过程控制与自动化仪表知识点

过程控制系统由被控过程和自动化仪表两部分组成。自动化仪表按能源形式分为：液动、气动和电动。按信号类型分为：模拟式和数字式。模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号与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0.02〜0.1MPa的模拟气压信号。按照国际电工委员会规定，过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mADC,负载电阻为250Q；模拟直流电压信号为广5VDC。DDZ-III型电动单元组合仪表就是这种信号标准。气动仪表与电动仪表的能量供给分别来自于气源和电源。过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。引用误差计算公式：y=*'x1°°%（其中△为最大绝对误差，等于实maxmin测值x减真值x的最大差值，即△=x-x，x与乂为测量表的上下限值）a almaxmin精确度及其等级：最大引用误差去掉“土”与“％”。例：±5%的精度等级为0.5。热电阻在500°C以下的中、低温度适合作测温元件（理解公式R（t）=R°1+a（t-t°）］，其中R（t）为被测温度t时的电阻值；R。为参考温度t。时的电阻值，通常t°=0C，a为正温度系数）；金属热电阻适用于-200C〜500C；热敏电阻为-50~30°0C。热电阻接线有二线制、三线制、四线制三种接法，其中三线制可利用电桥平衡原理消去导线电阻。热敏电阻由于互换性较差，非线性严重，且测温范围在-50〜300C左右，所以通常较多用于家电和汽车的温度检测和控制。由于热电偶具有测温精度高、在小范围内线性度与稳定性好、测温范围宽、响应时间快等优点，因此在工业生产过程中应用广泛。当温度高于2000C时热电偶不能长期工作，需采用非接触式测温方法。当被测为运动物体时，采用非接触式测温方法。体积流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：q=fudA=成4累积：Q=「qdtvA v°v质量流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：qm=pqv累积：Qm=pQv（P为流量密度）标准状态下的体积流量：q=q/p=qp/p（P为标准状态下气体密度）vnmnvnn典型流量检测仪表有容积式流量计、速度式流量计、直接式质量流量计。红外式气体检测仪缺点：①不能保证被测组分的含量与电容量一定存在线性关系；②它不能用于对双原子分子气体（如氧气、氯气等）和单原子分子气体（如氩气等）的检测；③一台仪表只能检测一种被测气体的成分。氧气成分检测常用的检测方法有热磁式、电化学式等。

