1、過程控制系統知識點總結考試題型一、判斷題（共10分）二、單選（20分）三、填空（10分）四、簡答題（5小題，共20分）五、分析計算題（4小題，共40分，每題10分）一、概論1、過程控制概念：五大參數。過程控制的定義：工業中的過程控制是指以 溫度、壓力、流量、液位和成分 等工藝參數作為被控變 量的自動控制。2、簡單控制系統框圖。控制儀表的定義：接收檢測儀表的測量信號，控制生產過程正常進行的儀表。主要包括：控制器、變送器、運算器、執行器等，以及新型控制儀表及裝置。控制儀表的作用：對檢測儀表的信號進行運算、處理，發出控制信號，對生產過程進行控制。3、能將控制流程圖（工程圖、工程設計圖冊）轉化成控制系

2、統框圖第一個字母：參數類型T溫度（Temperature）P壓力（Pressure）L物位（Level）F流量（Flow）W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-m型儀表的電壓信號制，電流信號制。 QDZ-IH型儀表的信號制。它們之間聯用要采用電氣轉換 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

3、） .某臺儀表出故障時，影響其他儀表；2） .無公共地點。若要實現儀表各自的接地點，則應在儀表輸入、輸出端采取直流隔離措施。6、變送器有四線制和二線制之分。區別。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：節省電纜及安裝費用，有利于防爆。活零點，兩條線既是信號線又是電源線。7、本安防爆系統的2個條件。1、在危險場所使用本質安全型防爆儀表。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

4、下，以確保系統的本安防爆性能。安全柵的種類：齊納式安全柵、隔離式安全柵二、基型調節器1、基型調節器組成：控制單元和指示單元。基型調節器控制單元構成。基型控制器又稱基型調節器，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 卜PID運算電路(由PD與PI運算電路串聯卜輸出電 品&(電壓、電流轉換電路)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、內給定信號范圍；外給定信號范圍。測量和內給定信號：15V(DC);外給定信號：420mA直流電流。(

5、它經過250。精密電阻轉換成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)后放大兩倍反相以Uo1輸出,即Uo1= -2(Ui-Us)02) .電平轉換。將以0V為基準的輸入信號轉換為以Ub (10V)為基準的輸出信號Uo10電平轉換的目的：使運算放大器工作在允許的共模輸入電壓范圍內。輸出電路彳用：把PID輸出AUo3 (以UB為基準)轉換成輸出。實現電壓 一電流轉換。4、放大系數和比例度。比例度比例度的一般表達式：max min100%輸入的相對變化輸出的相對變化y maxy min式中:max min 一偏差變化范圍；ymaxymin 輸出信號

6、變化范圍。在單元組合儀表中， max min ymax ymin。此時比例度可表7K為：1100%即與Kp成反比,Kp愈小，Kp愈大，比例作用就越強5、基型調節器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Uoi進行PD運算，可設置T d、 Kp (或比例度)。Td為微分時間；Kp為比例系數。微分作用：快速的調節作用，超前作用比例系數： Kd微分時間：Td=aRdCd調整Rp （）和Rd可改變比例度和微分時間。6、基型調節器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；積分時問。圖2丹H電躁御邯時件7、積分飽和。解決積分

7、飽和辦法：1）對控制器的輸出加以限幅，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2-4某P控制器的輸入信號是4mA20mA,輸出信號為1V-5V,當比例度6 =60%時，輸入變化所 引起的輸出變化是多少？解：根據比例度的公式：x100%xmaxxminyy maxy minxmaxxminx 1(y max y min )0.61(5 1) 0.25V20 4 6

8、04mA20mA ,控制器的初始值Ii=Io=4mA , 6的階躍信號，分別求取t=12s時：PI工況下2-7某PID控制器（正作用）輸入、輸出信號均為=200%, Ti=TD=2min , Kd=10o 在 t=0 時輸入，Ii=2mA 的輸出值；PD工況下的輸出值。解：PI工況下 八一11P 分量=Kp Ii 1 Ii2 1mA200%Ti時：P分量=I分量；則Ti時，PI分量=2mATi=2X60=120sId/ I分量piP分量12s Tit(s)PI直線過（0, 1）和（120, 則t=12s時的輸出變化量為：2）兩點2 1Io 1 12120 01.1mAt=12s時的輸出為Io=

