农业装备控制技术内容提纲.docx
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农业装备控制技术内容提纲
农业装备控制技术内容提纲
第一篇概述
1过程控制发展的几个阶段及其特点
答：
1.仪表化与局部自动化阶段（50-60年代）
主要特点：
（1）基地式仪表和部分单元组合仪表，大多为气动仪表
（2）单输入－单输出控制系统；
（3）保持温度、压力、流量、液位等工艺参数的稳定,确保生产安全运行；
（4）分析和综合的理论基础为经典控制理论。
2.综合自动化阶段（60-70年代中期）
主要特点：
（1）单元组合仪表和组装式仪表，计算机开始被应用，出现了DDC（直接数字控制）和SPC（设定值控制）；
（2）各种复杂的控制系统的出现（如串级控制、前馈—反馈复合控制、Smith预估控制以及比值、均匀、选择性控制等）；
（3）分析和综合的理论基础发展到了现代控制理论。
3.全盘自动化阶段（70年代中期至今）
主要特点：
（1）全盘自动化或管－控一体化；
（2）智能单元组合仪表（如数字调节器、可编程控制器等）、电动单元仪表实现了本质安全防爆；
（3）定值控制－>最优控制、自适应控制；
单变量－>多变量；
仪表控制－>计算机分布式控制；
（4）现代控制理论的应用，先进控制策略的应用等；
（5）计算机集成过程控制系统（DCS、FBS、CIP）
2过程控制的特点
答：
1.系统由系列化生产的过程检测控制仪表组成
检测仪器（传感器）、控制设备、执行部件
2.被控过程多种多样
例如：
锅炉、热交换器、电弧炉、热处理炉、精馏塔、化学反应器、流体输送设备
特点：
多变量、分布参数、非线性、大惯性、大延时
3.控制方案十分丰富
如：
PID、先进PID、自适应、预测、推理、模糊、神经网络控制等；有单变量、多变量、常规仪表、计算机、提高控制品质、特殊工艺要求等控制。
4.控制过程多属慢过程参量控制
工艺参数主要为：
T、P、F、L、C等
5.定值控制是其主要形式
减小或消除外界扰动对被控参数的影响，确保生产稳定和产品的产量与质量。
3过程控制系统的构成环节及各个环节的功能
控制部分、执行部分、反馈部分、被控对象
控制：
就是控制逻辑算法
执行：
指着控制部分所发出的指令
反馈：
反馈执行器的信号
被控对象：
所要控制参数
4过程控制系统的分类（各种分类标准）
答：
1、按被控参数的名称分为
温度、压力、流量、液位、成分等；
2、按被控量多少分为
单变量控制系统、多变量控制系统等；
3、按系统的结构特点分为
前馈控制系统、反馈控制系统、复合控制系统等；
4、按系统的给定值信号特点分为
定值控制、随动控制、顺序控制等；
5、按控制策略分为
PID控制、预测控制、推理控制、模糊控制、Smith
预估控制、自适应控制等；
5过程控制的几个重要参数
答：
温度、压力、流量、液位、成分，物性。
6自动调节中的几个术语（名词解释）
答：
1．被调量（被控制量）
表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值
按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象）
被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构
可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。
5．控制量（调节量）
由调节机构（阀门、挡板等）改变的流量（或能量），用以控制被调量的变化。
6．扰动
引起被调量偏离其给定值的各种原因称为扰动。
如果扰动不包括在控制回路内部（例外界负荷），称外扰。
如果扰动发生在控制回路内部，称为内扰。
其中，由于调节机构开度变化造成的扰动，称为基本扰动。
变更控制器的给定值的扰动称为给定值扰动,有时也称控制作用扰动。
7．控制过程（调节过程）
原来处于平衡状态的控制对象，一旦受到扰动作用，被调量就会偏离给定值。
要通过自动控制仪表或运行人员的调节作用使被调量重新恢复到新的平衡状态的过程，称为调节过程。
8．自动控制系统
自动控制仪表和控制对象通过信号的传递互相联系起来就构成一个自动控制系统。
7过程控制系统三方面的要求是：
安全性、经济性和稳定性。
8过程控制系统设计的基本流程
答：
1）确定控制目标
2）实现不同的控制目标就应有不同的控制方案。
3）操作量（又称控制介质）的选择
