過程控制系統(tǒng)--復習總結(jié)

1、過程控制系統(tǒng)知識點總結(jié)一、概論1、過程控制概念：五大參數(shù)。過程控制的定義：工業(yè)中的過程控制是指以 溫度、壓力、流量、液位和成分 等工藝參數(shù)作為被控變 量的自動控制。2、簡單控制系統(tǒng)框圖?？刂苾x表的定義：接收檢測儀表的測量信號，控制生產(chǎn)過程正常進行的儀表。主要包括：控制器、 變送器、運算器、執(zhí)行器等，以及新型控制儀表及裝置?？刂苾x表的作用：對檢測儀表的信號進行運算、處理，發(fā)出控制信號，對生產(chǎn)過程進行控制。3、能將控制流程圖（工程圖、工程設計圖冊）轉(zhuǎn)化成控制系統(tǒng)框圖第-個字母：參數(shù)類型T - 溫度(Temperature)P壓力(Pressure)L -物位（Level）F -流量（Flow）W

2、-重量(Weight)第二個字母：功能符號T - 變送器(transmitter)C - 控制器(Controller)I 指示器（Indicator）R -記錄儀（Recorder）A -報警器（Alarm ）4、DDZ-川型儀表的電壓信號制，電流信號制。 QDZ-IH型儀表的信號制。它們之間聯(lián)用要采用電氣轉(zhuǎn)換 器。5、電信號的傳輸方式，各自特點。電壓傳輸特點：1）.某臺儀表故障時基本不影響其它儀表；2）.有公共接地點；3）.傳輸過程有電壓損耗，故電壓信號不適宜遠傳。電流信號的特點：1）.某臺儀表出故障時，影響其他儀表；2）.無公共地點。若要實現(xiàn)儀表各自的接地點，則應在儀表輸入、輸出端采取直

3、流隔離措施。6、變送器有四線制和二線制之分。區(qū)別。1、四線制：電源與信號分別傳送，對電流信號的零點及元件的功耗無嚴格要求。2、兩線制：節(jié)省電纜及安裝費用，有利于防爆?；盍泓c，兩條線既是信號線又是電源線。7、本安防爆系統(tǒng)的2個條件。1、在危險場所使用本質(zhì)安全型防爆儀表。2、在控制室儀表與危險場所儀表之間設置安全柵，以限 制流入危險場所的能量。8安全柵的作用、種類。安全柵的作用：1、安全柵作為本安儀表的關聯(lián)設備，可用于傳輸信號。2、控制流入危險場所的能量在爆炸性氣體或混合物的點火能量以下, 以確保系統(tǒng)的本安防爆性能。安全柵的種類：齊納式安全柵、隔離式安全柵二、基型調(diào)節(jié)器1、基型調(diào)節(jié)器組成：控制單元

4、和指示單元?；驼{(diào)節(jié)器控制單元構(gòu)成?；涂刂破饔址Q基型調(diào)節(jié)器，對來自變送器的1-5V直流電壓信號與給定值相比較所產(chǎn)生的偏差進行PID運算，輸出4-20mA （DC）直流控制信號。控制單元：輸入電路（偏差差動和電平移動電路）、PID運算電路（由PD與PI運算電路串聯(lián)）、輸出電 路（電壓、電流轉(zhuǎn)換電路）以及硬、軟手操電路；指示單元：測量信號指示電路、設定信號指示電路。2、測量信號、內(nèi)給定信號范圍；外給定信號范圍。測量和內(nèi)給定信號：15V（DC）;外給定信號：420mA直流電流。（它經(jīng)過250Q精密電阻轉(zhuǎn)換成15V直流電壓）3、輸入電路、輸出電路的作用。輸入電路作用：1）.信號綜合。將（Ui-Us）

