第2章_参数检测过程-过程控制与自动化仪表_第二版-潘永湘
自动控制原理第二章复习总结（第二版）
⾃动控制原理第⼆章复习总结（第⼆版）第⼆章过程装备控制基础本章内容：简单过程控制系统的设计复杂控制系统的结构、特点及应⽤。
第⼀节被控对象的特性⼀、被控对象的数学描述（⼀）单容液位对象1．有⾃衡特性的单容对象2．⽆⾃衡特性的单容对象（⼆）双容液位对象1．典型结构：双容⽔槽如图2-5所⽰。
图2-5 双容液位对象图2-6 ⼆阶对象特性曲线2．平衡关系：⽔槽1的动态平衡关系为：3．⼆阶被控对象：1222122221)(Q K h dt dh T T dt h d T T ?=+++式（2-18）就是描述图2-5所⽰双容⽔槽被控对象的⼆阶微分⽅程式。
称⼆阶被控对象。
⼆、被控对象的特性参数（⼀）放⼤系数K（⼜称静态增益）（⼆）时间常数T（三）滞后时间τ（1）．传递滞后τ0（或纯滞后）：（2）．容量滞后τc可知τ=τ0+τc。
三、对象特性的实验测定对象特性的求取⽅法通常有两种：1．数学⽅法2．实验测定法（⼀）响应曲线法：（⼆）脉冲响应法第⼆节单回路控制系统定义：（⼜称简单控制系统），是指由⼀个被控对象、⼀个检测元件及变送器、⼀个调节器和⼀个执⾏器所构成的闭合系统。
⼀、单回路控制系统的设计设计步骤：1．了解被控对象2．了解被控对象的动静态特性及⼯艺过程、设备等3．确定控制⽅案4．整定调节器的参数（⼀）被控变量的选择（⼆）操纵变量的选择（三）检测变送环节的影响（四）执⾏器的影响⼆、调节器的调节规律1．概念调节器的输出信号随输⼊信号变化的规律。
2．类型位式、⽐例、积分、微分。
（⼀）位式调节规律1．双位调节2．具有中间区的双位调节3．其他三位或更多位的调节。
（⼆）⽐例调节规律（P ）1．⽐例放⼤倍数（K ）2．⽐例度δ3．⽐例度对过渡过程的影响（如图2-24所⽰）4．调节作⽤⽐例调节能较为迅速地克服⼲扰的影响，使系统很快地稳定下来。
通常适⽤于⼲扰少扰动幅度⼩、符合变化不⼤、滞后较⼩或者控制精度要求不⾼的场合。
（三）⽐例积分调节规律（PI ）1．积分调节规律（I ）（1）概念：调节器输出信号的变化量与输⼊偏差的积分成正⽐==?t I t I dt t e T dt t e K t u 00)(1)()(式中：K I 为积分速度，T I 为积分时间。
《过程控制及自动化仪表》 潘永湘-配套课件-第五章ppt
将式4与式2相比，多了一个滤波项。这表明干扰多经过一次滤波才对被控参数产生动态影 响。从动态看，这对提高系统的抗干扰性能是有利的。因此干扰进入系统的位臵越远离被 控参数，对系统的动态控制质量越有利。但从静态看，这会使干扰引起被控参数偏离给定 值的偏差相对增大，这对系统的控制品质又是不利的。因此需要权衡它们的利弊。
p20
(3)控制通道纯滞后时间 0 的影响
※
• 造成系统滞后的主要原因有：
• 被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积 滞后和/或传递滞后。 • 检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测 仪表的输出不能及时反映参数的变化。 • 信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。
Wc (S )
Wr (S )
Y (S )
W0 (S )
p15
设传递函数分别为：
调节器： Wc (s) Kc Kf 扰动通道：W f (s) Tf s 1 Ko 被控过程： Wo ( s) To s 1
则被控量对扰动的闭环传递函数为：
W f ( s) C ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s ) ......... K f (T0 s 1) (T0 s 1)(T f s 1) K c K 0 (T f s 1)p9Biblioteka 系统被控变量的选择•
• • • • •
•
•
假定在工艺过程整体优化基础上已确定了需要恒定(或按某种规 律变化)的过程变量，那么被控变量的选择往往是显而易见的。例 如生产上要求控制的工艺操作参数是温度、压力、流量、液位 等，很明显被控变量就是温度、压力、流量、液位。但也有如下 一些情况，需要对被控变量的选择认真加以考虑： (1) 表示某些质量指标的参数有好几个，应如何选择才能使所选的被控变 量在工艺上和控制上是合理的，而且是独立可控的； (2) 某些质量指标，因无合适的测量仪表直接反映质量指标，从而采用选 择与直接质量指标之间有单值线性对应关系而又反应快的间接指标作为被 控变量的办法； (3) 虽有直接参数可测，但信号微弱或测量滞后太大，还不如选用具有单 值线性对应关系的间接信号为好。
过程控制仪表 教学大纲
过程控制仪表一、课程说明课程编号：090011Z10课程名称：过程控制仪表/Instruments for Process Control课程类别：专业课学时/学分：32/2 (其中实验学时：4)先修课程：电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制理论等适用专业：测控技术与仪器,电气工程及自动化教材、教学参考书：1.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年；2.林德杰主编.过程控制仪表及控制系统.北京：机械工业出版社.2009年；3.王再英,刘淮霞,陈毅静编著.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006年；4.潘永湘、杨延西、赵跃编著.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社.2007年二、课程设置的目的意义本课程是为测控技术与仪器等电气信息类本科专业的专业选修课程。
