第三章 过程控制仪表
过程控制系统与仪表习题答案 第三章
第3章习题与思考题3-1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？解答：1）控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。
2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。
3-2 双位控制规律是怎样的？有何优缺点？解答：1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。
2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。
这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。
3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。
3-3 比例控制为什么会产生余差？解答：产生余差的原因：比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系：yKep为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。
3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。
为什么积分控制能消除余差？解答：1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：⎰=edt T y 11 2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。
当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。
3-5 什么是积分时间？试述积分时间对控制过程的影响。
解答：1）⎰=edt T y 11 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。
只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
2） 在实际的控制器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上，T i =1／K i 。
显然，T i 越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。
3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA ，若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA ，某时刻，输入阶跃增加0.2mA ，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化为多少？解答： 由比例积分公式：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎰edt T e P y 111分析： 依题意：%1001==pK p ，即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋0.2； 稳态时：y 0＝5mA ，5min 后：mAedt T e P y y )7.05()52.0212.0(151110±=⨯⨯±±⨯+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎰ 3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？调整比例度时要注意什么问题？解答：P741）控制器的比例度P 越小，它的放大倍数p K 就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P 实现。
《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 ⎪ ⎩
第3章 过程控制仪表
过程控制系统与仪表 第3章
比例度P的物理意义： 使控制器输出变化100%时，所对应的偏差变 化相对量。如P=50%表明：
y
100%
P=50%
50%
P=100%
0
xmin
xr
xmax
x
控制器输入偏差 变化50% ，就可使控 制器输出变化100%， 若输入偏差变化超过 此量，则控制器输出 饱和，不再符合比例 关系。
a p = b e
p a e b
y KPe
如果e = 0，则活塞 无法提高，Q1 无法加 大，调节无法进行。
过程控制系统与仪表 第3章
比例控制过程 原来系统处于平衡， 进水量与出水量相等，此 时进水阀有一开度。 t=0时，出水量阶跃增 加，引起液位下降，浮球 下移带动进水阀开大。 当进水量增加到与出 水量相等时，系统重新平 衡，液位也不再变化。
y
t
T
T0
t
被控温度在T0 上下振荡，无法稳定。
过程控制系统与仪表 第3章
三位控制：
控制器有三个输出位值，可以控制两个继电器。
yma
x
y
三位控制器电路原理框图：
e1 e2 e
－ 给定1 测量信号 给定2 ∞ ＋ U01
ymin
＋
－
＋
∞
＋ U02
过程控制系统与仪表 第3章
例2：温度三位控制系统 温度低于T1时，温控器使继电器1、2都吸合， 加热器1、2都通电加热；温度高于T1低于T2时，温 控器使继电器1吸合、继电器2断开，只有加热器1通 电；温度高于T2时，继电器1、2都断开。
进水
出水 ～ 220V
过程控制系统与仪表 第3章
《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案
数
G0
(s)
=
H
(s)
Q1
(s)。
R1 q1
h
R2
R3
q2
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：
⎧⎪∆q1 ⎪
−
∆q2
=
C
d ∆h1 dt
(1)
⎪⎪∆q2
−
∆q3
=
C
d
∆h2 dt
(2)
⎪⎪⎨∆q2 ⎪
=
∆h R2
(3)
⎪ ⎪∆q3 ⎪
=
∆h2 R3
控制器的外形结构、面板布置、操作方式等保留了模拟调节器的特征。2、与模拟调节器相 比具有更丰富的运算控制功能。3、具有数据通信功能，便于系统扩展。4、可靠性高具有自 诊断功能，维护方便。
数字式控制器的硬件电路由主机电路，过程输入通道、过程输出通道、人/机联系部件、 通信部件等。
1-（9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执 行器有何特点？ 答：执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。
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。
LC
q1 LT
h
A
q2