5、后放大兩倍反相以Uoi輸出，即Uoi= -2（Ui-Us）。2）.電平轉(zhuǎn)換。將以0V為基準的輸入信號轉(zhuǎn)換為以 Ub （10V）為基準的輸出信號U1。 電平轉(zhuǎn)換的目的：使運算放大器工作在允許的共模輸入電壓范圍內(nèi)。輸出電路作用：把PID輸出 Uo3 （以UB為基準）轉(zhuǎn)換成4-20mA.DC輸出。實現(xiàn)電壓一電流轉(zhuǎn)換。4、放大系數(shù)和比例度。比例度比例度的一般表達式：；max - ；min輸入的相對變化100%y輸出的相對變化ymax 一 ymin式中:-max 一 - min-偏差變化范圍；y max 一 y min輸出信號變化范圍。在單兀組合儀表中，；max - ；min二ymax ymin。此時比

6、例度 可表示為：1100%Kp即與Kp成反比，愈小，Kp愈大，比例作用就越強 。5、基型調(diào)節(jié)器PD電路的階躍響應曲線形狀；比例分量；t=TD/KD時的微分分量；微分時間。 作用：對Uo1進行PD運算，可設置T d、 Kp （或比例度）。T d為微分時間；Kp為比例系數(shù)。圖PD電路階躍痢應特性比例系數(shù)：丄Kd微分時間：Td=nRoCD 調(diào)整Rp （：）和Rd 可改變比例度和微分時間。微分作用：快速的調(diào)節(jié)作用，超前作用。6、基型調(diào)節(jié)器PI電路的階躍響應曲線形狀；比例分量：Kc=CI/CM; t=TI時的積分分量；積分時圖網(wǎng)更電蹈加響應特性間。7、積分飽和。解決積分飽和辦法：1）對控制器的輸出加以限

7、幅，使其不超過額定的最大值或最小值；2）限制積分電容兩端的充電電壓；3）切除積分作用。8、微分時間對微分作用的影響，積分時間對積分作用的影響。微分時間越小，微分作用越強；積分時間越大，積分作用越強。9、軟手操電路和硬手操電路。軟手動操作電路是積分電路。硬手動操作電路是比例電路。作業(yè)2-4某P控制器的輸入信號是 4mA20mA，輸出信號為1V5V，當比例度S =60%時，輸入變化 0.6mA所引起的輸出變化是多少？解：根據(jù)比例度的公式：x、，乂噺go%y max ymin得=x 10.61=y( y max - ymin )(5 1) - 0.25Vxmax - xmin 20 - 4602-7

8、某PID控制器(正作用)輸入、輸出信號均為 4mA20mA,控制器的初始值li=lo=4mA , S =200% , Ti=TD=2min, Kd=10。在t=0時輸入/ Ii=2mA的階躍信號，分別求取 t=12s時：PI工況下 的輸出值；PD工況下的輸出值。解：PI工況下1 1P 分量=KP Ij Ii2=1mAd200%Ti時：P分量=I分量；則Ti時，PI分量=2mATi=2 x 60=120sPI直線過（0, 1）和（120, 2）兩點則t=12s時的輸出變化量為：Io =1 12丄D1.1mA120-0t=12s 時的輸出為 Io=初值 + 二1 =4+1.1=5.1mAPD工況下

9、1 1P 分量= KpLlj I i2 =1mA6200%P 分量= I i 二 1mA 解得=5Kd2 60=12slITd則t=12s時的輸出變化量為：1 0.368- =Ii P分量K D10 _1t=12s 時的輸出為：lo=初值Io = 4 0.3685 2 8.312mA10三、變送器1、變送器的結(jié)構(gòu)。變送器的作用。構(gòu)成原理：變送器是基于負反饋原理工作的，其構(gòu)成原理如圖所示，它包括測量部分(既輸入轉(zhuǎn)換部分)、放大器和反饋部分。變送器和轉(zhuǎn)換器的 作用是分別將各種工藝變量(如溫度、壓力、流量、液位)和電信號(如電壓、電 流、頻率、氣壓信號等)轉(zhuǎn)換成相應的統(tǒng)一標準信號，以供顯示、記錄和控

10、制之用。2、變送器的輸入輸出關系。y=K(z +z_Zf) = K(Cx + Zo_Fy)3、量程調(diào)整的目的；零點調(diào)整/遷移。使變送器的輸出信號下限值ymin與測量范圍的下限值Xmin相對應，在Xmin=0時，稱為零點調(diào)整，在 Xmin工0時，稱為零點遷移。零點調(diào)整使變送器的測量起始點為零。零點遷移是把測量的起始點由零遷移 到某一數(shù)值。4、差壓變送器的作用；差動變壓器的作用。差壓變送器是將液體、氣體或蒸汽的壓力、流量、液位等工藝變量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號，作為指 示記錄儀、調(diào)節(jié)器或計算機裝置的輸入信號，以實現(xiàn)對上述變量的顯示、記錄或自動控制。差動變壓器是由檢測片(銜鐵)、上、下罐形磁芯和四組線圈