通过了解过程控制仪表的发展概况和分类方法，重点掌握包括变送器、调节器和执行器在内的模拟及数字式的调节仪表和装置，培养学生具有使用过程控制仪表和装置构成过程控制系统的能力，为学生后续课程和毕业设计以及今后的工作打下良好的基础。
三、课程的基本要求知识：了解过程控制仪表、系统的概念、组成、分类和发展概况；掌握变送器、执行器、单元控制器的基本工作原理和典型电路分析；掌握差压变送器、温度变送器的工作原理及智能变送器原理与使用方法；掌握防爆安全常识与防爆安全栅原理；掌握P、PI、PD、PID调节器的调节原理及特性；掌握基型PID调节器的工作原理及特性；掌握数字调节器设计方法与参数整定；掌握气动执行器和电动执行器的工作原理及使用方法。
能力：将过程控制仪表与装置及相关先修课程知识综合应用于一般工程问题，正确表达符合需求的工艺过程中参量测量问题及其转化测量问题的能力；依据功能与性能要求和应用环境提出可满足需求的系统解决方案，在学习、讨论和解决工业生产应用实际问题的过程中，积累经验知识并培养创新意识，提高发现、分析、解决问题的能力。
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案
V / cm3
P / ( Pa / cm2 )
54.3 61.2
61.8 49.5
72.4 37.6
88.7 28.4
118.6 19.2
194.0 10.1
试用最小二乘一次完成算法确定参数 α 和 β 。要求： （1） 写出系统得最小二乘格式。 P / ( Pa / cm 2 ) （2） 编写一次完成算法得 MATLAB 程序并仿真。 解： （1） 因为 PV
（2）该过程的框图如下：
−
−
Q1 (s )
−
1 C1S
H 1 (s )
1 R12
Q12 (s )
−
1 C2S
H 2 (s )
Q2 (s )
1 R2
Q3 (s )
1 R3
（3）过程传函： 在（1）中消去中间变量 ∆q2 、 ∆q3 、 ∆q12 有：
∆h1 ∆h1 ∆h2 d∆h1 ⎧ ⎪ ∆q1 − R − R + R = C1 dt (1) ⎪ 2 12 12 ⎨ ⎪ ∆h1 − ∆h2 − ∆h2 = C d∆h2 (2) 2 ⎪ R3 dt ⎩ R12 R12
H (s )
Q1 (s )
。
R1 q1 h
R2
q2
R3
q3
解：假设容器 1 和 2 中的高度分别为 h1 、 h2 ， 根据动态平衡关系，可得如下方程组：
d ∆h1 ⎧ (1) ⎪∆q1 − ∆q2 = C dt ⎪ ⎪∆q − ∆q = C d ∆h2 ( 2 ) 3 ⎪ 2 dt ⎪ ∆h ⎪ ( 3) ⎨∆q2 = R2 ⎪ ⎪ ∆h (4) ⎪∆q3 = 2 R3 ⎪ ⎪∆h = ∆h − ∆h (5) 1 2 ⎪ ⎩
《过程控制及自动化仪表》 潘永湘配套第二章PPT课件
4 10 % 0 0.8%
702 000
如果将该仪表的δ去掉“±”号与“％”号，其数值为0.8。由于 国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超 过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度 等级为1.0级。
11
参数检测与变送概述——仪表基本特性
非线性误差（线性度）
非线性误差（线性度）是表征线性刻度仪表的输出 量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。 通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关 系。
f 仪f表 max量 1程 0% 0
线性度示意图
式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准曲线对于理论直线的最 大偏差（以仪表示值的单位计算）。
第二章过程参数检测与变送
目录：
• 参数检测与变送概述 • 液位检测与变送
• 成分分析与变送
1
1
PART ONE
前言
请在此处添加具体内容，文字尽量言简意赅，见到 那描述即可，不必过于繁琐，注意版面美观度。
2
过程参数检测与变送
本章要点 1）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一 信号标准； 2）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量 程调整的确定与计算； 3）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式； 4）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工资原理、掌握其 使用方法； 5）掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法， 熟悉压力变送器的工作原理及使用特点； 6）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成； 7）熟悉成分检测仪表的工作原理及适用范围。
12
参数检测与变送概述——仪表基本特性