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 q1 的流量达到液
=
⎛ ⎜⎜ C ⎝
d∆h dt
−
∆q1
+
2
∆h R2
过程控制系统与仪表习题答案第三章
第3章 习题与思考题3-1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？解答：1）控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。
2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。
3-2 双位控制规律是怎样的？有何优缺点？解答：1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。
2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。
这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。
3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。
3-3 比例控制为什么会产生余差？解答：产生余差的原因：比例控制器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系：e K y p =为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。
3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。
为什么积分控制能消除余差？解答：1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：⎰=edt T y 112）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。
当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。
3-5 什么是积分时间？试述积分时间对控制过程的影响。
解答：1）⎰=edt T y 11 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。
只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
2） 在实际的控制器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上，T i =1／K i 。
显然，T i 越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。
3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA ，若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA ，某时刻，输入阶跃增加0.2mA ，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化为多少？解答： 由比例积分公式：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎰edt T e P y 111分析： 依题意：%1001==pK p ，即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋0.2； 稳态时：y 0＝5mA ，5min 后：m Aedt T e P y y )7.05()52.0212.0(151110±=⨯⨯±±⨯+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎰ 3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？调整比例度时要注意什么问题？解答：P741）控制器的比例度P 越小，它的放大倍数p K 就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P 实现。
过程控制仪表第3章防爆安全栅.详解
构成安全火花防爆系统的二要素：
① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。 ② 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。
6
3. 本安自动化（安全火花）防爆系统的组成
它包括两部分：①安装在危险场所（现场）的本安电路； ②安装在非危险场所的非本安电路。
如图所示。为了防止非本安电路中过大能量进入危险场所的本安电路， 两者之间采用防爆安全栅。使整个系统具有本安防爆性能。
9
3.2 防爆安全栅原理
防爆安全栅，防止危险能量由安全场所进入危险场所， 不影响仪表正常工作，安放在安全场所的入（出）口处。 这样对安全场所的仪表不作防爆要求。
防爆安全栅的结构种类很多，有电阻式安全栅、中继放 大式安全栅、齐纳式安全栅、光电隔离式安全栅、变压器 隔离式安全栅等。 按用途分类： ①输入端用， ②输出端用。
第三章 防爆安全栅
3.1 防爆安全的基本概念
在生产现场存在各种易燃，易爆气体或蒸汽，或 者存在爆炸性粉尘，易燃纤维。它们与空气混合，具 有爆炸危险，其空间成为具有不同程度的爆炸危险场 所。 在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状 的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内 传播的混和物，称为爆炸性混合物。 爆炸性物质分为3类：Ⅰ类：矿井甲烷；Ⅱ类：爆 炸性气体、蒸汽；Ⅲ类：爆炸性粉尘、纤维。 含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。
17
2. 输出端用齐纳安全栅
齐纳安全栅在安全侧接调节器类仪表的输出。在危险侧的负载仪表 一般为电－气转换器或电动阀门定位器。 按调节器输出电路形式分为两种：①发射极输出，②集电极输出
（1）配发射极输出型调节器的齐纳安全栅
其电路和系统组成如图所示。发射极输出时，调节器（输出端一端 接地）与安全栅共地。需要单通道保护。二极管VD防止信号极性接反 时损坏安全栅（相当于齐纳二极管正向连接）。
过程控制及仪表ppt课件
第三章 变送器和转换器
②、整流滤波
振荡器的输出电压UAB经二极管 VD4整流以及经过电阻R8、R9和 电容C5滤波得到平滑的直流电压 信号，再送至功放级。
第三章 变送器和转换器
③、功率放大器
功率放大器由晶体管VT2、VT3和电阻R3、 R4、R5组成，如2-18所示。放大器采用 PNP-NPN互补型复合管，其目的一是提高电 流大系数；二是电平配置，使VT2的基级电平 与前级输出信号的电平相匹配。
A2
A1