9、初值+Io =4+=PD工況下P分量=Kp I1200%1mAP分量二一 KdIi1mA解得12s則t=12s時的輸出變化量為：IoTd2 60K D 10.368 Kdt=12s時的輸出為：Io=初值+ Io = 410 10.368 一105 2 1 8.312mA三、變送器1、變送器的結構。變送器的作用。構成原理：變送器是基于負反饋原理工作的，其構成原理如圖所示，它包括測量部分（既輸入轉換 部分）、放大器和反饋部分。變送器和轉換器的 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）轉換成相應的統一標準信號，以供顯示、記錄和控制之用。2、變送

10、器的輸入輸出關系。y K(z Zo Zf) K(Cx Zo Fy)3、量程調整的目的；零點調整/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，稱為零點調整，在 XminWO時，稱為零點遷移。零點調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、液位等工藝變量轉換成統一的標準信號，作為指 示記錄儀、調節器或計算機裝置的輸入信號，以實現對上述變量的顯示、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構成。其作用是將檢測片的

11、位移s轉換成相應的電壓信號UCDo檢測片02-1S苴勃變壓器的鰭物5、溫度變送器的品種、結構（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能，且能測量來自危險場所的直流毫伏或溫度信號。6、熱

12、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-擋板機構和功率放大器等基本元件組成。8、彈性元件、噴嘴擋板機構、電氣轉換器彈性元件作用：將壓差轉換成位移，在儀器的連接處產生一定的操作力。噴嘴擋板機構作用：將微小的位移轉換成相應的壓力信號。電/氣轉換器工作原理是基于力矩平衡原理工作的。四、運算器和執行器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、執行器的結構、分類。執行器分為兩部分：執行機構和調節機構。（氣動執行器P入一 L-Q電動

13、執行器Ii - L-Q f直行程（直線位移）I角行程（角位移）（兩者減速器不同）液動執行器3、角行程電動執行機構的結構。220V角行程電動執行機構方框圖4、標準氣壓信號范圍（20kPa-100kPa）,氣源信號（140kPa）。5、氣動執行機構的種類。氣動執行機構有薄膜式和活塞式兩種， 常見的氣動執行機構均屬薄膜式。 薄膜式特點為：結構簡單、 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、調節閥的正反作用、正裝閥/反裝閥、氣開/氣關。7、氣開閥/氣關閥的選擇原則。調節閥氣開、氣關閥選擇，主要根據工藝生產的需要和安全要求來決定的；原則是當信號壓力中斷時，應能確保工藝設備和生產

14、的安全。如果閥門處于全開位置安全性高，則應選用氣關閥，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。控制閥體就是依據執行機構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流量的目的。控制閥的流量特性，是指控制介質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)。作流量特性：閥裝在管道中，前后差壓變時的流量特性，也

15、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)對數特性-流量與閥芯位移成對數關系，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、控制閥的可調比(可控比)。rnQmax,可調比(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、控制閥串聯管道工作流量特性的特點。匕關閥前后壓差始終不變直線變為快開；對數變為直線；

16、S=1,理想流量特性。巳開 已統S 扁，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CS一般不小于。13、控制閥出廠時標注的為理想流量特性。五、過程控制系統緒論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系被稱為“控制通道” 。干擾通道：被控量與擾動之間 的聯系被稱為“干擾通道”。2、過程控制系統的組成。控制器測量元件、變送器擾動d執行器操縱量被控量圖2-6阻力對響應特性的影響屬于動態參數。T=RC容量增大，響應過程相對增長。見圖2-83、控制器正反作用的確定依據：（控制器土）x （對象土）=（一）。4、過程控制系統按設定值的形式分類。定值控制系統、隨動控

17、制系統、程序控制系統5、過程控制系統的品質指標。遞減比n （衰減比）、動態偏差B1 （最大偏差、最大過調量、超調量）、調整時間Tc （控制時間、 過渡過程時間、恢復時間）、靜態偏差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、過程控制系統被控對象特性三個參數：放大系數、時間常數、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發生變化時，對流量的影響。 即R dy（2-15）dQ阻力叫T、剛關系：以水箱為例：TRC K k