变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行 正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得 到的两条特性曲线之间的差值。
《过程控制及自动化仪表》 潘永湘-配套课件-第六章pp
串级控制系统的控制效果
1.能迅速克服二次干扰
定量分析：
G02*2
G02 s sGv sG02
s Gm2
s
p20
串级控制系统的控制效果
1.能迅速克服二次干扰
给定信号传函
Y1 s X1 s
1
Gc1 sGc2 sGv sG02 sG01 s Gc1 sGc2 sGv sG02 sG01 sGm1
s
扰动信号传函
Y1 s F2 s
1
Gc1
s
Gc2
G02*
s Gv
sG01 s G02*
s s
G01
s
Gm1
s
p21
控制能力和抗干扰能力综合定义为：
※
趋于0好
趋于1好
Y1 s Y1 s
X 1 s F2 s
Gc1 sGc2 sGv s
若据比例控制
GC2(s) KC2 GV (s) KV
Y1 s Y1 s
• 副被控过程（副对象）：由副被控变量为输出的过程。为副变量表征其特性的 工艺生产设备，如上例中执行器至炉膛温度检测点间的工艺生产设备，主要指 燃料油燃烧装置及炉膛部分.
p10
串级控制系统
• 主控制器：按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为 副变量给定值的那个控制器。上例中的温度控制器T1C。
第32讲
学时：48 主讲教师：孙晓东
串级控制系统
• 方案C：根据炉膛温度的变化， 先改变燃料量，然后再根据原 料油出口温度与其给定值之差， 进一步改变燃料量，以保持原 料油出口温度的恒定。模仿这 样的人工操作程序就构成了以 原料油出口温度为主要被控变 量的炉出口温度与炉膛温度的 串级控制系统，右图。
《过程控制及自动化仪表》 潘永湘-配套课件-第七章ppt
Gc1(s)
Kr' +
_
Gc2(s)
Gv2(s)
G02(s) Gm2(s)
Q2(s)
G0(s)
Y(s)
K'
÷ Gm1(s)
Q1(s)
图6.23 变比值控制系统框图
Gm(s)
工作过程：当系统处于稳态，GC1 ( s )输出不变，主副流量恒定， 比值不变；当系统受到干扰，比值虽不变，但由于流量的变化， 使主参数偏高了设定值，致使GC1 ( s )的输出X 2 ( s )产生变化，改 变了GC 2 ( s )的设定值，相当于修正了两个流量的比值，使系统在
'
得换算公式： K ' K Q1max Q2max
说明：当物料流量的比值一定、流量与其测量信号呈线性关系时，比值器的参数与物 料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。
p18
（2）流量与测量信号之间成非线性关系 利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比： ∆I=CQ2
则
2 Q1 I1 2 16 4 Q1max
p23
4．比值控制系统的实现 比值控制的具体实现方案有两 种: 一、把两个流量的测量值相除，其商 作为调节器的反馈值，称为相除控制 方案。
二、把一个流量的测量值乘以比值系 数，其乘积作为副调节器的设定值， 称为相乘控制方案。
p24
在工程上，具体实现比值控制时，通常有比值器、乘法器或除法器等 单元仪表可供选用，相当方便。
4）在常规状态下，如何保证安全生产问题，即当操作条件达到安全极限时，通过选 择器，选用不安全情况的备用控制系统自动取代正常工况下的控制系统，待工况恢 复正常后，备用控制系统自动脱离，正常工况控制系统又自动投入运行。 —自动 选择性控制
程序控制系统
ysp + _
控制器
DVs
u(t) 执行机构
MV
被控过程
干扰通道 +
控制通道 +
温度、压力 流量、液位
y(t)
ym(t) 传感变送器
针对连续被控过程，使学生 掌握控制系统的分析、设计与实施技术
一、课程性质： 过程控制系统是自动化专业的主要专业课程之一。
先修课程： 电子技术基础、自动控制理论、传感器与检测
技术、微型计算机原理。 二、教学安排
1、学时、实验情况（56学时，10学时实验）
2、 教材：
戴连奎主编，过程控制工程（第三版）. 北京：化学工业出版社， 2012年8月
3 、主要参考书：
③控制器(也称调节器) 它将被控变量的测量值与设定值进行比较， 得出偏差信号e(t)，并按一定的规律给出控制信号u(t)。对于工业中 常用的各类控制器，其输入输出信号大都为标准的电流信号，如 DDZ-Ⅲ型仪表的4～20mA DC信号。
④执行器 常用的是控制阀。它接受来自控制器的命令信号u，用 于自动改变控制阀的开度。如例1-2中，控制器通过改变出水阀门的 开度以调节出水量Qo，最终达到克服外部扰动对被控变量h的影响。
【例1-1】 从维持生产平稳考虑，工艺上希望罐内的液位h能维持
在所希望的位置hsp上。
液位h是需要控制的工艺变量，称为被控变量；
hsp为被控变量的控制目标，称为给定值或设定值。
显然，当进水量Qi或出水量Qo波动时，都会使罐内的液位发生
变化。现假定通过控制出水量Qo维持液位的恒定，则称Qo为操纵变
过程控制与自动化仪表 第二版 课后答案 机械工业出版社 (潘永湘 杨延西 赵跃 编著 著)
则有：
∆h2
=
⎛ ⎜⎜ C ⎝
d∆h dt
−
∆q1
+
2
∆h R2
⎞ ⎟⎟R3 ⎠
消去中间变量 ∆h2 可得：
C 2 R3
d 2∆h dt 2
+
⎛ C⎜⎜
⎝
2R3 R2
⎞ + 1⎟⎟
⎠
d∆h dt
