过程控制系统

过程控制系统
第一章&第二章
1.过程控制系统：为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用模拟仪表、数字仪表或计算机构成的总体，称为过程控制系统。

2.过程控制系统的组成：系统输出、受控过程的输入、外部扰动、受控过程、广义过程、控制器。

3.过程控制系统的分类：
a)按过程控制系统的结构特点来分类
i.反馈控制系统 ii.前馈控制系统 iii. 前馈-反馈控制系统
b)按给定信号的特点来分类
i. 定制控制系统 ii. 程序控制系统 iii. 随动控制系统
4.过程建模数学模型
a). 机理建模法 b). 实验建模法
5.过程输入量与输出量之间的信号联系，称为“通道”；控制作用与受控参数之间的信号联系，称为“控制通道”；扰动作用与受控参数之间信号联系，称为“扰动通道”。

6.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恢复平衡的特性。

表示。

7.有自衡能力的单容过程的数学模型，都可用传递函数G(s)=&
'()*
8.题2-4、2-6（P29）什么是过程的自平衡能力？
第三章
1.一次仪表：测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，所用的仪表叫做一次仪表。

2.二次仪表：显示被计量的物理量的仪表。

3.准确度等级：任何自动化仪表均有一定误差。

常用仪表精度等级：0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等（工业常用0.5~4.0）。

4.热电偶测温计
a)测温原理：热电效应
b)补偿导线：用两根不同的金属丝，它在0----100摄氏度温度范围和所连接的热电偶具有相同的热电性能，其材料是
廉价金属，用它将热电偶的冷端延伸出来。

c)冷端补偿：为了消除冷端温度变化对测量精度的影响。

i.计算矫正法 ii. 补偿电桥桥
5.热电阻温度计
a)工作原理：利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的。

b)特点：性能稳定、测量精度高、测量范围宽、同时还不需要冷端温度补偿，一般可在—270~900ºC 范围内使用。

c)三线制接法：用平衡电桥由热电阻引出三根导线，要求材料、粗细、长短相同。

其中一根与电源E相连，不影响系统
平衡；另外两根分别与桥臂相连，环境温度变化时引起导线电阻的变化，可以相互抵消，从而提高了测量准确度。

6.D DZ-III型温度变送器（图2-31）
a)功能：热电偶冷端补偿、零点调整、零点迁移、量程调节以及线性化等等
b)零点迁移（X轴）
c)零点调整（Y轴）
7.差压式流量计的工作原理：根据节流原理利用液体流经节流装置时产生的压力差来测量流量的。

据流体力学可知，流体在管道中流动是，具有动能和位能，并在一定条件下可以相互转化，但其总能量是不变的。

流体通过孔板后会产生静压差，流量越大静压差越大。

测出这个压差就可知道此时流量的大小，这是节流装置测量流量的基本原理。

8.矢量机构力平衡式差压变送器的工作原理：力平衡原理。

a)被测压差:∆p=p*−p.
b)矢量机构：角度可变力分解器，F2使支点上移。

c)副杠杆：F2作用下上移，使检测变压器的磁炉气隙减小输出增大。

d)位移检测放大器：将变压器的输出放大为4~20mA的直流电源输出。

e)反馈线圈：放大器的电流通过反馈线圈产生与测量力Fin相反的负
反馈力。

当反馈力矩与测量力矩平衡时，变送器的输出电流与被测
压差成正比，从而实现压差与电流之间的转换。

9.红外气体分析仪的工作原理：
a)组件：1.光源； 2.反射镜； 3.分析室； 4.参比室； 5.切光片； 6.同
步电动机； 7、8.干扰滤光室； 9.检测室； 10.电容接收器； 11.放
大器； 12.记录仪表
b)原理分析：光源、反射镜和切光片，共同构成两道脉冲红外线，经
分析仪上下两侧（2、4）不同气体吸收不同能量，并通过干扰滤光
室修正误差，在检测室（9）中使待测气体吸收能量发热膨胀和压力
差，致使电容片（10）产生位移，放大器和记录仪按指示或记录该
气体的浓度。

