過程控制與自動化儀表知識點(diǎn)

1、1.過程控制系統(tǒng)由被控過程和自動化儀表兩部分組成。2.自動化儀表按能源形式分為：液動、氣動和電動。按信號類型分為：模擬式和數(shù)字式。3.模擬儀表的信號可分為氣動儀表的模擬信號與電動儀表的模擬信號。4.氣動儀表的輸入/輸出模擬信號統(tǒng)一使用0.020.1MPa的模擬氣壓信號。5.按照國際電工委員會規(guī)定，過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號為420mA DC，負(fù)載電阻為250；模擬直流電壓信號為15V DC。DDZ-型電動單元組合儀表就是這種信號標(biāo)準(zhǔn)。6.氣動儀表與電動儀表的能量供給分別來自于氣源和電源。1.過程參數(shù)檢測儀表通常由傳感器和變送器組成。2.引用誤差計算公式：（其中為最大絕對誤差，等于實(shí)測值x減

2、真值的最大差值，即，為測量表的上下限值）3.精確度及其等級：最大引用誤差去掉“”與“%”。例：5%的精度等級為0.5。4.熱電阻在500以下的中、低溫度適合作測溫元件（理解公式，其中R(t)為被測溫度t時的電阻值；R0為參考溫度t0時的電阻值，通常t0=0，為正溫度系數(shù)）；金屬熱電阻適用于-200500；熱敏電阻為-50300。5.熱電阻接線有二線制、三線制、四線制三種接法，其中三線制可利用電橋平衡原理消去導(dǎo)線電阻。6.熱敏電阻由于互換性較差，非線性嚴(yán)重，且測溫范圍在-50300左右，所以通常較多用于家電和汽車的溫度檢測和控制。7.由于熱電偶具有測溫精度高、在小范圍內(nèi)線性度與穩(wěn)定性好、測溫范圍

3、寬、響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛。當(dāng)溫度高于2000時熱電偶不能長期工作，需采用非接觸式測溫方法。8.當(dāng)被測為運(yùn)動物體時，采用非接觸式測溫方法。體積流量表示瞬時流量與累積流量：瞬時： 累積：質(zhì)量流量表示瞬時流量與累積流量：瞬時： 累積：（為流量密度）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量：（為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度）9.典型流量檢測儀表有容積式流量計、速度式流量計、直接式質(zhì)量流量計。10.紅外式氣體檢測儀缺點(diǎn)：不能保證被測組分的含量與電容量一定存在線性關(guān)系；它不能用于對雙原子分子氣體（如氧氣、氯氣等）和單原子分子氣體（如氬氣等）的檢測；一臺儀表只能檢測一種被測氣體的成分。11.氧氣成分檢測常用的檢

4、測方法有熱磁式、電化學(xué)式等。12.量程調(diào)整是指在零點(diǎn)不變的情況下將檢測儀表的輸出信號上限值與被測參數(shù)的上限值相對應(yīng)。1.常將調(diào)節(jié)器、電/氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等稱為過程控制儀表。2.調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成，控制單元包括輸入電路、PD與PI電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指示單元包括輸入信號指示電路和給定信號指示電路。3.DDZ-型調(diào)節(jié)器的自動、軟、硬手動的切換過程中只有軟手動切換至硬手動需平衡后切換才能實(shí)現(xiàn)無擾動切換。4.過程輸入通道包括模擬量輸入通道和開關(guān)量輸入通道。前者主要由多路模擬開關(guān)、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等組成；過程輸出通道包括模擬量輸出通道和開關(guān)量輸出通道。1

