工业过程控制.doc

第一章：1.过程控制定义 ：所谓过程控制是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。2.通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫做工业生产过程。连续生产过程中自动控制系统的被控参数往往是温度、压力、流量、物位和成分等变量。3.球磨给矿过程控制示意图 球磨给矿过程控制方框图4.硫酸工艺流程压力控制方框图5.过程控制目的：目的：抑制外界扰动的影响，确保过程的稳定性，使生产过程的工况最优化。具体来说：保证质量；提高产量；节能降耗；安全运行；保护环境；改善劳动条件；提高管理水平等 。6.过程控制系统组成：1.被控过程，指运行中的多种多样的工艺生产设备；2.过程检测控制仪表，包括：测量变送；控制器、执行器。7. 被控参数（变量）y(t ) 控制（操纵）参数（变量）q(t) 扰动量f(t) 给定值r(t) 当前值z(t) 偏差e(t) 控制作用u(t) 8.过程控制的主要特点：被控过程形形色色；控制过程多属缓慢过程和参量控制形式；控制方案的多样性，有单回路（50%以上）、串级（20%以上）、前馈-反馈、比值、均匀、分程、选择性、时滞、数字和计算机过程控制系统等；定值控制是主要控制形式。9.过程控制系统的分类 ：按系统的结构特点来分 ：反馈控制系统 、前馈控制系统 、复合控制系统（前馈-反馈控制系统） 按给定值信号的特点来分：定值控制系统 、随动控制系统 反馈控制系统 ：偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。 前馈控制系统：扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。复合控制系统（前馈-反馈控制系统） ：充分发挥了前馈和反馈的各自优点。10.过程控制系统的性能评价：一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应能迅速、平稳、准确地达到或趋近给定值。过程控制系统性能的评价指标可概括为： 系统必须是稳定的（最重要、最基本的需求！）系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）； 系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。11.决定过程控制系统性能的因素：控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）；各组成环节特性：被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）；检测环节特性（非线性、间接测量）；执行环节特性（非线性）；控制器特性。当系统结构和上述三个环节都确定后，控制器特性是决定控制系统性能指标的唯一因素。这就是参数整定（Tuning）。12.性能指标的确定和分析方法：过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。需同时注意静态和动态性能指标。分析方法：1.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用；2.偏差积分性能指标，计算机仿真或理论分析时采用。13静态性能指标：稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标。指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差：一般要求稳态误差为零或越小越好。 .14动态性能指标：生产过程中干扰无时不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。描述系统动态指标主要包括：1.衰减比2.超调量3.过渡过程时间衰减比 ：衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标： 超调量与过渡过程时间：超调量：过渡过程时间ts指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值5%（或2%）的范围内所经历的时间。要求 、ts应越小越好。15.目前，在工业过程控制系统中，90以上还是采用PID控制算法！16目前，控制系统以分布式控制系统（DCS）、编程序控制器（PLC）为主。17过程控制的重要地位：过程控制可提高产量、节能降耗、安全生产、减少环境污染，对提高经济效益、社会效益和环境效益具有非常重要的意义。18.过程控制的主要任务：过程控制的主要任务是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效（高产、低耗）。作为过程控制的最基本目标是使生产过程克服一切扰动，安全（越限报警、联锁）并平稳地进行。 19.控制方案设计和控制器参数整定则是系统设计中的两个核心内容！20.工业生产过程的扰动作用使得生产过程不稳定，主要有：原材料的特性变化；产品质量与规格的变化；生产设备特性的漂移；装置与装置或工厂与工厂之间的关联等。. 第二章：1.检测仪表功能及组成 功能：用于确定被控变量的当前值。组成：1.传感器：检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，并发出与之相适应的电量或非电量信号 ，也称为一次仪表 。 