10.氧化锆氧量分析仪的基本工作原理：氧化锆是一种在高温时对氧
离子具有良好传导性质的固体导电介质。

根据浓差电池原理进行工作
的。

11.题：3-2（P71）、3-5、3-6、3-13、3-17、3-22（P72）
第四章
1.过程控制仪表包括：控制器、执行器、变频器、操作器等各种新型控制仪表仪器。

2.气动单元组合仪表：简称QDZ仪表。

以140kPa压缩空气为能源，以20~100kPa标准统一信号输出。

3.D DZ型控制器：
a)I/O：接收变送器或转换器的DC 1~5V或DC 4~20mA的测量信号作为输入信号，与 DC 1~5V或DC 4~20mA的给
定信号进行比较，并对其偏差进行PID运算，输出DC 4~20mA标准统一信号。

b)组成：由控制单元和指示单元两部分组成。

i.指示单元：输入信号指示电路、给定信号指示电路
ii.控制电路：输入电路、比例微分（PD）电路、比例积分（PD）电
路、输出电路、软手动与硬手动操作电路，
iii.硬手动操作电路：成比例关系与控制单元输入信号无关，仅与手
动输入电压信号有关。

iv.软手动操作电路：成积分关系，与控制单元输入信号无关，仅与
手动输入电压信号有关。

4.执行器的构成：执行机构和调节机构。

按能源形式，执行机构可分为，
电动、气动和液动三大类。

调节机构相同。

5.电动执行机构：通常被看做是一个比例环节。

6.气动执行机构是一个惯性环节。

7.气动执行机构有正作用和反作用两种形式。

当输入气压信号增大时，阀杆向下移动，则叫正作用；当输入气压信号增大
时，阀杆向上移动，则叫反作用执行机构。

8.气动执行器的气开气关：
a)气开式：即当气动执行器输入压力时（p>0.02MPa），阀开始打开，
也就是说有信号压力时阀开，反之则关。

b)气关式：有信号压力时阀关，无信号压力时阀开
9. 执行器的流量特性：指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：
Q Q 012
3=f （l L 3） 注：Q Q 012
3——相对流量，即执行器某一开度流量与全开流量之比 l L 3——相对开度。

即执行器某一开度行程与全开行程之比
10. 理想流量特性：（前后压差相对不变）就是阀前后压差为一定的情况下得到的流量特性。

它取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得到不同的理想流量特性。

11. 工作流量特性：调节阀的相对开度和相对流量的关系称为工作流量特性。

12. 分程控制：当要用一个控制器分段控制两个执行器实行分程控制时，可用两个阀门定位器（电-气阀门定位器），使两个阀分别在信号的某一区段内完成全行程动作（分别接收高/低输入信号，并且执行器分别执行高低动作），从而实现分程控制。

13. 电-气阀门定位器
a) 工作原理：力矩平衡原理
b) 组件：1.主杠杆； 2.挡板； 3.喷嘴； 4.放大器； 5.
膜头； 6.反馈凸轮片； 7.反馈杠杆； 8.滚轮； 9.副
杠杆； 10.反馈弹簧；
c) 工作分析：主杠杆1在输入信号DC 4~20mA 作用
下逆时针偏转，经2、3、4、5、7、6、8、9、10形
成反馈平衡状态，一定量的输入就对应执行器一定
量的开度。

14. 题4-1、4-14、4-15（P118）
第五章
1. 系统阶跃响应的性能指标（衰减震荡过程）：
a) 最大偏差（超调量σ）
σ=
y9t ;<−y （∞）y （∞）×100%
b) 残余误差（稳态误差）
余差C =y (∞)−r
2. 操纵变量的选择：是在对受控过程进行认真分析研究的基础上，根据已选定的受控变量找出所有影响受控变量的各种变量（即输入），从中找一个工艺合理、实施上具有良好可控性的变量作为操纵量。