11、構(gòu)成。其作用是將檢測片的位移s轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號UCD。國曠14追動空壓醤頁湮國K2-1S基剪哦壓醫(yī)的堵構(gòu)5、 溫度變送器的品種、結(jié)構(gòu)(量程單元和放大單元)；四線制溫度變送器的特點。 各類變送器分為三個品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。四線制溫度變送器有如下特點：(1) 主放大器為低漂移、高增益的運算放大器，使儀表具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。(2) 在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度呈 線性關系，便于指示和記錄。(3) 變送器的輸入、輸出之間具有隔離變壓器，采用了安全隔離變壓器，并采用了安全火花防爆 措施，故具有良好的抗干擾性

12、能，且能測量來自危險場所的直流毫伏或溫度信號。6、熱電偶溫度變送器以及熱電阻溫度變送器的量程單元。7、氣動儀表的基本元件。由氣阻、氣容、彈性元件、噴嘴-擋板機構(gòu)和功率放大器等基本元件組成。8、彈性元件、噴嘴擋板機構(gòu)、電氣轉(zhuǎn)換器彈性元件作用：將壓差轉(zhuǎn)換成位移，在儀器的連接處產(chǎn)生一定的操作力 噴嘴擋板機構(gòu)作用：將微小的位移轉(zhuǎn)換成相應的壓力信號。 電/氣轉(zhuǎn)換器工作原理是基于力矩平衡原理工作的。四、運算器和執(zhí)行器1開方器應用場合、作用。開方器主要應用在流量測量與控制系統(tǒng)中，開方器對差壓變送器的輸出信號進行開方運算，從而得 到與被測流量成比例關系的電壓或電流信號。2、執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)、分類。執(zhí)行器分為兩部分

13、：執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。氣動執(zhí)行器L f Q電動執(zhí)行器Iif LfQ f直行程（直線位移）角行程（角位移） （兩者減速器不同） 液動執(zhí)行器3、角行程電動執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。4、標準氣壓信號范圍（20kPa-100kPa）,氣源信號（140kPa）。5、氣動執(zhí)行機構(gòu)的種類。氣動執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種， 常見的氣動執(zhí)行機構(gòu)均屬薄膜式。 薄膜式特點為：結(jié)構(gòu)簡單、 動作可靠、維修方便、價格低，但輸出行程較小，只能直接帶動閥桿。6、調(diào)節(jié)閥的正反作用、正裝閥/反裝閥、氣開/氣關。19正裝閥I反裝閥正裝閥反裝閥7、氣開閥/氣關閥的選擇原則。調(diào)節(jié)閥氣開、氣關閥選擇，主要根據(jù)工藝生產(chǎn)的需要和安全要求來決定的；原

14、則是當信號壓力中斷 時，應能確保工藝設備和生產(chǎn)的安全。如果閥門處于全開位置安全性高，貝U應選用氣關閥，反之，則應 選用氣開閥。8、閥門定位器的作用。閥門定位器可以增加執(zhí)行器的輸出功率，減小信號傳遞滯后，加快閥桿的位移速度，提高線性度， 克服摩擦力影響，保證閥位正確到位。9、控制閥的工作原理；流量特性；理想流量特性、工作流量特性。控制閥體就是依據(jù)執(zhí)行機構(gòu)輸出的推桿位移量來改變閥門的開啟程度，從而改變流通阻力以達到控制流體介質(zhì)流量的目的。控制閥的流量特性，是指控制介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門相對開度(即推 桿的相對位移)之間的函數(shù)關系。理想流量特性：閥前后差壓不變時的流量特性(固有流量特性)。工作