任务原理：当电流Ii进入动圈后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的 磁力带动3饶5转动，挡板8接近喷嘴9，使其背压升高，功率放大后输出Po， Po送至6所产生向上的负反响力，Po同时送至正反响波纹管产生向上的正 反响力，以抵消一部分负反响的影响。因此不需求太大的力就可以到达平衡。
可知：零点迁移的方法调Z0
第三章 变送器和转换器
二、差压变送器
差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、等工艺量转换成一致 的规范信号，作为指示记录仪、调理器或计算机安装的输入信号，以实现对 上述变量的显示、记录或自动控制。
本节着重讨论普遍运用的力平衡式差压变送器。 〔一〕、概述
力平衡式差压变送器包括丈量部分、杠杆部分、位移检测放大器及电 磁反响机构。其构成方框图如下：
0 △ P上2
PA
ρ kPa
PB
h 4~20 mA I 0
h0
+P1△P P2
第三章 变送器和转换器
负迁移
PA
ρ0
丈量部分
ρ
0～2m h ρ0
4m
I
0
4~20 mA
PB
h1 调 节
1 m h0
I器
第3章--过程控制仪表(上).复习课程
3.1 过程控制仪表概述
过程仪表的定义及作用
过程控制仪表： 是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化 工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换 成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需 送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变 量达到预期的要求。
调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自 动调节。 注意：所谓控制器是包括比较单元的
3.1 过程控制仪表概述
1 调节器的功能
（1）偏差显示 调节器的输入电路接收测量信号和给定信号，两者相减后的偏差信
号由偏差显示仪表显示其大小和正负。 （2）输出显示
调节器输出信号的大小由输出显示仪表显示，习惯上显示仪表也称 阀位表。阀位表不仅显示调节阀的开度，而且通过它还可以观察到控制 系统受干扰影响后的调节过程。 （3）内、外给定的选择
K c 为调节器的比例增益，T I 为积分时间（以s或min为单位）， T D 为微分时间（也以s或min为单位）。
1 比例调节规律
比例控制数学表达式 ： u(t)Kce(t)
u(t)为调节器输出的增量值， e(t) 为被控参数与给定值之差。
纯比例调节器的阶跃响应特性
例：自力式液位比例控制系统：
如抗积分饱和、输出限幅、输入越限报警、偏差报警、软手动抗
漂移、停电对策等，所有这些附加功能都是为了进一步提高调节器的 控制性能
2 执行器的作用
执行器在过程控制中的作用是接受来自调节器的控制信号， 改变其阀门开度，从而达到控制介质流量的目的。执行器直接 与控制介质接触，是过程控制系统的最薄弱环节。
若执行器是采用电动式的，则无需电/气转换器；若执行器 是采用气动式的，则电/气转换器是必不可少的。
过程控制第三章 控制仪表
2-1 某一标尺为0~1000℃的温度计出厂前经校验得到如下数据：
0 标准表读数/℃
被校表读数/℃ 0
200 400 600 800 1000 201 402 604 806 1001
求：1）该表的最大绝对误差。 答案：6℃
2）该表的精度。 答案：基本误差6/1000=0.6%，精度等级1.0
u
1 P
e(t )
1 TI
t 0
e(t)dt
TD
de(t) dt
模拟式控制器
现场信号4～20mA 控制室信号1～5V 转换电阻250欧
调节器正作用：e=y - r 调节器反作用：e=r - y
无扰动切换
无扰
需调平衡
自动
软手动 硬手动
无扰
无扰
数字PID控制器 e
求：1）变差。 答案：变差0.12/10=1.2%
2）基本误差。 答案：变差0.06/10=0.6%
3）该表是否符合1级精度？ 答案：符合
2-6 试述热电偶的测温原理，工业上常用的测温热电偶有哪几 种？热电偶和仪表之间的接线，为什么要用补偿导线？
答案：两根不同的导体A、B组成闭合回路，当A、B相接的两个 接点温度不同时，则在回路中产生一个电动势，称为热电势。 通过测量热电势的大小就能够知道温度的高低。工业上的热 电偶有铂铑-铂、镍铬-镍硅、镍铬-康铜、铜-康铜等电偶。 只有热电偶的冷端温度不变，热电势才是被测温度的单一函 数关系。为降低冷端温度波动的影响，用与热电偶温度特性 相近的廉价导线对热电势加以补偿。
连续PID控制表达式
u(t)
1 P
e(t )
1 TI
过程控制仪表及控制系统课后习题答案
lxc第一章思考题与习题1－2 图为温度控制系统,试画出系统的框图,简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数;解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量;当电石加入时,内部温度上升,温度检测器检测温度变化与给定值比较,偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算,将控制作用于调节阀,调节冷水的流量,使乙炔发生器中的温度到达给定值;系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的,最终达到或消除或减小偏差的目的,偏差值是控制的依据;它是最常用、最基本的过程控制系统;2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的,扰动是控制的依据;由于没有被控量的反馈,所以是一种开环控制系统;由于是开环系统,无法检查控制效果,故不能单独应用;3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响,而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动,能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上,提高控制系统的控制质量;3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容它们的定义是什么哪些是静态指标哪些是动态质量指标答：1. 余差静态偏差e：余差是指系统过渡过程结束以后,被控参数新的稳定值y∞与给定值c之差;它是一个静态指标,对定值控制系统;希望余差越小越好;2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标,它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比,即：n ＜1系统是不稳定的,是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的,是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的,若n=4,系统为4：1的衰减振荡,是比较理想的; 衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统,最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差,它衡量被控参数偏离给定值的程度;5． 