过程控制重点

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

B 个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。 σ=1⨯100%y (∞) （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。迁移的目的：使变送器输出的起点与被测量起点相对应。

零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x 坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。

1、节流现象：流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流件和取压装置。

2、节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等。

节流原理：具有一定能量的流体，才可能在管道中流动。流动着的流体含有两种能量——静压能和动能。

3、体积流量 Q =αS 质量流量：

Q m =ρQ =αS

结论：流量与节流件前后压差的平方根成正比。只要测得差压（P1-P2）便可测得流量。

4、 标准节流装置：包括标准节流件和标准取压装置。节流装置标准化的具体内容有：

节流装置的结构、尺寸、公差、光洁度、取压孔位置和使用条件等。标准节流件有：孔板、喷嘴、文丘里管、节流装置、导压管。

5、标准取压方式：国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和D －D/2取压。

6、转子流量计的特点

①转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；

②流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；

③流量计的基本误差约为仪表量程的土2％，量程比可达10：1

④流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。

7、流量测量：差压式流量计、转子流量计、靶式流量计、椭圆齿轮流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计

1、控制规律：控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律。如PID 控制规律。

2、控制器的作用：对来自变送器的测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行控制规律（PID ）运算，并输出控制信号至执行器。

3、内、外给定信号：给定信号由调节器内部提供，称为内给定信号（如单回路定值控制系统）；当给定信号来自调节器外部，称为外给定信号（如随动控制系统）；转换通过内外给定开关完成。

4、正、反作用调节器：控制器的输入e 与输出Δy 的变化方向相同，为正作用控制器；如果输入e 与输出Δy 变化方向相反，为反作用控制器。

5、控制规律有断续控制和连续控制两类：

一、断续控制——控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。

二、连续控制——控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。

所谓比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，用百分

e y 数表示。 =(P /) ⨯100%x max -x min y max -y min ，

式中e 为输入偏差；y 为控制器输出的变化量；（xmax - xmin ）为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（ymax –ymin ）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。

6、微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，因此不能单独使用。必须和P 或PI 结合，组成PD 控制或PID 控制。

微分作用根据偏差变化速度进行调节，即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有调节输出，故有超前调节之称。在偏差恒定不变时，微分作用为0，故不能单独使用。

将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，只要三项作用的强度配合适当，既能快速调节，又能消除余差，可得到满意的控制效果。

①Kp 大，系统反应灵敏，过渡过程快，稳定性差

②TD 大，克服容量和测量滞后效果好，但对于突变信号反应过大，降低稳定性。 ③TI 小，消除余差快，稳定性下降，振荡加剧

微分作用只对测量值有效，在设定值变化时没有针对它的微分作用。

1、DDZ-Ⅲ型仪表的特点：

1）采用统一信号标准：4~20mA DC和1～5V DC。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，容易识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，可以使现场变送器实现两线制。

2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

3）可构成安全火花型防爆系统，用于危险现场。

2、模拟调节器各部分电路

（1）输入电路：输入电路的首要任务是求偏差 e ：V 01 = k ( V给定－ V 测量 ) ，电路的特点1）输入阻抗高；2）求偏差；3）将偏差放大；4）消除传输线上压降的影响；5）进行电平移动；

（2）PID 运算电路；

（3）输出电路：其任务是将PID 电路输出电压VO3 =1～5V 变换为4～20mA 的电流输出，并将基准电平移至0V 。在A4后面用VT1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性；

（4）手动操作电路及无扰切换；（5）测量及给定指示电路；

1、调节阀的流量特性：调节阀的阀芯位移与流量之间的关系，对控制系统的调节品质有很大影响。

流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。Q = f (l ) Q/Qmax —相对流量，l/L — 相对开度。 Q max L 相对流量Q/Qmax 是控制阀某一开度流量Q 与全开时流量Qmax 之比；相对开度l/L 是控制阀某一开度行程l 与全开行程L 之比。

2、固有（理想）流量特性

在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。它取决于阀芯的形状。

（1）直线特性（2）等百分比特性（3）快开特性（4）抛物线特性

1、执行器的选择：控制阀结构形式及材料、口径、气开气关形式、流量特性四个方面选择。控制信号为连续模拟量时，选用比例式执行机构，而控制信号为断续（开/关）形式时，应选择积分式执行机构。

