化工自动化仪表期末复习摘要.doc

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1、化工自动化仪表期末复习摘要第一章 自动控制系统概述1.单元组合仪表之间用标准统一信号联系：气动仪表（QDZ系列）：20-100kPa气压信号；电动仪表信号：（A）DDZ系列：0-10mA直流电流信号；（B）DDZ系列：4-20mA（1-5V）直流电流信号。2.专用术语：被控过程（被控对象）：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器。被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量变化的因素。被控过程：锅炉汽包被控变量：汽包液位操纵变量：水的流量扰动：水压力

2、、蒸汽流量实例 设定值：工艺参数所要求保持的数值。偏差：被控变量实际值与设定值之差。负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减3.闭环控制与开环控制：闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量的值被送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环。闭环控制的特点（优点）：按偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。开环控制：根据扰动信号的变化来进行控制。开环控制的特点（优点）：不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制，控制很及时

3、。环控制的缺点：由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到其他扰动作用后，被控变量偏离设定值，无法消除偏差，这是开环控制的缺点。4.闭环控制系统的组成（P5）：e(t):偏差u(t):控制作用（控制器输出）q(t):操纵变量c(t):被控变量y(t):测量值r(t):设定值控制器：比较机构和控制装置的组合；广义对象：过程、执行器、检测变送的组合。5.自动控制系统的分类：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。6.自动控制系统的过渡过程及品质指标：定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动)：发散振荡单调发散等幅振荡衰减振荡单调衰减自动控制系统的品质指标：（1）最大动态偏差（emax）：对

4、于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个振荡波的峰值与设定值之差。即：图中的A（2）衰减比n：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。即：注：n1：衰减振荡；n=1：等幅振荡；n0 （B）负迁移：xmin 0.6：认为工作特性与理想特性相同。0.3S0.6：S0.3 （流量特性畸变很大）：节能运行，可以进行静态非线性补偿。控制阀的理想流量特性1线性2对数3快开快开阀：在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后在增大开度时流量的变化很小，故称为快开特性。（3）工作流量特性：实际上控制阀的前后压差是变化的。配管系数S：控制阀全开时，控制阀上压差pv 与系统

5、总压差p之比。即：。S=1时，系统的总压差全部降在控制阀上，工作流量特性就表现为理想流量特性。一般希望S值最小不低于0.3。（4）动态特性：气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看作为一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头间的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的大小取决于气阻和气容。（5）控制阀口径的确定：依据：流通能力。6.阀门定位器（了解）：功能：接受控制器的输出信号，然后将该信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，它与执行机构组成一个闭环系统。采用阀门定位器，可以增加执行机构的输出功率，改善

6、控制阀的性能。目前较多使用电动控制器，控制阀较多使用气动控制阀。阀门定位器的作用：（1）改善阀的静态特性（2）改善阀的动态特性：改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般地，气压传送管线超过60m时，应采用阀门定位器。（3）改善阀的流量特性通过改善反馈凸轮的形状（4）用于分程控制（5）用于阀门的反向动作可改变阀的气开、气关特性7.控制阀流量特性的选择：选择原则：使整个广义对象具有线性特征。8.控制阀气开、气关的选择：选择原则：安全原则。第六章 控制器（调节器）1.概述：控制器是控制系统的核心。作用：控制执行器，改变操纵变量，使被控变量符合生产要求。分类：按能源形式分类：气

7、动、电动；按信号类型分类：模拟式、数字式；按结构形式：基地式、单元组合式、组装式、集散控制系统。2.基本控制规律：定义：是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制器的输入信号e(t)：是测量值y(t)与被控变量的设定值之差 ，即e(t)=y(t)-r(t)；控制器的输出信号u(t)：是送往执行机构的控制命令。控制规律就是控制器的输出信号u(t)随输入信号e(t)变化的规律。3.PID控制算法：（1）比例度：定义：控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，表达式为：（必记）（其中，C为仪表系数）（具体而言：使控制器的输出变化满刻度时，输入信号必须改变全量程的百分之几）。对于单