5、.過程的數(shù)學(xué)模型可分為靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型。被控過程的數(shù)學(xué)模型，依照過程特性的不同而有所不同，一般可分為有自衡特性與無自衡特性、單容特性與多容特性、振蕩與非振蕩特性的等。2.對于二階慣性環(huán)節(jié)，若t1/t2=0.32時應(yīng)用一階環(huán)節(jié)，若等于0.46時為二階環(huán)節(jié)1.當(dāng)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線達(dá)到的衰減率時，對應(yīng)衰減比為4:110:1。簡答計算：1.安全火花型防爆系統(tǒng)必須具備兩個條件：一是現(xiàn)場儀表必須設(shè)計成安全火花型；二是現(xiàn)場儀表與非危險場所（包括控制室）之間必須經(jīng)過安全柵，以便對送往現(xiàn)場的電壓電流進(jìn)行嚴(yán)格的限制，從而保證進(jìn)入現(xiàn)場的電功率在安全范圍之內(nèi)。2.簡述下圖所示系統(tǒng)的工作原理，畫出控制系統(tǒng)的框圖

6、并寫明每一框圖的輸入/輸出變量名稱和所用儀表的名稱。3.如圖所示是一類簡單鍋爐汽包水位控制流程圖，試畫出該控制系統(tǒng)框圖，并說明其被控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)和干擾參數(shù)各是什么？4. 5. 6.NTC、PTC、CTR型熱敏電阻的溫度特性曲線及各自特點(diǎn)：NTC型熱敏電阻常用于測量較寬范圍內(nèi)連續(xù)變化的溫度，尤其是測量低溫時，其靈敏度更高；而PTC型熱敏電阻是在某個溫度段內(nèi)其阻值隨溫度上升而急劇上升；CTR型熱敏電阻是在某個溫度段內(nèi)其阻值隨溫度上升而急劇下降。因此它們一般只能作為位時溫度檢測元件使用。7.熱電偶測溫為何進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？補(bǔ)償方法有哪些？補(bǔ)償導(dǎo)線可以將冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定的地方，此外，

7、由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱電偶分度表通常是在冷端溫度t0=0時制定的。當(dāng)t0不為零且經(jīng)常變化時，仍會產(chǎn)生測量誤差。為了消除冷端溫度不為零或變化時對測量精度的影響，可進(jìn)行冷端溫度校正。冷端溫度校正的常用方法有查表校正法和電橋補(bǔ)償法。8.DDZ-差壓變送器兩種情況：左圖中，輸入變送器的差壓為：，可見，當(dāng)h=0時，變送器的輸出大于4mA DC信號。為了使h=0,時變送器的輸出仍為4mA DC信號，需要通過零點(diǎn)遷移達(dá)到上訴目的。由于，所以稱為正遷移。右圖中，設(shè)隔離液的密度，則差壓變送器測得的差壓為：，式中，所以需要進(jìn)行負(fù)遷移。9.調(diào)節(jié)器的作用是將變送器送來的15V DC測量信號，與15V DC的給定信號進(jìn)行比

8、較得到偏差信號，然后再將其偏差信號進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出420mA DC信號，最后通過執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對過程控制參數(shù)的自動控制。10.三種理想流量特性的數(shù)學(xué)關(guān)系及應(yīng)用特點(diǎn)：直線流量特性是指流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與閥門的相對開度成直線關(guān)系，即閥桿單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)；對數(shù)（等百分比）流量特性是指單位行程變化所引起的相對流量變化與該點(diǎn)的相對流量成正比關(guān)系；快開流量特性是指在小開度時就有較大的流量，隨開度的增大，流量很快達(dá)到最大（成反比）。11.在過程控制系統(tǒng)中，為什么要使用電/氣轉(zhuǎn)換器？簡述其工作原理。1）用途：為了使氣動閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須使用電氣轉(zhuǎn)換器把調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電

