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1、过程装备控制技术及其应用修改版1:生产过程自动化系统包含的内容 自动检测系统 自动操纵系统 自动控制系统 信号联锁系统 2：过程装备控制的任务：就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据安全性、经济性和稳定性三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。3：被控变量y：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、物料流量等。 给定值(或设定值)ys：对应于生产过程中被控变量的期望值。可由调节器内部或由外界给定。 测量值ym：由检侧元件得到的被控变量的实际值。 操纵变量(或控制变量)m：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用

2、的变量，它是调节阀的输出。 控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 干扰（或外界扰动）f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。 偏差信号 e e=)ys-ym:4：5：控制系统的过渡过程：1）发散振荡过程 它表明系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以致超出生产的规定限度，严重时引起事故。这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。 2）衰减振荡过程 被控变量在稳定值附近上下波动经过二三个周期就稳定下来。这是一种稳定的过渡过程，在过程控制中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。3）等幅振荡过程 被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡

3、幅度恒定不变。这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用。只是在某些工艺上允许被控变量在一定范围内波动、控制质量要求不高的场合，这种形式的过渡过程才被采用。4）非振荡的单调过程 它表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。6：过渡过程的质量指标：以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线（又称过渡过程曲线）的形式给出的，如最大偏差(或超调量)、衰减比、余差、回复时间等，称为过渡过程的质量指标;1）最大偏差A（或超调量）：对一个定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差；2

4、）衰减比：是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，即B1: B2一般用n:1表示。 n愈小，衰减程度愈小，n愈大，愈接近非周期单调过程. n=1时，过渡过程为等幅振荡; n1时，过渡过程为衰减振荡; n，过渡过程为单调过程。 从便于操作管理，一般希望衰减比在4:110:1为好。3）回复时间ts：是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态所用时间，即整个过渡过程所经历的时间。4）余差e（）是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。即e()y()ys，在控制系统中，余差反映了系统的控制精度。5） 振荡周期T 过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔称为振荡周期。在相同的衰

5、减比条件下，振荡周期短些为好。7：被控对象特性主要参数有：放大系数 K 时间常数 T 滞后时间8：:简述单回路控制系统的设计的方法与步骤应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要做比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调节器控制规律等;将调节器的参数整定到最佳值。9：常用的基本调节规律有：位式（断续调节）比例 积分 微分；（后三种属于连续调节）10：控制规律的选取原则：简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择那种调节规律，

6、简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选用复杂控制系统。在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的。当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例调节规律。如贮罐液位、不太重要的压力等参数的控制。当一些对象控制通道滞后较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例当一些对象控制通道滞后较大时，应引入微分作用。如工艺允许有余差，可选取比例微分调节规律； 当一些对象控制通道滞后较大、负荷变化也较大时，应引入微分作用。如工艺要求无余差时，则选用比例积分微分调节规律，如温度、成分、pH等参数的控制。11：1比例调节 2积分调节 3比列积分（PI）调节 4

7、比例微分（PD）调节 5比例微分积分（PID）调节12：调节器参数的:整定方法1)理论计算整定法根轨迹法、频率响应法、偏差积分准则等2）工程整定法经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法13：简单控制系统调节器参数的工程整定有哪些？一：经验试凑法1）温度系统 2）流量系统 3）液位系统 4）压力系统 二：临界比例度法 三：衰减曲线法14：串级控制的实例1：管式加热炉控制变量：油料出口温度 操纵变量：燃料供给量扰动因素：原料流量和温度； 燃料油的热值、压力；喷油用蒸汽压力；配风及其温度等。串级控制：炉膛内部的扰动，由2号传感器经TC2先去调节克制；剩余偏差由1号传感器和TC1二次调整克制。串级控制的

8、实例2：连续反应器控制变量：反应温度操纵变量：冷水供给量扰动因素：原料流量和温度；冷却水的温度、压力。15：前馈控制系统的基本原理： 前馈控制又称扰动补偿，它是一种与反馈控制原理完全不同的控制方法。前馈控制的基本概念是测量进入过程的干扰(包括外界干扰和设定值变化)，并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。16：前馈控制与反馈控制比较：在反馈控制中，信号的传递形成了一个闭环系统。而在前馈控制中，则只是一个开环系统。闭环系统存在一个稳定性的问题，调节器参数的整定首先要考虑这个稳定性问题。但是，对于开环控制系统来讲，这个稳定性间题是不存在的，补偿的设计主要是考虑如何获得