+
1 R2
∆h
=
∆q1
+
CR3
d∆q1 dt
可得：
G0(s) =
H
(s
)
Q1
(s
)
=
S
所用仪表为：控制器（例如 PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。
2.（4） 解： 控制系统框图：
液位设定
液位控制器
上水调节阀
蒸汽流量变化
汽包
实际液位
被控过程：加热器+汽包 被控参数：汽包水位 控制参数：上水流量 干扰参数：蒸汽流量变化
液位变送器
第二章 过程参数的检测与变送 1.（1） 答：在过程控制中，过程控制仪表：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。
2.（5） 解：
调节器选气开型。当出现故障导致控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热， 使设备不致因温度过高而发生事故或危险。
液位设定值
PID 控制器
气动执行器
液位实际值 加热器
液位变送器
2.（6）
解：
（1）直线流量特性：
22.7 −13.0
10% ：
×100% = 74.62%
13.0
61.3 − 51.7
= 12.5s2
7.992 + 2.5s +11.96
《过程装备控制技术及应用》第二版思考题及习题答案
《过程装备控制技术及应用》（第二版）思考题与习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。
主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。
2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。
自动控制系统常用的术语有：被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值y m——由检测原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，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；干扰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）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。
其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。
采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。
而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。
《过程控制及自动化仪表》 潘永湘-配套课件-第四章ppt
dh q q A 2 则有： 1 dt
h q2 R2
d h q1 q2 A dt
带入增量式中可得单容液位过程的微分方程增量式
d h R2 A h R2q1 dt
其中：
H (s) R2 K G( s) Q1 (s) R2Cs 1 Ts 1
p4
被控过程的特性
※
依据过程特性的不同分为自衡特性与无自衡特性、单 容特性与多容特性、振荡与非振荡特性等
1．有自衡特性和无自衡特性
当原来处于平衡状态的过程出现干扰时，其输出量在无人或无控制装置的干预下， 能够自动恢复到原来或新的平衡状态，则称该过程具有自衡特性，否则，该过程则被 认为无自衡特性。
p2
静态数学模型
动态数学模型
• • • •
集中参数过程-----单个控制参数的过程控制 分布参数过程-----多个控制参数的过程控制 多级过程------控制过程有多个控制步，（相当与离散系统） 例：单输入—单输出的过程模型数学模型
• 线性时间连续模型(可用微分 • 方程或传递函数表示)
• 线性时间离散模型(可用差分方程或脉冲传递函数表示)
p16
解析法建立过程的数学模型
解析法建模的一般步骤 1） 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； 2） 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写 静态方程或动态方程； 3） 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； 4） 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分） 方程或传递函数（脉冲传递函数）等；
1
，则此时传递函数为
K0 G( s) e1s (T1s 1)(T2 s 1)
若将槽2和阀门3改为定量泵，使得 的高低无关，则响应的传递函数为：
过程检测技术及仪表习题第二版课后答案
过程检测技术及仪表习题第二版课后答案
绪言练习与思考
1．简述过程检测技术发展的起源？
2．过程检测技术当前的主流技术和主要应用场合？
3．请谈谈过程检测技术的发展方向是什么？
4．谈谈你所知道的检测仪表？
5．你认为过程检测技术及仪表与传感技术的关系是怎么样的？
第一章练习与思考
1．什么叫过程检测，它的主要内容有哪些？
2．检测仪表的技术指标有哪些？如何确定检测仪表的基本技术指标？
3．过程检测系统和过程控制系统的区别何在？它们之间相互关系如何？
4．开环结构仪表和闭环结构仪表各有什么优缺点？为什么？
5．开环结构设表的灵敏度1n i i S S ==∏，相对误差1n i i δ