过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％ 根据系统要求范围内所需要的时间;它是反映系统过渡过程快慢的质量指标,t s 越小,过渡过程进行得越快;6．峰值时间tp : 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间,根据系统要求范围内所需要的时间;称为峰值时间tp ;它反映了系统响应的灵敏程度;静态指标是余差,动态时间为衰减比衰减率、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间;第二章 思考题与习题2－1 如图所示液位过程的输入量为Q1,流出量为Q2,Q3,液位h 为被控参数,C 为容量系数,并设R1、R2、R3均为线性液阻,要求：（1） 列出过程的微分方程组；（2） 求过程的传递函数W 0S ＝HS/Q 1S ； （3） 画出过程的方框图;解：1根据动态物料平衡关系,流入量＝流出量：过程的微分方程的增量形式：中间变量：B B n '=BB B '-=ϕdtdh )Q Q (Q 321=+-dthd C )Q Q (Q 321∆∆∆∆=+-22R h Q ∆∆=33R h Q ∆∆=消除中间变量：同除 R2+R3 得到：令：上式可写为：2Laplace 变换得到：传递函数:3 过程的方框图：2－2．如图所示：Q 1为过程的流入量,Q 2为流出流量,h 为液位高度,C 为容量系数,若以Q 1为过程的输入量,h 为输出量被控量,设R 1、R 2为线性液阻,求过程的传递函数 W 0S ＝HS/Q 1S;解：根据动态物料平衡关系,流入量＝流出量：过程的微分方程的增量形式：中间变量：传递函数：h )R R (dthd R CR Q R R 2332132∆∆∆++=hdthd R R R CR Q R R R R 323213232∆∆∆++=+3232R R R R R +=h dthd CRQ R 1∆∆∆+=)S (H )S (CRSH )S (RQ 1+=1RCS R)s (Q )s (H )s (W 10+==dthd C Q Q 21∆∆∆=-22R h Q ∆∆=h dthd CR Q R 212∆∆∆+=)S (H )S (SH CR )S (Q R 212+=1S CR R )s (Q )s (H )s (W 2210+==如果考虑管道长度l, 即出现纯时延,由于管道流量恒定,所以lQ =τ其传递函数为：其中：lQ =τ2－3．设矩形脉冲响应幅值为2 t/h ,脉冲宽度为△t ＝10min ,某温度过程的矩形脉冲响应记录数据如下： tmin 1 3 4 5 8 10 15 16．5 Y ℃ 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 36．0 37．5 tmin 20 25 30 40 50 60 70 80 Y ℃33．527．221．010．45．12．81．10．5（1） 将该脉冲矩形响应曲线转换成阶跃响应曲线； （2） 用一阶惯性环节求该温度对象的传递函数; 解：将脉冲响应转换成阶跃响应曲线,数据如下： tmin 1 3 4 5 8 10 15 16．5 Y ℃ 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 36．0 37．5 Y 1t 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 － － tmin 20 25 30 40 50 60 70 80 Y ℃ 33．5 27．2 21．0 10．4 5．1 2．8 1．1 0．5 Y 1t－绘出阶跃响应曲线如下：τS2210e1S CR R )s (Q )s (H )s (W -+==5.502101x )0(y )(y K 00==-∞=由图yt1＝∞ ,yt2＝∞处可得：t1=14min t2= t1/t2≈ 故二阶系统数字模型为 20)1TS (K )s (W +=根据经验公式有： 3.1016.22t t )s (T 210=⨯+=所有： 2200)1S 3.10(5.50)1TS (K )s (W +=+=2－5 某过程在阶跃扰动量Δu ＝20％,其液位过程阶跃响应数据见下表： t/s1020406080 10140180260300400500h/cm0．2 0．8 2．0 3．6 5．4 8．8 11．8 14．4 16．6 18．4 19．2（1） 画出液位h 的阶跃响应曲线 （2） 求液位过程的数学模型 解：方法一：图解法由图可以看出：过程应该用一阶加延时系统;1002.020x )0(y )(y K 00==-∞=从图中得到：τ＝40s, T ＝260－40＝220sS 40S00e 1S 220100e 1TS K )s (W --+=+=τ方法二：计算法：在图中取yt 1＝ y ∞ yt 2＝∞ yt 3＝ y ∞ yt 4＝ y ∞ 得t 1＝125s t 2 ＝140s t 3 ＝ 225s t 4 ＝260ss 150)t t (2T 231=-≈ s 55t t 2321=-≈τs 1688.0t t T 142=-≈s 572tt 3412=-≈τ 可见数据很接近,于是：s 1592T T T 210=+=s 562210=+=τττ 过程数学模型：S 56S 00e 1S 159100e 1TS K )s (W --+=+=τ2－6 某过程在阶跃扰动ΔI ＝作用下,其输出响应数据见下表： tmin 1234567891011… ∞ Y ℃4．0 4．0 4．2 4．8 5．1 5．4 5．7 5．8 5．85 5．9 6．0…6．0tmin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … ∞解：求出y ∞－yt 值如下表：根据表格在半对数纸上描绘出曲线1,曲线1作直线部分的延长线2,2线减去1线得到直线3;过程放大倍数 K 03.15.146x )0(y )(y K 00=-=-∞=根据直线2和直线3,与纵坐标、横坐标构成的两个三角形,可以求出时间参数T 1、T 2 ： 由A 1＝7,B 1＝ , t 1＝10s35.2)1.0lg 7(lg 303.2s10)B lg A (lg 303.2t T 1111=-=-=由 A 2＝5,B 2＝ t 2＝6s该过程的数学模型为：第三章 思考题与习题3－2 有一压力控制系统选用DDZ －Ⅲ压力变送器,其量程为0～200kPa;生产工艺要求被控Y ℃ 2．0 2．0 1．8 1．5 1．2 0．5 0．3 0．2 0．15 0．