2.变送器：将传感器送来的检测信号进行转换、放大、整形、滤波等处理后，调制成相应的标准信号，并输出给控制器采样或进行模拟、数字显示，也称为二次仪表 。有时也将传感器和变送电路统称为传感器。 2对传感器的三个要求：高准确性，传感器的输出信号与被测参数成严格的对应关系。高稳定性，不受时间或环境温度变化等因素的影响。 .高灵敏度，被测参数微小变化时，输出量变化明显。 3.过程检测仪表的接线方式： 电流二线制和四线制； 电阻三线制：若仅采用两根导线将热电阻接入电桥，将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差。为防止由于远距离接线而造成桥臂不平衡，工程中大量采用三线制：现场总线方式4.仪表的绝对误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。 相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比： 5.某换热器的温度控制系统方块图如图。系统的被控参数为出口物料温度，要求保持在（20020），控制参数为加热蒸汽的流量。说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。 说明Z、I、P的信号范围。 气动执行器的输入、输出各是什么物理量？ R为给定值，E为偏差（E=R-Z），Q为控制参数，C为被控参数，F为干扰。 Z的信号范围为420mA DC，I的信号范围也为420mA DC，P的信号范围为20100kPa。 气动执行器的输入信号为20100kPa的气压信号，输出信号为加热蒸汽的流量。 6.数字滤波即程序滤波，通过计算机软件（运算与判断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。 在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰。常用的数字滤波有如下几种：1.算术平均值滤波2.程序判断滤波3.中位值法滤波4.一阶惯性滤波 7.危险区分类类 别级别说 明一、气体和蒸汽爆炸危险环境0区 连续地出现爆炸性气体环境，或预计会长期出现或频繁出现爆炸性气体的环境区域1区 在正常操作时，预计会周期性地（或偶然的）出现爆炸性气体的环境区域，也可能是短时存在的环境区域2区 在正常操作时，预计不会出现爆炸性气体的环境，即使出现爆炸性气体，也只是短时间存在的场所二、粉尘爆炸危险环境10区 连续地出现爆炸性粉尘混合物，或预计会长期出现或频繁出现爆炸性粉尘混合物的环境区域11区 有时会将积留下的粉尘扬起而偶然形成爆炸性粉尘混合物的环境区域8.为了确保电子设备在危险场所安全使用，发展了多种防爆技术：隔爆型（ d）适用于1区和2区、 本安型（ i ）适用于0区、1区和2区。正压型（）、油浸型（）、充砂型（）。9防爆安全栅 ：分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种。齐纳式安全栅，通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用。隔离式安全栅，使用较多的是隔离变压器式安全栅。与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅具有如下突出优点：隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离。通用性强，可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地；隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强信号的抗干扰能力。10.华氏温标与摄氏温标之间的换算公式：.11.温度测量方法及测量元件：接触式和非接触式常用测量元件：热电偶、热电阻、半导体热敏电阻、集成温度传感器接触式测温：测温方法：膨胀式，基于物体受热体积膨胀性质；热电阻式，基于导体或半导体电阻随温度变化的性质；热电偶式，基于热电效应。特点：简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。 非接触式测温 测温方法：利用物体辐射能随温度变化的特性，如红外式测温。特点：不会破坏被测介质的温度场，测温上限原则上不受限制；可测运动体温度，如轧钢过程中钢板表面温度；易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。 12.热电偶冷端温度对被测温度的影响 只有当热电偶冷端温度T0保持不变时，热电势才是被测温度T的单值函数：E(T，0) =E(T，T0) + E(T0，0)所以，只有将冷端温度保持为0，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。该过程称为热电偶的冷端温度补偿。13.工业上冷端补偿常用方法：1冷端温度修正法包括：温度修正法T=T+kT(k为修正系数)；热电势修正法（软件查表法）2冷端温度自动补偿法，包括：冷端补偿电桥法、pn结补偿法若被测温度较高（1000 ），而冷端在室温范围，可以忽略冷端的影响，即无需补偿。14.热电阻的材料主要有铂、铜和镍半导体热敏电阻：包括正温度系数PTC、负温度系数NTC和临界温度电阻CTR 三类。连续测温中主要采用负温度系数NTC；而PTC和CTR一般用于制作位式作用温度开关。15.