2022年过程控制系统与仪表知识点归纳 .pdf

读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思检测的基本方法：(1)接触式与非接触式;(2)直接、间接与组合测量；(3)偏差式、零位式与微差式测量。检测仪表的组成：传感器，变送器，显示仪表，传输通道绝对误差 ：被测量的测量值(xi)与真值 (x0)之差。即 =xi- x0 系统误差 、随机误差 和粗大误差温标三要素：温度计、固定点和内插方程温标 不是温度标准，而是温度标尺的简称测温方法及分类：(1)接触式： 测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。(2)非接触式： 测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。热电偶测温原理两种不同的导体或半导体材料A 和 B 组成闭合回路，如果两个结合点处的温度不相等，则回路中就会有电流产生，这种现象叫做热电效应 。热电势由两部分组成：温差电势和接触电势。热电动势 (1)只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端温度必须不同；(2)热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关。热电偶的基本定律(一)均质材料定律(二 )中间导体定律 (三)中间温度定律 (四)参考电极定律热电偶结构：热电极、绝缘套管、保护管和接线盒S、R、B 三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，称贵金属热电偶。 K、N、T、E 、J五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，称为廉价金属热电偶热电偶的冷端补偿：冰点法，计算法，冷端补偿器法，补偿导线法可将热电偶的参比端移到离被测介质较远且温度比较稳定场合补偿原理： 不平衡电动势Uba 补偿 (抵消 )热电偶因冷端温度波动引起的误差。压力检测方法：(1) 弹性力平衡法 (2) 重力平衡方法(3) 机械力平衡方法(4)物性测量方法弹性元件： 弹簧管，弹性膜片，波纹管霍尔压力传感器：属于位移式压力(差压 )传感器。它是利用霍尔效应，把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号，实现压力信号的远传。压电式传感器：是一种典型的发电型传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，将被测量转换成电荷和电压，完成由非电量到电量的转换过程。压电效应： 压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时，其内部产生极化现象，并在其表面上产生电荷；而且在去掉外力后，它们又重新恢复到原来的不带电状态，这种现象称之为压电效应。热电偶式真空计：利用发热丝周围气体的导热率与气体的稀薄程度(真空度 )间的关系。流量计类型： 速度式流量计，容积式流量计节流装置测量原理：当流体连续流过节流孔时，在节流件前后由于压头转换而产生压差。对于不可压缩流体例如水，节流前后流体的密度保持不变。Q= Ad标准节流装置：标准孔板、标准喷嘴与标准文丘里管阿牛巴 是一种均速流量探头，配以差压变送器和流量积算器而组成阿牛巴流量计，也属于差压式流量测量仪表，用来测量一般气体、液体和蒸汽的流量电磁流量计原理：被测流体垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，在与流体流向和磁力线垂直方向上产生感应电势 Ex(伏)，Ex 与体积流量Q 的关系为 : Ex=4B/(D)Q 10-8=KQ 利用传感器测量管上对称配置的电极引出感应电势，经放大和转换处理后，仪表指示出流量值。自动控制： 就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(控制装置 )，使机器、设备或生产过程(控制对象 )的某个工作状态或参数(被控量 )按照预定的规律自动地运行过程控制系统：以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。过程控制系统组成：对象，检测元件及变送器，控制器，执行器过程控制系统的分类：定值控制系统、程序控制系统与随动控制系统控制系统的品质指标:衰减比 n，最大偏差或超调量，余差C，稳定时间，震荡周期或频率自衡的非振荡过程： 在阶跃作用下， 被控变量无须外加任何控制作用、不经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性质，称自衡的非震荡过程。无自衡非振荡过程：如果不依靠外加控制作用，不能建立起新的物料平衡状态，这种特性称为无自衡。有自衡的振荡过程：在阶跃作用下， 被控变量出现衰减振荡过程，最后趋于新的稳态值，称为有自衡的振荡过程。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思具有反向特性的过程：有少数过程会在阶跃作用下，被控变量先降后升，或先升后降， 即起始时的变化方向与最终的变化方向相反。对象特性的参数:(一 )放大系数K 放大系数K是一个静态特性参数，只与被控量的变化过程起点与终点有关，而与被控量的变化过程没有关系。(二)时间常数Tc时间常数Tc 是说明被控量变化快慢的参数，其值等于系统阻值R 与容量 C的乘积 (三 )滞后时间 对象在受到扰动作用后，被控量不是立即变化，而是经过一段时间后才开始变化，这个时间就称为滞后时间被控过程的数学模型:模型分类： 动态与静态模型；参数模型与非参数模型。建模方法：机理建模；实验建模变送器 在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用。温度变送器 其作用是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一的信号，输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制差压变送器 用于防止管道中的介质直接进入变送器里，感压膜片与变送器之间靠注满流体的毛细管连接起来。它用于测量液体、气体或蒸汽的液位、流量和压力，然后将其转变成420mA DC信号输出。被控量的选择原则： （1）作为被控量，必须能够获得检测信号并有足够大的灵敏度，滞后要小（2）必须考虑工艺生产的合理性和仪表的现状，检测点的选取必须合适。（3）以产品质量指标为被控量（4）以工艺控制指标为被控量操纵量的选择原则：(1)控制通道对象放大系数适当地大些，时间常数适中，纯滞后越小越好；(2)扰动通道对象的放大系数应尽可能小，时间常数应尽可能大；(3)扰动作用点应尽量靠近控制阀或远离检测元件，增大扰动通道的容量滞后，可减少对被控量的影响；(4)操纵量的选择不能单纯从自动控制的角度出发，还必需考虑生产工艺的合理性、经济性。前馈控制 是指按照扰动产生校正作用的控制方法。基本原理： 测取进入过程的扰动量(外界扰动和设定值变化)，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量，已抵消(补偿 )扰动对被控量的影响。