过程控制系统与仪表考试

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1、过程控制系统与仪表考试过程控制系统与仪表第一章1 过程控制系统主要任务： 对生产过程中的有关参数（温度压力流量物位等）进行控制使其 保持恒定或按一定规律变化在保证产品质量和生产安全的前提下使连 续生产过程自动进行下去2 特点：1）控制对象复杂控制要求多样2）检测方案丰富3）控制多属于慢过程控制4）定值控制是过程控制的一种主要形式5）过程控制系统由规范化的过程检测仪表组成 过程控制分类方法1 按设定值的形式不同划分1）定值控制系统2）随动控制系统3）过程控制系统2 按系统地结构特点分1）反馈控制系统2）前馈控制系统3）前馈反馈复合控制系统 稳态：对于定值控制当控制系统输入不变时整个系统若能达到一

2、 种平衡状态系统各个组成环节暂时不动作它们的输入输出信号都处于 相对静止状态就是稳态动态：从外部扰动出现平衡状态遭到破坏自动控制装置开始动作 到整个系统又建立新的稳态调节过程结束的这一段时间整个系统的各 个环节的状态和参数都处于变化的过程之中叫动态 控制系统的过度过程：系统从原来的平衡状态经过动态过程达到新的平衡状态的动态历程稳定过渡过程：不稳定过渡过程系统的控制作用能否使被控参数 回到原来的设定值用阶跃输入分析过渡过程外部扰动阶跃变化时被控参数响应曲线 与设定阶跃变化时的特征是相同的通常采用设定值阶跃变化时被控参 数响应的典型曲线来定义控制系统的单项性能指标主要有衰减比超调 量与最大动态偏差

3、静差调节时间震荡频率等第二章计算题会选择仪表精度思考与练习题2-3某压力表的测量范围为010MPa，精度等级为1.0级。试 问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压 力表，在校验点为5MPa时，标准压力计上读数为5.08MPa，试问被 校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？解答：1) 基本误差5=100%?最大绝对误差?max 二 0.01x10 二 0.1MPa2 )校验点为5 MPa时的基本误差：%8.0%10010508.5=?-=5 0.81，所以符合1.0级表。2-4 为什么测量仪表的测量范围要根据被测量的大小来选取 选择一台量程很大的仪表来测量很小的参数值

4、有什么问题？2-5 有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为1) 1.0 级，0 250mA2) 2.5 级，0 75mA现要测量 50mA 的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合 适？解答：分析它们的最大误差：1) ?max 二250x1% 二2.5mA ;%5%100505.2 = ?=5 2) ?max 二75x2.5% 二1.875mA ; %75.3%10050875.1士二？=6 选择2.5 级，075mA 的表。第三章控制仪表的作用：将被控变量的测量值与给定值相比较根据比较 的结果（偏差）进行一定的数学运算 并将运算结果以一定的信号形式 送往执行器以实现对被控变量的自动控制比

5、例控制：为实现适当控制控制器的输出应当根据偏差的大小连 续变化 使控制伐的开度也连续变化 这样就有可能获得与对象复合相适 应的操纵量从而使被控变量趋于稳定能够达到平衡此模式为连续控制 比例控制为最基本的连续控制模式比例积分控制：当有偏差存在时输 出的信号将随时间增大或减小 当偏差为零时输出停止 保持在某一值上 所以积分控制组成的系统可以达到无余差比例微分控制：特点是能起到超前控制作用即按照偏差变化的速 度控制能在偏差很小时提前增大控制作用微分控制必须和比例控制组 合作用比例积分微分控制：特点是达到快速控制消除余差DDZ-3型PID运算电路组成输入电路给定电路PID运算电路自动 与手动切换电路输

6、出电路指示电路 3-11结构框图DDZ-3调节器通过切换开关S1可以选择自动调节“A”软手动操作“M”硬手 动操作“H”A.M切换A.H切换无扰M. H切换无扰第四章执行器作用执行器是自动控制的操作环节其作用是根据控制器送 来的控制信号改变所操作介质的大小将被控量维持在要求的数值上气动调节伐的结构气动调节伐是由气压控制的阀门 一般还配有辅助装置如阀门定位器提高阀门开度定位的准确性手轮机构当控制信号因故障中断时其可直接操纵控制伐维持正常 生产气动调节伐结构与分类结构有1 执行机构当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时阀杆向 下移动的叫做正作用执行机构反之为反作用执行机构2调节机构阀芯在阀体内移