8、元组合仪表，有：。比例度对系统过渡过程的影响：在扰动（如负荷）及设定值变化时有余差存在。 比例度愈大，过渡过程曲线愈平稳，余差也愈大。比例度愈小，过渡过程曲线振荡愈厉害。当比例度减小到某一数值时，系统会出现等幅振荡，此时的比例度称为临界比例度k。在扰动作用下，主要取决于余差，小则余差小，所以最大偏差也小；在设定作用下，最大偏差取决于超调量，小则超调量大，所以最大偏差就大。（参见右图）（2）比例控制特点（存在余差）：是最基本、最主要、应用最普遍，它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳定。适用场合：扰动幅度较小、负荷变化不大、过程时滞较小或控制要求不高的场合。（3）积分作用特点：（A）消除余差，却降

9、低了系统的稳定性（B）落后性：积分控制作用总是滞后于偏差的存在。积分时间TI定义：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间，就是积分时间TI 。积分时间TI越大，直线越平坦，说明积分作用越弱。随着TI减小，则积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降。积分饱和：积分饱和指的是一种积分过量现象。解决积分饱和问题的常用方法是采用PI-P控制规律。另外，还有积分限幅法，变速积分法等。（4）微分作用特点（超前控制）：理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏差的变化速度有关。微分时间TD越大，微分作用越强。由

10、于微分在输入偏差变化的瞬间就有较大的输出响应，因此微分控制被认为是超前控制，适用于容量滞后。（5）实际PID控制：（必记）式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分。Kc为比例增益，KD为微分增益；TI为积分时间；TD为微分时间，A为阶跃信号。适当的微分作用：在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高系统的控制质量。如右图所示：TD太小：对系统的控制指标没有影响或影响甚微，如曲线1；TD适当：系统的控制指标将得到全面的改善，如曲线2；TD过大：引入的微分作用太强，可能导致系统产生剧烈的振荡，如曲线3。 如果要求引

11、入微分作用后仍然保持原来的衰减比n，则可适当减小控制器的比例度。适用场合：用于时滞大的场合，特别是在温度控制系统。理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性阶跃偏差下的积分控制器开环输出特性阶跃偏差作用下的实际比例微分开环输出特性阶跃偏差作用下的比例控制器的开环输出特性（6）P、I、D开环输出特性：实例 某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式为（t单位为分钟）。试问：（1）这是什么控制规律？（2）求出控制器各个控制参数。（3）画出其开环输出特性图。解：；又有。（1） PD控制规律。（2） 解之得：KC=2，KD=5，TD=5。（3）开环输出特性曲线：为KCA=2，KCKDA=10曲线如右

12、图所示：4.模拟式控制器：（1）DDZ-型电动单元控制器：输入信号为来自变送器或转换器的15V直流测量信号，设定信号为15V直流信号，两者相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出15V或420mA直流控制信号给执行器，以实现对工艺变量的控制。（2）控制器的工作状态有“自动”、“软手动”、“硬手动”及“保持”四种：软手动微调；硬手动粗调；保持无扰动切换（输出值保持不变）。（3）控制器的“内”“外”设定开关：内定值控制；外随动控制。（4）控制器的“正”、“反”作用开关：由u和e的方向决定，同向为正作用。当控制器置于“正”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加。控制器“正”、“反”

13、作用开关不能随意选择，要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决定，保证控制系统为负反馈。 实例 如图所示的液位控制系统，如果阀的气开、气关特性发生改变，控制器的正、反作用也应该发生改变。假设阀门选用气关阀：假设液位上升：要使液位下降：e和u同向（箭头同向）选正作用控制器。假设阀门选用气开阀：假设液位上升：要使液位下降：e和u反向（箭头反向）选反作用控制器。蒸汽加热反应釜实例 如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺要求釜内温度不得过高，试确定调节器的正、反作用。解：（1）确定控制阀的气开、气关特性：工艺要求釜内温度不得过高，也就是说，供气中断时热源关断应选气开阀。（2）确定调节器的正、反作用： 控制

14、器应选反作用第七章 简单控制系统1.被控变量的选择原则：（1）合理性与独立性：尽量选择能直接反映产品质量的变量作为被控变量。（2）直接指标与间接指标：所选被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求。（3）可测与可控：必须考虑自动化仪表及装置的现状。2.操纵变量的选则原则：（1）操纵变量必须是工艺上允许调节的变量。（2）操纵变量应该是系统中所有被控变量的输入变量中对被控变量影响最大的一个。控制通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小。（3）不宜选择代表生产负荷的变量作为操纵变量。（4）工艺上的合理性和方便性。3.选择控制规律时注意：（1）微分作用对过程的容量滞后有效，而