9、最好的补偿效果。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全补偿，即在所考虑的扰动作用下，被控变量始终保持不变。17：:前馈控制的主要结构形式静态前馈控制前馈-反馈控制系统 18：定比值控制系统的一个共同特点是系统以保持两种物料流量比值恒定为目的，比值器的参数经计算设置好后不再变动，工艺要求的实际流量比值r也就固定不变，因此，称为定比值控制系统。19：定比值控制系统分类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20：仪表的性能指标很多，主要有技术、经济及使用三方面的指标。 仪表技术方面的指标有误差、精度等级、灵敏度、变差、量程、响应时间、漂移等。 仪表经济方面的指标有使用寿命、功

10、耗、价格等。当然，性能好的仪表，总是希望它的使用寿命长、功耗低、价格便宜。 仪表使用方面的指标有操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护能力的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。21：传感器技术性能要求1）精度高;2）灵敏度高，线性范围宽广;3）响应快，滞后、漂移小;4）.输出信号信噪比高;5）稳定性、重复性好;6）动态性能好;7）负载效应低;8）超标准过大的输入信号保护。22：传感器的选用原则1）按测量方式选2）按测量要求选3）按使用方便选4）按性能价格比选23：24：常见的压力测量仪表有哪几种？液柱式压力计是将被测压力转化为液柱的高度来进行测量的一种仪表;弹性式压力计是利

11、用测量弹性敏感元件在压力作用下产生的弹性变形的大小来测量压力的一种仪表;电测式压力计是将被测压力转化为电量进行侧量的仪器。它的种类很多。这里主要介绍压阻式压力计和压电式压力计两种。25：压阻式压力计是根据半导体的压阻效应来工作的。26：压阻式压力计的特点是：体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等，是一种应用广泛的压力测量仪表。 使用时要注意温度补偿间题。这是因为半导体应变片的灵敏度系数虽然高，但受温度的影响很大，在温度变化的时候，会产生零点漂移和灵敏度漂移。27：压电式压力计是利用某些晶体的压电效应来测量压力的。压电式压力计尺寸小、重量轻、工作可靠、测量频率范围宽。它的不足之处是对于振动和电磁

12、场很敏感。29：30：用于流量测量的仪表叫流量计。常见的流量计有：压差式流量计、转子式流量计，电磁式流量计等。31：压差式流量计测量原理及节流装置：压差式流量计是基于节流原理来进行流量测量的。其原理是当充满管道的流体流经节流装置时，流束收缩，流速提高，静压减小，在节流装置的前后就产生了一定的压差。根据流量与压差之间的关系即可得到流量的大小。 压差式流量计的核心部件是节流装置，它包括：节流元件、取压装置以及其前后管段。常用的节流装置有孔板、喷嘴和文都利管等。32：转子式流量计测量原理及流量公式当被测流体通过锥形管时，流体从转子与锥形管的环隙中流过，转子受到一个向上的力而浮起。当转子在流体中受到的

13、向上作用力与转子在流体中的重量相等时，转子就静止在某一高度上。这样通过转子的重力、浮力求得转子两边的压差后，可以根据压差求得流体通过环隙的速度，进而求得所测的流量。33：电磁式流量计电磁式流量计是由变送器和转换器两部分组成。基本原理：当有导电的流体通过磁极之间的管道时，流体相当于是一个长度为管道内径的导体在切割磁力线，这时就会产生电动势E。34：浮力式液位计是根据浮力原理对液位进行测量，可分为恒浮力式和变浮力式两种。35：成分分析仪表种类繁多，按其工作原理可分为光学式、热学式、电化学式、传质式和其他类型的分析仪表。36：红外线气体分析仪红外线气体分析仪是一种吸收式光学分析仪器，常用来检侧CO、

14、CO2、NH3以及CH4、C2H2、C2H4等气体浓度，在现代化工流程工业(如合成氮工业)中有广泛的应用。它也可用来检测锅炉烟气中CO、CO2的含量，以及环境的大气污染物。工作原理红外线气体分析仪是基于物质对光辐射的选择性吸收原理来工作的。一定的物质只能吸收特定波长的光辐射，称为该物质的特征光谱。红外线的波长范围为0.76300m，位于可见光和微波之间。在红外线气体分析仪中通常只利用125 m范围内的光谱。一些结构对称、无极性的气体(如O2、H2、Cl2、N2、He、Ne、Ar)的吸收光谱不在1 25 m内,所以红外线气体分析仪不能检测此类气体。37：工业电导仪工作原理电解质溶液和金属导体一样

15、，也是电的良导体。它的导电特性可用电阻或电导来表示。G1/R38：气相色谱仪气相色谱仪是一种多组分分析仪器，它利用分离分析的方法，能对被测气样进行全分析。具有分离效率高、分析速度快、灵敏度高、所需试样量少等特点，在石油、化工、冶金等领域中广泛应用，是一种重要的过程分析仪器。气相色谱仪的基本原理是色谱法。39：变送器由于生产过程的参数复杂多样，相应的变送器也有多种类型，如压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器等。有的变送器中测量和变送单元合为一体(如压力变送器)，而有的变送器则只有变送功能如温度变送器) 分类：按照变送器的驱动能源来分有气动变送器和电动变送器：以压缩空气为驱动