1 0 0)1s 53.1)(1s 35.2(3.1)1s T )(1s T (K )s (W 2100++=++=53.1)1.0lg 5(lg 303.2s6)B lg A (lg 303.2t T 2222=-=-=压力为150±2kPa,现将该变送器量程调整到100～200 kPa,求零点迁移前后该压力变送器的灵敏度;解： 零点迁移前灵敏度：零点迁移后灵敏度：3－4 某DDZ －Ⅲ直流毫伏变送器,其零点移到Vio ＝5mV ,零迁后的量程为DC10mV ,求该变送器输出I 0＝10mADC 时的输入是多少毫伏解：分析：零点迁移后5～10mV 对应输出为 4～20mA,如右图所示; 根据图的几何关系有：ab : ac ＝eb : dc88.11665dc eb ac ab ≈⨯=⋅=∴ I 0＝10mA 时,输入电压为： V in ＝5＋＝mVDC3－7.说明DDZ －Ⅲ热电偶温度变送器的冷端温度补偿原理;以A 和B 两种导体组成的热电偶产生的热电势与材料种类和接触点的温度有关;热电偶产生的热电势与被测温度T 具有单值函数关系;但是,其前提条件必须保持冷端温度T0 不变;热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关,而且还与冷端温度有关;实际使用中冷端暴露在仪表之外,受环境影响较大,因此必须进行冷端补偿温度校正热电偶冷端温度的补偿方法1补偿导线法延伸导线法：用与热电偶热电性质相同的臂长补偿导线或称延伸导线将热电偶的冷端延伸到温度保持恒定的地方;2冷端恒温法：将热电偶的冷端置于恒定温度的容器内或场合内;3冷端温度修正法计算校正法：kPa/mA 08.00200420K 1=--=kPa/mA 16.0100200420K 1=--=)t (e )t (e )t ,t (E 0AB AB 0-=4补偿电桥法：利用不平衡电桥产生相应的不平衡电势补偿由于热电偶冷端温度变化引起的测量误差;3－－Ⅲ温度变送器是如何使被测温读与输出信号I ;成线性关系的 简述热电偶温度变送器与热电阻温度的线性化原理;3－5 .DDZ －Ⅲ温度变送器测温范围为800～1200°C;选择哪一种测温元件较为合适当输出电流为DC16mA 时,被测温度是多少解：检测温度高于600℃,应选择热电偶测温元件;ab : ac ＝bd : ce3001612400ce bd ac ab ≈⨯=⋅=∴ I 0＝16mA 时,被测温度为： T ＝800＋300＝1100℃3－6 .DDZ-Ⅲ温度变送器测温范围为400～600°C;选择哪一种测温元件较为合理当温度从500°C 变化到550°C 时,输出电流变化多少解:：检测温度低于600℃,应选择铂电阻测温元件;温度变化50℃时,输出电流变化：ΔI ＝ mA/℃×50℃＝4 mA3－8 用标准孔板测量气体流量,给定设计参数p ＝,t ＝20°C;实际被测介质参数p 1＝,t 1＝30C;仪表显示流量Q ＝3800m³h,求被测介质实际流量大小;3－9 一只用水标定的浮子流量计,其满刻度值为1000m³/h,不锈钢浮子密度为cm³;现用来测量密度为cm³的乙醇流量,问浮子流量计的测量上限是多少解：设转子、水、被测液体的密度分别为ρ1、ρ0、ρ2, 由液体流量的修正公式,密度修正系数：℃/mA 08.0200600420K 1=--=根据修正系数求得,浮子流量计的测量上限是：Q 2max ＝K Q 0 max ＝×1000＝1200 m 3/h3－16 简述涡轮流量计的工作原理;某涡轮流量计的仪表常数K ＝次/L,当它测量流量时的输出频率为ƒ＝400Hz 时,求其瞬时体积流量为每小时多少立方米第四章 思考题与习题4－1 什么是正作用调节器和反作用调节器如何实现调节器的正反作用答：输入增加时,调节器输出也随之增加称为正作用调节器；输入增加时,调节器输出减小称为反作用调节器;在调节器输入级的输入端设有一个双向开关S 7,通过切换改变输入信号的极性来实现调节器的正反作用;4－3 如何测定DDZ －Ⅲ调节器的微分时间T D 和积分时间T I答：一、微分传递函数为：拉氏反变换得阶跃作用下的时间函数：当t ＝t0+时,当t ＝∞时, 由图有：实验得到曲线后,可以按图求取微分时间T D 二、积分传递函数：2.1720)10007920(1000)7207920()()(K 0101=--='-'-=ρρρρρρ)t (V )0(V 1O 02⋅=+α632.0)(V V )K T (V V 0202DD 0202=∞--)t (V e )1K (1K )t (V 1O t T KD D 02D D ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+⋅=-α)t (V K )0(V 1O D02⋅=+αS K T 1ST 1K )S (W DD D DPD ++⋅=αST K 11ST 11C C )S (W I I I M I PI ++⋅-=t ＝0时,t ＝∞时,t ＝T I 时：4－3 设DDZ －Ⅲ基型调节器的PID 参数的刻度值为δ＝,T I ＝30s,T D ＝20s;计算实际值δ、T I 和T D 之值;解：先计算F ： F ＝1＋T D /T I ＝1＋2/3＝ δ、T I 、T D 之实际值： δ＝δ/F ＝＝T I ＝T I /F ＝ T D ＝T D /F ＝4－5 数字式完全微分PID 控制规律与不完全微分PID 控制规律有说明区别哪种控制规律的应用更为普遍答： 完全微分型PID 算法的微分作用过于灵敏,微分作用持续时间短,容易引起控制系统振荡,降低控制品质;不完全微分是在PID 输出端串接一个一阶惯性环节,这样,在偏差变化较快时,微分作用不至于太强烈,且作用可保持一段时间;因此不完全微分PID 控制规律更为普遍; 4－64－9 某流体的最大流量为80 m 3/h ,改流体密度为×10－2g/cm 3,阀前后一压差为,试选择调节阀的公称直径和阀座直径;要求泄露量小 解：调节阀的流通能力C 为：h /m 12.101.01016.080P Q C 32=⨯==-∆ρ取 h /m 12C 3=查表得dg ＝32mm,Dg ＝32mm ;⋅-=02MI03V C C )0(V )t (V e )1K (K C C )t (V 2O t T K K I I M I 03II D ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+⋅-=-⋅-=∞02I MI03V K C C )(V ⋅-=∞02MI03V C C 2)(V第六章思考题与习题6－5 