4）控制方案的确定
5）选择控制策略
6）执行器的选择
7）设计报警和连锁保护系统
联锁保护系统是指当生产出现严重事故时，为保证设备、人身安全，使各个设备按一定次序紧急停止运转的系统。
8）控制系统的调试，运行和调节器的参数整定
第二篇简单控制系统的构成及其各部分的功能
1过程建模的两类方法
答:
试验法建模。
最小二乘法建模。
2被控过程的数学模型
答:
被控过程的数学模型是指过程在各输入量（包括控制量与扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数的数学表达式
3被控过程数学模型的作用
答:
1、设计过程控制系统及整定调节器参数
在设计过程控制系统时，选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探讨最佳工况以及调节器参数的最佳整定等都以被控过程的数学模型为重要依据。
尤其是实现生产过程的最优控制，如果没有充分掌握被控过程的数学模型，就无法实现最优设计。
因此，建立数学模型也是实现最优控制的必要前提。
2、指导生产工艺及其设备的设计与操作
通过对生产工艺过程及其相关设备数学模型的分析或仿真，可以确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而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
通过对过程的数学模型进行仿真试验，在计算机上进行计算、分析，以获取代表或逼近真实过程的定量关系，可以为过程控制系统的设计与调试提供所需的信息数据，从而大大降低设计实验成本，加快设计进程。
4建立被控过程数学模型的具体要求
答:
随其用途不同而异，但总的来说，一是应该尽量简单，二是应该正确可靠。
要求数学模型正确可靠是因为数学模型是实际过程的数学描述，如果误差较大，就可能导致分析中的错误结论，从而系统综合就可能出现失误。
要求数学模型简单的原因也很明了。
如果数学模型复杂，对过程实施控制的规律也会随之复杂，工程难以实施。
如果用于在线实时最优控制，按照目标函数计算最优控制作用就会很费时，计算量很大，控制的实时性就要受到影响。
复杂的数学模型用于参数估计，会增加需估参数的数目，从而增加参数估计的难度
5名词解释
答:
过程通道:
被控过程输入量与输出量之间的信号联系
控制通道:
控制作用与被控量之间的信号联系
扰动通道:
扰动作用与被控量之间的信号联系
内部扰动（基本扰动）:
通常是一个可控性良好的输入量选作为控制作用，即调节器输出量u（t）作为控制作用。
基本扰动作用于闭合回路内，对系统的性能起决定作用。
外部扰动:
其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～fn（t））。
外部扰动对过程控制也有很大影响。
输入量:
（u1（t）、、、、un（t），f1（t）、、fn（t））
输出量:
（y1（t）、y2（t）、、、yn（t））
6有自平衡能力的过程
答:
有自平衡能力的过程是指被控过程在干扰作用下，原有的平衡状态被打破后，在没有人或控制装置的干预下，自身可以恢复到新的平衡状态，这种过程称为有自平衡能力的过程，否则称为无自平衡能力的过程。
7分析下面传递函数由几个典型环节构成并说明每个典型环节的参数
；
；
答:
:
1.积分环节和惯性环节：
积分参数K/s惯性环节1/Ts
2.积分环节、惯性环节、微分环节：
积分参数K/s惯性环节1/T1s比例加微分环节-T0s+1
8过程的数学模型的非参数模型；过程的数学模型的参数模型。
答:
非参数模型：
阶跃响应曲线、脉冲响应曲线、频率特性曲线
参数模型：
微分方程、差分方程、传递函数、状态方程
9机理分析法建模原理及其特点
答:
原理：
根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。
特点：
概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。
10模型化简的三种主要方式
答:
一.是在开始推导时就引入简化假定，使推导出的方程形式在反映主要客观事实的基础上尽量简单些；
二.是在得到较复杂的原始方程后，用低阶的微分或差分方程加以近似；
三.是把原始方程求解或用计算机仿真，得到一系列响应曲线（阶跃响应或频率特性），依据这些特性，用低阶的传递函数去近似。