控制阀流量特性的选择目前较多采用经验法，一般可以从下面的几个方面来考虑：根据过程特性选择；根据配管情况选择；根据负荷变化情况选择。

2、流量系数C 的定义：在阀两端压差100kPa ，流体为水（103Kg ／m 3）的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m 3 /h）。

例 某供暖系统，流过加热盘管的水流量为Q=31m3/h热水为80℃，Pm-Pr=1.7×100kPa ，所装阀门取多大？

解：Pm-Pr 是管网入口压差，设配管S=0.5

（0.5～0.7）×1.7×100kPa

≈ 100kPa 。 80℃热水的密度ρ=971Kg/m3，代入 C =C ≈31 ，取标准C=32在此档中，选取和管道直径相配的口径。 3、液体流量系数C 值换算公式 C =

1、控制系统由被控对象，变送器，控制器，执行器组成。

被控对象：指工业生产过程中的各种装置和设备（加热炉，锅炉等）

被控量：温度，压力，流量，液位，成分，转速等。

控制对象的动态特性：对象在各个输入量发生扰动时，被控量随时间变化的规律。 通道：被控对象输入量与输出量之间的信号联系称为“通道”。

控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系称为控制通道。

干扰通道：干扰作用与被控变量之间的信号联系称为干扰通道。

2、对象具有容量系数，阻力，传输距离，故表现为惯性，自平衡和迟延这三个重要动态特性。描述对象动态特性的三个特征参数为：放大系数K ，时间常数T ，迟延时间τ

容量系数C ：指被控量变化一个单位量时，所需对象物质或能量储存量的改变量。是反应被控对象惯性的量。

阻力R ：被控量变化dy 时，会引起流量（流入量或流出量）变化dQ ，二者比值即为对象的阻力。

容量系数——反映对象存储能量的能力。阻力系数——反映对象对物料或能量传递的阻力。

阻力系数影响时间常数和放大系数，容量系数影响时间常数。凡是只有一个储存容积同时还有阻力的被控对象都属于有自平衡能力的单容对象。

被控量变化的时刻落后于扰动发生的时刻的现象，称为对象的迟延（或滞后）。物质（或能量）由于传输距离而产生的迟延，称为传输迟延或纯迟延。

3、自平衡能力的对象自身具有内部负反馈

1、当某个环节的输入增加时，其输出也

增加，称该环节为“正作用”；反之，称

为“反作用”，按此定义：1）变送器都

是正作用；2）气开阀是正作用，气关阀

是反作用；3）被控对象有的正作用，有

的反作用。

2、对象正反作用判断：当通过控制阀的

物料或能量增加时，按工艺机理分析，若

被控量随之增加为“正作用”，反之为“负作用”；

3、调节器正反作用的确定原则：保证系统构

成负反馈。简单的判定方法：闭合回路中有

奇数个反作用环节。

1、过程控制系统方案设计的基本要求

生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。

2、过程控制系统设计的主要内容

过程控制系统设计包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。

3、过程控制系统设计的步骤

1）掌握生产工艺对控制系统的技术要求；

2）建立被控过程的数学模型；

3）确定控制方案，包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤；

4）控制设备选型；

5）实验（或仿真）验证；

4、调节过程的概貌主要由四个品质指标来衡量：

1）衰减率：反映系统的稳定性；

2）振荡频率：反映调节速度；

3）余差：反映稳态精度；

4）最大动态偏差：反映动态精度；

5、仪表位号

由仪表功能标志和仪表回路编号两部分组成。如：FIC-116，TRC-158。

功能字母代号：①首位：F 流量，L 物位，T 温度，S 速度等；②后继：C 控制，I 指示，T 变送，R 记录；③仪表回路编号由工序号和顺序号两部分组成。

6、串级系统特点总结：

①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；

②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；

③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力；

7、串级系统副回路的选择

1）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；

8、控制规律有断续控制和连续控制两类。

第一章

1、简单控制系统由（控制器）、（执行机构）、（被控对象）和（检测变送仪表）四个环节组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。

控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速 和可靠 。

2、过程控制系统分类：按结构不同：反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈复合控制系统。按设定值不同：定值控制系统，随动控制系统，顺序控制系统。 按被控参数名称分类：温度，压力，流量，液位，成分等控制系统。按被控量的多少：单变量和多变量控制系统。按完成特定工艺要求：比值，均匀，分程和自动选择性等控制系统

3、Ⅲ型电动单元组合仪表的电压信号标准是1-5V DC 电流信号标准是4-20mA DC ，气动仪表输入输出模拟信号统一使用1.02-0.1M Pa的气压信号。

4、衰减率的计算：若衰减比n （n=B1除以B2）为4：1，，则衰减率ψ为0.75.