与被测量程调整是指在零点不变的情况下将检测仪表的输出信号上限值y与被测max参数的上限值xmax相对应。常将调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等称为过程控制仪表。调节器由控制单元和指示单元组成，控制单元包括输入电路、PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元包括输入信号指示电路和给定信号指示电路。DDZ-III型调节器的自动、软、硬手动的切换过程中只有软手动切换至硬手动需平衡后切换才能实现无扰动切换。过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道。前者主要由多路模拟开关、采样/保持器和A/D转换器等组成；过程输出通道包括模拟量输出通道和开关量输出通道。过程的数学模型可分为静态数学模型和动态数学模型。被控过程的数学模型，依照过程特性的不同而有所不同，一般可分为有自衡特性与无自衡特性、单容特性与多容特性、振荡与非振荡特性的等。对于二阶惯性环节，若t1/t2=0.32时应用一阶环节，若等于0.46时为二阶环节当系统瞬态响应曲线达到中=0.75〜0.9的衰减率时，对应衰减比为4:1〜10:1。简答计算：安全火花型防爆系统必须具备两个条件：一是现场仪表必须设计成安全火花型；二是现场仪表与非危险场所（包括控制室）之间必须经过安全栅，以便对送往现场的电压电流进行严格的限制，从而保证进入现场的电功率在安全范围之内。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。如图所示是一类简单锅炉汽包水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？口）某-标定为的温度计出厂前经校验，名点的测量结果值如下;被校表读数/寸100150200250300500500标准表读数1021492042562364034956061＞试求该仗表的最大绝对误差.2＞确定该惧表的精度等级.3）经过一段时间后，仪表的最大绝对误差为士g问此时仪表的藉度等破为零少？Q1）取占二|坯-孔冲的最大值，汁尊可知最太绝对误差等于侦口2） 仪表引用误差为=土燎大绝对阴差x1网％=+—-—xiaf＞%=±L2%P符合1.5龈精此1最程 600-LOT3） 仪表引用误差f，=±最大绝对谡差x|帅％=土一-——?符合U级精度，4 虽程 600-1003、设计题口）用分度号为K的镣错-镣硅热电偶测量泪度*在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为此时冷端温度为5QS试问：实际温度是多少？如果的端温度不变，使冷端温度为20笆时.此时显示仪表指示值应为多少？Q:1）查K分度表.知6帅七对应的热电势为24.90如V,由题意rtf知这热电势是由焦端温度为tt,冷湍温度为刘也的K热电偶产生的，叩E“,5D）=M力02mV,又查K表知E措化。）-2M2m\.A的,。）・£（^50）4-£00,0）-24*992+2^22-26*924niV,再查K表得t约为648r?oN）£心却）=£（人舛」&以比U6mV,再查K表，与25.126mV热电始对应的温度为厂 炎8,805.NTC、PTC、CTR型热敏电阻的温度特性曲线及各自特点：NTC型热敏电阻常用于测量较宽范围内连续变化的温度，尤其是测量低温时，其灵敏度更高；而PTC型热敏电阻是在某个温度段内其阻值随温度上升而急剧上升;CTR型热敏电阻是在某个温度段内其阻值随温度上升而急剧下降。因此它们一般只能作为位时温度检测元件使用。热电偶测温为何进行冷端温度补偿？补偿方法有哪些？补偿导线可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，此外，由国家标准规定的热电偶分度表通常是在冷端温度t0=0°c时制定的。当to不为零且经常变化时，仍会产生测量误差。为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可进行冷端温度校正。冷端温度校正的常用方法有查表校正法和电桥补偿法。DDZ-m差压变送器两种情况：左图中，输入变送器的差压为：Ap=p1-p2=pgh+pgh1，可见，当h=0时，Ap=pgh1丰0，变送器的输出大于4mADC信号。为了使h=0,时变送器的输出仍为4mADC信号，需要通过零点迁移达到上诉目的。由于pgh1>0，所以称为正迁移。右图中，设隔离液的密度p>p，则差压变送器测得的差压为：1Ap=p-p=pgh+pg（h-h），式中，pg（h-h）<0，所以需要进行负迁移。1 2 1 1 2 1 1 2调节器的作用是将变送器送来的1~5VDC测量信号，与1~5VDC的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，实现对过程控制参数的自动控制。三种理想流量特性的数学关系及应用特点：①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，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数；②对数（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；③快开流量特性是指在小开度时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快达到最大（成反比）。在过程控制系统中，为什么要使用电/气转换器？简述其工作原理。1） 用途：为了使气动阀能够接收电动调节器的输出信号，必须使用电/气转换器把调节器输出的标准电流信换为20〜100kPa的标准气压信号。2） 原理：由电动调节器送来得电流1通入线圈，该线圈能在永久磁铁的气隙中自由上下移动。当输入电流I增大时，线圈与磁铁间产生的吸力增大，使杠杆作逆时针方向转动，并带动安装在杠杆上的挡板靠近喷嘴，使喷嘴挡板机构的背压升高，并经气动功率放大器的放大后，输出20〜l00kPa的气压信号p，完成电/气转换。在过程控制中，为什么要使用阀门定位器？它的作用是什么？阀门定位器采用了深度负反馈，因而能克服阀杆上的摩擦力，消除流体不平衡力的影响，改善了执行器的静特性；此外，由于它使用了气动功率放大器，增强了供气能力，加快了执行机构的动作速度，改善了执行器的动态特性；第三，还可通过改变反馈凸轮的形状，使调节阀的线性、对数、快开流量特性互换，以适应控制系统不同的控制要求。如图，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事故状态下，为保护加热器设备安全，即耐热材料不被损坏，现在蒸汽管道上有一只气动执行器，试确定其气开、气关形式，并画出由PID调节器构成的控制系统结构框图。答：调节器选气开型。当控制信号中断时，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。14.阶跃响应曲线法试验注意事项：①试验测试前，被控过程应处于相对稳定的工作状态，否则会使被控过程的其他变化与试验所得的阶跃响应混淆在一起而影响辨识结果；②在相同条件下应重复多做几次试验，以便能从几次试验结果中选取比较接近的两个响应曲线作为分析依据，以减少随机干扰的影响；③分别作正、反方向的阶跃输入信号进行试验，并将两次实验结果进行比较，以衡量过程的非线性程度；④每完成一次试验后，应将被控过程恢复到原来的工况并稳定一段时间再做第二次试验；⑤输入的阶跃幅度不能过大，以免对生产的正常进行产生不利影响。但也不能过小，以防其他干扰影响的比重相对较大而影响试验结果。阶跃变化的幅值一般取正常输入信号最大幅值的10%左右。〔5）某水槽水位盼跋响应的试验记录为〔t/801(16。网100ISO200li/ium09.S183345556978S695-198其中阶跌扰动量m为稳态值的u画出水位的阶跃响应标幺值曲线° 若该水位对象用一阶惧性坏节近似，试确定其增益K袒时间常数RQ：1）防跃响应标幺=—-图路。»-阶惯性环节传速函数；=-西一，又侦=10%%—户9.8,放大系数K=断=竺=戚玷十I Am9.8•被控参数的选取原则：①对于具体的生产过程，应尽可能选取对产品质量和产量、安全生产、经济运行以及环境保护等具有决定性作用的、可直接进行测试的工艺参数作为被控参数；②当难以用直接参数作为被控参数时，应选取与直接参数有单值函数关系的所谓间接参数作为被控参数；③当采用间接参数时，该参数对产品质量应具有足够高的控制灵敏度，否则难以保证对产品质量的控制效果；④被控参数的选取还应考虑工艺上的合理性和所用测量仪表的性能、价格、售后服务等因素。

