过程控制复习重点.docx

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过程控制复习重点

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【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

过程控制复习重点

过程控制复习重点

热点偶：

当两种不同的导体或半导体连接时，若两个接点温度不同，回路中会出现热电动势，并产生电流；通常将一端温度T0维持恒定，称为冷端或自由端。

另外一端放在需要测温的地方，称为热端或工作端。

温度补偿:

只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数;

热电偶的冷端温度补偿：

只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。

热电阻：

在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：

性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。

1习题

1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种什么热电偶的分度号在什么情况下要使用补偿导线

答:

a.当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流.b.铂极其合金,镍铬-镍硅,镍铬-康铜,铜-康铜.c.分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列.d.在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时,自动补偿冷端温度变化,以保证测量精度,为了节约,作为热偶丝在低温区的替代品.

1-2热电阻测温有什么特点为什么热电阻要用三线接法

答:

a.在-200到+500摄氏度范围内精度高,性能稳定可靠,不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低,存在非线性.b.在使用平衡电桥对热电阻进行测量时,由电阻引出三根导线,一根的电阻与电源E相连接,不影响电桥的平衡,另外两根接到电桥的两臂内,他们随环境温度的变化可以相互抵消.

（在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：

性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。

）

1-3说明热电偶温度变送器的基本结构.工作原理以及实现冷端温度补偿的方法.在什么情况下要做零点迁移

答:

a.结构:

其核心是一个直流低电平电压-电流变换器,大体上都可分为输入电路.放大电路及反馈电路三部分.b.工作原理:

应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻,热敏电阻集成温度传感器.半导体温度传感器等,然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号.c.由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处,当冷端温度变化时,利用铜丝电阻随温度变化的特性,向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿.桥路左臂由稳压电压电源Vz（约5v）和高电阻R1（约10K欧）建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu,在Rcu上产生一个电压,此电压与热电动势Et串联相接.当温度补偿升高时,热电动势Et下降,但由于Rcu增值,在Rcu两端的电压增加,只要铜电阻的大小选择适当,便可得到满意的补偿.d.当变送器输出信号Ymin下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移.

1-4什扰共模干扰为什么会影响自动化仪表的正常工作怎样才能抑制其影响么叫共模干扰和差模干扰为什么工业现场常会出现很强的共模干

答:

共模干扰:

电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏,使热电偶上出现几伏或几十伏的对地干扰电压,这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为~.差模干扰:

在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰.工业上会出现共模干扰是因为现场有动力电缆,形成强大的磁场.造成信号的不稳.共模干扰是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号,是被测信号的地和数字电压表的地之间不等电位,由两个地之间的电势即共模干扰源产生的.在现场中,被测信号与测量仪器间相距很远.这两个地之间的电位差会达到几十伏甚至上百伏,对测量干扰很大使仪表不能正常工作有时会损坏仪表.共模干扰在导线与地（机壳）之间传输,属于非对称性干扰,共模干扰幅度大.频率高.还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大.消除共模干扰的方法包括:

（1）采用屏蔽双绞线并有效接地

（2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽（3）布线时远离高压线,更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线（4）不要和电控锁共用同一个电源（5）采用线性稳压电源或高品质的开关电源（纹波干扰小于50mV）.

什么是调节器的调节规律PID调节器的数学表达式是怎样的比例、积分、微分三种调节规律有何特征为什么工程上不用数学上理想的微分算式

规律：

确定调节器的动态特性称为调节器的调节规律，是调节器的输入信号与输出信号之间的动态关系。

PID调节器的数学表达式：

P调节（比例调节规律）特点：

1）有差调节，不可避免地存在稳态误差：

2）稳态误差随比例度的增大而增大；3）不适用于给定值随时间变化的系统；4）增大Kc，不仅可以减小稳态误差，还可以加快响应速率

I调节（积分调节规律）特点：

1）可以提高系统的无差度，也即提高系统的稳态控制精度：

2）过渡过程变化相对缓慢，系统的稳定性差

D调节（微分调节规律）特点：

1）单纯的微分调节器是不能工作的2）能预测偏差变化趋势，防止系统被调量出现较大动态偏差；

对静态偏差无抑制作用。

故工程上一般不单独使用数学上理想的微分算式。

试给出DDZ-III型调节器的基本组成结构和主要运算电路

PID调节器中,比例度p,积分时间常数Ti,微分时间常数Td,积分增益Ki,微分增益Kd分别有什么含义在调节器动作过程中分别产生什么影响若令Ti取∞,Td取0,分别代表调节器处于什么状态