δ==∑。
请考虑图1—4所示闭环结构仪表的灵敏度1f
S S B （f S 为反馈通道的灵敏度），而相对误差f δδ-B （f δ为反馈通道的相对误差），对吗？请证明之。
提示：闭环结构仪表的灵敏度S y x =；闭环结构仪表的相对误差dS S δ=。
6．由孔板节流件、差压变送器、开方器和显示仪表组成的流量检测系统，可能会出现下列情况：
（1）各环节精度相差不多；
（2）其中某一环节精度较低，而其他环节精度都较高。
问该检测系统总误差如何计算？
7．理论上如何确定仪表精度等级？但是实际应用中如何检验仪表精度等级？
8．用300kPa 标准压力表来校验200kPa 1.5级压力表，问标准压力表应选何级精度？
9．对某参数进行了精度测量，其数据列表如下：。
过程控制(第二版)第二章
被控量的变化往往是不振荡的、单调的、 有滞后和大惯性的。 有自衡能力的过程为自衡过程，无自衡能 力的过程为无自衡过程
3. 建立数学模型的目的
设计过程控制系统和整定调节器参数
数 学模型是系统分析与设计的主要依据，是调节器 参数整定的基础。 指导设计生产工艺设备 对生产过程数学模型 进行分析与仿真，可确定有关因素对被控过程动 态特性的影响，有利于对生产设备的合理设计。 进行仿真试验研究 根据数学模型通过计算机进 行仿真试验，节省系统设计的时间与经费。 培训运行操作人员 建立复杂生产过程的数学模 型和模拟系统，对操作人员进行培训，方便、安 全和经济。
返回本节
（二）自动化仪表的性能指标
精度等级
绝对误差的最大值 （x x0 ) max 100% 100% 仪表量程 ab
仪表精度
过程检测控制仪表精度等级有0.005、0.02、0.05、 0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等
灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与引起位移
本节重点
掌握过程数学模型的特点； 掌握常用机理建模方法； 掌握二阶以下的阶跃响应曲线建模方法； 详细方法请参见过程辨识与参数估计课程。
第二节 过程变量检测及变送
过程变量检测主要是指连续生产过程中的温度、 压力、流量、液位、和成分等参数的测量 过程变量的准确测量可以及时了解工艺设备的 运行工况；为操作人员提供操作依据；为自动 化装置提供测量信号。 仪表组成： 传感器—与被控介质相接触 中间环节—将传感器检测信号加以转换和传送； 显示器---将转换的物理量用仪表加以显示。
(完整版)《自动化仪表与过程控制》课程标准
《自动化仪表与过程控制》课程标准课程代码课程类别专业课程课程类型理实一体课程课程性质必修课程课程学分3学分课程学时48学时修读学期第4学期适用专业电气自动化技术合作开发企业一汽轿车有限公司、长春轨道客车股份有限公司执笔人杨华、陈刚审核人杨华1．课程定位与设计思路1．1课程定位自动化仪表与过程控制课程是电气自动化技术专业的一门专业核心课程，专业必修课程。
本课程的作用是通过学习性的工作任务教学方式，采取情境教学方法培养学生具有相应的构建过程控制系统和综合分析能力。
本课程通过前修课程高等数学、电工基础、传感器与自动检测的学习，将传感器在过程控制系统中应用和电学相关的简单电路知识融合在本课程的教学中，使复杂的理论知识变的简单，便于学生理解和掌握；通过前修课程自动控制系统中反馈控制系统、前馈控制系统等控制方案的学习，应使学生了解自动控制系统方框图的原理，并能进行初步设计。
为后续的生产过程自动控制实训、毕业设计的学习打下必要的理论知识和实践基础。
1．2设计思路整个课程设计一个大的总体项目——电加热锅炉自动控制系统开发与实施。
设计自动化仪表与过程控制系统的认识与描述、检测变送仪表、控制仪表、执行器及安全栅、被控过程的数学模型、简单控制系统的设计、提高控制质量的控制系统、满足特定要求的过程控制系统共计六个教学环节，通过“教、学、做”一体化的教学方法，熟悉过程控制系统组成原理、学会仪表的使用、掌握系统调试方法，综合应用知识与各种方法，最终具备能够分析设计符合各种要求的综合过程控制系统的能力。
学习项目一预计参考学时为4学时，学习项目二预计参考学时为12学时，学习项目三预计参考学时为4学时，学习项目四预计参考学时为12学时。
学习项目五预计参考学时为10学时，学习项目六预计参考学时为6学时。
达到本学习领域的能力培养目标可获3学分。
2．课程目标在掌握过程控制基本理论和常用控制仪表知识的基础上，能熟练地使用与维护常用控制仪表，能熟练地运行与维护常用过程控制系统，较熟练地掌握简单控制系统的开发与组织实施能力。
过程控制与自动化仪表 第二版 (潘永湘 杨延西 赵跃 编著 著) 机械工业出版社 课后答案2
第一章绪论2-（1）简述下图所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
2q 解：本图为液位控制系统，由对象水箱、液位检测、反馈控制回路组成，为了达到对液位（h）控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节1q 的流量达到液位控制的作用。
系统框图如下：控制器输入输出分别为：液位设定值与反馈值之差()t e 、控制量()t u ；执行器输入输出分别为：控制量()t u 、进水流量()t q 1；被控对象的输入输出为：进水流量()t q 1、出水扰动量()t q 2，被控量液位h ；2-2-（（3）某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于等于5﹪，要求设计的定值控制系统，在设定值作阶跃干扰时的过渡过程曲线如下图所示。
