过程控制系统与仪表考试整理

过程控制系统与仪表第一章1过程控制系统主要任务：对生产过程中的有关参数（温度压力流量物位等）进行控制使其保持恒定或按一定规律变化在保证产品质量和生产安全的前提下使连续生产过程自动进行下去2特点：1）控制对象复杂控制要求多样2）检测方案丰富3）控制多属于慢过程控制4）定值控制是过程控制的一种主要形式5）过程控制系统由规范化的过程检测仪表组成过程控制分类方法1按设定值的形式不同划分1）定值控制系统2）随动控制系统3）过程控制系统2按系统地结构特点分1）反馈控制系统2）前馈控制系统3）前馈反馈复合控制系统稳态：对于定值控制当控制系统输入不变时整个系统若能达到一种平衡状态系统各个组成环节暂时不动作它们的输入输出信号都处于相对静止状态就是稳态动态：从外部扰动出现平衡状态遭到破坏自动控制装置开始动作到整个系统又建立新的稳态调节过程结束的这一段时间整个系统的各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中叫动态控制系统的过度过程：系统从原来的平衡状态经过动态过程达到新的平衡状态的动态历程稳定过渡过程：不稳定过渡过程系统的控制作用能否使被控参数回到原来的设定值用阶跃输入分析过渡过程外部扰动阶跃变化时被控参数响应曲线与设定阶跃变化时的特征是相同的通常采用设定值阶跃变化时被控参数响应的典型曲线来定义控制系统的单项性能指标主要有衰减比超调量与最大动态偏差静差调节时间震荡频率等第二章计算题会选择仪表精度思考与练习题2-3某压力表的测量范围为0～10MPa，精度等级为1.0级。试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa时，标准压力计上读数为5.08MPa，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？解答：1）基本误差=100%最大绝对误差∆max＝0.01×10＝0.1MPa2）校验点为5MPa时的基本误差：%8.0%10010508.50.8％1％，所以符合1.0级表。2-4为什么测量仪表的测量范围要根据被测量的大小来选取选择一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题？2-5有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为1)1.0级，0～250mA2）2.5级，0～75mA现要测量50mA的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？解答：分析它们的最大误差：1）∆max＝250×1％＝2.5mA；%5%100505.22）∆max＝75×2.5％＝1.875mA；%75.3%10050875.1选择2.5级，0～75mA的表。第三章控制仪表的作用：将被控变量的测量值与给定值相比较根据比较的结果（偏差）进行一定的数学运算并将运算结果以一定的信号形式送往执行器以实现对被控变量的自动控制比例控制：为实现适当控制控制器的输出应当根据偏差的大小连续变化使控制伐的开度也连续变化这样就有可能获得与对象复合相适应的操纵量从而使被控变量趋于稳定能够达到平衡此模式为连续控制比例控制为最基本的连续控制模式比例积分控制：当有偏差存在时输出的信号将随时间增大或减小当偏差为零时输出停止保持在某一值上所以积分控制组成的系统可以达到无余差比例微分控制：特点是能起到超前控制作用即按照偏差变化的速度控制能在偏差很小时提前增大控制作用微分控制必须和比例控制组合作用比例积分微分控制：特点是达到快速控制消除余差DDZ-3型PID运算电路组成输入电路给定电路PID运算电路自动与手动切换电路输出电路指示电路3-11结构框图DDZ-3调节器通过切换开关S1可以选择自动调节“A”软手动操作“M”硬手动操作“H”A.M切换A.H切换无扰M.H切换无扰第四章执行器作用执行器是自动控制的操作环节其作用是根据控制器送来的控制信号改变所操作介质的大小将被控量维持在要求的数值上气动调节伐的结构气动调节伐是由气压控制的阀门一般还配有辅助装置如阀门定位器提高阀门开度定位的准确性手轮机构当控制信号因故障中断时其可直接操纵控制伐维持正常生产气动调节伐结构与分类结构有1执行机构当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时阀杆向下移动的叫做正作用执行机构反之为反作用执行机构2调节机构阀芯在阀体内移动改变阀芯与阀座之间的流通面积介质流量也相应改变当阀杆下移阀芯与阀座流通面积减小的称为正作用式若阀芯倒装面积增大为反作用式调节伐的流量特性指流过阀门的流体相对流量和阀门的相对开度间的关系公式1阀门的固有流量特性在调节伐前后压差固定的情况下得出的流量特性其取决于阀芯的形状特性分为1）直线流量特性调节伐的相对流量与相对开度呈直线关系直线伐的放大系数在任何一点都是相同的但其对流量的控制每一点都是不同直线伐在流量小时流量变化相对直大流量大时相对值小阀门在小开度是控制作用强大开度时控制作用弱2）等百分比流量特性调节伐的放大系数随相对流量的增大而增大在不同的行程处流量变化的相对值都是相等的百分数在大小开度时控制能力不变3）快开特性开度小时流量变化迅速随开度增大流量很快达到最大值023631175582调节伐的工作流量特性实际的工艺装置上调节伐由于和其他阀门设备管道串联阀门两端的压力随流量的变化而变化此时的特性叫工作流量特性阀组比S=表示存在管道阻力的情况下阀门全开时阀门前后的最小压差占总压力的比值S越小流量特性的变形程度越大一般不低于0.33调节伐气开式无压力信号时伐全开随着压力信号增大阀门逐渐减小的气动调节阀气关式无压力信号时全闭随着信号增大阀门逐渐开大的气动调节伐4调节伐口径的选择C=流通能力压差流体密度最大流量5使用电气转换器气动调节阀能运用于易燃易爆环境的优点还不能被电动调节阀取代为了使气动调节阀能接受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信号转化成20-100kpa的标准气压信号6阀门定位器气压推力受到的阻力还有阀体和阀杆处的填料对阀杆的摩擦力和阀门内流体对阀芯的作用力这些力大小不确定会影响执行机构与输入信号之间的定位关系使执行机构产出回环特性严重是造成调节系统震荡思考题与习题4-1气动调节伐主要由哪两部分组成各有什么作用解答：1）执行机构和调节机构。