15、对过程控制通道存在纯滞后无效。（2）积分控制可以消除余差，但会带来积分饱和。 4.控制器的参数整定：（1）临界比例度法：先将控制器设置为纯比例作用，比例度放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。求得临界比例度k，临界振荡周期Tk。根据k和Tk查表找控制器应该采用的参数值。（注：控制系统工作在非线性区，不适用）（2）衰减曲线法：将控制器先设置为纯比例作用，并将比例度放在较大的位置上。将系统投入闭环控制，在系统稳定后，逐步减小比例度，改变设定值以加入阶跃干扰，观察过渡过程的曲线，直至衰减比n为4:1。这时的比例度为S，衰减周期为TS，

16、最后，查表得出控制器应该采用的参数值。（注：加干扰前，控制系统必须处于稳定的状态；阶跃干扰的幅值不能大；不可以过渡过程波动频繁）（3）经验整定法：经验法整定控制器参数的关键是“看曲线，调参数”。（A）比例度：比例度越大，过渡过程越平缓，余差越大； 比例度越小，过渡过程振荡越激烈，余差越小，过小，甚至成为发散振荡的不稳定系统。（B）积分时间TI：积分时间越大（积分作用越弱），过渡过程越平缓，消除余差越慢； 积分时间越小（积分作用越强），过渡过程振荡越激烈，消除余差快。（C）微分时间TD：微分时间越大，微分作用越强。第八章 复杂控制系统1.常用的复杂控制系统有：串级、均匀、比值、分程、选择性、前馈

17、、多冲量等。2.串级控制系统（只有一个执行器）：（1）串级控制系统的基本原理和结构：思想：把时间常数较大的被控对象分解为两个时间常数较小的被控对象。例如：加热炉温度串级控制系统【P171】（2）组成原理：将原被控对象分解为两个串联的被控对象。以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成一个副回路（简单控制系统）。将原被控变量作为主被控变量构成主回路。主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。（3）系统的工作方式：副环既是随动又是定值控制系统；主环是定值控制系统。（4）副被控变量的选择原则：必须保证它是操纵变量到主被控变量通道中

18、的一个适当中间变量；使主要扰动作用于副对象上，使副对象包含适当多的扰动；主、副对象的时间常数不能太接近。副控制器控制规律一般选择P控制，而且比例度选的较小。（5）正、反作用选择：副控制器正、反作用的选择根据调节阀的气开、气关形式来确定。主控制器正、反作用的选择根据副被控变量对主被控变量的影响关系来确定（与气开、气关无关）。实例 下图所示的加热炉温度-压力串级控制系统，试分别确定主、副控制器的正、反作用。解：（1）阀的气开、气关特性：依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀。（2）副控制器的正、反作用：选择反作用。（3）主控制器的正、反作用：主控制器应

19、选反作用（T与P反向）。结论：副调节器正、反作用的选择要依据阀门的气开、气关特性；主调节器正、反作用的选择与阀门的气开、气关形式无关。（6）系统投运：将主控制器设定为内设定方式，副控制器设定为外设定方式。参数整定：两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器。一步整定法：只整定主控制器，副控制器的参数按经验值设定。（7）串级控制系统适用场合：采用简单控制质量较差，或要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足工艺要求。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的情况。复杂控制系统中用的最多的一种。3.均匀控制系统（与简单定值系统外形一致）：（1）均匀控制的目的：从控制方案出发，解决前后工序供求矛盾

20、，达到前后兼顾协调工作（如使液位和流量均匀变化）。（2）采用均匀控制的前提条件：系统需要控制的两个或多个变量的要求不是很高，可以在一定范围内波动。（3）均匀控制的特点：表征前后供求矛盾的两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。（4）实现方法：通过控制器的参数整定来实现。（5）注意：微分作用与均匀矛盾，故不能采用微分作用。（6）与定值控制系统区别：区别在于控制器的控制规律选择和参数整定。均匀控制系统要求：不选择微分作用，参数整定上一般比例度大于100%，积分时间要长，才能满足均匀控制。均匀控制系统所控制的变量允许有一定波动，对余差无要求

21、。4.比值控制系统：（1）目的：是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产安全、正常地进行。（2）定义：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。（3）主动量与从动量：主动量（主流量）：在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，称此物料为主动量(FM)。从动量（从流量）：另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从动量(FS)。（4）比值控制系统分类：单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。（5）单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别：结构上：没有主对象、主控制器；本质区别：串级中，副变量是操纵变量到主被控变量之间的

