过程控制原理复习提纲汇总.docx

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过程控制原理复习提纲汇总

第一章绪论

一、过程中的有关参数：

温度、压力、流量、物位、成分、湿度、ph值和物性。

（终点记住前四个就好了）

二、过程控制系统相对于其他系统还具有以下特点：

（1）控制对象复杂、控制要求多样

（2）控制方案丰富（3）控制多属慢过程参数控制（4）定值控制是过程控制的一种主要控制方式（5）过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成。

三、简单过程控制系统：

由被控过程、过程检测控制仪表（包括测量元件、变送器、调节器、执行器）两部分构成。

四、气动仪表标准信号：

0.02~0.1MPa的气动信号。

电动仪表：

电流4~20ma

五、过程控制系统的分类（简答，特点）

1，按设定值的形式不同划分

（1）定值控制系统最常见的一种控制系统。

在工控过程中，大多数场合要求被控参数恒定或在设定值附近小范围之内，以保持生产过程平稳进行。

在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的因素就是扰动信号。

（2）随动控制系统随动系统就是使被控参数准确而及时地跟随设定值的变化而变化。

（3）程序控制系统在程序控制系统中，被控参数的设定值按预定的时间程序变化，被控参数自动跟随设定值。

即设定值按程序自动改变，系统按设定程序自动运行，直到整个程序运行完为止。

2，按系统的结构特点分类

（1）反馈控制系统反馈控制系统是按照被控参数与设定值的偏差进行调节，达到减小或消除偏差的目的，偏差值是系统调节的依据。

它由被控参数的反馈通道过程闭合回路，又称闭环控制系统。

最基本的过程控制结构形式。

（2）前馈控制系统根据扰动大小进行控制，扰动是控制依据。

前馈控制没有被控参数的反馈，也称开环控制系统。

最终无法检测控制效果，故很少单独使用。

（3）前馈—反馈复合控制系统是将反馈与前馈控制系统相结合构成的复合控制系统，它综合了前馈控制对特定扰动及时进行补偿的优势；有保持了反馈控制能够克服多种扰动对系统被控参数的影响、使被控参数在稳态时能准确稳定在设定值的特点。

六、系统阶跃响应的单项性能指标：

（1）衰减比n、衰减率

（2）最大动态偏差A和超调量（3）残余偏差C（4）调节时间Ts和振荡频率w

系统阶跃响应的综合性能指标：

（1）偏差积分IE

（2）绝对偏差积分IAE（3）平方偏差积分ISE（4）时间与绝对偏差乘积积分ITAE

第一章课后题；

1-1过程控制哪些特点？

见第1页二题。

为什么说过程控制多属慢控制过程参数控制？

答：

在流程工业中，常用一些物理量来表征生产过程是否正常。

例如石化、冶金、电力、轻工、建材、制药等生产过程中，这些物理量多半是以温度、压力、流量、液位、成分等参数表示，被控过程大多数具有大惯性、大滞后等特点，因此~。

1—2什么是过程控制系统？

答：

通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分。

过程控制系统：

一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。

典型控制系统由哪几部分组成？

答：

调节器、执行器、被控过程、测量变送四个环节。

第二章检测仪表

2-1检测仪表的基本技术指标

（1）绝对误差检测仪表的指示值X与被测量真值Xt之间存在的差值。

△=X-Xt

（2）基本误差（引用误差或百分误差）（描述仪表最大精确等级）

基本误差（符号见13页）=最大绝对误差△max/仪表量程*100%

仪表量程=测量上限-测量下限

（3）精确度国家统一规定的仪表精确度等级系列。

常用精确度等级：

0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0.等。

注意：

如果某台测温仪表的基本误差为+1.0%，则认为该仪表的精度等级符合1.0级。

（去掉正负号和百分号后就是精确度等级）如果为+1.3%,则认为符合1.5级.（相近的等级，标准等级中没有，取大的等级）见书14页例1例2

热电偶的基本定律有哪几条？

（1）均质导体定律

（2）中间导体定律（3）中间温度定律

热电偶冷端温度补偿措施：

（1）查表法

（2）仪表零点调整法（3）冰浴法（4）补偿电桥法

几种弹性元件的形状：

单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管。

弹性式压力计在使用时，为保证测量精度和弹性元件的使用寿命，被测压力下限应不低于量程的1/3；上限应不高于3/4（被测压力变化缓慢时）或2/3（被测压力变化频繁时）。