答:

比例度P为调节器的比例增益，它的大小决定了比例调节作用的强弱，P越大，比例调节作用越强（只要有输入，必有输出）。

TI积分时间表示积分作用的强弱，TI越大，积分作用越弱（只要输入不为零，输出的积分作用会一直随时间增长）；TD微分时间，表示微分作用的强弱，TD越大，微分作用越强。

积分增益Ki为放大器增益,Ki越大,调节静差越小。

Kd为比例微分调节器输出地最大跳变值与单纯由比例作用产生的输出变化值之比。

Ti取无穷时,调节器处于PD状态.Td取零时调节器处于PI状态.

数字控制算法有哪些优点

1.功能丰富，很多功能可以用软件来实现，参数修改容易；2.具有自诊断功能，有效防止事故的发生；

3.可以方便地与上位机或测控网络通信；4.便于小型化，并减小功耗。

给出实用的PID数字表达式，数字仪表中常有哪些改进型PID算法

1.微分先行的PID算法2.比例先行的PID算法3.带可变型设定值滤波器SVF的PID算法

执行器组成执行机构（驱动）和调节机构（阀芯）

定义：

执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。

功能：

是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。

分类：

大致上可分为电动、气动、液动三种。

气动执行器结构简单工作可靠价格便宜维护方便防火防爆

固有流量特性：

调节阀前后压差不变时，得到的流量特性。

直线：

控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。

对数：

小流量时，控制作用平缓；大流量时，控制作用灵敏有效，克服了直流特性的不足。

快开：

适于要求快速开、闭的控制系统。

工作流量特性：

实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。

电动执行器能源取用方便信号传输速度快便于选择但结构复杂价格昂贵适用于防爆要求不高的场所

特点执行机构采用电动机带减速器，而调节阀部分仍然与气动执行器相同。

防爆栅

又称安全保持器，是一种对送往现场的电压和电流进行严格控制的单元，它接在现场仪表与控制室之间。

可以保证在短路、短路等各种情况下，进入现场的电功率在安全的范围之内，可能发生的火花都在爆炸气体的点火能量之下。

使用安全火花防爆仪表，且现场仪表和非危险场所之间的电路通过防爆栅连接就可以构建安全火花防爆系统。

基本结构

构成一个安全火花防爆系统的充分必要条件

1、在危险现场使用的仪表必须多是安全火花型。

2、现场仪表与非危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅。

3、从现场仪表到防爆栅的连接线上不得形成大的分布电容或电感。

种类电阻式齐纳式隔离式

4-2调节阀有哪些结构形式分别适用于什么场合执行机构是指执行器中的哪一部分执行器选用气开,气关的原则是什么

答:

调节阀根据结构分为9个大类:

（1）单座调节阀;适用于泄漏要求严.工作压差小的干净介质场合

（2）双座调节阀;适用于泄漏要求不严.工作压差大的干净介质场合（3）套筒调节阀;适用于单座阀场合（4）角形调节阀;适用于泄漏要求些压差不大的干净介质场合及要求直角配管的场合（5）三通调节阀;用于分流和合流及两相流.温度差不大于150℃的场合（6）隔膜阀;适用于不干净介质.弱腐蚀介质的两位切断场合。

执行机构是执行器的推动部分.规则:

气开气闭的选择主要从生产安全角度考虑,当工厂发生断电或其他事故引起信号压力中断时,调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员反之,则选用气开式执行器.

4-3什么是调节阀的固有流量特性和工作流量特性为什么流量特性的选择对控制系统的工作至关重要

答:

①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；实际应用时，调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。

②从自动控制的角度看,调节阀一个最重要的特性是他的流量特性,即调节阀阀芯位移与流量之间的关系,值得指出调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响.

4-5电-气阀门定位器（含电-气转换器和阀门定位器）是怎样工作的它们起什么作用

答:

①由电动调节器送来的电流I通入线圈,该线圈能在永久磁铁的气隙中自由地上下运动,当输入电流i增大时,线圈与磁铁产生的吸引增大,使杠杆作逆时针方向旋转,并带动安装在杠杆上的挡板靠近喷嘴,改变喷嘴和挡板之间的间隙②使气动执行器能够接收电动调节器的命令,必须把调节器输出的标准电流信号转换为20~100kPa的标准气压信号.