集成温度传感器：利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。特点：体积小；热惯性小、反应快；测温精度高；稳定性好；价格低等。分为电压型和电流型两种，电压型温度系数约10mV/；电流型温度系数约1A/。 16.热电偶、热电阻的选型： 根据工艺要求的测温范围和使用要求确定相应分度号的热电偶、热电阻。 优先选择一体化热电偶或热电阻温度变送器，直接输出标准信号。根据环境条件选用不同型式的接线盒。潮湿或露天场所选用防溅式、防水式；易燃易爆场合注意防爆。17.测温元件管道安装原则： 测量流动介质（管道内）温度时，应保证传感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状态（至少呈正交式）安装。 感温点应处于管道中流速最大的地方。 尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜插或在管道弯头处插入。 当测温管道过细（直径小于80）时，安装测温元件需加装扩充管。 18测温元件使用注意事项：热电偶或热电阻在安装时，应使其接线盒的面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。注意热电阻的三线制接线方式。注意热电偶的屏蔽接地方式：两端接地。19.压力的表示方式有三种：绝对压力Pa，物体所承受的实际压力，其零点为绝对真空。 表压力P，指高于大气压力时的绝对压力与大气压力之差。 真空度（负压） Ph，大气压力与低于大气压力时的绝对压力之差。 20.过程控制中压力检测常用方法：1.应变片式压力检测2.扩散硅压力传感器，使用最广其他方法：弹性式、液柱式等，多用于就地指示，不便远传。21.压力传感器的安装： 测点要选在前后有足够长的直管段上。取压管端面与管道连接处的内壁应平齐，不应有凸出物或毛刺。 引压导管不宜过长，一般不大于50m；引压导管不宜过细，一般采用内径为1015mm的无缝钢管。 测点与压力传感器之间应加装闸阀，以备检修压力传感器时使用，且应尽量靠近测点一侧。 22流量的基本概念：单位时间内流过管道横截面的流体数量，称为瞬时流量。 当流体的数量以体积表示时，称体积流量。过程控制中使用很多。当流体的数量以质量表示时，称质量流量。 在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称为总（流）量或累积流量。23.流量的测量方式：节流式流量计、电磁流量计、涡（涡街）流量计、其他流量计24.节流式流量计：基于节流变压降原理，由节流件、导压管及差压检测仪表组成。最常用的节流件：孔板、喷嘴及文丘利管。差压式流量计的流量基本方程式是根据流体力学中伯努力方程和流动连续性方程推导出来的。 25.伯努利方程： 流速为，密度为，静压力为p，则当流体充满水平管道流动时，其能量方程为：第一项为静压能，第二项为动压能（动能）。在同一管道的任一横截面上，流体动能及其静压能的总和不变。在一定条件下，这两种形式的能量可以在总能量不变的前提下相互转换。 26.流量与压差之间的关系： 流量与流体流过节流件前后所产生压差的平方根成正比例关系： 为流量系数； 为可膨胀性系数； 为节流件的开孔面积； 为流体密度； 为节流装置前后的压差。 27.电磁流量计及其原理：根据法拉第电磁感应定律制成，用来测量管道中导电性液体体积流量。电磁流量计的感应电势与流量成线性关系：电磁流量计的特点：电磁流量计的测量管道内无节流部件，具有如下特点：不堵塞，可测带颗粒、纤维等杂质的导电液体；维护方便，寿命长；没有测量滞后现象。电磁流量计的安装要求： 必须保证被测液体完全充满测量导管：在水平安装时，应低于管道；垂直安装时，液体流动方向应从下往上。 一般要求在变送器前后有长度为35倍管道直径的直管段；要求安装地点远离强磁场。 28旋涡（涡街）流量计： 利用流体自然振荡的原理：当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时，若该物体的几何尺寸适当，则在物体的后面，沿两条平等直线上产生整体排列、转向相反的涡列。涡列的个数，即涡街频率，和流体的速度成正比。通过测旋涡频率，就可知道流体的流速，从而测出流体的流量。 .29.物位测量： 浮力式、静压式、电容式、超声波式、雷达式等。 第三章：1. 执行器接受控制器输出的控制信号，转换成位移（直线或角位移）或速度，用于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。相当于控制系统的“手脚”。2.执行器的种类：调节阀、变频器3.执行器直接影响过程控制系统的控制质量（如调节阀的口径大小、流量特性、易堵、振荡等）。4.调节阀 ：由执行机构和调节机构（即阀体）两部分组成。执行机构分为三大类：气动、电动和液动。从本质上说，执行机构是一个位置伺服系统。不管执行机构如何，三类阀体可互换。 7.调节阀的工作机理：调节阀本质上是一个节流元件，通过改变阀芯行程从而改变调节阀的开度，达到控制流量的目的。行程的变化对流量的影响与阀门前后的压差、阀的开度（流通截面）、阀芯的流量特性有关。调节阀的流量特性：指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系： 相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比； 相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。 