16、能源的是气动变送器;以电力为能源的便是电动变送器。工业中最常用的是：差压变送器和温度（温差）变送器。40：零点调整、零点迁移和量程调整 1）零点调整： 通过机械调零机构调整仪表零位。 2）零点迁移：在实际应用中，差压的测量范围不一定从零开始，有时起始值不为零。为了扩大仪表使用范围，提高仪表的测量精度，需进行零点迁移，即把某一量程的起点由零迁移到某一数值，即改变量程的下限值。调零点迁移不改变仪表的量程。 3） 量程调整：目的是改变测量的上限值，使之与被控变量的上限值相一致。调整的方法是改变反馈系数Kf或转换系数。41：(1)危险场所的划分 按照我国1987年公布的中华人民共和国爆炸危险场所电气安

17、全规程 (试行) 的规定，将爆炸危险场所划分为两种场所五个级别。 第一种场所 指爆炸性气体或可燃蒸气与空气混合形成爆炸性气体混合物的场所。分三个等级： 0级区域(0区):指在正常情况下，爆炸性气体混合物连续地、短时间频繁出现或长时间存在的场所。 1级区域(1区):指在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。2级区域(2区):指在正常情况下，爆炸性气体混合物不能出现，而仅在非正常情况下偶尔短时间出现的场所。 第二种场所 指爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所。按照其危险程度的大小分为两个区域等级。 10级区域(10区):指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物可能

18、连续地、短时间频策出现或长时间存在的场所。 11级区域(11区):指在正常情况下，爆炸性粉尘或易燃纤维与空气的混合物不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。（2）爆炸性物质的分类、分级与分组 分类：通常将爆炸性物质分为三类: I 类物质矿井甲烷; 类物质爆炸性气体、可燃蒸气; 类物质爆炸性粉尘、易燃纤维。 分级与分组 爆炸性气体的分级与分组(I、类):在标准试验条件下，按照其最大试验安全间隙和最小引爆电流比分级，按照其引燃温度值分组。（3）防爆仪表的分类、分级和分组 自动化仪表属于低压电气仪表，用于危险场合时，应按照电气设备防爆规程管理。按照规定，防爆电气设备分为隔爆型、本质安全型等1

19、0种。自动化仪表的防爆结构主要有两种类型:隔爆型，标志为“d”;本质安全型，标志为“i”。（4）防爆安全栅41：变送器的信号标准以及连接方式标准仪表的信号标准 在1960年之前，过程工业仪表统一使用气压信号进行测量和控制信息的传递，范围是20100kPa。从1960年开始，电动仪表得到广泛应用，曾经应用了15mA, 420mA, 05V，10 V DC等信号，而且新型变送器和控制器经常多信号输出，例如420mA和15V DC,但当前大多数模拟仪表统一遵循了420mA DC的标准信号。 模拟仪表与电源连接的方式随着模拟仪表普遍采用标准信号，电动变送器输出信号与电源的连接方式普遍采用了两线制。42

20、: 执行器一般分为三大类：气动执行器、电动执行器和液动执行器。43: 计算机控制系统的分类数据采集和数据处理系统、直接数字控例系统DDC、监督控制系统SCC、分级计算机控制系统以及集散型控制系统等。44：A/D主要指标和选择原则1)采样频率；2)分辨率；3) 性能价格比.45：D/A主要指标和选择原则选择D/A芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换技术的要求，在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。46：提高计算机控制系统可靠性的措施可靠性的概念有两个含义:一是系统的无故障运行时间尽量长;二是发生故障时能迅速检修和排除。提高系统的可靠性常

21、采用提高元器件的可靠性、设计系统的冗余技术、采取抗干扰措施、采用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性技术等。47：抗干扰措施电磁干扰的屏蔽利用金属网、板、盒等物体把电磁场限制在一定空间内，或阻止电磁场进入一定空间。隔离技术常用的有隔离变压器和光电藕合器。共膜输入法电源系统的干扰抑制课后习题答案1:附图 2-1 的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为 某一设定值 。1） 试画出 该控制系统的方框图；2） 方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？3） 系统在遇到干扰作用（例如冷物料流量突然增大qv ）时，该系统是如何实现自动控制的 ？解 :