要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间。
2）说明该系统是否满足工艺要求。
课w.kh da .c o m解：1）由上图可得()810y ∞=℃，设定值r =800=800℃℃,185081040B =−=,282081010B =−=稳态误差()∞e ()r y =−∞=800800℃℃-810-810℃℃=10−℃衰减比：1:4104021===B B n 最大超调量：()()850810100%100% 4.938%()810p y t y y δ−∞−=⋅=⋅=∞过渡过程时间s t ：大概在17min 左右2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为800℃，而最后趋于稳定的值却为810℃，因此不满足工艺要求。
第三章过程控制仪表1-1-（（2）某比例积分调节器的输入输出范围均为：4-20mA DC ,若设100%δ=，12min T =，稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA，试求经过4min 后调节器的输出。
解：由式%1001×=CK δ可得:1=C K 课后答案网 ww w.kh da w .c o m比例积分作用下u ∆可由下式计算得出：()()mAdt dt t e T t e K u I c 3211140=+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∆∫∫mAmA mA u u u 963)0(=+=+∆=经过4min 后调节器输出为mA 9。
过程控制及仪表实验指导书
过程控制及仪表实验指导书过程控制系统及仪表实验指导书潘岩左利长沙理工大学电气与信息工程学院20XX年4月1目录第一章系统概述第二章实验装置介绍一、THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置二、THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台三、软件介绍四、实验要求及安全操作规程第三章实验内容实验一、单容自衡水箱液位特性测试实验实验二、双容水箱特性的测试实验实验三、单容液位定值控制系统实验2第一章系统概述THSA-1型过程综合自动化控制系统(Experiment Platform of Process Synthetic automation Control system)THJ-3型高级过程控制对象系统实验装置、THSA-1型综合自动化控制系统实验平台及上位监控PC机三部分组成。
如图1-1所示。
图1-1 THSA-1过程综合自动化控制系统实验平台该套实验装置紧密结合工业现场控制的实际情况，能够对流量、温度、液位、压力等变量实现系统参数辨识，并能够进行单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制等多种控制实验，是一套集成了自动化仪表技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术及现场总线技术等的多功能实验设备。
THSA-1型过程综合自动化控制系统能够为在校学生和相关科研人员提供有力帮助。
学生通过学习，应对传感器特性及零点漂移有初步认识，同时能掌握自动化仪表、变频器、电动调节阀等仪器的规范操作，并能够整定控制系统中相关参数。
这套实验设备综合性强，所涉及的工业生产过程多，所有部件均来自工业现场，严格遵循相关国家标准，具有广泛的可扩展性和后续开发功能，有利于培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的创新能力.整套实验装置的电源、控制屏均装有漏电保护装置，装置内各种仪表均有可靠的自保护功能，强电接线插头采用封闭式结构，强弱电连接采用不同结构接头，安全可靠。
3第二章实验装置介绍“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。
控制仪表课后答案第1-2-3章部分
控制仪表课后答案第1-2-3章部分控制仪表课后答案第1-2-3章部分.,控制仪表及装置课后答案,控制仪表及装置第四版课后答案,控制仪表和装置课后答案,控制仪表与计算机控制课后题答案,控制仪表与计算机控制装置课后答案,控制仪表及装置课后答案吴勤勤,过程控制与仪表课后答案潘永湘,答案家,控制仪表及装置第四版思考与练习题参考答案第1章模拟式控制器思考与练习题(1)工业上常用控制器的控制规律有哪几种？答：工程上常用的控制器的控制规律有比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）以及比例积分微分（PID）四种，由此产生相应的四种常用控制器。
(2)在模拟控制器中，一般采用什方式实现各种控制规律？答：可以用负反馈放大器来实现。
其原理组成如图3.1所示。
=KUε控制仪表课后答案第1-2-3章部分.,控制仪表及装置课后答案,控制仪表及装置第四版课后答案,控制仪表和装置课后答案,控制仪表与计算机控制课后题答案,控制仪表与计算机控制装置课后答案,控制仪表及装置课后答案吴勤勤,过程控制与仪表课后答案潘永湘,答案家,控制仪表及装置第四版FUUf=O根据上述三个关系式可求得输出与输入的关系为：FKKUUi+=10当放大器的放大倍数足够大时，FK>>1,则上式分母中的1可忽略不计，上式可近似表示为：'01KFUUi=≈这就是说，只要放大器的放大倍数足够大，那么在引入负反馈构成闭环后，其闭环放大倍数K′就只与反馈系数F有关。