4-8防爆栅的基本结构是什么它是怎样实现限压限流的

基本结构分为：

电阻式齐纳式隔离式

电阻式最简单只在两根电源线上串联一定的电阻对进入危险场所的电流加以限制

齐纳式利用齐纳二极管的击穿特性进行限流

隔离式变压器作为隔离元件分别将输入输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量直接窜入危险现场

第五章过程控制对象动态特性及其数学模型

被控过程数学模型的几个参数

放大系数K：

在数值上等于对象处于稳定状态时输出变化量与输入变化量之比。

放大系数是描述对象静态特性的参数。

时间常数T:

当对象受到阶跃输入后被控量达到新的稳定值的%所需的时间

滞后时间τ：

是纯滞后时间τ0和容量滞后τC的总和。

纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。

容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。

滞后时间τ是反映对象动态特性的另一个重要参数。

滞后:

被调量的变化落后于扰动的发生和变化；纯滞后:

由于信号的传输而产生的滞后

；容量滞后:

由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度

物料（或能量）平衡关系

静态物料（或能量）平衡关系：

单位时间内进入被控过程的物料（或能量）等于单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）。

动态物料（或能量）平衡关系：

单位时间内进入被控过程的物料（或能量）减去单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）等于被控过程内物料（或能量）存储量的变化率。

水位变化规律

对象的自衡特性

定义：

对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无须外加任何控制作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为自衡能力。

对象特性的实验测定、时域法

1、测定动态特性的时域方法

此法主要是求取对象的飞升曲线或方波曲线。

优点：

设备简单，不需专门的信号源；但，精度不高，且对生产有一定影响。

2、测定动态特性的频域方法

在输入端加以一种正弦波，测出输入量与输出量之比和相位差。

一般需要一定的设备，对生产影响小（输入在稳态值上下波动），精度比时域法高。

3、测定动态特性的统计研究方法

在输入端加上某种随机信号或直接利用对象本身输入端的随机噪声，观察和记录对象各种参数的变化。

对生产影响很小，精度高，但需要处理大量数据。

飞升曲线：

是指输入为阶跃函数时的输出量变化曲线

让对象在某个稳态下稳定一段时间，快速改变它的输入量，即在输入端加入阶跃函数，测出输出端的变化曲线即得飞升曲线

5-3测定对象动特性飞升曲线的方法及注意要点

答:

飞升特性是指输入为阶越函数时的输出量变化曲线.采用时域方法,输入量作阶越变化,测绘输出量随时间变化曲线就得到飞升特性.实验时,可以让对象在某一稳态下稳定一段时间后,快速的改变它的输入量,是对象达到另一稳定状态.注意要点:

①采取措施防止其他干扰的发生,否则将影响实验结果.②为克服其他干扰影响,同一飞升曲线应重复测试两三次.③求出其中合理部分的平均值,据此平均曲线来分析对象的动态特性.④需特别注意被调量离开起始点状态时的情况,应准确记录加入阶越作用的计时起点,以便计算对象滞后的大小.

第6章单回路调节系统的设计及调节器参数整定方法

概念：

一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

系统基本结构：

变送器、调节器、执行器

特点：

最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。

是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。

适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。

过程控制系统设计的要求：

1、安全性2、稳定性3、经济性

过程控制系统的设计步：

1、建立被控过程的数学模型2、选择控制方案（被调参数、调节量、调节规律）3、选择控制设备型号规格4、实验与仿真（整定参数）

调节器参数的实验整定方法

1、稳定边界法在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。

2、反应曲线法先测定对象的动特性，即对象输入量作单位阶跃变化时被调量的反应曲线，亦即飞升曲线；由飞升曲线的参数，根据经验公式，求得最佳整定参数。

3、衰减曲线法选把过程控制系统中调节器参数置成纯比例作用（TI=∞，Td=0）使系统投入运行。

再把比例度P从大逐渐调小，直到出现4：

1（即衰减比ψ＝）衰减过程曲线。

干扰通道：

干扰通道的放大系数、时间常数、纯滞后；干扰通道的放大系数希望越小越好，这样可使静差减小，控制精度提高；干扰通道的时间常数Tf的增加，可以使最大动态偏差减小，这也是我们所希望的；而干扰通道存在的纯滞后tao，对调节质量没有影响。