9、流信換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。2）原理：由電動調(diào)節(jié)器送來得電流I通入線圈，該線圈能在永久磁鐵的氣隙中自由上下移動。當(dāng)輸入電流I增大時，線圈與磁鐵間產(chǎn)生的吸力增大，使杠桿作逆時針方向轉(zhuǎn)動，并帶動安裝在杠桿上的擋板靠近噴嘴，使噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的背壓升高，并經(jīng)氣動功率放大器的放大后，輸出20l00kPa的氣壓信號p，完成電/氣轉(zhuǎn)換。12.在過程控制中，為什么要使用閥門定位器？它的作用是什么？閥門定位器采用了深度負(fù)反饋，因而能克服閥桿上的摩擦力，消除流體不平衡力的影響，改善了執(zhí)行器的靜特性；此外，由于它使用了氣動功率放大器，增強(qiáng)了供氣能力，加快了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作速度，改善了執(zhí)行器的動態(tài)特性；第三，

10、還可通過改變反饋凸輪的形狀，使調(diào)節(jié)閥的線性、對數(shù)、快開流量特性互換，以適應(yīng)控制系統(tǒng)不同的控制要求。13.如圖，冷物料通過加熱器用蒸汽對其加熱。在事故狀態(tài)下，為保護(hù)加熱器設(shè)備安全，即耐熱材料不被損壞，現(xiàn)在蒸汽管道上有一只氣動執(zhí)行器，試確定其氣開、氣關(guān)形式，并畫出由PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。答：調(diào)節(jié)器選氣開型。當(dāng)控制信號中斷時，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不致因溫度過高而發(fā)生事故或危險。14.階躍響應(yīng)曲線法試驗(yàn)注意事項：試驗(yàn)測試前，被控過程應(yīng)處于相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，否則會使被控過程的其他變化與試驗(yàn)所得的階躍響應(yīng)混淆在一起而影響辨識結(jié)果；在相同條件下應(yīng)重復(fù)多做幾次試驗(yàn)，以便能從幾次

11、試驗(yàn)結(jié)果中選取比較接近的兩個響應(yīng)曲線作為分析依據(jù)，以減少隨機(jī)干擾的影響；分別作正、反方向的階躍輸入信號進(jìn)行試驗(yàn)，并將兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以衡量過程的非線性程度；每完成一次試驗(yàn)后，應(yīng)將被控過程恢復(fù)到原來的工況并穩(wěn)定一段時間再做第二次試驗(yàn)；輸入的階躍幅度不能過大，以免對生產(chǎn)的正常進(jìn)行產(chǎn)生不利影響。但也不能過小，以防其他干擾影響的比重相對較大而影響試驗(yàn)結(jié)果。階躍變化的幅值一般取正常輸入信號最大幅值的10%左右。15.16.被控參數(shù)的選取原則：對于具體的生產(chǎn)過程，應(yīng)盡可能選取對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及環(huán)境保護(hù)等具有決定性作用的、可直接進(jìn)行測試的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)；當(dāng)難以用直接參數(shù)作為

12、被控參數(shù)時，應(yīng)選取與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的所謂間接參數(shù)作為被控參數(shù)；當(dāng)采用間接參數(shù)時，該參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)具有足夠高的控制靈敏度，否則難以保證對產(chǎn)品質(zhì)量的控制效果；被控參數(shù)的選取還應(yīng)考慮工藝上的合理性和所用測量儀表的性能、價格、售后服務(wù)等因素。17.控制參數(shù)的確定：選擇結(jié)果應(yīng)使控制通道的靜態(tài)增益K0盡可能大，時間常數(shù)T0選擇適當(dāng)；控制通道的純滯后時間0應(yīng)盡可能小，0與T0的比值一般應(yīng)小于0.3。當(dāng)比值大于0.3時，則需采取特殊措施，否則難以滿足控制要求。干擾通道的靜態(tài)增益Kf應(yīng)盡可能?。粫r間常數(shù)Tf應(yīng)盡可能大，其個數(shù)盡可能多；擾動進(jìn)入系統(tǒng)的位置盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥。18.調(diào)節(jié)規(guī)律的選