理想流量特性：调节阀前后压差不变时，得到的流量特性，它完全取决于阀芯的形状。理想流量特性有：1.直线2.等百分比3.抛物线4.快开调节阀的选择：调节阀的选择主要包括公称直径、流量特性和开关型式的选择。公称直径的选择主要考虑工艺管道的直径，满足工艺生产要求。流量特性的选择，目前均基于工程经验，不同的过程控制系统有相对成熟的选择经验供参考。 气开、气关选择。所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大；气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。 主要出于以下考虑：考虑事故状态时人身、工艺设备的安全；考虑在事故状态下减少经济损失，保证产品质量。8.变频控制方法有标量控制、矢量控制和直接转矩控制。9.常用的电力电子元件主要有普通晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、大功率晶体管GTR、绝缘栅晶体管IGBT、大功率MOS管Power MOSFET和门控晶闸管MCT。10.变频器与笼型电动机的结合是交流电动机调速系统的最佳选择。特点：较高的控制精度及较宽的调速范围；显著的节能效果；易于实现自动控制及远程控制等性能 。11.调节阀的选择：考虑安全防爆，注意气动和电动执行器的选择。考虑工艺介质，注意防堵（V形阀）。变频器的选择：注意变频器容量的选择标准是变频器额定电流大于电机工作电流，而不是功率大于电机功率。注意恒转矩负载和变转矩负载的不同性质，过程控制中一般都是变转矩负载（泵、风机）。变频调速器可以作为自动控制系统中的执行单元，也可以作为控制单元（自身带有PID控制器等）。12.执行器使用时注意的问题：调节阀：注意在电动方式下，不可手动旋转调节阀。变频器：注意对其他电子设备的干扰。注意扬程，调速时速度不能过低，应设有下限。6电动执行机构： 5.气动执行机构： 1波纹膜片；2压缩弹簧；3推杆；4调节件；5阀杆；6压板；7上阀盖；8阀体；9下阀盖；10阀座；11阀芯；12填料；13反馈连杆；14反馈凸轮；15气动放大器；16托板；17波纹管；18喷嘴；19挡板 第四章：被控过程1.被控过程的数学模型是指被控过程在输入（控制量或扰动量）作用下，其输出（被控量）随输入变化的定量数学函数关系。常用传递函数表示。2.被控过程特性：自衡过程与非自衡过程 ；单容和多容过程 ；振荡和非振荡过程 ；特殊特性过程，如严重的非线性、不稳定过程、反向特性过程等。自衡过程 ：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。称该类被控过程为自衡过程。非自衡过程：当扰动发生后，被控量不断变化，最后不再平衡下来，则该过程无自衡能力，称非自衡过程。被控过程都具有一定储存物料或能量的能力，其储存能力的大小称为容量。单容过程，是指只有一个储蓄容量的过程对象。若被控过程由多个容积构成，则称为多容过程。3.多数被控过程具有如下特性：1.被控参数的变化往往是不振荡的，单调的，有惯性；2.存在纯滞后。4.过程特性对控制性能的影响：放大系数K的影响；时间常数T的影响；纯滞后时间的影响。控制通道放大系数的影响：控制通道放大系数 愈大，表示控制作用愈强。但放大系数太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，难以保证闭环系统有足够的稳定裕度。扰动通道的放大系数 往往与扰动作用值 一起考虑。在对系统进行分析时，应该着重考虑（ ）乘积大的扰动，必要时应设法消除这种扰动。如采用前馈作用。时间常数T：时间常数一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的，反映被控变量变化快慢的一个动态参数。数值上等于当过程受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的63.2%所需时间。控制通道时间常数的影响：T0主要影响控制过程的快慢， 越大，则过渡过程越缓慢平稳，系统越易稳定。 如有多个时间常数，则最大的时间常数决定过程的快慢。时间常数拉得越开，则越接近一阶环节，系统越易稳定。纯滞后时间的影响： 的存在不利于控制。当 0.3时，系统较易控制， 0.5则需要复杂控制系统或特殊控制规律。单独讨论纯滞后时间是没有意义的。扰动通道的纯滞后 不影响系统的控制质量，仅使扰动的发生推迟而已。5.建立过程数学模型的目的 指导过程控制系统方案设计；系统调试和调节器参数整定； 指导工艺生产设备的设计；先进控制理论的应用和优化研究；系统仿真，操作员前期或离线培训等。6.过程数学模型的求取方法 1.机理建模法：根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡关系求取过程的数学模型。也称“白箱模型”。2.试验建模法：根据过程输入、输出数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。也称“黑箱模型”。3.混合建模法。 机理建模法的特点：设备在设计阶段就能建立模型，对新设备的研究和设计具有重要意义；适用于不允许进行试验的场合；要求建模者应有相应学科（物理、化学等）的知识；实际过程的机理一般难以全面了解，故适用于简单过程的建模；机理建模得到的模型必需得到试验验证。试验建模法的特点：无需了解被控过程复杂的内部机理；易于操作，工程上一般采用此法，主要有阶跃响应曲线法和矩形脉冲响应曲线法。