调节器的P、PI、PD、PID控制规律各有什么特点它们各用于什么场合答：比例控制规律适用于控制通道滞后较小,时间常数不太大,扰动幅度较小,负荷变化不大,控制质量要求不高,允许有余差的场合;如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等;比例积分控制规律引入积分作用能消除余差;适用于控制通道滞后小,负荷变化不太大,工艺上不允许有余差的场合,如流量或压力的控制;比例微分控制规律引入了微分,会有超前控制作用,能使系统的稳定性增加,最大偏差和余差减小,加快了控制过程,改善了控制质量;适用于过程容量滞后较大的场合;对于滞后很小和扰动作用频繁的系统,应尽可能避免使用微分作用;比例积分微分控制规律可以使系统获得较高的控制质量,它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合,如反应器、聚合釜的温度控制;6－7在某生产过程中,冷物料通过加热炉对其进行加热,热物料温度必须满足生产工艺要求,故设计图所示温度控制系统流程图,画出控制框图,指出被控过程、被控参数和控制参数;确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器控制规律及其正、反作用方式;解：系统方框图：被控过程为加热炉；被控参数是热物料的温度；控制参数为燃料的流量;加热炉的过程特性一般为二阶带时延特性,即过程为非线性特性;因此,调节阀流量特性选择对数特性调节阀;根据生产安全原则,当系统出现故障时应该停止输送燃料,调节阀应选用气开式;即无气时调节阀关闭;控制器的正反作用的选择应该在根据工艺要求,原则是：使整个回路构成负反馈系统;控制器的正、反作用判断关系为：控制器“±”·控制阀“±”·对象“±”＝“－”调节阀：气开式为“＋”,气关式为“－”；控制器：正作用为“＋”,反作用为“－”；被控对象：按工艺要求分析,通过控制阀的物量或能量增加时,被控制量也随之增加为“＋”；反之随之降低的为“－”；变送器一般视为正作用;根据安全要求,调节阀选气开式K v为正,温度变送器K m一般为正,当调节器增加时,温度值增加,故过程对象为正,为了保证闭环为负;所以调节器应为负作用;6－8 下图为液位控制系统原理图;生产工艺要求汽包水位一定必须稳定;画出控制系统框图,指出被控过程、被控参数和控制参数;确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器的控制规律及其正反作用方式;解：控制系统框图如下图所示;被控过程为汽包；被控参数是汽包的液位；控制参数为给水的流量;汽包的过程特性为一阶带时延特性,即过程为非线性特性;因此,调节阀流量特性选择对数特性调节阀;根据生产安全原则,当系统出现故障时应该停止输送燃料,调节阀应选用气关式;即无气时调节阀打开;保证在控制出现故障时,汽包不会干烧;调节阀：选择气关式调节阀,故K V为“－”；被控对象：按工艺要求分析,通过给水增加时,被控制参数的液位也会增加;所以K0为“＋”；变送器一般视为正作用;控制器的正、反作用判断关系为：控制器“”·控制阀“－” ·对象“＋”＝“－”根据判断关系式,调节器应为正作用;6-9 某过程控制通道作阶跃实验,输入信号Δu ＝50,其记录数据见表6－11 t/min 0 yt t/min yt1用一阶加纯时延近似该过程的传递函数,求K 0、T 0、和τ0值; 2用动态响应曲线法整定调节器的PI 参数取ρ＝1,φ＝; 解：1根据表6－11得到过程阶跃响应曲线：由图读得T 0＝ min τ0＝ min∴≤≤1根据动态特性整定公式有：T I ＝ T 0 ＝ min82.2502005.341x )0(y )(y K 00=-=-∞=S42.00e 1s 08.182.2)s (W -+=39.008.142.0T 00==τ81.06.0T 08.0T 6.20=+-⨯=ττρδ6－10 对某过程控制通道作一阶跃实验,输入阶跃信号Δμ＝5,阶跃响应记录数据如表所示; （1） 若过程利用一阶加纯时延环节来描述,试求K 0、T 0、τ0（2） 设系统采用PI 调节规律,按4：1衰减比,用反应曲线法整定调节器参数,求δ、T i ; 时间min 0510152025303540被控量y 0．650 0．651 0．652 0．668 0．735 0．817 0．881 0．979 1．075 时间min 455055606570758085被控量y1．151 1．213 1．239 1．262 1．311 1．329 1．338 1．350 1．351解：1求过程的传递函数,由表作图：从图中可以得到：τ＝25min ＝1500s ； T 0＝30min ＝1800s 采用一阶加时延系统则：将数值代入得：2 因为τ/ T 0 ＝1500/1800＝＜1 取φ＝的有自衡过程的整定公式：a ．比例系数δ：b ．积分时间常数T i ：T i ＝＝1440 s6－12 已知被控制过程的传递函数 ,其中T 0＝6s,τ 0＝3s;试用响应曲线法整定PI 、PD 调节器的参数；再用临界比例度法整定PI 调节器的参数设T K ＝10s,δK ＝；并将两种整定方法的PI 参数进行比较;S000e)s T 1(K )s (W τ-+=4.15.07.0x )0(y )(y K 00==-∞=S1500e )s 1801(4.1)s (W -+=24.148.06.26.083.015.083.06.26.0T 08.0T16.20≈⨯≈+-⨯=+-⋅=ττρδS0e )1s T (4.1)s (W τ-+=解：对有自衡能力的系统ρ＝1,T 0 / τ 0＝;采用特性参数法响应曲线法公式及PI 控制规律,有：T i ＝＝ s对PD 控制规律调节器,有T i ＝τ0＝ s采用临界比例度法,对PI 调节规律：T i ＝＝8,5 s两种整定方法得到的结果不同,比例度比较接近、T I 相差较大;在工程实践中应该应用不同的整定方法进行比较,选择控制效果最佳方案;第七章 思考题与习题7－2 在串级控制系统的设计中,副回路设计和副参数的选择应考虑哪几个原则答：副回路设计是选择一个合适的副变量,从而组成一个以副变量为被控变量的副回路;副回路设计应遵循的一些原则：1 副参数选择应该时间常数小,时延小、控制通道短的参数作为副回路的控制参数;当对象具有较大的纯时延时,应使所设计的副回路尽量少包括最好不包括纯时延;2 使系统中的主要干扰包含在副环内;在可能的情况下,使副环内包含更多一些干扰; 当对象具有非线性环节时,在设计时将副环内包含更多一些干扰;(3) 副回路应考虑到对象时间常数的匹配：T 01/T 02＝3～10,以防止“共振”发生; (4) 副回路设计应该考虑生产工艺的合理性 (5) 副回路设计应考虑经济原则;7－3 图为加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统;工艺要求一旦发生重大事故,立即切断原料的供应;（1） 画出控制系统的组成框图（2） 确定调节阀的流量特性气开、气关形式91.07.05.008.05.06.28.08.0P ≈+-⨯⨯==δδ88.02.2P ==δδ99.06.05.008.05.06.26.0T 08.0T 16.20≈+-⨯=+-⋅=ττρδ（3）确定主副调节器的控制规律及其正反作用方式解：1串级系统方框图如下：副回路选择加热炉炉膛温度控制,消除F1S干扰;2由于发生重大事故时立即切断燃料油的供应,从工艺的安全性考虑,调节阀选择气开式,保证无气时调节阀关闭;3主调节器选择PI或PID控制规律,副调节器选择P调节规律;由于燃料增加加热炉温度必然增加,所以过程为正;调节阀气开式为正,根据表7－4可知主副调节器都选择正作用方式;7－5 某温度－温度串级控制系统,主调节器采用PID控制规律,副调节器采用P控制规律;采用两步整定法整定主、副调节器的参数,按4：1衰减比测得δ1S＝,δ1S＝,T1S＝140s,T2S＝12s;求主、副调节器参数的整定值;解：按照4：1两步整定法经验公式：主调节器温度调节器：比例度δ1＝×δ1S＝×＝％积分时间常数T I＝×T1S＝42 s微分时间常数：TD＝×T1S＝14 s副调节器：比例度δ2＝δ2S＝50％7－8用蒸汽加热的贮槽加热器,进料量Q1稳定,而Q1的初始温度T1有较大波动,生产工艺要求槽内物料温度T恒定;Q2为下一工艺的负荷,要求Q2的温度为T;试设计一过程控制系统,并画出控制系统框图;解：应用前馈－反馈控制系统对冷物料进行前馈补偿 控制、对被控参数：出口热物料进行反馈控制;系统 控制流程图如下图所示;控制系统组成框图：其中 前馈补偿器传递函数)s (W )s (W )s (W 0f FF -=。