7、动改变阀芯与阀座之间的流通面积介质 流量也相应改变当阀杆下移阀芯与阀座流通面积减小的称为正作用式若阀芯倒装 面积增大为反作用式调节伐的流量特性指流过阀门的流体相对流量和阀门的相对开度 间的关系公式1 阀门的固有流量特性在调节伐前后压差固定的情况下得出的流量 特性其取决于阀芯的形状特性分为1）直线流量特性调节伐的相对流量与相对开度呈直线关系 直线伐的放大系数在任何一点都是相同的但其对流量的控制每一 点都是不同直线伐在流量小时流量变化相对直大流量大时相对值小阀 门在小开度是控制作用强大开度时控制作用弱2）等百分比流量特性调节伐的放大系数随相对流量的增大而增大 在不同的行程处流量变化的相对值都是相等

8、的百分数在大小开度时控 制能力不变3）快开特性开度小时流量变化迅速随开度增大流量很快达到最大 值2 调节伐的工作流量特性实际的工艺装置上调节伐由于和其他阀 门设备管道串联阀门两端的压力随流量的变化而变化此时的特性叫工 作流量特性阀组比S=表示存在管道阻力的情况下阀门全开时阀门前后 的最小压差占总压力的比值 S 越小流量特性的变形程度越大一般不低 于 0.33 调节伐气开式无压力信号时伐全开随着压力信号增大阀门逐渐 减小的气动调节阀气关式无压力信号时全闭随着信号增大阀门逐渐开大的气动调节 伐4 调节伐口径的选择C= 流通能力压差流体密度最大流量 5使用电气转换器气动调节阀能运用于易燃易爆环境的优

9、点还不能 被电动调节阀取代为了使气动调节阀能接受电动调节器的输出信号必 须使用电气转换器把调节器输出的标准电信号转化成20-100kpa的标 准气压信号6阀门定位器气压推力受到的阻力还有阀体和阀杆处的填料对阀杆 的摩擦力和阀门内流体对阀芯的作用力这些力大小不确定会影响执行 机构与输入信号之间的定位关系使执行机构产出回环特性严重是造成 调节系统震荡思考题与习题4- 1 气动调节伐主要由哪两部分组成各有什么作用 解答：1）执行机构和调节机构。2）执行机构的作用：按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动 作；调节机构的作用：由阀芯在阀体内的移动，改变阀芯与阀座之间 的流通面积，从而改变被控介质的流量。

10、4- 3 为什么说双座伐产生的不平衡比单座阀小4-4 什么叫调节伐的理想流量特性和工作流量特性常用的调节阀 理想流量特性有哪些 解答：1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特 性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。 工作流量特性：在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、 设备、管道等串连使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流 量特性称为工作流量特性。2）常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特 性、快开特性4-7什么是串联管道中的阀组比S S值的变化为什么使理想流量特 性发生畸变解答：1）阀阻比：用阀阻比o T p p S /min ?=表示存在管道阻

11、力的情 况下，阀门全开时，阀门前后的最小压差min T p ?占总压力p o的比值。2）在S 1时，由于串联管道阻力的影响，使阀门开大时流量达 不到预期的值，也就是阀的可调范围变小。随着 S 值的减小，直线特 性渐渐区于快开特性，等百分比特性渐渐趋近于直线特性。4- 9 如图 所示蒸汽的加热器对物料进行加热 为保证控制系统发生 故障时加热器的耐热材料不被烧毁式确定蒸汽管道上的气开关形式4-10为什么合理选择调节阀的口径也就是合理确定调节阀的流通 能力C很重要第五章1 被控过程的数学模型 描述被控过程在输入作用下 其状态和输出 的数学表达式 2建立被控过程数学模型的方法1）机理法 根据生产过程中