需设计合理的试验，以获取最大的输入/输出信息量；但对不允许试验的工艺过程无能为力。7.机理建模的物料平衡关系：静态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）等于单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）。 动态物料（或能量）平衡关系：单位时间内进入被控过程的物料（或能量）减去单位时间内从被控过程流出的物料（或能量）等于被控过程内物料（或能量）存储量的变化率。第五章：常规过程控制策略1.控制器是硬件和软件的结合体，从硬件上来说，过程控制中最常用控制器有：可编程控制器（PLC）、数字调节器工控机（IPC）、集散控制系统（DCS）、从软件上体现的是各种过程控制策略。2.1.开关控制； 2.PID控制，即比例积分微分控制；3.先进过程控制（APC），3.开关控制：指通过执行器（如电磁阀）的全开或全关实现过程控制。适用于对被控量没有严格要求的场合，如要求被控量在一定范围内即可。4.PLC的特点：PLC最基本功能是DI/O控制，中高档PLC普遍带有AI/O功能。PLC在过程控制中约占控制器总量的80%以上，其广泛应用的最根本原因在于它的可靠性和编程方式。PLC的最大特点即是其高可靠性，基本免维护。PLC最基本的编程方式为梯形图（LAD）编程。5.比例积分微分（PID）控制： PID是过程控制中应用最广泛的控制规律，占控制规律总数的95%以上。6位置式与增量式控制算法比较： 从执行器形式来看，位置算法的输出需经过数模（D/A）转换电路，转变为模拟量，并经保持电路输出。增量算法的输出可采用脉冲式输出，通过步进电机等具有零阶保持特性的累积机构实施控制。 从软件编程上看，增量算式中不需要累加运算，增量只与最近几次采样值有关，编程方便。7.改进的PID控制算法：积分外反馈、积分分离技术、带有死区的算法、削弱积分作用技术 、微分先行技术、不完全微分技术8积分作用的不利影响：在启动阶段或具有设定值大幅度变化的时刻，在短时间内将存在很大的偏差，运算式中的积分项取值很大；在偏差长期存在的条件下，积分作用将使控制器输出会不断增加或减小，直到极限值。在消除偏差过程中，必然导致系统出现较大的超调及长时间的振荡，而且会产生严重的积分饱和现象，甚至损坏设备。9.模拟式PID算式 、数字式PID算式10.积分外反馈 、积分分离技术、带有死区的算法 削弱积分作用技术、 微分先行技术： 控制器采用PI规律，而将微分作用移到反馈回路上去；微分作用直接对被控量进行微分，对被控量的变化速度进行运算；在给定值变化频繁的情况下，优先选择微分先行控制方案。如随动控制。不完全微分技术： 在数字PID算法中，可以证明，对于阶跃输入，微分作用仅在第一次采样控制中起作用，且作用过强。 采用不完全微分算法可使微分作用更为持续平缓。11PID参数对系统动静态特性的影响 ：比例带过小，即比例放大系数过大时，比例控制作用很强，系统有可能产生振荡；积分时间过小时，积分控制作用很强，易引起振荡；微分时间过大时，微分控制作用过强，易产生振荡。12.控制器参数整定 整定是指确定控制器的比例带 、积分时间 、微分时间 和采样周期的具体数值。整定的实质是通过改变控制器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。整定方法：整定控制器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法：理论计算整定法有对数频率特性法、根轨迹法等；工程整定法有现场试凑法、临界比例度法和衰减曲线法等。 13.工程整定法特点：方法简单实用；计算简便；易于工程应用。14.采样周期的选择：采样周期的选择要受到多方面因素的影响，不同系统的采样周期应根据具体情况选择。通常按照过程特性与干扰大小适当选取采样周期：对于响应快（如流量、压力） 、波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成分）、滞后较大时，则可选取较长的采样周期。采样周期选择的注意事项：在控制器运算速度允许的条件下，采样周期越短，则控制品质越好：在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期将失去意义：当过程的纯滞后时间较长时，若采用“采样控制”，采样周期应略大于纯滞后时间，否则系统易出现振荡。 15.控制规律的选择：P：适用于干扰变化幅度小，对象滞后较小，控制质量要求不高，且系统允许有一定范围余差的场合；PI：适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合； PD：适用于被控对象容量较大的场合。对于信号有噪声或周期性干扰的系统不能采用微分作用； PID：适用于负荷变化和对象容量滞后都较大、纯滞后不太大且控制质量要求又较高的场合。16.控制器正反作用的选择：选择原则：闭环回路必须形成负反馈。正反作用方向，是指输入变化后，输出的变化方向：当输入增加时，输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入量增加时，输出减小，则称该环节为“反作用”方向。测量变送环节的作用方向一般都是“正”方向。 17.确定控制器的正/反作用方向：若广义对象为正作用，则控制器选择反作用方向；若广义对象为反作用，则控制器选择正作用方向。 控制器正反作用确定举例：1.调节阀正作用，则LC作用方向？答：调节阀正作用，则LC反作用；反之，调节阀反作用，则LC正作用。