椭圆齿轮流量计对介质的要求？

特别适合于高粘度流体的测量。

同时要求被测流体中不能有固体颗粒。

否则很容易将齿轮卡住或引起严重磨损。

电磁流量计对介质的要求：

常用于测量导电液体流量，被测液体的导电率应大于水的导电率，不能测量油类或气体的流量。

优点是不设有任何节流器件，因此可以测量各种高粘度的导电液体，特别适合测量含有纤维和固体颗粒的流体。

精度达到0.5级。

课后题：

2-21椭圆齿轮流量计对介质的要求？

2-22电磁流量计对介质的要求

第三章控制仪表

控制规律;:

指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。

基本控制规律：

位式控制（断续控制）、比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。

即P、PI、PD、PID调节。

Kp：

放大倍数或增益，它的大小决定比例作用的强弱，系数越大，比例作用越强。

比例度P：

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。

比例度P的物理意义：

使控制器的输出变化满量程时（就是控制阀从全关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。

P=1/Kp,P越小，Kp越大，控制能力越强。

比例控制的优点;控制及时、反应灵敏、偏差越大、控制力度越大、但控制结果存在余差。

DDZ-Ⅲ型仪表的特点

（1）现场传输信号为DC4~20mA,控制室联络信号为DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250欧。

信号优点是电气零点不是从零开始，而是从4mA开始，容易识别断电、断线等故障。

同样，因为最小电流不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。

现场变送器与控制室仪表仅用两根线联系，DC4~20mA既反映了信号又为现场总线提供了能源，避免强电进入现场，有利于安全防爆。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度高、可靠性提高、维修工作量较小。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

调节器的正、反作用？

正作用：

偏差=测量值-给定值反作用偏差=给定值-测量值

P83页输出电路VO的计算重点题。

PID运算算式：

位置式和增量式公式会写。

见P90页。

SPLC的数字控制算法

（1）微分先行的PID算法

（2）比例微分先行的PID控制算法（3）带可变型设定值滤波器的PID算法（4）采样PI算法（5）批量PID算法

组态概念：

利用标准功能模块组成系统的工作，在数字控制系统中成为“组态”。

生产商预先将控制中常用的运算控制功能编制成各种标准功能程序模块，每个模块相当于单元组合式仪表中的一块仪表的功能。

用户根据控制需要，将程序模块用指令连接起来，就完成了编程。

课后题

3-1什么是控制器的控制规律？

有哪些？

控制规律;:

指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。

基本控制规律：

位式控制（断续控制）、比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。

即P、PI、PD、PID调节。

3-12DDZ-III型控制器的软手动和硬手动的区别？

各用在什么条件下？

软手动：

调节器的输出随时间按一定的速度增加或减少；若手离开操作板键，则当时的信号值被保持。

硬手动：

调节器的输出量大小完全决定于硬手动操作杆的位置。

3-13什么是控制器的无扰动切换？

为了实现它，在设计PID电路是采取了哪些措施？

调节器进行状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲击。

3-15什么是调节器的正作用、反作用？

在电路中是如何实现的？

正作用：

偏差=测量值-给定值反作用偏差=给定值-测量值，2）运放输入端的切换开关实现的。

3-18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？

PID运算算式：

位置式和增量式公式会写。

见P90页。

SPLC的数字控制算法

（2）微分先行的PID算法

（2）比例微分先行的PID控制算法（3）带可变型设定值滤波器的PID算法（4）采样PI算法（5）批量PID算法

第四章执行器及安全栅

气动调节阀由执行机构和调节机构（阀）两部分组装构成。

薄膜式执行机构：

有正作用和反作用两种方式。

（1）正作用：

当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下移动的叫正作用执行机构；

（2）反作用：

当信号压力增大时，阀杆向上移动的叫反作用执行机构；

阀门的固有流量特性：

在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性。

常用的三种固有流量特性：

（1）直线流量特性：

指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系。

（2）等百分比（对数）流量特性：

指调节阀的相对流量与相对开度成对数关系。

（3）快开特性：

在阀门开度较小时，流量变化迅速，随着开度增大，流量很快达到最大值。

调节阀的工作流量特性

在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串联使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为~。

调节器的气开式与气关式：

气开式：

无压力信号时阀全闭，随压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀。

气关式：

无压力信号时阀全开，随压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀。

气开、气关的选择原则：

从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。

课后题

4-4什么叫调节阀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？

阀门的固有流量特性：

在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性。

常用的三种固有流量特性：

1直线流量特性：

指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系。

2等百分比（对数）流量特性：

指调节阀的相对流量与相对开度成对数关系。

3快开特性：

在阀门开度较小时，流量变化迅速，随着开度增大，流量很快达到最大值。

调节阀的工作流量特性

在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串联使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为~。