12、实际发生变化的机理写出相关的平衡 方程 必须对生产过程的机理充分了解 最大优点就是能在没有系统设备 之前 就能得到被控过程的数学模型2）测试法用测试法建模时可以在不十分清楚内部机理的情况下把 被研究对象视为一个黑匣子完全通过外部特性来描述他的性能3 单容过程建模求其传递函数画结构框图4 自衡特性在扰动作用破坏平衡工况后被控过程在没有外部干预 的情况下自动回复平衡的特性5容量滞后多容过程对于扰动的响应在时间上的延迟6纯滞后在生产过程中经常遇到除容量滞后外由传输延迟引起的滞7 怎样得到可靠的阶跃响应曲线1）合理的选择阶跃输入信号的幅度2）试验是被控过程应处于相对稳定工况3）要仔细记录阶跃曲线的起始

13、部分4）多次测试消除非线性8 为什么要用矩形脉冲法测定被控过程的阶跃响应曲线阶跃响应曲线直接测定法简单易行但是当扰动输入信号幅度较大 较长时间存在时被控参数变化幅度可能超出允许范围而影响生产过程 可能造成产品质量问题或者安全问题为了能够施加比较大的扰动幅度而又不至于严重干扰产生可用矩 形脉冲输入代替阶跃输入测出被控过程的矩形脉冲响应曲线再根据此 曲线求出阶跃响应曲线思考题与习题5- 1 什么是被控过程的数学模型解答：被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输 入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。5- 2建立被控过程的数学模型的目的是什么过程控制对数学模型有 什么

14、要求解答：1）目的：。1设计过程控制系统及整定控制参数；。2指导生产工艺及其设备的设计与操作；。3 对被控过程进行仿真研究；。4 培训运行操作人员；。5 工业过程的故障检测与诊断。2）要求：总的原则一是尽量简单，二是正确可靠。阶次一般不高 于三阶，大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞 后的一阶形式。5-3 建立被控过些数学模型的方法有哪些各有什么要求和局限性5-4什么是流入量什么是流出量它们与控制系统的输入输出有什么 区别和联系解答： 1）流入量：把被控过程看作一个独立的隔离体，从外部流入被控 过程的物质或能量流量称为流入量。流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。2

15、）区别与联系： 控制系统的输入量：控制变量和扰动变量。 控制系统的输出变量：系统的被控参数。5- 5 机理法建模一般试用什么场合解答：P128对被控过程的工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量的变化都 与物质和能量的流动与转换有密切关系。5-6什么是自衡特性具有自衡特性的被控过程系统框图有什么特点 解答：1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情 况下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。2）被控过程输出对扰动存在负反馈。5-7 什么是单容过程多容过程解答：1）单容：只有一个储蓄容量。 2）多容：有一个以上储蓄容量。5-8 什么是过程的滞后特性滞后有哪几种产生的原因是什么 解答：1）

16、滞后特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后。 2）容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称 为容量滞后。纯滞后：在生产过程中还经常遇到由（物料、能量、信号）传输 延迟引起的纯滞后。5-9 对如图所示的液位过程输入量为 Q1 流出量为 Q2 ，Q3 液位 h 为被控参数水箱截面为 A 并设 R1，R2 为线性液阻1）列出液位过程的微分方程组2)画出液位过程框图3 )求出传递函数H(S)/Q1(S)并写出放大倍数K和时间常数T的 表达式(1)3322321R h Q R h Q dt h d AQ Q Q ?=?=?=?-?-? (2 )框图(3)3232321)()(R R s R

17、 AR R R s Q s H + + = 5-10 以 Q1 为输入 h2 为输出 写出图 5-10 串联双容液位过程的微分方程组 并求出传递函数 H2(S)/Q1(S)1)方程组：323232222121121R h Q dth d A Q Q R h R h Q dth d A Q Q ?=?=?-?-?=?=?-? 2)传递函数：式中：3112322211,R A T R A T R A T =1单控系统指由一个测量单元及变送器一个控制器一个调节伐和 一个被控过程组成的 并只对一个被控参数进行控制的但闭环反馈控制 系统特点结构简单投资少易于调整操作维护方便又能满足多数工业生 产的控制要