2.调节阀正作用，则LC作用方向？答：.调节阀正作用，则LC正作用；反之，调节阀反作用，则LC反作用。18.单回路控制系统设计举例： 第七章：串级控制系统1.串级控制系统的一般结构 串级控制系统的名词术语： 主被控参数：起主导作用的被控参数。 副被控参数：为稳定主参数而引入的中间辅助参数。主被控过程：由主被控参数作为输出的生产过程。副被控过程：由副被控参数作为输出的生产过程。主控制器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器。其输出作为副控制器的给定值。副控制器：按副被控参数的测量值与主控制器输出的偏差进行工作的控制器。其输出控制调节阀的动作。二次扰动：包括在副回路内的扰动。一次扰动：不包括在副回路内的扰动。2.串级控制系统的主要特点特点：减小了被控对象的等效时间常数；提高了系统工作频率；对负载变化（如非线性）具有一定的自适应能力。3.“共振”问题解决办法：若主、副回路的工作频率接近，彼此都落入对方的共振区，受扰时，主变量的变化会引起副变量振幅增加，而副变量的变化又会迫使主变量变化幅值增加。如此循环往复，使主、副变量长时间大幅度波动，造成系统剧烈振荡。为避免“共振” ，须将主、副回路的工作频率错开一定的距离。通常取 。4.主副控制器控制规律的选择 主控制器一般选PI或PID控制规律；副控制器一般选P或PI控制规律：5.串级控制系统的投运先副回路，后主回路；副回路或主回路投运步骤与单回路相同。无扰动切换。6.串级控制系统的整定 ：串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主控制器的输出变化即可。在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定方式。 7.整定步骤： 断开主回路，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副控制器的整定参数值。 闭合主回路，将副回路作为一个等效环节，按单回路整定方法，求取主控制器的整定参数值。8.串级控制系统的应用：主要应用场合：用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后； 用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动； 用于克服被控过程的非线性。 第八章：复杂过程控制1.所谓“前馈控制。”的基本思想：若无法控制此扰动，则测量它，且不等扰动影响到被控量就提前及时调节。2.前馈控制的一般结构 3.前馈控制：静态前馈、动态前馈、前馈-反馈复合控制系统4.时间滞后控制系统：Smith预估补偿方案、采样控制方案 5.前馈控制的必要条件“可测不可控” ：“可测”是指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能按受的信号。“不可控”是指这些扰动量不可以通过控制回路予以控制。 6.前馈控制与反馈控制的比较反馈控制前馈控制控制依据基于偏差来消除偏差。基于扰动来消除扰动对被控量的影响。控制作用发生时间总要等到引起被控量发生偏差后，控制器才动作，是一种“不及时”的控制。扰动发生后，前馈控制器“及时”动作。控制结构闭环控制。存在稳定性问题。开环控制。只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。校正范围可消除被包围在闭环内的一切扰动对被控量的影响。只对被前馈的扰动有校正作用，具有指定性补偿的局限性。控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。取决于过程扰动通道与控制通道特性之比。7.时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。时间滞后系统的控制是世界公认的控制难题。可考虑的方案：预估补偿方案；采样控制方案。8.Smith预估补偿方案思路：1.预先估计出被控过程动态数学模型；2.然后将所谓“预估器”并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿：力图将被延迟了时间0的被控量提前送入控制器，使控制器能提前动作。9.解耦控制系统：相对增益、对角矩阵解耦法、前馈补偿解耦法。所谓“耦合”是指不同的控制系统，控制参数与被控参数之间存在相互影响。常用解耦设计方法 ：1.适当选择变量配对，将大系统分解为若干相对独立的子系统。2.对角矩阵解耦法（含单位矩阵解耦法）。3.前馈补偿解耦法 ，是目前工业上应用最普遍的一种解耦方法。10.比值控制系统：单闭环比值控制、双闭环比值控制、变比值控制比值控制系统 。定义：两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统。 比值控制系统中，起主导作用的物料流量一般为主动量q1。随主动量变化的物料流量称为从动量q2。q2与q1保持一定的比值 根据工业生产过程的不同需求，有3种常用的比值控制方案：单闭环比值控制；双闭环比值控制；变比值控制。单闭环或双闭环比值控制中，比值系数固定不变；而变比值控制中，比值系数可变。单闭环比值控制： 从动量q2是一个闭环控制系统；主动量q1开环， Wc1(s)=k； q2 的给定是k q1 ，故从动量又是一个随动控制系统。特点：结构简单，可克服作用于从动量回路中的扰动，应用于主动量可测不可控场合。