22、1) 由各个环节构成的方框图如附图2-2 所示 .2) 整个系统的输入信号是热物料设定温度 ,输出信号是热物料实际温度 .3)系统遇到干扰作用后, 被控变量热物料温度Th发生变化 ,温度测量变送器TT测得信号Th,m与Ts 比较后得到偏差信号e,e 送入温度调节器TC 得到控制信号,控制阀门开度 , 调节蒸汽用量,作用于被控过程, 调节热物料的温度 , 使其保持在给定值附近.2: 什么是双位控制 、 比例控制、 积分控制 、 微分控制 ？ 它们各有什么特点？答 ：1）双位控制是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置。 双位控制结构简单、 成本较低、 使用方便 ，对配用的调节阀无任何特殊要求，

23、 一般带有上下限发信装置的检测仪表； 缺点是被控变量总在波动 ， 控制质量不高 ， 且当被控对象纯滞后较大时 ， 被控变量波动幅度较大 ，不宜用在控制要求较高的场合 。2） 比例控制是指调节器输出变化量 u(t)与输入变化量 e(t) 成比例关系 ,比例控制系统能较为迅速地克服干扰的影响 ,使系统很快地稳定下来 .比例控制的优点是反应快 , 控制及时; 其缺点是当系统的负荷改变时 ,控制结果有余差存在 .3) 积分控制是指调节器输出信号的变化量 u(t)与输入偏差的积分成正比, 积分控制能够消除余差 ,但纯积分控制的输出变化总要滞后于偏差的变化,不能及时有效地克服扰动的影响 ,结果使被控变量的

24、波动加剧, 使系统难以稳定下来 . 4） 微分控制是指调节器输出信号的变化量 u(t) 与输入偏差的变化速度成正比，微分控制的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡 ，增强稳定性（但微分作用不宜过强）。3：设计控制系统时 ，必须确定和考虑哪些方面的问题 ？答 ：设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解 。 除被控对象的动静态特性外 ，对于工艺过程 、设备等也需要比较深入的了解； 在此基础上， 确定正确的控制方案 ，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用适当的执行器 、调节器及其控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。 4：附图 2-10 是聚合釜

25、温度与流量的串级控制系统 。1） 说明该系统的主、副对象，主、副变量， 主、副调节器各是什么？2） 试述该系统是如何实现其控制作用的。答 1 ) 主对象是聚合釜 ；副对象是冷却水；主变量是聚合釜内温度；副变量是冷却水流量；主调节器是温度调节器TC；副调节器是流量调节器FC。2）若主要干扰是冷却水流量，整个串级控制系统的工作过程是这样的：设冷却水流量增加， 则使FC的输出增加, 调节阀减小使冷却水流量减小, 因而减少以致消除冷却水流量波动对聚合釜内温度的影响,提高了控制质量.如此时聚合釜内温度由于某些次要干扰( 例如进料流量、温度的波动)影响 而波动，该系统也能加以克服。设釜内温度升高偏离设定值

26、，则温度调节器TC 输出增大， 因而使流量调节器FC的给定值增大， 其输出也增大， 也使调节阀开大，冷却水流量增加以使釜内温度降低，起到负反馈的作用。5：如何提高计算机控制系统的可靠性？ 有哪些方法途径？答 ：系统的可靠性有两方面的含义： 一是系统的无故障运行时间尽可能长、二是系统发生故障时能迅速检修和排除，为提高计算机控制系统的可靠性和可维护性，常采用提高元器件的可靠性、 设计系统的冗余技术 、 采取抗干扰措施、采用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性技术等。6：在计算机控制系统中,常用 的抗干扰措施是什么? 试分析合理性接地的重要性。答 在计算机控制系统中,常用的抗干扰措施如下：1）电磁干

27、扰的屏蔽主要是利用金属网、板、盒等物体把电磁场限制在一定空间内，或阻止电磁场进入一定空间。2） 隔离技术。常用的有隔离变压器和光电耦合器。3)共模输入法。如将输入信号的屏蔽层和芯线分别接到差动放大器的两个输入端构成共模输入，使地线间的干扰电压不能进入差动输入端，从而有效抑制了干扰。4）电源系统的干扰抑制。对于交流侧的干扰可采取滤波、屏蔽、 稳压等方法抑制，对于直流侧的干扰除了选择稳压性能好、纹波系数小的电源外 ，主要使用去耦法抑制干扰。5）布线的防干扰原则为a： 强、 弱信号要分开，交流、 直流信号要分开 ， 输入、输出要分开； b： 电路间的连线要短，弱电的信号线不宜平行，应变成辫子线或双绞线；c: 信号线尽量贴地敷设。6） 接地设计。7） 软件的 抗干扰措施， 包括数字滤波、 软件固化 、选择性控制、 指令复执、自诊断、 建立 RAM 数据保护区等。合理接地是抑制干扰的有效措施之一。 它一方面可以 保证控制系统稳定可靠的运行，防止地环路引 起的干扰；另一方面可以避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，因此合理接地对计算机控制系统具有重要的意义。