不管是哪一个干扰量，系统的稳定程度、过渡过程的衰减系数、振荡周期等也一样，但最大动态偏差及静差则有可能不相同。

如果调节器用了积分作用，则静差为零，若无积分作用，则存在静差。

调节通道：

对象调节通道的动态特性，可以近似地用时间常数和纯滞后来表示；纯滞后的存在，超调量将会增加，调节质量将会恶化，调节通道的纯滞后越大，这种现象就越严重，调节质量也就越坏；一般来说，系统的时间常数大，反应速度慢，则需要较长的过渡时间，单过程相对平稳，而系统的时间常数小，反应快，过渡过程时间就相对减小。

时间常数小，容易引起振荡和超调。

比例+积分调节器引入积分作用对系统的控制性能影响如何对于一般工业对象其调节器参数如何选取

答：

引入积分作用的最大好处是消除比例调节的稳定误差。

但也带来了降到系统稳定性的不良后果。

应当在详细的研究调节对象特性以及工艺要就的基础上对调节规律后进行选择

PID控制规律特点、调节规律的选择:

比例调节:

对控制作用和扰动作用的响应都很迅速,缺点是存在静差,工艺上要求不高的系统可以选择比例调节.

积分调节:

特点是没有静差,但动态误差最大,且调节时间也最长,只能用于自衡特性的简单对象,很少单独使用

微分调节:

加快系统的响速度,增进系统的稳定度,减小动态偏差但微分作用不应太大,会导致系统的不稳定.

何谓单回路调节系统单回路调节系统适用于哪些场合

答:

单回路调节系统,一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定,而调节器只接收一个测量信号,其输出也只是控制一个执行机构.在一般连续生产过程中,单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求,因此它的用量很大.只有在单回路调节系统不能满足生产的更高要求的情况下,才用复杂的调节系统.

试分析对象的干扰通道和控制通道特性对控制性能的影响

答:

干扰通道的放大系数Kf影响着干扰加在系统上的幅值.若调节系统是有差系统,则干扰通道控制系统的静差也愈大。

干扰通道时间常数Tf的影响,如果干扰通道是一阶惯性环节,其时间常数为Tf1,则阶跃干扰通过惯性环节,其过渡过程的动态分量被滤波而幅值减小了,这样一来,使控制过程最大偏差随着Tf1的增大而减小,从而提高了调节质量.当干扰作用点的位置离测量点近,则动态偏差大;反之,干扰离测量点远,则动态偏差小,调节质量高.

第7章常用过程控制系统

有串级调节系统比值调节系统均匀调节系统前馈调节系统

串级调节系统：

把两个调节器串接起来，使一个被调量准确保持为给定值，通常，串级系统的副环的对象惯性校，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低，为了提高系统的调节性能，希望主副环的工作频率错开相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象而破坏正常工作；与单回路系统相比，干扰对被调量的影响可以减许多倍。

串级系统使得整个系统的过渡过程频率比单回路系统有所提高，且副调节器放大系数越大，效果越明

前馈调节

比值调节系统：

凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。

主动量：

起主导作用而又不可控的物料流量；从动量：

跟随主动量而变化的物料流量；比例系数:

K=Q1/Q2。

均匀调节系统：

是为满足连续生产过程的需要而产生的。

在连续生产过程中，前一设备的出料往往是后一设备的进料。

均匀是指前后设备物料供求上的均匀。

前馈调节系统：

直接按扰动而不是按偏差进行控制。

干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。

这种前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。

串级控制系统调节器的选型：

主调节器一般选PI或PID控制规律；如果副环外面的对象容积数较多，同时有主要扰动落在副环外面，则宜用PID调节。

副调节器一般只要选P控制规律即可：

若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。

若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。

串级控制系统控制器参数的整定：

逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。

两步整定法第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。

7-3简述串级控制系统的设计原则

答:

⑴.主被控参数和主回路的选择主参数:

主回路设计与单回路设计基本相同.凡直接或间接反映生产过程的产品质量和产量.并可测量的参数作为主被控参数,所构成的回路为主回路.⑵.副被控参数的选择和副回路设计串级控制系统的所有优点是该系统具有副回路,因此副回路设计尤为重要.①副被控参数的选择应使副回路的时间常数.纯滞后小,以保证控制通道短和快速性,副被控参数须对住被控参数有足够的灵敏度,控制参数应对副被控参数影响快.②副回路必须包括生产过程中变化剧烈.频繁.幅度大的干扰,并且尽可能多的干扰,使得干扰被尽快的消除.③应使主.副回路的时间常数匹配,一般T01/T02=3~10,既时间常数错开,有利于动态指标.