18、xR因此，阻力與放大系數及時間常 數有關。靜態：影響放大倍數動態：影響響應速度，見圖2 -6。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。阻力既影響動態又影響 靜態。容量只影響反應速度，不影響放大系數,CT fT3觀242取容過敵其用成曲線QiQ2Q2QiA2hi 百hh"RTkx x拉氏變換得:Qi(s) Q2(s) AsH/s)Q2(s) Qa(s) A2 sH2(s)Q2(s)Qa(s)Qi(s)Hi(s)RiH2(s)R2kxX(s)J 11H2(s) As RA2skxR2kx f-X(s) (i -工)(i(RAs i)(R2A2s i)K(Ts i)(

19、T2s i)As RA2s R2T1 R1Al T2 R2 A2 K kxR25、時域法過程建模，單容水箱以及雙容水箱的過程傳遞函數。1,單容對象的傳遞函數:W(S)32.有純滯后單容對象的傳X(S)遞函數：W(S)KTs 13,雙容對象的傳遞函數:eTs 1K0sW(S)W(S) 2;T1T2S2 (T1 T2) S 1K(T1s 1)(T2s 1)4 .有純滯后雙容對象的傳遞函數:W(S)5 .多容對象的傳遞函數:W(S)(T1S 1)(T2s 1) Ke 0s(T1S 1)(T2s 1)6,帶有純滯后多容對象的傳遞函數:W(S)(TnS 1)K(T1S 1) (T2s1)(TnSe 0s

20、17,等容對象的傳遞函數:W(S)K(TS 11n8,帶有純滯后等容對象的傳遞函數:W(S)(TS 1)ne 0S作業1、如圖所示單容水箱，負載閥的流阻為 R20現以Q1為輸入,Q2為輸出,求 Q2(s)/Q1(s)0Q1Q2Q2若制閥 11/I、QldthQ1(s) Q2(s) CsH (s)Q2(s)R2H(s)R2Q1(s)Q2(s) CsR2Q2(s)Q2(s)Q1CR2 s 1 Ts 1TR2C2、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 和 R2,求 H(s)/Qi(s)。QiQ01Qo2沖制閥0Q02R2Qi (s) Q0

21、1 (s)Qo2(s) CsH (s)H(s)Qo1 (s)R1Qo2(s)"R2Qi(s)H(s)RH(s)R2CsH (s)H(s)Qi(s)CsR11R2R1R2R R2KRRzCs 1 TT!R1 R2R1RRR2R1R2R1R2七、單回路控制系統1、放大系數（干擾通道/控制通道）、干擾通道時間常數、純滯后時間、控制通道時間常數、純滯后時間 對控制質量的影響。極點的影響：1） Td增大，過程變慢，過渡過程時間加長。2）使過渡過程動態分量減小了 Td倍，即超調量減小，控制質量提高。結論：干擾通道的時間常數大，或者慣性環節數增加時，控制質量將提高。（對干擾起濾波作用。）2、選擇操

22、縱量的一般原則。直接參數：能表征產品產量、質量、安全性能等方面的參數。間接參數：與直接參數具有單值關系（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。4、控制閥的口徑計算步驟。1、根據現有的生產能力、設備負荷及介質的狀況，決定計算的最大工作流量Qmax和最小工作流量 Qmin。2、根據系統特點選擇S值，然后計算控制閥全開時的壓差。3、根據控制介質類型和工況，選用合適的 C值計算公式，求取最大最小流量時的流通能力 Cmax、Cmin。4、根據Cmax值，在所選用的產品形式的標準系列中，選取大于Cmax并接近的一檔

23、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。抗負荷干擾能力強，調節時 問短。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變化的系統。如：壓 縮機儲壓罐的壓力控制系統；儲液槽的液位控制系統：用級控制系統的副回路。PI控制器的選型：特點：I可消除余差，但穩定性低。引入I后，KcJ （ T）,可保持原穩定性，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。PID控制器的選型：特點：D對克服容量滯后有明顯的效果，D使穩定性提高，最大偏差減小；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，負荷變化較大，被控