双闭环比值控制：由一个定值控制的主动量回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组成。特点：实现主动量定值控制，使总物料量稳定。可克服主动量和从动量的扰动，适用于要求负荷变化平稳的场合，但控制稍复杂。变比值控制 ：不管是单闭环或双闭环比值控制系统，其控制的目的就是要保证两种物料流量的比值固定不变。变比值控制中，比值只是手段，而不是最终目的。变比值控制系统通过控制流量比值，来实现第三参数的稳定不变。本质上是一个以第三参数为主参数、以流量比为副参数的串级控制系统。第三参数往往是产品质量指标。11.让控制量流量小幅变化，使被控量液位保持在允许的范围内即可。将液位、流量的控制统一在一个控制系统中，即所谓“均匀控制”。均匀控制的特点：均匀控制与定值控制在控制结构上没有任何区别，其区别在于控制目的不同。在定值控制系统中，为了保持被控量为定值，控制量可作较大幅度变化，控制作用很“强”。 均匀控制中，控制量和被控量同样重要，控制目的要使它们在一定的范围内都缓慢而均匀地变化。为实现均匀控制，其控制器参数比例度和积分时间TI都比定值控制系统大得多，即控制作用很“弱”。 12工艺控制中，有些参数在正常工况下不会超限，不考虑对它施加控制或采取非常控制手段；而在非正常工况下，该参数会达到极限值，此时要求采取强有力的控制手段，避免超限，即所谓“超弛控制”。超弛控制属于极限控制，一般基于生产安全角度，如要求温度、压力、物位不能越限等等。又称选择性控制、取代控制或软保护控制。 13.硬保护和软保护 硬保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始报警，这时需设法排除故障，若没能及时排除故障，则当参数达到高高限或低低限时，系统经联锁装置动作，自动停车。 软保护是指当参数达到高限或低限时，系统开始改变控制方式，以参数脱离极限值作为当前控制的第一指标，此时的控制方式一般会使控制质量有所降低，但可维持生产继续进行，避免停车（因为停车往往会造成较大的经济损失）。14分程控制中，一个控制器的输出被分割成不同的控制段，分别控制不同的调节阀。分程控制目的：1.扩大控制阀的可调范围，以改善控制品质（一般采用两阀气开或两阀气关式）。2.为了满足工艺操作的特殊需要（一般采用气开气关式或气关气开式） 。3.用作安全生产的防护措施（一般采用气开气关式或气关气开式） 。15间歇反应器的分程控制：工作原理：按要求配比原料，放入反应器，开始时温度达不到反应要求，需通蒸汽加热，诱发化学反应；达到反应温度并开始反应后，会产生大量反应热，需及时移走热量，否则会因温度过高而发生危险。16.阀位控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性基础上发展起来的一种控制系统。主调节回路具有良好的动态品质；主调节阀的阀位信号作为被控参数，VPC的设定值对应主调节阀的较小开度（如10%）。通过参数整定，可保证主调节阀在系统稳定时处于较小开度。.第九章：计算机过程控制系统1.计算机过程控制系统：集散控制系统（DCS）系统、基于PLC的监督控制与采集（PLC-SCADA）系统、现场总线（Field Bus）技术2.过程计算机控制系统的特点 ：控制器采用控制计算机（包括数字调节器、IPC、PLC、DCS等），不再是模拟调节器。与一般个人电脑PC相比，特点：可靠性高；对计算机速度和精度要求相对较低；输入/输出等外围设备完善；实时响应性好；中断系统完善。3.计算机过程控制系统的应用型式 ：1.巡回检测与数据处理 2.直接数字控制（DDC） 3.监督控制（SCC）4.集散控制系统（DCS）4.DCS的设计思想是“控制分散、管理集中”。5.组态功能 ：硬件配置组态； 数据库组态；控制回路组态； 显示画面组态；报表生成组态，等等。6.所谓现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、执行器等）与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输等特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。7.现场总线实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成 ，特点：现场设备已成为以微处理器为核心的数字化设备，彼此通过传输媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）以总线拓扑相连；摒弃了DCS中的I/O控制站，将这一级功能分配给通信网络完成；分散的功能模块，便于系统维护、管理与扩展，提高可靠性；开放式互连结构，既可与同层网络相连，也可通过网络互连设备与控制级网络或管理信息级网络相连；互操作性，在遵守同一通信协议的前提下，可将不同厂家的现场设备产品统一组态。现场总线控制系统（FCS）集散控制系统（DCS）系统8.现场总线控制系统主要优点 增强了现场级信息集成能力 ；开放式、互操作性、互换性、可集成性 ；系统可靠性高、可维护性好 ；降低了系统及工程成本。 0.1答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。0.2答：敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。传感器：能感受规定的被测量并按照一定规 律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。