18、求应用广泛2 工程控制系统方案要求安全性稳定性经济性3 控制通道时间常数对品质的影响4被控参数的选择必须根据工艺要求深入分析生产过程找出对产品 的产量和质量安全生活经济运行环境保护节能降耗等具有决定性作用能较好反映生产工艺变化的参数作为被控参数选择方法1）直接参数法选择能够直接反映生产过程产品产量与质量又易于 测量的参数2）选择与质量指标有单值对应关系易于测量的变量作为参 数间接反映产品质量与产量5控制变量的选择理论上讲所有允许控制的变量都可以作为控制变 量但在单输入单输出SISO系统中只能有一个控制变量原则上在考虑生 产过程特点和产品特点的情况下要从所有允许控制变量中尽可能的选 择一个对被控

19、参数影响显着控制性能好的输入变量作为控制变量当控 制变量选定后其他所未被选中的变量均视为系统干扰6 干扰通道的静态放大系数 Kf 越大外部扰动对被控参数的影响越 大所以Kf越小越好7过程（通道）动态特性对控制品质的影响P179-180 8控制变量选择的一般原则1）控制变量应是可控的即在工艺上允许调节的变量2）一般比其他干扰对被控参数的影响灵敏3）为了使干扰对被控参数的影响小应使干扰通道的放大系数 Kf 尽量小时间常数Tf尽量大4）被控过程存在多个时间常数在选择设备及控制参数时应尽量使 时间常数错开使其中一个时间常数比其他时间常数大很多同时注意减 小其他时间常数5）在选择控制变量时除了从提高品质

20、的角度考虑外还要考虑工艺 的合理性生产效率生产过程经济性9传感器变送器选择原则与注意事项1）传感器变送器测量范围与精度等级的选择2）尽可能选择时间常数小的传感器变送器3）合理选择检测点减小测量纯滞后4）测量信号的处理10调节阀的气开气关作用方式选择原则1）人身安全系统与设备安全原则2）保证产品质量原则3）减少原料和动力浪费的经济原则4）基于介质特点的工艺设备安全原则11调节器的正负作用的选择（重点）P186-18912积分调节与比例积分调节对系统控制质量的影响P189比例微分调节对系统控制品质的影响P191比例积分微分对系统控制品质的影响P19213调节规律的选择原则1）比例调节对象调节通道小

21、负荷变化与外部扰动小工艺要求不高 可选用比例调节2）积分调节没有静差动态偏差大调节时间长只能用于有自衡特性 的简单对象3 ）比例积分调节既能消除静差又能较快动态响应多用于对 一些调节通道容量滞后较小负荷变化不大的调节系统使用最多4）比例微分调节提高稳定性是系统比例系数增大加快调节过程减 小动态偏差和静差在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合不使用微 分调节5）比例积分微分调节综合各个调节优点但是对于对象滞后很大负 荷变化剧烈频繁的被控过程采用 PID 达不到要求时应用串级控制前馈 控制等复杂控制系统14调节器参数工程整定法1）稳定边界法2）衰减曲线法3）反应曲线法4）经验试凑法四个方法的特点方法

22、 P195思考题与习题6- 1简单控制系统由几个环节组成解答：测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。6- 5选择被控参数应遵循那些基本原则什么是直接参数什么是间接参数两者区别解答：1）原则：必须根据工艺要求，深入分析、生产过程，找出对产品 的产量和质量、生产安全、经济运行、环境保护、节能降耗等具有决 定性作用，能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数。2）直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测 量的参数3）间接参数：与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量，间 接反映产品质量、生产过程的实际情况。4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。6- 6选择控制变量时为什么要分析被控过程的特性为什么希望控制 通道放大系数 K0 要大时间常数 T0 小纯滞后越小越好而干扰通道的放 大系数Kf尽可能小时间常数Tf尽可能大解答：1）控制变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性密切相 关。越大，系统的静态偏差越小，表明控制作用越灵2）控制通道的静 态放大系数K敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好。时间常数T小，被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时，从而获得良好 的控制品质。纯滞后TO的存在会使系统的稳定性降低。T 0值越大，对系统的影 响越大。