过程控制与自动化仪表(第3版) 第3章 思考题与习题
3） S 1 ~ S 2 为自动、软手动、硬手动联动切换开关。 （4）图 3‐1 所示输入电路的输入/输出关系为Vo 1 2(Vs Vi )，试问：推导这一关系 的假设条件有哪些？当输入导线电阻不可忽略时，还有上述关系吗？请证明你的结论。
图 3-1 输入电路图
答： 假设运算放大器是理想的即输入阻抗无穷大，T 点和 F 点同电位， VT V F 。 当输入导线电阻不可忽略时： 1 VF V01 VB Vi -VF 0 VF 2 （3-2） Rr Rr Rr 0-VT VS VT VT VB （3‐3） Rr Rr Rr
图 3-2 加法运算的实现过程
加法运算程序为 LD X 1 ；读取 X 1 数据 LD X 2 ；读取 X 2 数据 + ；对 X 1 、 X 2 求和 ST Y1 ；将结果存入 Y1 ； END ；运算结束 （9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气 动执行器有何特点？
q V A 0
2g (p1 p 2 ) r
（3-4）
式中， 为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查 A 阅或由实验确定； 0 为调节阀接管截面积； g 为重力加速度； r 为流体重度。 （15）什么是调节阀的流量特性？调节阀的理想流量特性有哪几种？它们各是怎样 定义的？调节阀的工作流量特性与阻力系数有关， 而阻力系数又是怎样定义的？它的大小 对流量特性有何影响？ 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。 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。 3）直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系。等百分 比流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系。 快开
过程控制第3章 控制仪表讲解
同相端：设 IC1 为理想运放，Ri→∞ ，开环增益A→∞,有
Vi VS
R5
R1
F －
R2
T +IC1
R3
R4
R6
VB
输入电路
I1 I2 I3 0
VT VS VT VT VB 0
Vo1
R2
R3
R6
R7
R2 R3 R6
R8
V
T
1 3
V
S
V
B
反相端：
I I I ' ' ' 0
3.1 调节器的调节规律
回忆：控制器作用
设定值 ＋ －
控制器
执行器 测量变送
扰动
被控对象
被控变量
广义对象
控制器作用：给出输出控制信号，以消除被控变量与给定值之间的偏差。 控制效果的好坏很大程度上决定于控制器的性能，也即控制规律的选择。
• 调节规律:指调节器的输出信号与输入偏差 信号随时间变化的规律。
传输方式：进出控制室的传输信号采用电流信号， 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号
1
2
单元组合式仪表(DDZ)
3
4
仪表按功能划分→独立标准单元→
5
组合（标准信号）
6 7
可编程调节器：
6
具有比传统模拟仪表更为丰富的运 算和控制功能，它可以提供多种软 件功能模块运算处理，由用户根据 生产控制的要求通过组态完成各种 和复杂控制。
R U /I U (s) R(s) I (s)
电容 C
IC C ＋ UC －
q 为电容中的电荷量
C q /UC
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
单 元 组 合 仪 表
过程控制
工艺介质 阀门
被控对象
被调变量
检测元件
执行单元
自动 测量值 变送单元
调节单元
手动 操作单元 给定单元 给定值 显示单元
用电动单元组合仪表组成的控制系统
过程控制
基地式控制仪表 相当于把单元组合仪表的几个单元组合在一起，构成一个仪表。 通常以指示、记录仪表为主体，附加控制、测量、给定等部件 而构成； 其控制信号输出一般为开关量，也可以是标准统一信号； 一个基地式仪表具有多种功能，与执行器联用或与变速器联用， 便可构成一个简单的控制系统； 性能价格比高，适用于单参数的控制系统。
过程控制
集散控制系统（DCS系统）：分散控制、集中管理
数据采集、处理及控制 由DCS系统的基本控制器（包括控
制卡、信号输入输出卡、电源等）构 控制站（下位机） 成 或由可编程序控制器PLC（包括 CPU、I/O、电源等模块）或带有微处 理器的数字式控制仪表构成
过程信息的集中显示、操作和管理 操作站（上位机） 由工业控制计算机、监视器、打印
一、概述 形象地称执行器为实现生产过程自动化的“手脚”
过程控制
作用：控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过 程参数的自动控制。
执行器安装在生产现场，直接与介质接触，常常在高压、高温 等恶劣的状况下工作，因此，它是控制系统的薄弱环节 直接影响过程控制系统的质量。
过程控制
控制器输出 p0,I0
相对于Tp ，Tm是较小的。但有例外：
过程控制
• 成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大； • 气动仪表的时间常数较电动仪表要大； • 采用保护套温度计检测温度要比直接与被测介质接触检测温
度有更大的时间常数。 应考虑时间常数随过程运行而变化的影响： • 保护套结垢，造成时间常数增大； • 保护套磨损，造成时间常数减小。
调节机构有单座、双座、偏心旋转、套筒、蝶阀等。
二、执行器结构
1、气动执行器
膜片
过程控制
气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。 p 执 行 机 构 调 节 机 构
平衡弹簧 阀杆 阀芯 阀座
典型的气动执行器的结构示意图
调节机构（控制阀体） 作用：是一个局部阻力可以变化的节流元件。
过程控制
流量方程
P p1 P2
过程控制
温度变送器 压力变送器 将各种被测参数变换成相 应的标准统一信号传送到 接收仪表或装置，以供显 示、记录或控制
变送单元
单 元 组 合 仪 表 转换单元
差压变送器 流量变送器 液位变送器 直流毫伏转换器 频率转换器 电－气转换器 气－电转换器
将电压、频率等电信 号转换成标准统一信 号，或者进行标准统 一信号之间的转换， 以使不同信号在同一 控制系统中使用
• 减小传输距离l；
• 选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度v；
二、对检测变送信号的处理
1、信号补偿
过程控制