控制参数的确定：①选择结果应使控制通道的静态增益K尽可能大，时间常数T选择适当；②控制通道的纯滞后时间t应尽可能小，t0与T的比值一般应小了0.3。当比值大于0.3时，则需采取特殊措施，否则难以满足控制要求。③干扰通道的静态增益K应尽可能小；时间常数T应尽可能大，其个数尽可能多；扰动进入系统的位置尺可能远离被控参数而靠近调节阀。调节规律的选择：当广义控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分调节；当工艺容许有静差时，应选用PD调节；当工艺要求无静差时，应选用PID调节，如温度、成分、pH值等控制过程属于此类范畴。三种工程整定方法的特点、比较：特点：a）反应曲线法是一种开环整定方法，是得到被控过程的典型参数之后，再对调节器参数进行整定的；b）临界比例度法是一种闭环整定方法，不需测试动态特征，方便简洁，使用方便；c）衰减曲线法与临界比例度法类似，都是依赖系统在某种运行状况下的特征信息对调节器进行参数整定的，无需单据被控的数学模型，但不同的是无需出现等幅振荡过程。比较：①反应曲线法的适应性较广，并为调节器参数的最佳整定提供了可能；与其他两种方法相比，所受试验条件的限制也较少，通用性较强。②临界比例度法和衰减曲线法都是闭环试验整定方法，其优点是无需掌握被控过程的数学模型。但是，这两种方法也都有一定的缺点，如临界比例度法对生产工艺过程不能反复做振荡试验、对比例调节是本质稳定的被控系统并不适用；而衰减曲线法在做衰减比较大的试验时、观测数据很难准确确定，对于过程变化较快的系统也不宜采用。③从减少干扰对试验信息的影响考虑，衰减曲线法和临界比例度法都要优于反应曲线法。比例控制对控制质量有什么影响？1） 比例调节是一种有差调节，当调节器采用比例调节规律时，不可避免的会使系统存在稳态误差2） 比例调节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，就要减小比例度，需要增大调节器比例增益k3） 比例调节不适用于给定的值随时间变化的系统4） 增大比例调节的增益k，不仅可以减小系统的稳定误差，而且还可以加快系统的响应速度。试确定题图中各系统调节器的正反作用方式。设燃料调节阀为气开式，给水调节阀为气关式。- 解：（a）对加热调节控制系统，依题意采用气开式，当偏差越大，输出控制量越大，（即e*「"I A静/——u/——阀气开）而阀打开，燃料才加亡U 大，通常应关闭，则输出为反作用。（b）对给水阀调节器系统，已知给水阀为气关$ 式，水位低，输出需u越小，水位高，输出需u越大，增小流量，阀开度增小，即调节器为u越大，增小流量，阀开度增小，即调节器为正作用，如图（b）。已知对象控制通道阶跃响应曲线数据如下表所表示，调节量阶跃变化为△u=50。时间tnin00.20.40.6U.S1.01.2被调毫200.L2D1.1204.0227.0251.0280.0302.5时间tniti14-1.61&202.22.4被调量318.&32-?.5336.0339.J>40.5340.6用一阶惯性环节加纯迟延近似对象，求出K0、T0和t值。应用动态特性参数法选择PID调节器参数。答： (1) K0=誓) T°=ln[1-y(r：i直[1-y(t)]TOC\o"1-5"\h\z01 0 2tln[1-y(t)]-1ln[1-y(t)]T= 0—1 1 0—2—ln[1-y(t)]-ln[1-y(t)]01 02PTPT0T=3.3t223.2TH某混枝系统束用气动调节器控倒•液位变送善童程为：0~]0山溯了"液位力由霎垫到100/m时，变送■器送出气压由0,02必到0』杯％L当倜节保揄出气压虫化半二0.02*(7时、测捍液值变化见&5TG.2|如旋心■文送曜量强维为“力保才寺丧峨卑中不查，应此竞调节蚪哪个*既丫2|如旋心■文送曜量强维为“力保才寺丧峨卑中不查，应此竞调节蚪哪个*既丫k何笙(瑙允.径也诚,,」、)?39/(100—0)

0.02/(0.1-0.02)=1.561_1K0=1.565=11—=1.1x1.56x重=0.572PT0 150T=3.3t=3.3x50=165s1(2)液位变送器量程较小，由公式K=Ay/ymax-ymin，此时y减小，△)不变，0A./日一日 max对象增益K放大1倍，相应P缩小1倍。此时查表得到的6应加大。0液枝变化购t!s010网40拥801001仙18&25。3的3■r站伽000.525913.522加3639…39

例4-1某单容液位过程如图所示。该过程中，储罐中的液位高度h为被控参数，流入储罐的