而反馈系数就是前面分析的分压系数，这样就实现了比例控制规律。
由于闭环放大倍数K′与反馈系数F成倒数关系，即后者衰减，前者放大，或者是，后者为除的关系，则前者就是乘的关系。
换句话说，两者之间互成逆运算关系。
由此得到了启发，若要闭环放大器起积分运算作用，它的反馈电路应是微分运算电路。
反之，要得到微分运算关系的放大电路，其反馈电路应该用积分电路。
(3)试述DDZ—Ⅲ型控制器的功能。
答：DDZ—Ⅲ型控制器的作用是将变器送来的1～5VDC测量信号与1～5VDC给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID运算，输出4～20mADC信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。
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温度系数：温度变化1℃时电阻值的相对变化量。 计算：
1 dR (T ) B 2 R (T ) dT T
负温度系数：NTC型；正温度系数：PTC型；临界：CRT型
热敏电阻的温度特性（图2－13） （2） 热电阻的接线方式（图2－14）
10 8
10 7 10 6
CTR
PTC
/ cm
检测的重要意义
2.1.1
检测仪表
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”。 组成框图（图2－1）
测量电路 被测量 输入量 敏感元件 转换元件 信号调理与转换电路 电量 输出量
电源
2.变送器 将输出信号变成统一标准信号的传感器。 统一标准信号即各仪表之间的通信协议：0～10mA、→数字信号。
2.1.3
检测仪表的基本特性
1.仪表的固有特性及性能指标 （1）精确度及其等级 1）不能用绝对误差或相对误差表示?如。。 2）用最大引用误差度量？（量程、最大绝对误差） 度量办法：去掉最大引用误差中的“±”和“％”表示：0.001、 0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5。
C）用于高精度的温度测量，如用 内阻很高的电子电位差计测量
2.热电偶及其测温原理（＞500℃） （1）热电偶的测温原理：热电效应（图2－15） 接触电势的形成。。。，温差电势。
EAB(t, t0 ) EAB(t) EAB(t0 ) EB (t, t0 ) EA (t, t0 ) EAB(t, t0 ) EAB(t) EAB(t0 )
第2章 过程参数检测与变送
1）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一 信号标准； 2）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量 程调整的确定与计算； 3）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式； 4）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工资原理、掌握其 使用方法； 5）掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法， 熟悉压力变送器的工作原理及使用特点； 6）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成； 7）熟悉成分检测仪表的工作原理及适用范围。
1
t E AB (t , t 0 )
三点结论：1）电极材料相同，总电势为零；
t 0 cons tan t
2）冷、热端温度相同，总电势为零；3）电 极材料不同，温度相同，热电势不同。
（2）热电势的检测与第三导体定律(图2－16）
E ABC (t , t 0 ) E AB (t ) E BC (t 0 ) ECA (t 0 )
变送器的构成原理
零 点 迁 移
1.模拟式变送器的构成（图2－9） 1）原理说明 2) 输入/输出关系
K iK y 1 KK K x 1 KK z0
f
x
测 量 部 分 Ki
z0
－
zi
f
zf
放 大 器 K 反 馈 回 路 Kf
y
＋
＋
Ki 1 KK i＞＞1, y x z0 Kf Kf
当
t t0 ，
E ABC (t0 , t0 ) E AB (t0 ) EBC (t0 ) ECA (t0 ) 0 有 E ABC (t , t 0 ) E AB (t ) E AB (t 0 ) E AB (t , t 0 )
第三导体定律：只要第三导体两接点温度相同， 回路中热电势不变
EABCD (t,t0 ) EAB(t) EAB(tC ) EDC(t0 ) EDC(tC ) EAB(t,tC ) ECD(tC ,t0 )
依据
EAB(tC,t0) E (tC,t0) CD
则有
EABCD (t,t0) EAB(t,tC) ECD(tC,t0) EAB(t) EAB(tC) EAB(tC) EAB(t0) EAB(t,t0)
结论：将满足 EAB(tC , t0 ) ECD(tC , t0 ) 的补偿导线代替热电偶使冷端延 伸，不会改变热电偶的热电势 补偿导线的连接示意图
附表A-2 温度 /℃
－0 ＋0 100
铜热电阻（分度号Cu50)
00 10 20 30
