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过程控制系统与仪表考试整理
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0～10MPa，精度等级为级。
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，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
=
最大绝对误差?
max＝×10＝
2）校验点为5MPa时的基本误差：
％<1％，所以符合级表。
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）级，0～250mA
2）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＝250×1％＝；
2）?
max＝75×％＝；
选择级，0～75mA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”
切换切换无扰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
3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。
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SS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
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po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后
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要求
解答：
1）目的：
设计过程控制系统及整定控制参数；
指导生产工艺及其设备的设计与操作；
对被控过程进行仿真研究；
培训运行操作人员；
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）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）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）
（2）框图
（3）
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：
2）传递函数：
式中：
第六章
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）P186-189
12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P192
13调节规律的选择原则
1）比例调节对象调节通道小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。
2）控制通道的静态放大系数K0越大，系统的静态偏差越小，表明控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好。
时间常数T0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
0的存在会使系统的稳定性降低。
0值越大，对系统的影响越大。
3）扰动通道的静态放大系数Kf越小，表明外部扰动对被控参数的影响越小。
时间常数Tf越大，外部干扰f（t）对被控参数y（t）的影响越小，系统的控制品质越好。
6-7当被控过程存在多个时间常数时为什么尽量使时间常数错开
由自控理论知识可知，开环传递函数中几个时间常数值错开，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。
6-8选择检测变送装置时要注意哪些问题怎么克服或减小纯滞后
1）P184-1、2、3、4
2）合理选择检测点。
6-9调节阀口径选择不当过大或过小带来什么问题正常情况下调节阀开度在什么范围
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的首要原则是什么
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调节器在正反作用方式的首要原则是什么
确定原则是整个单回路构成负反馈系统。
第七章
7-5在串级控制系统中当主回路为定值（设定值）控制时，副回路也是定值控制吗？
为什么？
P212
不是，副回路是随动控制。
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：
7-19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。
7-20单闭环比值控制系统的主、副流量之比
是否恒定？
总物料
总=
是否恒定？
双闭环比值系统中
与
总的情况怎样？
解答：
1）恒定。
2）不能恒定。
3）都能恒定。
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。
7-28在某化学反应器内进行气相反应，调节阀A、B分别用来控制进料流量和反应生成物的初料流量。
为了控制反应器内压力，设计图7-46所示的分程控制系统。
试画出其框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。
解答：
1）框图如图所示：
2）调节阀：
A：
气开；B：
气关。
3）调节器：
反作用。
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