4-8什么叫气动调节阀的气开式与气关式？

其选择原则是什么？

气开式：

无压力信号时阀全闭，随压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀。

气关式：

无压力信号时阀全开，随压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀。

气开、气关的选择原则：

从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。

4-9如图所示，蒸汽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坏，试确定蒸汽管道上调节阀的气开、气关形式。

气开式调节阀。

4-18安全防爆控制系统指构成该系统的所有设备都应该是安全防爆的设备吗？

为什么？

答：

不一定，定义中包括危险现场仪表与非危险场所仪表的线路连线之间设置了安全栅。

第五章被控过程的数学模型

建立被控过程数学模型的基本方法：

机理法和实验测试法。

机理法建模的步骤：

（1）根据建模过程和模型使用目的做出合理假设

（2）根据被控过程内在机理建立数学模型

（3）简化

大题;P129页5.3.2.1单容过程建模

P133页5.3.2.3单容温度过程建模到134页结束

被控过程建模（辨别）的任务：

一是确定模型的结构；二是确定模型结构中的参数。

课后题:

5-3建立被控过程数学模型的目的是什么？

各有什么要求和局限性？

1）方法：

机理法和测试法。

5-9对图5-40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R2、R3为液阻。

（1）写出液位过程的微分方程图；

（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。

解答：

（1）

（2）框图如图：

（3）

5-10以

为输入、

为输出列写图5-10串联双容液位过程的微分方程组，并求出传递函数

。

解答：

1）方程组：

2）传递函数：

式中：

3）过程框图：

第6章思考题与习题

被控参数的选择：

直接参数法、间接参数法。

选取被控参数的基本原则：

、1）首先考虑选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用、可直接测量的工艺参数为被控参数；

2）当直接参数不易测量，或其测量滞后很大时，应该选择一个易于测量，与直接参数有单值关系的间接参数作为被控参数；3）同时兼顾工艺上的合理性和所用仪表的性能及经济性。

控制变量选择的一般原则：

（1）控制变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量。

（2）控制变量应比其他干扰对被控参数的影响灵敏。

（3）为使干扰对被控参数的影响小，应使干扰通道的放大系数Kf尽可能小，时间常数Tf尽可能大。

（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，除了从提高控制品质的角度考虑外，还要考虑工艺合理性与生产效率及生产过程的经济性。