计算机控制系统的组成：工业控制计算机和生产过程计算机控制系统：1 操作指导控制系统2 直接数字控制系统3 监督控制系统4 数据采集与监视控制系统5 集散控制系统 6 现场总线控制系统7 计算机集成制造系统可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的PLC的基本特点 :1 可靠性高、抗干扰能力强；2 设计、安装容易，接线简单，维护方便；3 编程简单、使用方便；4 模块品种丰富、通用性好、功能强；5 体积小、重量轻、能耗低，易于实现自动化。集散控制系统DCS就是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。分级： 1 分散过程控制级2 集中操作监控级3 综合信息管理级1 操作员站2 现场控制站3 工程师站4 服务器和其它功能站DCS功能特点 :(1)分散控制，集中管理；(2)硬件积木化，软件模块化；(3)采用局域网通信技术；(4)完善的控制功能； (5)管理能力强；(6)安全可靠性高；(7)高性能 /价格比。DDZ 与 III区别 ：DDZ-型是分立元件放大器，主输出05V，辅助输出010mA ，这样故障输出0 和零点输出0 就分辨不出来；型是集成电路放大器，主输出420mA ，辅助输出15V，可以分辨出故障输出0 和零位输出 0（实际输出是1V 或者 4mA ）。而且超量程可以输出3.8mA和 20.8mA。这样仪表检修工容易判断是否故障。PID 参数特点、优点、控制规律：P（灵敏简单，只有一个整定参数但存在误差）PI（消除静差灵敏，但对滞后较大对象，调节慢且效果不好）PD （增进调节系统的稳定性，调小比例度加快调节过程减小动态偏/ 静差，系统对高频干扰特别明显，输出易夹杂高频干扰）PID（综合了各类调节作用的优点所以有更高的调节质量，对于滞后大，负荷大的对象，用复杂控制系统）PID 调节器的参数pK、IT、DT对控制性能各有什么影响？(1) 比例增益pK反映比例作用的强弱，pK越大，比例作用越强，反之亦然。比例控制克服干扰能力较强、控制及时、过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差(2)积分时间IT反映积分作用的强弱，IT越小，积分作用越强，反之亦然。积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；(3) 微分时间DT反映积分作用的强弱，DT越大，积分作用越强，反之亦然。微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用。检测仪表的基本技术指标a绝对误差 : 检测仪表的指示值X与被测量真值X t 之间存在的差值称为绝对误差。表示为：= X X t b基本误差： 基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。定义为：c精确度（精度） 为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。如0.5 级，1.0 级， 1.5 级等。max100%最大绝对误差基本误差仪表量程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“”号及“”号，套入规定的仪表精度等级系列。d灵敏度和分辨率：灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：S=Y/X （S 仪表灵敏度；Y 仪表指针位移的距离（或转角） ；X 引起 Y的被测参数变化量。 ）分辨率表示仪表显示值的精细程度。分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。e变差： 在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。造成变差的原因: 传动机构间存在的间隙和摩擦力; 弹性元件的弹性滞后等。正反行程测量：将规定的输入信号平稳地按增大或减小方向输入执行机构气室( 或定位器) ，测量各点所对应的行程值，计算出实际信号行程 关系同理论关系之间关系f 响应时间： 当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。这段时间称为响应时间。气开、气关式选择依据：按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。调节阀正反作用的选择是在调节阀气开气关确定后，其确定原则是 ：使整个回路构成负反馈系统。简述“积分饱和现象”产生的内因和外因。什么是积分饱和现象？积分饱和现象如何消除：内因 ：控制器包含积分控制作用，外因： 控制器长期存在偏差。在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值引起积分饱和。积分饱和：具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的长时间作用下，其输出达到输出范围上限值或下限值以后，积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态。消除： 1 采用积分分离的方法，将 PID 调解分开执行 2对积分调节器设置输出高低限幅，达到限幅时暂时切除积分作用（使其跟踪），待偏差减小后再投入温度传感器双金属片 ：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。压力式 ：利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。原理 : 封闭容器中的液体气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。热电偶 ：根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，回路中产生热电势。通过测量热电偶输出的热电势测量温度利。热电阻 ：利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。定值、随动、前馈、程序控制系统（特点、概念）定值 ：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。随动 ：设定值随时可能变化。前馈控制的原理： 当系统出现扰动时， 立即将其测量出来， 通过前馈控制器， 根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。前馈控制的特点：前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿” 。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。前馈控制器的控制规律不是PID 控制，是由对象特性决定的。前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。程序 ：设定值按预定的时间程序变化。