信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。变送器：能输出标准信号的传感器。1.8答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。1.9答：传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。1.10答：人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。2.3答：金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘结剂、引线。分为金属丝式和箔式。 其主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性3.1答：种类：自感式、涡流式、差动式、变压式、压磁式、感应同步器 原理：自感、互感、涡流、压磁3.3答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。3.4答：原因是改变了空气隙长度改善方法是让初始空气隙距离尽量小，同时灵敏度的非线性也将增加，这样的话最好使用差动式传感器，其灵敏度增加非线性减少。3.7答：应用场合有低频透射涡流测厚仪，探伤，描述转轴运动轨迹轨迹仪。3.8答：压磁效应：某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变的现象。只有在一定条件下压磁效应才有单位特性，但不是线性关系。 应变效应：导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比。4.2答：原理：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=S/D 式中为两个极板间介质的介电常数，S为两个极板对有效面积，D为两个极板间的距离。由此式知，改变电容C的方法有三：其一为改变介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变各极板间的距离，而得到的电参数的输出为电容值的增量 这就组成了电容式传感器。类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。电容传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等4.3答：可选用差分式电容压力传感器，通过测量筒内水的重力，来控制注水数量。或者选用应变片式液径传感器。4.4答：优点：a温度稳定性好 b结构简单、适应性强c动响应好缺点：a可以实现非接触测量，具有平均效应b输出阻抗高、负载能力差c寄生电容影响大输出特性非线性：电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。4.7答：工作原理：假设传感器处于初始状态，即且A点为高电平，即Ua=U; 而B点为低电平，即Ub=0差分脉冲调宽型电路的特点就在于它的线性变换特性。5.1答：磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号，不宜于高频动态信号检测；其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。磁电式传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、转速。5.2答：霍尔组件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。温度补偿方法：a分流电阻法： 适用于恒流源供给控制电流的情况。 b电桥补偿法 5.3答：一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh。这种现象称为霍尔效应。霍尔组件多用N型半导体材料，且比较薄。霍尔式传感器转换效率较低，受温度影响大，但其结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围（输出电势变化）大、无触点，使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。 6.1答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料结构和应用特点：r在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。6.2答：如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露，无法进行测量。所以压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量。6.3答：石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。所谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，而电畴在极化电场除去后基本保持不变，留下了很强的剩余极化。当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化老化，铁电体老化将使压电效应减弱。6.4答：基本考虑点是如何