过程控制系统与仪表复习提纲
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复习提纲
第一章概述
1．掌握过程控制系统的组成(四个环节，控制器， 执行器，被控对象和测量变送环节）及系统方框 图中各信号的含义，如果采用DDZ-III性仪表或 QDZ仪表应该能知道信号范围
第一章
2．掌握评价过程控制系统过渡过程性能好坏的品 质指标，最大偏差，衰减比，余差，过渡时间各是 怎样定义的.如何判断一个系统是否满足工艺要求？ （作业1-8,1-10及讲义例题） 3．掌握过程控制的特点及分类系统特点 定值控制，随动控制，程序控制是按给定值特点分 类，各类系统有什么特点？ 反馈，前馈，反馈—前馈复合控制是按结构分，反 馈按偏差调节，闭环；前馈按扰动调节，开环。 定值控制，随动控制从结构上是反馈控制，按偏差 进行控制，属于闭环控制。 如果按被控变量来分则分为温度控制系统，液位控 制系统，压力控制系统，流量控制系统，成分控制 系统等，这些一般是定值控制。
3、掌握差压式流量计、转子流量计，电磁流 量计等的工作原理和使用场合 必须注意的是： 1）差压式流量计的构成： 差压计和节流装臵， 节流装臵的构成：节流元件和取压装臵 节流元件的作用：使管道中流体差生局部收缩， 从而导致节流元件两端差生差压。 常用节流件：孔板，喷嘴，文丘里管 2）差压式流量计和转子流量计均为节流式流 量计，注意二者的差别，差压式流量计是变差 压，恒节流面积；而转子流量计是恒差压，变 节流面积。 3）电磁流量计对于油和气无法测量。
第二章 检测仪表（续）
5）关于变差：在相同的条件下，用同一仪 表对某一工艺参数进行正反行程的测量， 相同的被测量值得到的正反行程测量值的 最大差值 仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否 则为超差仪表，应及时检修。 作业2-2 (1) 变差1.2%；（2）基本误差0.6%；（3） 由于变差1.2%>1.0%，因此不符合1级精 度。
(1) PD控制规律。 (2) 由题意得：
KC A 2 K C A( K D 1) 8 KD 1 TD 解之得：KC=2，KD=5，TD=5。 Δ u(t) 开环输出特性曲线 10 因为 KCA=2，KCKDA=10 2 曲线如右图所示 O
3掌握数字PID算法，改进数字算法的特点，如为了防止 给定阶跃突变引起的调节器输出跳变，即微分冲击引入了 微分先行PID算法IPI-D；为解决给定值变化时比例和微分 引起的冲击，引入I-PD算法
某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式 为 u 2 8et （t单位为分钟）。试问： （1）这是什么控制规律？ （2）求出控制器各个控制参数。 （3）画出其开环输出特性图。 解：
4、掌握物位测量的主要方法和原理，重点差 压式，掌握零点迁移的概念，如作业2-25 5、掌握成分检测的主要方法及常用仪表的工 作原理，重点红外线气体分析仪（根据气体对 红外线的选择吸收特性制造），氧化锆氧量计 （测烟气中氧的含量，注意对温度，参比侧氧 含量的要求）。 注意 1、成分测量仪表存在参比的概念。因此对参 比物有要求 2、每种仪表均有其使用限制，如红外气体分 析洗不能用于测H2等，氧化锆氧量计必须使 在高温环境下使用等。
解答： 阻力比S=控制阀全开时阀上压差/系统总压差。 在不考虑阀泄漏量时，阀全关时阀门两端的压差 就可视为系统总压差，故本系统的总压差为 100Kpa。 所以： S=60/100=0.6 由于该阀的最大流通能力为100，R=30 在理想状况下，阀两端压差维持100Kpa， 流体密 度为1g/cm3的情况下，最大流量为：100m3/h