第二章

1、仪表精度等级=最大绝对误差÷（上限值—下限值），值乘以100为多少就是多少级

2、HART 协议传输方式

HART 协议是数字式仪表实现数字通信的一种协议，遵循HART 协议的变送器可以在一条电缆上同时传输4-—20mADC 的模拟信号和数字信号。其数字信号的传输是基于频移键控方法，即在4—20mADC 基础上叠加幅度为正负0.5mA 的不同频率的正弦调制波作为数字信号，1200HZ 频率代表逻辑“1”，2200HZ 频率代表逻辑“0”传输速率为1200bit/s

3、热电阻的测温原理：是基于电阻的热—阻效应进行温度测量的，因此只要测出感温热电阻的阻值变化，即可测出被测温度，目前，测温元件主要由金属热电阻和半导体热敏电阻两类；

4、热电偶及其测温原理：将两种材质不同的导体或半导体A 、B 连接成闭合回路就构成了热电偶，热电偶的测温原理是基于热点效应，即只要热电偶两端的温度不同，则在热电偶闭合回路中就产生热电动势，这种现象就成为热点电效应；

5、热电阻为何采用三线制？这种接法可利用电桥平衡原理较好的消除导线电阻的影响。三线制接法，即在热电阻根部的一段引出一根导线，而在另一端引出两根导线分别与电桥中的相关元件相接。

6、差压式流量计所采用节流元件有标准孔板，喷嘴挡板，文丘里管。以标准孔板应用居多。取压方式：角接取压，法兰取压，标准孔板取压。

7、弹簧管检测原理：当被测压力从固定端输入后，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势，使自由端产生位移。由于输入压力P 与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测出自由端的位移量就能够反映压力P 的大小弹性测压元件：弹簧管、波纹管、弹性膜片等

8、流量检测分类方法：. 1体积流量检测法。又分为为容积法和速度法；容积法是以单位时间内排除流体的固定体积数来计算流量，速度法是先测出管道内的平均流速再乘以管道截面积以求得流2. 质量流量检测法。又分为间接法和直接法。

间接法是用测得的体积流量乘以密度求得质量流量，直接法是由测量仪表直接测量质量流量。

9、物（液）位检测主要方法：一、静压式测量法；又可分为压力式和差压式，其中压力式适用于敞口容器，压差式适用于闭口容器；二、电气式测量法；三、声学式测量法；四、射线式测量法

10、零点迁移：正迁移：将测量的下限值由零变为某一正值时；负迁移：将测量的下限值由零变为某一项负值时。 量程调整：是指在零点不变的情况下将检测仪表的输出信号上限值ymax 与被检测参数的上限值xmax 对应。

零点迁移例题：将0—500度调到200—1000度，先将量程0—500度调整到0—800度，并使其输入0度时输出是4mA, 输入800度时输出20mA 。然后再将仪表零点由0度迁移到200度，最后得到200—1000度的测量范围。

第三章

1、调节器输入电路的作用：一、用来获得与输入信号Vi 和给定信号Va 之差成比例的偏差信号；二是将偏差信号进行电平移动。输出电路作用：电平移动，V-I 转换。

2、调节阀的流量特性：工作特性：在实际应用时，调节阀安装在官道上，或者与其他设备串联，或者与旁路管道并联，因而调节阀前后的压差总是变化的 理想特性：当调节阀前后压差一定时获得的流量特性。三种代表性的理想流量特性：直线流量特性、对数流量特性、快开流量特性

3、正负反馈：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，反之则为反作用被控过程

4、PID 特性: PID调节器的积分和微分作用都具有饱和特性

PID 调节优点：一、PID 调节模拟了人脑的部分思维，原理简单，容易理解与实现，使用方便；二、应用范围广；三、鲁棒性强。

调节器参数整定方法：最佳整定法，经验法，工程整定法（又分为临界比例度法，衰减曲线法，反应曲线法）理论计算法

临界比例度法和衰减曲线法属于闭环整定，反应曲线法属于开环整定，它是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定的。

