过程控制与自动化仪表

第一章绪论1、过程控制概述过程控制是生产过程自动化的简称。

它泛指石油、化工、电力、冶金、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。

在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术可实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。

过程控制通常是对生产过程中的压力、液位、流量、温度、PH值、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动尽行。

2、过程控制的特点（1）系统由被控过程和检测控制仪表组成；（2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；（3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；（4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；（5）定值控制是过程控制的主要形式。

3、过程控制的要求与任务要求：（1）安全性：针对易燃易爆特点设计；参数越线报警、链锁保护；故障诊断，容错控制。

（2）稳定性：抑制外界干扰，保证正常运行。

（3）经济性：降低成本提高效率。

掌握工艺流程和被控对象静态、动态特性，运用控制理论和一定的技术手段（计算机、自动化仪表）设及合理系统。

任务：指在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符合上述三项要求的过程控制系统，并采用适宜的技术手段（如自动化仪表和计算机）加以实现。

4、过程控制的功能测量变送与执行功能；操作安全与环境保护功能；常规控制与高级控制功能；实时优化功能；决策管理与计划调度功能。

5、过程控制系统的组成被控参数（亦称系统输出）y(t)：被控过程内要求保持稳定的工艺参数；控制参数（亦称操作变量控制介质）q(t)：使被控参数保持期望值的物料量或能量；干扰量f(t)：作用于被控过程并引起被控参数变化的各种因数；设定值r(t)：与被控参数相对应的设定值；反馈值z(t)：被控参数经测量变送后的实际测量值；偏差e(t)：设定值与反馈值之差；控制作用u(t)：控制器的输出值。

6、过程控制系统的分类（1）按结构分类：a.反馈控制系统：是将系统的输出量反馈到输入端构成闭合回路，所以也称为闭环控制系统。

是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的。

b.前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。

不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。

c.前馈-反馈复合控制系统：前馈控制的主要作用是及时地克服主要干扰对被控量的影响，反馈控制则负责检查控制的最终效果。

（2）按设定值分类：a.定值控制系统；b.随动控制系统；c.顺序控制系统。

7、过程控制系统的性能指标当设定值发生变化或受到外界干扰时，要求被控量能平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。

因此，通常在稳定性、准确性和快速性三个方面提出各种单项性能指标和综合性能指标。

（1）单项性能指标：a.衰减比n ：是衡量系统振荡过程衰减程度的指标，它定义为两个相邻的，同向波峰值之比，即21n B B =，衡量衰减程度的另一指标是衰减率，它定义为一个周期后波动幅度衰减的程度，即121B B B -=ϕ。

b.最大动态偏差A 和超调量σ：最大动态偏差是指在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度。

最大动态偏差占被控量稳态值的百分比成为超调量，即%100)()()(y ⨯∞∞-=y y t p σ 。

对于二阶振荡系统，超调量σ与衰减比n 有单值对应关系，即%100n1⨯=σ。

c.残余偏差：是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值)(∞y 与设定值r 之间的差值，它是控制系统的稳态指标，即)()(∞-=∞y r e ，在定值控制系统中，由于r=0，从而有)()(∞-=∞y e 。

d.调节时间ts 、峰值时间tp 和振荡频率：调节时间是指系统从干扰开始到被控量进入新稳态值的±5% （或±2%）范围内所需要的时间。

峰值时间是指系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需要的时间。

它们均是衡量控制系统快速性的重要指标。

（2）综合性能指标：a.偏差绝对值积分IAE b.偏差平方积分ISE c.偏差绝对值与时间乘积积分ITAE d.时间乘偏差平方积分ITSE8、自动化仪表的分类（1）按安装场地分：现场类仪表（一次仪表）、控制室类仪表（二次仪表）； （2）按能源形式分：气动控制仪表、电动控制仪表、液动控制仪表 （少）；（3）按信号形式分：模拟式仪表、数字式仪表；（4）结构形式分：基地式仪表、单元组合式仪表、组装式仪表、集中/分散式仪表。

9、单元组合式仪表单元组合式仪表是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求制成的模块化仪表（称为单元）的总称。

各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。

有电动单元组合仪表(DDZ 型)和气动单元组合仪表(QDZ 型)两大类型。

单元组合仪表分为：变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单元、运算单元、显示单元和辅助单元。

其中，变送单元是将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量的大小变换成统一标准测量信号传送给指示、记录和控制装置等。

10、模拟仪表的信号制模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号和电动仪表的模拟信号。

气动仪表的输入/输出模拟信号统一使用0.02M Pa ---0.1M Pa 的气压信号。

电动仪表的输入/输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种，各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。