11名词解释
容积迟延、纯迟延
答：
容积迟延:
在多容对象中，由于容积增多而产生容积滞后。
纯迟延：
由于信号的传递产生的滞后叫传递滞后。
12写出具有自平衡能力的单容对象、双容对象、多容对象的传递函数
有自平衡能力对象
答：
单容对象：
双容对象：
多容对象：
若近似认为，T1=T2=…=Tｎ=T，则
13试验建模法的定义
答：
试验法建模：
是在实际的生产过程中根据过程输入、输出的实验数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。
14阶跃响应曲线建模
答：
1）定义：
通过操作被控过程的调节阀，使过程的输入产生一个阶跃变化，测记被控量随时间变化的曲线（称响应曲线），再依据响应曲线，求出被控过程的输出与输入的数学关系。
2）注意事项：
（1）合理选择阶跃信号值。
一般取阶跃信号值为正常输
入信号的5～15％左右；
（2）在输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态。
（3）相同的测试条件下重复做几次，减少干扰的影响。
（4）由于过程的非线性，应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测取其响应曲线，以求取过程的真实特性。
15使用矩形脉冲响应曲线的原因
答：
用矩形脉冲响应曲线的原因：
当过程长时间处于较大扰动信号作用下时，被控量的变化幅度可能超出实际生产所允许的范围，这时可用矩形脉冲信号作为过程的输入信号，测出过程的矩形脉冲响应曲线（阶跃响应曲线由于测试时间较长而不合适）。
16根据下图阶跃响应曲线写出一阶惯性加延迟环节的传递函数（设
是阶跃信号）
答：
切线法（作图法）：
由图可知：
作图法：
如图示
17检测仪表功能及组成
答：
功能：
确定被测参数的量值
组成：
1）传感器（含敏感元件）：
检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触）。
感受被测参数的变化，并发出与之相适应的信号（压力变化、电阻变化等）。
2）变送器：
能输出标准信号的传感器。
3）电动仪表：
4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（柜内传输）
4）气动仪表：
0.02～0.1MPa
18检测变送仪表变换后的直流电流、电压和压力的范围
答：
电动仪表：
4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（柜内传输）
气动仪表：
0.02～0.1MPa
19传感器的三个要求
答：
高准确性，传感器的输出信号与被测参数成严格的单值函数关系。
高稳定性，不受时间或环境温度变化等因素的影响。
高灵敏度，被测参数微小变化时，输出量变化明显。
20测量误差的定义
答：
测量误差：
测量值与真实值之间存在的差别
21仪表的绝对误差与相对误差
答：
绝对误差：
在测量范围内，各读数误差的最大值。
相对误差：
仪表的绝对误差与真值的百分比。
22仪表的灵敏度
答：
仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。
它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化△α与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量△x之比，用S表示灵敏度
23DDZ—III型电动单元组合式仪表的各个组合单元及其功能
答：
变送单元：
将一次仪表的输出作为输入并转换为统一标准信号。
显示单元（记录）：
用于显示成记录检测量的大小。
变送器的输出用于显示、记录及调节单元的输入信号。
调节单元：
找出给定量与检测量的偏差，以一定调节规律（算法）发出调节信号。
给定单元：
用于输入给定数据（希望达到的控制量）
操作单元：
用于手动直接控制
执行单元：
完成对被控对象的控制动作
其它单元：
转换单元—用于物理量转换计算
安全单元—用于仪器的防爆
24采用4~20mA传输的优点
答：
1）传输回路等效电阻小，不易受外界感应干扰影响。
2）便于两线制传输，简化传输线路，采用活零点（４mA），易于判断传输故障，提高安全防爆性能等。
25说明测量温度的热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏温度变送器输入到电路的是什么信号？