15、流量特性：閥裝在管道中，前后差壓變時的流量特性，也叫實際流量特性。10、控制閥的流量特性類型、各自特點。理想流量特性，通常有四種典型形式：(1) 直線特性-流量與閥芯位移成直線關系；(2) 對數(shù)特性-流量與閥芯位移成對數(shù)關系，引起的流量變化的百分比相等；(3) 快開特性-開度較小時流量變化較大，隨開度增大很快達到最大值。(4) 拋物線特性-介于直線流量特性與對數(shù)流量特性之間，從而彌補了直線流量特性小開度時控制 性能差的特點。11、控制閥的可調(diào)比(可控比)。R=QmaX，可調(diào)比(可控比)，即閥所能控制的流量上限與流量下限之比。Qmin為流量下限，不是泄Qmin漏。12、控制閥串聯(lián)管道工作流量特性

16、的特點。S=1，理想流量特性。厶P全開二厶P系統(tǒng)二特性曲線下移，流量特性畸變。S太小，流量變化范圍減小，對控制不利。S 一般不小于0.3。13、控制閥出廠時標注的為理想流量特性。厶P全關閥刖后壓差始終不變:直線變?yōu)榭扉_；對數(shù)變?yōu)橹本€；五、過程控制系統(tǒng)緒論1控制通道、干擾通道控制通道：被控量與輸入控制作用之間的聯(lián)系被稱為“控制通道”。干擾通道：被控量與擾動之間的聯(lián)系被稱為“干擾通道”。2、過程控制系統(tǒng)的組成。擾動d圖2-6阻力對響應特性的影響 屬于動態(tài)參數(shù)。T=RC容量增大，響應過程相對增長。見圖2-8CT Tto3、控制器正反作用的確定依據(jù)：（控制器土）X（對象土）=（）。4、過程控制系統(tǒng)按設

17、定值的形式分類。定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)5、過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標。遞減比n （衰減比）、動態(tài)偏差B1 （最大偏差、最大過調(diào)量、超調(diào)量）、調(diào)整時間Tc （控制時間、 過渡過程時間、恢復時間）、靜態(tài)偏差C （余差、殘余偏差）。六、過程建模1、自平衡能力。自平衡能力：凡受到干擾后，不依靠外加控制作用就能重新達到平衡狀態(tài)的對象，是具有自平衡能 力的對象。否則，是無自平衡能力的對象。2、過程控制系統(tǒng)被控對象特性三個參數(shù)：放大系數(shù)、時間常數(shù)、滯后時間的求取。3、阻力和容量的影響。綜上所述，不同過程所 具有的阻力， 就是被控量y發(fā)生變化時，對流量的影響。 即R=也（2 - 15）dQ阻力F

18、與T、K的關系：以水箱為例：T =RC K = kxR 因此，阻力與放大系數(shù)及時間常 數(shù)有關。靜態(tài)：影響放大倍數(shù)動態(tài)：影響響應速度，見圖2 - 6o 一般希望對象阻力小些，T較小， 響應快，以獲得較好的 控制效果。阻力既影響動態(tài)又影響 靜態(tài)。容量只影響反應速度，不影響放大系數(shù)，4、多容過程等效為單容過程。7lkQi倫圖 2-12I 10-jLQ1 _ Q2 二 A _-jlQ -.:Q3 = A2 h1-Q2-R1 h2-Q3 :R2 g = k -xh0h雙容過程茨其響應曲線拉氏變換得:Q(s) - Q2(s)= AsH/s)Q2G) - Q3G) = A2SH2G)Q2（S）=Hds)R1

19、R2Q1G)二 kxX(s)Q3(s)2(s)1 1出一kxX(s)As R1AskxR21 1（1丄)(1 +A s RA? s R2(R1A1s 1)(R2A2s 1)(T1s 1)(T2s 1)5、時域法過程建模，單容水箱以及雙容水箱的過程傳遞函數(shù)。單容對象的傳遞函數(shù):有純滯后單容對象的傳雙容對象的傳遞函數(shù):有純滯后雙容對象的傳多容對象的傳遞函數(shù):帶有純滯后多容對象的等容對象的傳遞函數(shù):帶有純滯后等容對象的W( S)=煙二X(S) Ts + 1 遞函數(shù)：W(S) K e osTs+1KW(S八 t1t2s2 (T1 t2)s 1KW(S)二(T,S +1)(T2S+1)遞函數(shù)：W(S)e