22、一个中间变量，会影响主被控变量，在比值中，从动量不会影响主动量。（6）特点：从动量控制系统既是一个随动控制系统又是一个定值控制系统。单闭环比值控制系统能克服从动量的波动，使其随主动量的变化而变化，使它们保持比值关系。（7）双闭环比值控制系统：双闭环控制系统实际上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统组成，它不仅能保持两个流量之间的比值，而且能保证总流量不变。适用场合：主要应用于总流量需要调整的场合。5.分程控制系统（需要阀门定位器）：（1）分程控制系统方块图及其特性：（2）分程控制系统的特点：简单控制系统：一个控制器的输出信号只控制一个执行器。分程控制系统：一个控制器的输出信号同时控制几个工作

23、范围不同的执行器。（3）分程的实现：是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的，将调节器的输出信号分为几段，每段控制一个阀门动作。（4）分程控制的应用：提高控制阀的可调比；交替使用不同的控制方式；满足生产过程不同阶段的需要。（5）控制阀的可调范围R的计算：实例 设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为CAmax=100，CBmax=4，可调范围RA=RB=30，两个阀均为气开阀，试求两个阀并联后的可调范围。解：可得小阀的最小流通能力为当大、小阀并联组合在一起时，阀的最小流通能力为0.133，最大流通能力为104，所以调节阀的可调范围为 6.前馈控制系统（可测不可控）：（1）概念：反馈控制（闭环控制

24、）：控制器按照被控变量与设定值的偏差来进行控制。存在的问题：当被控变量偏离设定值，产生偏差后才进行控制，使得控制作用滞后。前馈控制（开环控制）：控制器根据扰动或设定值的变化按补偿原理进行工作。特点：扰动产生后，被控变量还未变化之前，根据扰动的大小施加控制，控制超前。（2）反馈与前馈的对比：前馈控制特点：(1)是开环控制系统(2)控制及时(3)只能克服所测量的扰动反馈控制特点：(1)是闭环控制系统(2)控制滞后(3)可克服所有扰动（3）采用前馈控制系统的条件：扰动可测但是不可控。变化频繁且变化幅度大的扰动。扰动对被控变量影响显著，反馈控制难以及时克服。第九章 计算机控制系统1.计算机控制系统的发

25、展（记住缩写及名称）：时间缩写名称最初DDC直接数字控制系统（集中控制系统）20世纪70年代DCS集散控制系统（集中管理、分散控制）20世纪60年代PLC可编程逻辑控制器20世纪末FCS现场总线控制系统目前及未来CIMS计算机集成制造系统CIPS计算机集成过程系统2.集散控制系统：（1）定义：集散控制系统又称为分散型控制系统（Distributed Control System）,简称为DCS系统，是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。（2）主要特征：集中管理和分散控制。（3）具体有以下几个方面：分级递阶结构；采用微机智能技术；丰富的功能软件包；采用局

26、部网络通信技术；友善的人机接口；高可靠性。3.可编程逻辑控制器：（1）定义：可编程序控制器（Programmable Controller, PC）早期主要用于逻辑控制，习惯上称之为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller ）,简称PLC。（2）可编程序控制器的特点（优点）：高可靠性：PLC的主要特点。它在软、硬件方面采取了一些提高系统可靠性的措施。易操作性：操作、维修、编程灵活性：表现在编程、扩展、操作三个方面机电一体化：PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备。成为当今数控技术、工业机器人、过程控制领域的主要控制设备。（3）可编程序控制器的主要功能：

27、开关逻辑和顺序控制：最主要功能模拟控制：过程控制点数较少，开关量控制较多时。采用模拟输入输出卡件来实现模拟量的控制运算。信号联锁：信号联锁是安全生产的保证，高可靠性的PLC在信号联锁系统中发挥了很大作用。通信：PLC可作为下位机与上位机或同级的PLC进行通信，完成数据处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。4.现场总线控制系统：（1）定义：现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是在计算机网络技术、通信技术、微电子技术飞速发展的基础上，与自动控制技术相结合的产物。它实际是继仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。（2）现场总线控制系统的特点：系统的开放性；互可操作性与互换性；现场设备的智能化与功能自治性；系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。（3）现场总线控制系统的优点：节省硬件数量与投资；节省安装费用；节省维护开销；用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠性。5.综合自动化系统：（1）定义：计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems)计算机集成过程系统CIPS(Computer Integrated Process Systems)