按IEC 规定，过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mA （II 型为0~10mA ）DC ，负载电阻为250Ω；模拟直流电压信号为1~5V DC 。

我国的DDZ -III 型电动单元组合仪表也采用了这一国际统一信号标准。

第二章 过程参数的检测与变送1、检测仪表过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。

（1）传感器：国标《GB7665-87》规定：“能感受规定的被测量，并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

（2）变送器：将输出信号变成统一标准信号的传感器。

早期的统一标准信号有0~10mA DC 的模拟电流信号、0~2V DC 的模拟电压信号和20~100kPa 的模拟气压信号等（II 型标准）。

目前统一国际标准信号即各仪表之间的通信协议：4~20mA 、1～5V 、数字信号。

2、检测误差（1）真值：即被测物理量的真实（或客观）取值。

（2）最大绝对误差：仪表的实测示值x 与“真值”xa 的最大差值，记为∆，即a x -x =∆。

（3）相对误差（或标称相对误差）：%)100%(100'⨯∆=⨯∆=x x a δδ。

（4）引用误差：引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，记为γ，即%100m in m ax ⨯-∆=x x γ。

（5）基本误差：指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。

使用标准：交流220V ±5％、电网频率（50±2）Hz 、环境温度（20±5）℃、湿度（65±5）％。

（6）附加误差：指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。

（温度附加、频率附加、电源电压附加）3、检测误差的规律性（1）系统误差：对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。

克服系统误差的办法是利用负反馈结构。

（2）随机误差或统计误差。

（3）粗大误差（疏忽误差），应先判断其存在否，再将其剔除。

4、仪表的固有特性及性能指标（1）精确度及其等级：仪表的精确度（简称精度）是仪表检测误差的一种工程表示，是用来衡量仪表测量结果可靠性程度最重要的指标。

当仪表的测量范围一定，最大绝对误差越小，则最大引用误差也越小，仪表的精度就越高；同样，当仪表的最大绝对误差一定，测量范围越大，则最大引用误差就越小，仪表的精确度就越高。

因此，用仪表的最大引用误差来度量仪表的测量精度是科学的、合理的。

度量办法：去掉最大引用误差中的“±”和“％”表示：0.001级、0.005级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.4级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级。

等级数越小，精度越高。

（2）非线性误差：%100min max max⨯-∆=x x f f δ，其中fmax ∆为实际测得的输入/输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差。

（3）变差：指在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参数在测量范围内进行正、反方向（即逐渐由小到大或逐渐由大到小）测量时所产生的最大差值bm ax ∆与仪表测量范围之比的百分数，记为b δ，即%100m in m ax m ax ⨯-∆=x x b b δ。

（4）灵敏度与分辨力：灵敏度是指仪表输出量的增量y ∆与引起输出增量的输入增量x ∆的比值，即xy s ∆∆=。

分辨力又称灵敏限，是指仪表输出能响应和分辨输入的最小变化量，数字显示仪表变化一个二进制最低有效位时输入的最小变化量。

（5）漂移：时漂（随时间变化出现的漂移）与温漂（随温度变化出现的漂移）。

（6）动态误差：指被测参数在干扰作用下处于变动状态时仪表的输出值与参数实际值之间的差异。

5、检测仪表的工作特性（1）工作特性：m in m in m in m ax m in m ax )(y x x x x y y y +-⨯--=。

（2）零点调整与迁移：零点是指被测参数的下限值m ax x ，而使m ax x =0的过程称为“零点调整”；使0max ≠x 的过程称为“零点迁移”。

（3）量程调整：量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围，量程调整是指在零点不变时将输出上限值与输入上限值相对应。

6、变送器的构成原理由于传感器的输出信号种类多且比较微弱，所以必须由变送器将其转换成统一标准信号。

其分为模拟式变送器和数字式变送器。

7、四线制和二线制传输方式8、温度检测方法从测温元件与被测介质接触与否可分为接触式测温和非接触式测温两大类。

9、接触式测温 10、热电阻的接线方式接线方式有二线制、三线制和四线制三种。

二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合。

三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。

四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。

11、热电偶及其测温原理热电偶的测温原理是基于热电效应，即只要热电偶两端的温度不同，则在热电偶闭合回路中就产生热电动势，这种现象就成为热电效应。

热电偶回路中的热电势由接触电动势和温差电动势（很小，一般不考虑）两部分组成。

12、非接触式测温（1）常用元件及共性：高温辐射温度计、低温辐射温度计、光电温度计。