热电偶检测温度时，由于产生的热电偶不仅与热端温度有 关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿； 热电阻到检测变送仪表之间的距离不同，连接导线的类型和规 格不同，导致线路电阻不同，因此需要进行线路电阻补偿； 气体流量检测时，由于检测点温度、压力与设计值不一致， 因此需要进行温度和压力的补偿； 精馏塔内介质成分与温度、塔压有关，正常操作时，塔压 保持恒定，可直接用温度进行控制；当塔压变化时，需要用塔 压对温度进行补偿。
机、鼠标、键盘、通信网卡等组成
过程通信网络
实现操作站与控制站的连接 提供与企业管理网络的连接
过程控制
现场总线控制系统（FCS系统） 现场控制和双向数字通信
将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现 现场控制
现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通信。
过程控制 二、信号制
信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和 数值。 气动仪表的信号标准：20kPa 100kPa 电动仪表的信号标准 ：420mADC
4、数学运算
过程控制
当检测信号与被控变量之间有一定的函数关系时，需要进行数 学运算获得实际的被控变量数值。
5、信号报警
如果检测变送信号超出工艺过程的运行范围，就要进行信号 报警和连锁处理。
6、数字变换
例如快速傅里叶变换、小波变换； 在计算机控制系统中，模数转换和数模转换时经常使用的。
3.3 执行器
过程控制 3、按结构形式分类
单元组合式仪表 基地式仪表 集散型计算机控制系统
现场总线控制系统
过程控制
单元组合式仪表： 根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表做 成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间 用统一的标准信号进行联系。 将各种单元进行不同组合，可以构成多种多样、适用于各种不 同场合需要的自动检测或控制系统。 有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两 大类。都经历了I型、II型(010mA) 、III型(420mA, 15v)的 三个发展阶段。
Q A
2
2
Q
A
2
(P 1P 2)
调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的变化而变 化。 改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而控制介质流量。
2、电动执行器
电动执行器也由执行机构和调节机构两部分组成。
过程控制
其中调节机构和气动执行器是通用的，不同的只是电动执行器 使用电动执行机构，即使用电动机等电的动力启闭调节阀。
过程控制
比例积分微分控制器 控制单元 单 元 组 合 仪 表 比例积分控制器 比例微分控制器 具有特种功能的控制器 加减器 运算单元 乘除器 开方器 指示仪 显示单元 指示记录仪 将变送单元的测 量信号与给定信 号比较，按偏差 给出控制信号， 去控制执行器
报警器
过程控制
输出统一标准信号，作为被控变量的给定值 给定单元 送到控制单元，实现定值控制。 给定单元的输出也可以供给其他仪表作为参 考基准值。 按控制器输出的 角行程电动执行器 控制信号和手动 执行单元 直线行程电动执行器 操作信号，改变 控制变量 气动薄膜调节阀 操作器：手动操作及手动/自动的切换作用 辅助单元 阻尼器：压力或流量等信号的平滑、阻尼 限幅器：限制信号的上、下限值 安全栅：将危险场所与非危险场所隔开，起 安全防爆作用
2、线性化
过程控制
硬件组成非线性环节进行线性化处理，例如采用开方器对 差压进行开方运算； 也可用软件实现线性化处理。
3、信号滤波
目的： 由于存在随机噪声，引起检测信号波动； 计算机控制时，由于信号是采样输入，因此，引入噪声
方法： 硬件滤波：RC电路、气阻气容等组成滤波线路 数字滤波：数字低通、高通、带通等滤波程序。算法有： 一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推平均滤波、程序判别滤波
3.1 总体概述
一、过程控制仪表的分类及特点
1、按能源形式分类
过程控制
可分为电动、气动、液动和机械式等几种。工业上普遍使用 电动控制仪表和气动控制仪表。
电动仪表 能源 传输信号 构成 接线 电源(220VAC，24VDC) 电信号(电流、电压或数字) 电子元器件 导线、印刷电路板
气动仪表 气源（140kPa） 气压信号 气动元件 导管、管路板
减小Tm的措施：
检测点位置的合理选择； 选用小惯性检测元件； 缩短气动管线长度，减小管径； 正确使用微分单元； 选用继动器或放大器等。
过程控制
对m的考虑 ( m = l / v ) ：
与Tm一起考虑，应使m / Tm小 通常在温度、过程成分的检测变送中要考虑 减小m的途径：
• 选择合适的检测点位置；
2、对检测变送单元的基本要求
迅速：及时反映被控或被测变量的变化； 可靠：能在环境工况下长期稳定运行。
过程控制
准确：检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；
3、选用时的基本考虑
首先考虑元件能否适应工业生产过程中的高低温、高压、腐蚀 性、粉尘和爆炸性环境，能否长期稳定运行； 仪表精度和量程的选择 选用仪表的精度要合适：应符合工业检测要求 仪表测量误差：仪表本身误差、环境工况引入的误差、动态误差 量程选择：量程的改变会引起最大读数误差变化和增益变化。
四、调节阀的流量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 max
l f( ) q max L
：相对流量，即调节阀某一开度时流量与全开流量之比
q
l ：相对开度，即调节阀某一开度行程与全开行程之比。 L
理想流量特性：在阀前后压差为一定的情况下（p=常数）得 到的流量特性。
最简单的电动执行器称为电磁阀
其它连续动作的电动执行器都使用电动机作动力元件，将
调节阀的信号转变为阀的开度 + 伺服电动机 伺服放大器 －
减速器
位置发生器
电动执行机构的构成框图
三、调节阀的气开和气关
1、执行机构与调节机构的组合
过程控制
气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关 气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开 从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用
考虑仪表和变送器的线性特性
4、动态特性
过程控制
Km Gm ( s ) e m s Tm s 1
对Km的考虑：
Km小，增大控制器的增益，有利于克服扰动对影响；
Km的线性度与整个闭环控制系统输入输出的线性度有关； 选择合适的测量范围可改变检测变送环节Km
对Tm的考虑： 作为广义对象的组成，应考虑与Tp和Tv的匹配，及增大最 大时间常数与次大时间常数之间的比值；
DDZII型电动仪表的信号标准 ： 010mADC