5、软手动：指调节器的输出电流与手动输入电压成积分关系；

硬手动：是指调节器的输出电流与手动输入电压成比例关系

软、硬手动的切换过程：1. 自动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换

2. 软手动切换到硬手动，需平衡后切换才能做到无扰动切换3. 硬手动切换到软手动，无需平衡即可做到无扰动切换4. 软手动切换到自动，无需平衡即可做到无扰动切换

6、积分饱和定义：执行机构已到极限位置，仍不能消除静差时，由于积分作用，运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应动作；积分饱和产生的必要条件一是调节器具有积分作用，二是调节器输入偏差长期存在。

防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。

7、比例调节是基于偏差的大小；积分调节是基于偏差的有无；微分调节是基于偏差的变化速率。

8、构成安全火花防爆系统必须具备两个条件是现场仪表必须设计成安全火花型和现场仪表与非危险场所间必须经过安全栅。

安全栅其作用一方面保证信号的正常传输，另一方面则控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或爆炸性混合物的点火能量以下，以确保过程控制系统的安全火花性能。

9、已知扰动通道的传递函数是Gf(s)=Kf/(TfS+1),从控制的角度看，Kf 越小对控制参数的影响越小Tf 越大对提高控制质量越有利，干扰进入系统的位置越远离被控参数，对系统的动态控制质量越有利。如果对象扰动通道增益Kf 增加，扰动作用增强，系统的余差增大，最大偏差增大。如果控制通道的增益K0的增加，控制作用增强克服干扰的能力增大，系统的余差减小最大偏差减小。

10、当广义过程控制通道时间常数较小，负荷变化不大，且工艺要求无静差时，应选用PI 控制规律。

11、对于大多数控制系统而言，当系统的瞬太响应曲线达到Ψ=0.75的衰减率时，则接近最佳的过渡过程曲线。此时衰减比为4:1。

12、气开气关：气开是指当气压信号p>0.02MPa，阀由关闭状态变成打开，反之为气关。一般加热器选择气开式，当控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热。锅炉进水选择气关式，当控制信号中断时，执行器处于开启状态，保证有水进入，不致锅干。

13、电气阀门定位器有哪些作用①改善阀的静态特性②改善阀的动态特性③改变阀的流量特性④用于分程控制⑤用于阀门的反向动作

14、单容或多容对象尽管数量、容量不同，其飞升特性曲线都可用τC 容量滞后，T 对象时间常数，K 对象放大系数来表征。

1、串级控制：特点：1对进入副回路的干扰有很强的抑制能力2. 能改善控制通道的动态特性、提高系统的快速反应能力3. 对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。

串级控制系统的设计原则：（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注意生产上的经济性。

2、串级控制系统中，主调节器起定值控制作用，负调节器起随动控制作用，一般主调节器选PI 或者PD 调节规律，负调节器选P 调节规律。

1、比值控制系统：就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。两种物料必有一种处于主导地位称为主动物料或主流量，用q1表示，而将随主流量的变化而变化的其他物料成我饿从动流量或副流量q2表示。比值控制系统就是要实现副流量和主流量成一定比例关系，既满足q2/q1=K

均匀控制系统的设计思想是将液位控制与流量控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾，即使A 塔的液位在允许的范围内波动的同时，也使流量平稳缓慢的变化

均匀控制的特点：1. 系统结构无特殊性2. 参数均应缓慢地变化3. 参数变化应限制在允许的范围内

自动选择性控制系统：指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。

2、前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？

答:前馈控制的特点是:根据干扰工作; 及时; 精度不高, 实施困难; 只对某个干扰 有克服作用. 反馈的特点作用依据是偏差; 不及时:精度高, 实施方便, 对所有干扰都有克服作用. 由于两种控制方式优缺点互补, 所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.

3、有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似. 请问如何区分它们? 试分析图3所示的两个系统各属于什么系统? 说明其理由

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答：串级控制系统的副控制回路在主控制回路中间串联，而前馈-反馈控制系统是虽然有负反馈，但不是串进主回路的。前馈-反馈控制系统的前馈是对输入通道的扰动进行直接克服，而不是产生影响之后才进行克服。

a 是前馈-反馈，b 是串级。

理由:因为a 图中有直接对原料油的控制回路，可以提前消除原料油的扰动，所以是前馈。b 图是串级控制系统。

计算题类型为例题4-1、4-4、4-5