3. 操纵变量选择的一般原则：
a) 控制通道的放大系数Kp 应尽可能的大些；
b) 控制通道的纯滞后时间τ0应尽可能小；
c) 控制通道的惯性时间常数要相对错开，即相互之间（主要是第一大和第二大时间常数）的相对距离要大些，； d) 控制通道各惯性时间常数相对值不变的前提下，时间常数应适当小些；
e) 控制通道时间常数的个数应尽量减少；
f) 当通道为有纯滞后的一阶或二阶模型时，应尽可能的提高a 值，即时域可控性系数；
4. 执行器的选择：
a) 控制闸气开、气关的选择：
i. 总原则：假设出现气源供气中断、控制器因失常而使输出控制信号为零、阀的膜片破裂等故障使其对阀杆的作用力为零，等效于控制阀压力输入信号为零时，根据生产工艺要求决定的调节阀应处的状态。

ii. 当控制阀的气开气关形式与生产及人身设备安全无关时，可以从以下两个方面来考虑：
i.调节阀的传递函数
1.电动阀：比例环节;
2.气动阀：阀与管道作为一个整体的一阶特性；
3.小型调节阀：比例环节
ii.调节阀工作流量特性的选择原则：
用控制阀的流量特性补偿系统静特性的准则性方程：
K E K F K0K;=常数
注：K E、K F、K0、K;——控制器、测量变送、控制阀、过程的静态增益
iii.确定控制器的正、反作用方式：
1.控制器有正作用和反作用两种方式，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。

2.确定调节器正、反作用次序一般为：首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的开、关形式，然后按被控过
程特性，确定其正、反作用，最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为负的原则来确定调节器的正、反作用。

3.为了保证系统为负反馈，必须满足控制器、执行器、受控过程三者的符号相乘为负值，即：
9控制器K E±<×9执行器K F±<×9受控过程K;±<=“−”
5.题5-6、5-7、5-10、5-11（P158）
第七章&第八章
略，作业为主
题解
P29题2-4：什么是过程通道？什么是过程的控制通道和扰动通道？他们的数学模型是否相同？为什么？
P29题2-6：什么是过程的自平衡能力？
P71题3-2：仪表的准确度等级是什么？用测量范围为0~200`C的温度计测温，在正常工作情况下进行数次测量，其误差分别为-0.2、0、0.1、0.3，试确定该仪表的准确度等级。

P72题3-5利用热电偶和热电阻测温时，分别应该注意哪些问题？
P72题3-6-1利用热电偶温度计测温时，为什么要使用补偿导线对冷端进行温度补偿？
P72题3-6-2利用热电阻温度计测量时，为什么要采用三线制接法？
P72题3-6-3测量低温时，为什么通常采用热电阻测温计，而不是热电偶温度计？
P72题3-13利用弹簧压力表测量某容器中的压力，工艺要求其压力为（1.3±0.06MPa），现在可供选择压力表量程有0~1.6MPa、0~2.5MPa及0~4.0MPa，其准确度等级有1.0、1.5、2.0、2.5及4.0，试合理选用压力表的量程和准确度等级。

P72题3-17简述差压式流量计测量流量的基本原理
P72题3-22简述利用红外线分析气体的基本原理、工作原理及适用场合。

P118题4-1在过程控制系统中，哪些仪表是属于过程控制仪表？
P118题4-14调节阀的气开气关形式是如何实现的？在使用时应该根据什么原则来选择？
P118题4-15什么是调节阀的流量特性、理想流量特性和工作流量特性？
P158题5-6选择受控变量应该遵循哪些原则？
P158题5-6选择受控变量应遵循哪些原则？
P158题5-7选择操控变量时，为什么分析过程特性？应该遵循什么原则？
P158题5-10为什么系统设计时要重视对控制阀的选择？阀的流量特性的选择依据是什么？阀的气开、气关的选择依据是什么？
P158题5-11选择控制器的原则是什么？控制器的正、反作用方式是什么？有何规定和确定程序？ P238题7-2试述串级控制系统的特点。

P238题7-6串级控制系统常用在哪些场合？
P238题7-7副参数与副回路的选择应该遵循哪些原则？为什么大多数副受控变量为流量？
P238题7-12什么叫前馈控制？比较前馈与反馈的差异。

P262题8-5什么是分程控制系统？分程控制系统的结构特点是什么？
P262题8-什么是选择性控制？选择性控制的主要目的是什么？
P262题8-在选择性控制中，为什么会产生积分饱和？如何防止积分饱和？。