分度表（R0=50.00Ω α＝0。004280）
40 50 60 70 80 90
电阻值
50.00 50.00 71.40 47.85 52.14 73.54 45.70 54.28 75.68 43.55 56.42 77.83 41.40 58.56 79.98
Ω
39.24 60.70 82.13 62.84 64.98 67.12 69.26 -
2)
半导体热敏电阻的测温
1 1
0
计算： R(T ) R(T0 ) exp B( ), T0 0℃＝273.15K T T
B ln R ( T ) ln R ( T 0 ) , B 1500 1 1 T T0 ~ 6000 K
10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 0
NTC
40
80
t/ C
120
160
200
三种特性的用。。。 优点：温度系数大； 缺点：互换性差，非线性严重， 测温范围低：－50～300℃。 适用于家电和汽车的测温。
a)
Ri Rt 2r,
用于测量精度不高的场合
b)电桥平衡，与导线电阻无关
R1 R2 , R1 R3 R2 Rt
1) 金属热电阻的测温,计算： R(t ) R0 1 (t t0 )
热电阻名称 铜电阻 分度号 Cu50 Cu100 Pt50 铂电阻 Pt100 100±0.006 0℃时阻值(Ω) 50±0.05 100±0.1 50±0.003 测温范围（℃） －50～150
常用热电阻
特点 线性好，价格低，适 用于无腐蚀性介质 精度高，价格贵，适 用于中性和氧化性介 质，但线性度差
Ω
－ 43．37 84．27 － 39．71 80．31 － 35．53 76．32 － 31．32 72．33 － 27．02 68．33 － 22．80 64．30
0 100 200 300 400 500 600 700 800
100．00 138．50 175．84 212．02 247．04 280．90 313．59 345．13 375．51
（6）动态误差，原因。。。参数。。。
2.检测仪表的工作特性 适应参数测量和系统运行的需要具有的输入/输出特性 （1）理想工作特性： y y y max min ( x xmin ) ymin xmax xmin （2）零点调整与迁移 被测参数的下限值或对应仪表输出 下限值的被测参数最大值； 使输入下限值为零的过程称为零 点调整，否则为零点迁移。
x xa
x max 100 %( ' 100 %) xa x
100 % x min
2.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。如。。。 克服系统误差的办法：负反馈结构 （2）随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除 （3）粗大误差（疏忽误差）：剔除
（2）非线性误差 图示（2－2） 计算： f
f max xmax xmin 100 %
（3）变差：正、反行程测量时的 最大差值与量程之比的百分数 计算：
b
b max 100 % x max x min
（4）灵敏度与分辨力
计算
分辨力又称灵敏限：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 时漂与温漂
基于热－阻效应，
测温范围/℃ 0～1600 －200～600 －50～150 －50～150 主要特点 测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检 测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿， 低温测量精度低。 测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检 测和自动控制，应用广泛；不能测高温。 灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互换性较差， 测量范围有一定限制。
零点迁移前后的输入/输出特性
(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 量程调整前后的输入/输出特性
实例 某测温仪表的量程为0～500℃， 输出信号为4～20mA ， 现欲测量200～1000℃应如何调整？
2.1.4
2.HART（Highway Addressable Transduce)协议传输方式 图2－12 模拟信号和基于频移键控（FSK)的叠加
传输速率为1200bit/s
2.2 温度的检测与变送
2.2.1 温度检测方法 一、接触式测温 1、热电阻及其测温原理 常用测温元件
测温元件 热电偶 铂电阻 铜电阻 半导体热敏电阻 热阻效应 测温原理 热电效应
115．54 153．58 190．45 226．17 260．72 294．11 326．35 357．42 387．34
119．40 157．31 194．07 229．67 264．11 297．39 329．51 360．47 390．26
123．24 161．04 197．69 233．17 267．49 300．65 332．66 363．50 －
103．90 142．29 179．51 215．57 250．48 284．22 316．80 348．22 378．48
107．79 146．06 183．17 219．12 253．90 287．53 319．99 351．30 381．45