2）执行机构的作用：按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作；调节机构的作用：由阀芯在阀体内的移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而改变被控介质的流量。4-3为什么说双座伐产生的不平衡比单座阀小4-4什么叫调节伐的理想流量特性和工作流量特性常用的调节阀理想流量特性有哪些解答：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。工作流量特性：在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为工作流量特性。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4-7什么是串联管道中的阀组比SS值的变化为什么使理想流量特性发生畸变解答：1）阀阻比：用阀阻比oTppS/min表示存在管道阻力的情况下，阀门全开时，阀门前后的最小压差minTp占总压力po的比值。2）在S＜1时，由于串联管道阻力的影响，使阀门开大时流量达不到预期的值，也就是阀的可调范围变小。随着S值的减小，直线特性渐渐区于快开特性，等百分比特性渐渐趋近于直线特性。4-9如图所示蒸汽的加热器对物料进行加热为保证控制系统发生故障时加热器的耐热材料不被烧毁式确定蒸汽管道上的气开关形式4-10为什么合理选择调节阀的口径也就是合理确定调节阀的流通能力C很重要第五章1被控过程的数学模型描述被控过程在输入作用下其状态和输出的数学表达式2建立被控过程数学模型的方法1）机理法根据生产过程中实际发生变化的机理写出相关的平衡方程必须对生产过程的机理充分了解最大优点就是能在没有系统设备之前就能得到被控过程的数学模型2）测试法用测试法建模时可以在不十分清楚内部机理的情况下把被研究对象视为一个黑匣子完全通过外部特性来描述他的性能3单容过程建模求其传递函数画结构框图4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回复平衡的特性5容量滞后多容过程对于扰动的响应在时间上的延迟6纯滞后在生产过程中经常遇到除容量滞后外由传输延迟引起的滞后7怎样得到可靠的阶跃响应曲线1）合理的选择阶跃输入信号的幅度2）试验是被控过程应处于相对稳定工况3）要仔细记录阶跃曲线的起始部分4）多次测试消除非线性5）8为什么要用矩形脉冲法测定被控过程的阶跃响应曲线阶跃响应曲线直接测定法简单易行但是当扰动输入信号幅度较大较长时间存在时被控参数变化幅度可能超出允许范围而影响生产过程可能造成产品质量问题或者安全问题为了能够施加比较大的扰动幅度而又不至于严重干扰产生可用矩形脉冲输入代替阶跃输入测出被控过程的矩形脉冲响应曲线再根据此曲线求出阶跃响应曲线思考题与习题5-1什么是被控过程的数学模型解答：被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。5-2建立被控过程的数学模型的目的是什么过程控制对数学模型有什么要求解答：1）目的：○1设计过程控制系统及整定控制参数；○2指导生产工艺及其设备的设计与操作；○3对被控过程进行仿真研究；○4培训运行操作人员；○5工业过程的故障检测与诊断。2）要求：总的原则一是尽量简单，二是正确可靠。阶次一般不高于三阶，大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式。5-3建立被控过些数学模型的方法有哪些各有什么要求和局限性5-4什么是流入量什么是流出量它们与控制系统的输入输出有什么区别和联系解答：1）流入量：把被控过程看作一个独立的隔离体，从外部流入被控过程的物质或能量流量称为流入量。流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。2）区别与联系：控制系统的输入量：控制变量和扰动变量。控制系统的输出变量：系统的被控参数。5-5机理法建模一般试用什么场合解答：P128对被控过程的工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换有密切关系。5-6什么是自衡特性具有自衡特性的被控过程系统框图有什么特点解答：1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。2）被控过程输出对扰动存在负反馈。5-7什么是单容过程多容过程解答：1）单容：只有一个储蓄容量。2）多容：有一个以上储蓄容量。5-8什么是过程的滞后特性滞后有哪几种产生的原因是什么解答：1）滞后特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后。2）容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后。纯滞后：在生产过程中还经常遇到由（物料、能量、信号）传输延迟引起的纯滞后。5-9对如图所示的液位过程输入量为Q1流出量为Q2，Q3液位h为被控参数水箱截面为A并设R1，R2为线性液阻1）列出液位过程的微分方程组2）画出液位过程框图3）求出传递函数H(S)/Q1(S)并写出放大倍数K和时间常数T的表达式（1）3322321RhQRhQdthdAQQQ（2）框图（3）3232321)()(RRsRARRRsQsH5-10以Q1为输入h2为输出写出图5-10串联双容液位过程的微分方程组并求出传递函数H2(S)/Q1(S)1）方程组：323232222121121RhQdthdAQQRhRhQdthdAQQ2）传递函数：3122122131121)()()(sTTTsTTRsQsH式中：3112322211,,RATRATRAT第六章1单控系统指由一个测量单元及变送器一个控制器一个调节伐和一个被控过程组成的并只对一个被控参数进行控制的但闭环反馈控制系统特点结构简单投资少易于调整操作维护方便又能满足多数工业生产的控制要求应用广泛2工程控制系统方案要求安全性稳定性经济性3控制通道时间常数对品质的影响4被控参数的选择必须根据工艺要求深入分析生产过程找出对产品的产量和质量安全生活经济运行环境保护节能降耗等具有决定性作用能较好反映生产工艺变化的参数作为被控参数选择