过渡过程的品质指标衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n； （4-10 ）过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A；超调量：第一个波峰值1y与最终稳态值y（）之比的百分数；残余偏差C： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（）与设定值之间的偏差C称为残余偏差，简称残差；调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；振荡频率： 过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷） 之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。现场总线 ：连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信线路。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。调节阀的流量特性：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：为相对流量，即调节阀某一开度的流量与全开流量之比；为相对开度，即调节阀某一开度的行程与全行程之比。变差=量程正反行程最大差值100%精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思若阀门前后压差保持不变/总是变化（理想/ 工作）特性。（直线 /等百分比（对数）/ 快开流量特性）过程控制系统各个部分组成作用控制器或调节器的作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较，得出偏差后， 按一定的调节规律进行运算，输出控制信号，以推动执行器动作，对生产过程进行自动调节。执行器 是自动控制系统中的重要组成部分，作用是将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵进入设备的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。 检测变送器 是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。单回路控制系统参数整定步骤方法：、稳定边界法（临界比例度法） ：属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度 Pm和振荡周期Tm ） ，按经验公式求出调节器的整定参数。置调节器Ti ， Td=0 ，比例度P较大值，将系统投入运行。逐渐减小P ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和 Tm 。根据 Pm和 Tm ，按经验公式计算出控制器的参数整定值。1）. 在闭环控制系统里，将控制器置于纯比例作用下（iT= ，dT =0 ） ，从小到大逐渐增大控制器的比例增益KC ，直到出现等幅振荡曲线为止。2） . 此时的比例度称为临界比例度cr， 相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期crT。 据此确定控制器参数。3）. 根据cr和crT值，采用经验公式，计算出调节器各个参数。、衰减曲线法也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。（1）把调节器设成比例作用（Ti= ， Td=0）置于较大比例度，投入自动运行。（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5% 为宜） ，观察调节过程曲线。（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。记下此时的比例度Ps 及周期 Ts。n=10:1 时，记 Ps 及 Ts 响应曲线法属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。方法：不加控制作用，作控制通道特性曲线。根据实验所得响应曲线，找出广义对象的特性参数K0、T0、 0， 经验法凭经验凑试。其关键是“看曲线，调参数”。在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、 TI 、 TD 对过渡过程的影响为指导，对比例度 P 、积分时间TI 和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。经验法的方法简单，但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。串级控制系统：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。主（定值）、副（随动控制系统）调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制. 串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。建立串级控制数学模型; 1主回路设计: 主回路设计与单回路控制系统一样2副回路的选择:副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则：主、副变量有对应关系副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生应注意工艺上的合理性和经济性3主、副调节器调节规律的选择: 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI 调节，或 PID 调节。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P调节就可以了。4主、副调节器正、反作用方式的确定: 对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。过程控制： 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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思压力容器 (1) 应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以使容器内压力不至于过高而出事故。(2) 调节阀应选择气关式，则压力控制器(PC)应为反作用。当检测到压力增加时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使容器内压力稳定。或：当检测到压力减小时，控制器应增大输出，则调节阀开小，使容器内压力稳定。如图所示的 锅炉汽包液位控制系统，为保证锅炉不被烧干：(1) 应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以保证锅炉不被烧干。(2) 调节阀应选择气关式，则液位控制器(LC) 应为正作用。当检测到液位增加时，控制器应加大输出，则调节阀关小，使汽包液位稳定。或：当检测到液位减小时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使汽包液位稳定。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页