20、(T1S+1)(T2S+1)KW(S)二傳遞函數(shù):W(S)(T1S 1)(T2S 1)(TnS 1)KW(S)e YS(T1S 1)(T2S 1)(TnS 1)傳遞函數(shù)：W(S) =(ts d如圖所示單容水箱，負載閥的流阻為控制閥dthR2K 一e-0Sn作業(yè)R2。現(xiàn)以Q1為輸入，Q2為輸出，求Q2(s)/Q1(s)。Qds) -Q2(s)二 CsH：s)Q2(s) _1_ 1Q1(s) CR2s 1 Ts 1Q2 (s)H(s)R2T =R2CQ1(s) -Q2(s) =C s RQ2(s)如圖所示，已知一單容水箱其底面積為 C，輸入為Qi，輸出為h0 Qo1和Qo2對應的流阻分別為 R1

21、和 R2，求 H(s)/Qi(s)。1.2.3.4.5.6.7.8.1、2、控制閥- Qo2 hAhg nQo2 =C貯Qi(s)-Qoi(s)-Q2(s) = CsH：s)Qoi(s)普Qo2(s)aR2Qi(s)H(s) H(s)RiR2-CsH (s)R1R2H(s)R-iR21Qi(s) cs 口R-iR2KRRCs tCR R2K 込R1 R2R R2TCRiR2七、單回路控制系統(tǒng)1、放大系數(shù)（干擾通道/控制通道）、干擾通道時間常數(shù)、純滯后時間、控制通道時間常數(shù)、純滯后時間 對控制質(zhì)量的影響。極點的影響：1）Td增大，過程變慢，過渡過程時間加長。2）使過渡過程動態(tài)分量減小了 Td倍，

22、即超調(diào)量減小，控制質(zhì)量提高。 結(jié)論：干擾通道的時間常數(shù)大，或者慣性環(huán)節(jié)數(shù)增加時，控制質(zhì)量將提高。（對干擾起濾波作用。）2、選擇操縱量的一般原則。直接參數(shù)：能表征產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、安全性能等方面的參數(shù)。間接參數(shù)：與直接參數(shù)具有單值關系（P、T等），并有足夠靈敏度。3、控制閥的流量特性的選擇。確定工作流量特性的原則：使廣義對象具有線性特性。即：K=KvKo=常數(shù)。4、控制閥的口徑計算步驟。1、 根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設備負荷及介質(zhì)的狀況，決定計算的最大工作流量Qmax和最小工作流 量 Qmin。2、根據(jù)系統(tǒng)特點選擇S值，然后計算控制閥全開時的壓差。3、根據(jù)控制介質(zhì)類型和工況，選用合適的 C值計算公式，

23、求取最大最小流量時的流通能力 Cmax、Cmi n。4、 根據(jù)Cmax值，在所選用的產(chǎn)品形式的標準系列中，選取大于Cmax并接近的一檔C值，獲得 口徑值。見表3-6。5、開度驗算。6、實際可控比驗算。7、 上述各項合格，則所選控制閥口徑合格，否則，需重定C值和口徑，再驗算至合格。5、控制器的選型。PID的作用。P控制器的選型：特點：快，輸出與偏差成比例，閥門開度與偏差有對應關系，有余差?？关摵筛蓴_能力強，調(diào)節(jié)時 間短。適用場合：適用于控制通道滯后小，負荷變化不大，允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。如：壓 縮機儲壓罐的壓力控制系統(tǒng)；儲液槽的液位控制系統(tǒng)：串級控制系統(tǒng)的副回路。PI控制器的選型：特點：I可消除余差，但穩(wěn)定性低。引入I后，KcJ（6T）,可保持原穩(wěn)定性，但過渡過程變長。 適用場合：適用于控制通道滯后小，負荷變化不大，被控量不允許有余差的場合。如：流量、壓力 系統(tǒng)。PID控制器的選型：特點：D對克服容量滯后有明顯的效果，D使穩(wěn)定性提高，最大偏差減??；I消除余差；P作用快速 有效。適用場合：適用于容量滯后較大，負荷變化較