有统—的标准信号进行联络和合适的传输。
调节器（控制器）分类：●按能源形式可分电动、气动等●按信号类型可以分为模拟式和数字式两大类●按结构形式可分为基地式、单元组合式、组装式以及集散控制系统。
第二节DDZ-Ⅲ型调节器（模拟式控制器）1.有关DZZ-Ш型电动单元调节器的概述控制器（调节器）-----是控制系统的核心，它在闭环控制系统中根据设定目标和检测信息作出比较、判断和决策命令，控制执行器的动作。
控制器使用是否得当，直接影响控制质量。
控制器特性-----是指控制器的输出与输入之间的关系。
分析控制器的特性，也就是分析控制器的输出信号u(t)随输入情号e(t)变化的规律，即控制器的控制规律。
控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种。
工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。
DDZ—Ш型电动单元调节器-----是模拟式控制器个较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定值早相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出l～5V或4～20mA 直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。
Ш型调节器的特点：●采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪表精度、稳定性相可靠性，降低了功耗。
●采用集成电路扩展了功能，在基型调节器的基础上可增加各种功能。
如非线性调节器可以解决严重非线性过程的自动控制问题，前馈调节器可以解决大扰动及大滞后过程的控制，还可以根据需要在调节器上附加一些单元，如偏差报警、输出双向限幅及其他功能的电路。
●整套仪表可以构成安全火花型防爆系统．而且增加了安全单元——安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。
●有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无忧动特性，提高了调节器的操作性能。
这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时调节器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。
所谓无扰动切换，是指调节器在不同操作方式切换瞬间保持输出值不变，这样调节阀的开度也将保持不变，不会内于调节器不同操作方式的切换引起被控变量发生变化，即不会产生干扰。
●采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。
Ш型调节器中的基型调节器类型：全刻度指示调节器、偏差指示调节器基型全刻度指示调节器的原理方框图：基型全刻度指示调节器的原理线路图：调节器结构组成：控制单元、指示单元●控制单元：输入电路(偏差差动和电平移动电路)、PID运算电路(由PD与PI运算电路串联)、输出电路(电压、电流转换电路)以及硬、软手操电路；●指示单元：测量信号指示电路、设定信号指示电路、内设定电路。
调节器的信号：●输入信号、内设定信号：1～5V直流电压；●外设定信号：4～20mA直流电流，（它经过250Ω精密电阻转换成1～5V直流电压）调节器的工作状态：有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种。
● “自动”状态：测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD 和PI 运算后，再经过电路转换为4～20mA 直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。
● “软手动”状态：可以通过选择键位调节器处于“保持’’(即它的输出保持切换前瞬间的数值)状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。
● “硬手动”状态：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。
调节器的“正”、“反”作用：✧ 正偏差-----调节器中将偏差e 定义为测量值与设定值之差（e ＝y －r ），在测量值大于设定值时。
✧ 负偏差-----测量值小于设定值。
✧ “正”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而增加。
若是负偏差，情况相反。
✧ “反”作用-----调节器的输出随着正偏差的增加而减小。
若是负偏差，情况相反。
2. 输入电路作用：● 一是将测量信号V i 和设定信号V s 相减，得到偏差信号，再将偏差放大两倍后输出；（其输出信号将送至比例微分电路。
）● 二是电平移动，将以零伏为基准的V i 和V s 转换成以电平V B （10V ）为基准的输出信号V O1。
电路图：电路分析：输入电路的传递函数：2)()()(1-=-s V s V s V s i o3.比例微分电路（PD）作用：●接收以10V电平为基准的偏差信号V O1，进行比例微分运算，其输出电压信号V O2送给比例积分电路。
电路图：电路分析：比例微分电路是由无源比例微分网络和比例运算放大器两部分组成的。
RC环节对输入信号进行比例微分运算，比例运算放大器起比例放大作用。
比例微分电路的传递函数：4.比例积分电路（PI）作用：●接收以10V为基准的PD电路的输出信号V O2，进行PI运算后，输出以10V为基准的l～5V电压V O3，送至输出电路。
电路图：电路分析：5.整机PID电路传递函数调节器的PID电路由输入电路、PD电路和PI电路三个环节串联组成。
其传递函数应是这三个环节传递函数的乘积。
调节器各项参数的取值范围：（略）由于相互干扰系数F的存在，实际的整定参数与刻度值之间存在换算关系。
6.输出电路作用：将PID电路输出的l～5V直流电压信号转换成4—20mA直流电流输出，它实际上是一个具有电平移动的电压—电流转换器。
电路图：电路分析：（略）7.手动操作电路手动操作电路分为硬手动操作和软手动操作两种形式，是在比例积分电路中附加手操电路实现的。
电路图：电路分析：（略）8.指示电路输入信号的指示电路与设定值信号的指示电路完全一样。
调节器采用双针电表，全量程地指示测量值和设定值。
偏差的大小有两个指针间的距离反映出来，在两针重合时，偏差为零。
电路图：电路分析：（略）第三节执行器1.有关执行器的概述执行器作用：接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。
执行器安装在生产现场直接与介质接触。
执行器组成：由执行机构和调节机构组成。
执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。
执行器分类（按能源形式）：气动、电动、液动气动应用最广，电动次之。
气动：输入信号为0.02～0.1MPa的压力信号，其结构简单，维修方便，价格便宜，防火防爆，可以与QDZ、DDZ仪表配用，因而广泛使用。
电动：动作迅速，其信号便于远传，并便于与计算机配合使用，但不适用于防火防爆等生产场合。
上述三种执行器除执行机构不同外，所用的调节机构(调节阀)都相同。
2.电动执行机构电动执行器有直行程和角行程执行器两类。
电动执行机构的组成框图：电动执行机构的工作原理：来自调节器的I i作为伺服放大器的输入信号，它与位置反馈信号I f进行比较，其差值经放大后控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，改变输出轴即调节阀的开度(或挡板的角位移)。
与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号，作为阀位指示与反馈信号I f。
当I f与I i相等时，两相电动机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与调节器输出(即执行器的输入)信号I i成比例的位置上。
电动伺服放大器：它由前置级磁放大器、触发器、交流可控硅开关、校正回路和电源等组成。
伺服电动机：包括永磁低速同步电动机、位置发送器和减速器等。
3.气动执行机构结构组成：膜片、推杆、平衡弹簧作用：是执行器的推动装置，推动调节机构动作。
它接受气动调节器或电—气阀门定位器输出的气压信号，经膜片转换成推力，克服弹簧力后，使推杆产生位移，同时可带动阀芯动作。
气动执行机构有正作用和反作用两种形式。
气动执行机构有薄膜式和活塞式等。
在工程上气动薄膜式应用最广。
气动执行的结构示意图：4. 气动调节机构（调节阀）工作原理：根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。
通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻力系数，达到控制流量的目的。
种类：直通双座调节阀、直通单座调节阀、高压调节阀、低温调节阀、套筒调节阀、三通调节阀、角形调节阀、隔膜调节阀、蝶阀、小流量调节阀、球阀、低噪音调节阀等。
