过程控制系统第四章调节单元

第一章 概述1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。

控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标；b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。

第二章 过程控制系统建模方法习题2.10某水槽如图所示。

其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。

要求：（1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。

（1）物料平衡方程为123d ()d HQ Q Q Ft-+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F t∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=， 33hQ R ∆∆=， 代入增量关系式，则有23123()d d R R hh F Q t R R +∆∆+=∆ （2）两边拉氏变换有：23123()()()R R FsH s H s Q s R R ++=故传函为：232323123()()()11R R R R H s KG s R R Q s Ts F s R R +===+++ K=2323R R R R +, T=2323R R F R R +第三章 过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。

试问：（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量（2）被控变量：物料出口温度。

第一章绪论1)什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成？常用的过程控制系统可以分为哪几类？2）衡量过程控制系统过度过程的好坏，通过静态质量指标和动态质量指标，他们分别是什么？3）两个流量控制系统如下图所示。

试说明它们分别属于哪个过程控制系统？并画出各自的系统方框图。

4）某发酵过程工艺规定操作温度为（40±2）℃。

考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6℃。

现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下发酵罐及反应曲线如下图所示。

试①绘制系统方框图；②确定该系统的最大动态偏差、衰减比、余差、过度时间（按进入新稳态值±2%范围内）和振荡周期等过度过程指标，并回答是否满足工艺要求。

第二章检测及变送1）衡量一块仪表的性能指标有哪些？其中仪表精度和那个误差有关系？2）已知某S型热电偶在工作时冷端温度t0=30℃，现测得热电偶的热电动势为7.5mV，求被测介质的实际温度。

（已知E（30,0）=0.173mV）3）某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为+4℃，试确定该仪表的精度等级。

4）试简述热电偶工作原理及热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。

5）试简述静压式液位计及电容式液位计测量原理？用电容式液位计在测量导电介质与非导电介质的液位时有何不同？6）某测温仪表的测量范围为0-500℃，输出信号为4-20mA，欲将该仪表用于测量200-1000℃的某信号，试问应该做如何调整迁移？7）某台测温仪表的测温范围为0~1000℃。

根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±7℃，试问应该如何选择仪表的精度等级才能满足要求？8）某台往复式压缩机的出口压力范围为25~28MPa，测量误差不得大于1MPa。

工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选择一台压力表，指出其测量范围及精度等级要求。

9）利用弹簧管压力表测量某容器中的压力，工艺要求其压力为1.3±0.06MPa，现可提供选择压力表的量程有0~1.6MPa、0~2.5MPa及0~4MPa，其精度为1.0,1.5,2.0,2.5及4.0级，试合理选用压力表的量程和精度等级。

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。

第一章1、自动化仪表：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，自动化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。

2、过程控制仪表包括：检测仪表、调节仪表（也叫控制器）、执行器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。

3、过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。

4、标准信号制度：国际电工委员会规定：过程控制系统的模拟标准信号为直流电流4-20mA ，直流电压1-5V 。

我国DDZ 型仪表采用的标准信号：DDZ- Ⅰ型和DDZ- Ⅱ型仪表：0-10mA 。

DDZ- Ⅲ型仪表：4-20mA 。

5、我国的DDZ 型仪表采用的是直流电流信号作为标准信号。

6、采用电流信号的优点：电流不受传输线及负载电阻变化的影响，适于远距离传输。

动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成，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。

对于要求电压输入的受信仪表和元件，只要在回路中串联电阻便可得到电压信号。

7、采用直流信号的优点：a.直流信号传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在移相问题；b.直流信号不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。

8、热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV ）。

特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。

一般用于测量500～1600℃之间的温度。

9、热电偶的测温原理：将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。

此电势称为热电势，并产生电流。

10、对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。

11、热电偶的基本定律:均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律。

12、热电阻：对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。

可编辑修改精选全文完整版教学大纲英文课程名称：Process Control课程编号：0201508总学时：48 （其中理论课学时：44 实验学时：4）总学分：3先修课程：微机原理与接口技术、自动控制理论Ⅰ、检测仪表及检测技术适用专业：自动化开课单位：电子信息与控制工程学院自动化教研室执笔人：张新荣审校人：刘星萍一、课程教学内容第一章绪论第一节过程控制系统的组成及其分类简单控制系统的组成；控制系统按照给定信号分类；按照控制结构分类。

第二节过程控制系统的特点第三节过程控制系统的质量指标第四节过程控制系统的发展概况自动化控制系统的几个发展时期的时间。

第二章被控过程的数学模型第一节概述建立被控过程数学模型的目的；被控过程数学模型的类型。

第二节解析法建立过程的数学模型单容水槽过程、双容水槽过程数学模型机理建模方法；液阻、液容的概念；阶跃响应曲线特点；有时延单容水槽过程、有时延双容水槽过程数学模型；多容过程数学模型。

第三节响应曲线辨识过程的数学模型由对象阶跃响应曲线用作图法及两点法确定对象的传递函数。

第三章变送单元第一节概述变送的基本概念。

各种差压变送器结构、原理、特点。

第三节温度变送器温度变送器组成、工作原理及线性化原理。

第七节微型化、数字化和智能化变送器变送器的发展趋势；各种微型化、数字化和智能化变送器的结构、原理。

第四章调节单元概述调节器基本概念；PID控制规律；各控制规律的特点；参数改变对控制质量的影响。

第一节 DDZ—Ⅲ型调节器DDZ-Ⅲ型调节器输入部分；PI部分；PD部分；硬手动；软手动电路；输出部分工作原理。

第二节改进型调节器抗积分饱和调节器；微分先行PID调节器；比例微分先行PID调节器。

第三节数字式调节器数字式调节器组成、特点、应用。

第五章执行单元第一节概述执行器的作用；执行器的分类。

第二节电动执行机构电动执行机构结构、工作原理。

第三节气动执行机构气动执行机构结构、工作原理、作用形式。

第四节气动薄膜调节阀调节阀的工作原理；调节阀的分类；调节阀的选择。

第四章串级控制系统实验第一节串级控制系统的连接实践一、串接控制系统的组成图4-1是串级控制系统的方框图。

该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的设定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

图4-1 串级控制系统的方框图R-主参数的给定值 C1-被控的主参数 C2-副参数f1(t)-作用在主对象上的扰动 f2(t)-作用在副对象上的扰动二、串级控制系统的特点1.改善了过程的动态特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。

2.能与时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，与时减小或消除扰动对主参数的影响。

基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。

至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。

3.提高了系统的鲁棒性由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统的鲁棒性得到了提高。

具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。

主调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。

三、串级控制系统的设计原则1.主、副回路的设计1)副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动，而且应该尽可能包括更多的扰动信号。

2)主、副对象的时间常数要合理匹配，一般要求主、副对象时间常数的匹配能使主、副回路的工作频率之比大于3。

为此，要求主、副回路的时间常数之比应该在3～10之间。