13、擇：當(dāng)廣義控制通道時間常數(shù)較大或容量滯后較大時，應(yīng)引入微分調(diào)節(jié)；當(dāng)工藝容許有靜差時，應(yīng)選用PD調(diào)節(jié)；當(dāng)工藝要求無靜差時，應(yīng)選用PID調(diào)節(jié)，如溫度、成分、pH值等控制過程屬于此類范疇。19.三種工程整定方法的特點(diǎn)、比較：特點(diǎn)：a)反應(yīng)曲線法是一種開環(huán)整定方法，是得到被控過程的典型參數(shù)之后，再對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定的；b)臨界比例度法是一種閉環(huán)整定方法，不需測試動態(tài)特征，方便簡潔，使用方便；c)衰減曲線法與臨界比例度法類似，都是依賴系統(tǒng)在某種運(yùn)行狀況下的特征信息對調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定的，無需單據(jù)被控的數(shù)學(xué)模型，但不同的是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程。比較：反應(yīng)曲線法的適應(yīng)性較廣，并為調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定提供了

14、可能；與其他兩種方法相比，所受試驗(yàn)條件的限制也較少，通用性較強(qiáng)。臨界比例度法和衰減曲線法都是閉環(huán)試驗(yàn)整定方法，其優(yōu)點(diǎn)是無需掌握被控過程的數(shù)學(xué)模型。但是，這兩種方法也都有一定的缺點(diǎn)，如臨界比例度法對生產(chǎn)工藝過程不能反復(fù)做振蕩試驗(yàn)、對比例調(diào)節(jié)是本質(zhì)穩(wěn)定的被控系統(tǒng)并不適用；而衰減曲線法在做衰減比較大的試驗(yàn)時、觀測數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確確定，對于過程變化較快的系統(tǒng)也不宜采用。從減少干擾對試驗(yàn)信息的影響考慮，衰減曲線法和臨界比例度法都要優(yōu)于反應(yīng)曲線法。20. 比例控制對控制質(zhì)量有什么影響？1)比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律時，不可避免的會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差2)比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例度的增大

15、而增大，若要減小誤差，就要減小比例度，需要增大調(diào)節(jié)器比例增益k3)比例調(diào)節(jié)不適用于給定的值隨時間變化的系統(tǒng)4)增大比例調(diào)節(jié)的增益k，不僅可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差，而且還可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。21.試確定題圖中各系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的正反作用方式。設(shè)燃料調(diào)節(jié)閥為氣開式，給水調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式。解：（a）對加熱調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，依題意采用氣開式，當(dāng)偏差越大，輸出控制量越大，（即eu閥氣開）而閥打開，燃料才加大，通常應(yīng)關(guān)閉，則輸出為反作用。(b) 對給水閥調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，已知給水閥為氣關(guān)式，水位低，輸出需u越小，水位高，輸出需u越大，增小流量，閥開度增小，即調(diào)節(jié)器為正作用，如圖（b）。22.已知對象控制通道階躍響應(yīng)曲線數(shù)

16、據(jù)如下表所表示，調(diào)節(jié)量階躍變化為u=50。1.用一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延近似對象，求出K0、T0和值。2.應(yīng)用動態(tài)特性參數(shù)法選擇PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。答：(1) (2) 得23. (1) (2)液位變送器量程較小，由公式，此時ymax減小，y不變，對象增益K0放大1倍，相應(yīng)縮小1倍。此時查表得到的應(yīng)加大。24.例4-1某單容液位過程如圖所示。該過程中，儲罐中的液位高度h為被控參數(shù)，流入儲罐的體積流量q1為過程的輸入量，q1的大小可通過閥門1的開度來改變；流出儲罐的體積流量q2位中間變量，它取決于用戶需要，其大小可以通過閥門2的開度來改變。試確定h與q1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。解：輸入：q1 輸出：h 中間變量q2 25.例4-4如圖所示為一分離式雙容液位過程，圖中，設(shè)q1為過程輸入量，第二個液位