调节阀工作区间的选择：

在正常工况下，要求调解阀的开度在15%-85%之间。

调节阀的气开、气关作用方式选择

主要以不同生产工艺条件下，人身安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。

调节器的正作用、反作用

正作用：

当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加。

反作用：

当测量值增加或设定值减少时，调节器输出减小。

调节器的正作用、反作用选择原则：

在调节阀气开、气关方式确定后进行的，原则是使整个单回路构成负反馈系统。

调节器参数的工程整定方法

（1）稳定边界法

（2）衰减曲线法（3）响应曲线法（4）经验法

要求：

记住参数整定表格，会计算相关参数。

P194-200

课后习题：

6-4过程控制系统设计包括哪些步骤？

解答：

P174

（1）熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标

（2）建立被控过程的数学模型

（3）控制方案的确定

（4）控制设备选型

（5）实验（或仿真）验证

6-5选择被控参数应遵循哪些基本原则？

什么是直接参数？

什么是间接参数？

两者有何关系？

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。

6-9调节阀口径选择不当，过大或过小会带来什么问题？

正常工况下，调节阀的开度在什么范围比较合适？

解答：

1）调节阀口径选得过大，阀门调节灵敏度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。

调节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利。

2）正常工况下要求调节阀的开度在15%-85%之间。

6-10选择调节阀气开、气关方式的首要原则是什么？

解答：

保证人身安全、系统与设备安全是调节阀开、关作用方式选择的首要原则。

6-11调节器正、反作用方式的选择依据是什么？

解答：

确定原则是整个单回路构成负反馈系统。

6-12在蒸气锅炉运行过程中，必须满足汽-水平衡关系，汽包水位是一个十分主要的指标。

当液位过低时，汽包中的水易被烧干引发生产事故，甚至会发生爆炸，为此设计如图6-28所示的液位控制系统。

试确定调节阀的气开、气关方式和调节阀LC正、反作用；画出该控制系统的框图。

解答：

见图2－28

1）调节阀：

气关方式。

2）调节器：

正作用。

3）框图：

6-13在如图6-29所示的化工过程中，化学反应为吸热反应。

为使化学反应持续进行，必须用热水通过加热套加热反应物料，以保证化学反应在规定的温度下进行。

如果温度太低，不但会导致反映停止，还会使物料产生聚合凝固导致设备堵塞，为生产过程再次运行造成麻烦甚至损坏设备。

为此设计如图6-29所示的温度控制系统。

试确定调节阀的气开、气关方式和调节阀的TC正、反作用；画出该控制系统的框图。

解答：

1）调节阀：

气开式。

2）调节器：

反作用。

3）框图：

6-15

6-18

6-20

6-22如图6-30所示热交换器，将进入其中的冷却物料加热到设定温度。

工艺要求热物料温度的

，而且不能发生过热情况，以免造成生产事故。

试设计一个简单控制系统，实现热物料的温度控制，并确定调节阀的气开、气关方式，调节器的正反作用方式，以及调节器的调节规律。

解答：

1）被控参数选择：

热交换器出口温度。

2）控制参数选择：

载热介质流量。

3）检测仪表选择：

温度传感器与温度变送器。

4）调节阀选择：

流量特性选择：

对数流量特性。

气开、气关方式选择：

气开。

5）调节器选择：

调节规律选择：

PI或PID。

正反作用方式选择：

反作用方式。

系统各环节正、负符号判别：

被控过程：

＋；变送器：

＋；调节阀：

＋；

根据系统构成负反馈条件：

各环节符号之积必为“－”，则调节器为“－”。

6）画出控制系统流程图：

如图所示。

7）画出控制系统方框图：

如图所示。

8）简述控制系统工作原理：

第7章复杂控制系统

串级控制系统的特点：

在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路;主回路和副回路，主、副回路串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。

串级控制具有较好控制性能的原因：

（1）对进入副回路的干扰具有很强的克服能力。

（2）改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。

（3）对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。

串级控制系统主、副回路参数整定方法：

（1）逐步逼近法：

依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定。

（2）两步整定法：

按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经正定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器进行依次参数整定。

（3）一步整定法：

根据经验，先将副回路调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。

不变性原理：

（扰动补偿原理）是前馈控制的理论基础。

这里的“不变性”是指控制系统的被控参数与扰动量完全无关。

大滞后过程:

一般将纯滞后时间t0与时间常数T之比大于0.3的过程称为~。

控制方案：

采样控制、Smith预估补偿控制、内模控制、Dehlin算法。

比值控制系统的种类：

（1）开环比值控制系统

（2）单闭环比值控制系统（3）双闭环比值控制系统（4）变比值控制系统

大题：

234页比值系数的计算

均质控制：

通过对液位和流量两个变量同时兼顾的控制策略，使两个互相矛盾的变量相互协调，满足二者均在小范围缓慢变化的工艺要求。

分程控制系统：

根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作，这种控制系统成为分程控制系统。

第7章思考题与习题

7-1与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？

解答：

P212—7.1.2

7-7

7-8在某生产过程中，通过加热炉对冷物料加热，根据工艺要求，需对热物料出口温度进行严格控制。

对系统分析发现，主要扰动为燃料压力波动。

故设计如图7-43所示的控制系统。

要求：

（1）画出控制系统框图；

（2）为保证设备安全，炉温不能过高。

确定调节阀的气开、气关形式。

（3）确定两个调节器的正反作用。

解答：

（1）控制系统框图如图所示。

（2）气开式。

（3）副调节器：

反作用；

主调节器：

反作用。

7-9简述前馈控制的工作原理，与反馈控制相比，它有什么优点和局限？

解答：

1）当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改变控制量，以抵消扰动对被控参数的影响。

P221

2）优点：

前馈控制器在扰动出现时立即进行控制，控制及时，对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。

局限：

P224—1）、2）

7-10为什么一般不单独采用前馈控制方案？

解答：

由于前馈控制的局限性。

7-14图7-44为一单回路水位控制系统。

如果蒸气用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制系统，画出控制系统工艺流程图和框图，并对新增回路的功能进行简单说明

。

解答：

1）控制系统工艺流程图如图所示。

控制系统框图如图所示。

2）新增回路功能说明：

7-18

7-19物料比值

与控制系统比值系数

有何不同？

怎样将物料比值转换成控制系统比值系数

？

解答：

1）

是工艺规定的流量比；

是仪表信号之间的比例系数。

2）用P234式（7-37）和P235式（7-38）进行转换。

7-21

7-22画出图7-45所示比值控制系统框图。

该系统的总流量是否恒定？

如果总流量不恒定，要作什么改动才能实现总流量恒定？

解答：

1）系统框图如图所示：

图7-21a）。

2）是单闭环比值控制系统，总流量不能恒定。

3）采用双闭环比值控制系统，如图所示：

图7-22。

7-23

7-25

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