答：
热电偶温度变送器：
输入热电势毫伏信号
热电阻温度变送器：
输入热电阻信号给输入回路
直流毫伏温度变送器：
输入直流毫伏信号
26过程控制仪表按照结构可以分为哪几种？
答：
按结构分为基地式、单元组合式、组装式仪表；按信号可分为模拟式和数字式仪表。
27控制系统的设计步骤
答：
（1）熟悉系统的技术要求或性能指标，如：
超调量，稳定误差，调节时间，上升时间，衰减比等；
（2）了解工艺过程，建立过程的数学模型；
（3）依据过程的数学模型，确定控制方案，即确定操作变量（或控制介质）；被控参数的确定及测量与变送；调节阀的选择；调节器作用方式的选择；
（4）依据调节规律对调节质量的影响，结合工艺情况确定调节规律。
28过程控制系统设计的主要内容
答：
1）确定被控参数（直接测量、间接测量或称软测量等）；
2）建立被控过程的数学模型（包括控制通道模型与干扰通道模型）；
3）选择控制参数（或控制介质）确定控制方案；
4）选择控制策略；
5）选择执行机构与调节阀；
6）设计报警和联锁保护系统；
7）控制系统的调试、投运和调节器的参数整定；
29系统被控参数选取的一般原则
答：
（a）应选取对产品的产量、质量、安全生产、经济运行、环境保护有决定性作用、又可直接进行测量的工艺参数作为被控参数（直接参数）；
（b）选取与上述直接参数有单值对应关系的间接参数作为被控参数；
（c）被控参数应有足够的灵敏性；
（d）应考虑工艺的合理性及仪表的性能价格比等。
30在进行过程动态特性分析时，控制通道的时间常数
对控制质量的影响
答：
时间常数T0的影响：
T0越大，对被控参数的调节作用不及时，过度过程时间拖长，T0过小，会使控制作用过于灵敏，易引起系统振荡，应使之适当。
31在进行过程动态特性分析时，控制通道的纯滞后时间
会对控制质量带来极为不利影响的原因
答：
（a）测量方面的纯时延，会使控制器不能及时察觉被控参数的变化；
（b）控制方面的纯时延，会使控制作用不能及时产生应有的效果；
（c）纯时延会增加滞后相角，导致系统的稳定性降低。
32依据过程特性选择控制参数的一般原则
答：
32根据
选择控制器控制规律的原则
答：
33试论述比例调节规律（P）的特点及其适用范围
答：
特点：
适用范围：
适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。
如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。
34试论述比例积分调节规律（PI）的特点及其适用范围
答：
特点：
适用范围：
引入积分作用能消除余差。
适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。
35试论述比例积分微分调节规律（PID）的优点及其适用范围
答：
特点：
适用范围：
可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。
36控制规律基本选择原则
答：
37调节器正反作用的选择原则及确定步骤
答：
38几种常用的调节器参数工程整定方法
答：
1）动态特性参数法
2）边界稳定条件下的试验整定方法（临界比例度法）
3）阻尼振荡法（衰减曲线法）
4）现场实验整定法
39动态特性参数法的原理
答：
40临界比例度法整定参数的步骤
答：
第三篇高级控制系统
1．串级控制系统的结构特点
答：
2．串级控制系统的控制效果
答：
1）改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率。
2）能迅速克服进入副回路的干扰，提高控制质量。
3）对一次扰动有很强的抑制能力
4）对负荷和操作条件的变化适应性强
3．前馈控制系统与反馈控制系统的差异
答：
4．前馈控制的特点
答：
1）前馈控制是一种开环控制；
2）前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制，能及时有效地抑制干扰对被控参数的影响；
3）前馈补偿器不是通用调节器，它取决于过程的特性；
4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰。
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