•
•
2、了解模拟调节器的组成及特点，熟悉DDZ_III 型调节器的输入输出信号范围，现场传输的信号 和控制室用的信号及范围。熟悉其工作状态:软手 动，硬手动，自动；掌握软手动、硬手动的区别 （当控制器处于“硬手动”状态时，控制器的输 出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆 的位臵一一对应。将控制器切换到“软手动”状 态，输出可按快或慢两种速度线性地增加或减小， 以对工艺过程进行手动控制。），掌握无扰切换 的概念（手自动切换期间，控制器输出不变） 能够将PID控制规律与DDZ-III调节器输出联系上， 如作业题3-6
Q P
16 Q 35 30
有一台电动差压变送器，仪表量程25000Pa ，对应的最大流量为50t/h，工艺要求 40t/h时报警。问： （1）不带开方器时，报警值设定在多少？ （2）带开方器时，报警值设定在多少？
第三章 控制仪表
•
•
1、掌握基本控制规律及特点，掌握比例度的概念 和计算（ddz-III型仪表中比例度与放大系数的关 系），掌握比例度，积分时间，微分时间对过渡 过程的影响 参考上课例题，和作业题掌握基本的概念，基本 控制规律公式，
2掌握热电偶(热电效应）、热电阻测（热 阻效应）温原理及使用注意事项(热电偶冷 端温度补偿问题，使用补偿导线是不是就 进行了冷端补偿？分度表的概念；热电阻 三线制接线问题，为何采用三线制？） 热电偶温度变送器的量程单元随选用的热 电偶而变 3、掌握压力测量的原理，重点掌握弹性压 力计（常用弹性元件），电容压力计，掌 握压力仪表的选用原则，参考上课例题和 相关作业题
例：某测量范围为0～60Kpa的DDZ-III型差压变 送器，与标准孔板节流装臵组成差压式流量计， 若已知被测体积流量为16m3/h时，在节流装臵 前后实际测得压差为35Kpa, 则当变送器的输出信 号为12mA时，对应的压差为多大（线性关系） [（60-0）/（20-4）]*（12-4）=30Kpa 此时所对应的被测流量为多大（非线性关系） 流量与压差的关系
直线流量特性阀：单位位移变化所引起的流 量变化是常数；当阀门在小开度时，调节作 用太强，灵敏度高，不容易控制；而在阀门 大开度时，调节作用太弱，调节缓慢，不及 时。 对数流量特性阀：调节阀的放大系数是变化 的，它随相对流量的增大而增大；与直线阀 相比在同样的行程变化下，负荷小时，等百 分比调节阀流量变化小，调节平稳缓和；负 荷大时，流量变化大，调节灵敏有效。
用差压变送器测某开口容器的液位，其最 低液位和最高液位分别为h1=1m和h2=3m （如图所示）。若被测介质的密度 =980kg/ ,求： （1）变送器量程是多少？ （2）变送器零点是否需要迁移？正迁移还 是负迁移？迁移量是
6、掌握DDZ-III型变送器的标准信号范围 （4-20mA），掌握仪表信号和所测物理量 的对应关系。 变送器的作用；DDZ_III型变送器的作用 线性关系与非线性关系： 1、热电势与被测温度之间是非线性，但经 过温度变送器后，温度与变送器电流输出 之间为线性关系，参见作业2-11， 2、差压式流量计：差压与流量信号之间是 非线性关系，但差压与差压变送器的输出 之间是线性关系
第二章 检测仪表
1：掌握检测仪表的基本技术指标：最大误差，基 本误差，最大允许基本误差，精度，灵敏度和分 辨率，变差（回差），响应时间等的定义，尤其 是精度等级和仪表量程的选用，参考上课例题和 作业题，难点在用表与选表的区别 必须注意的问题： 1）仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相 同的。因此,常说的“绝对误差”指的是绝对误差 中的最大值△max。我们所说的基本误差指的是 最大允许误差。 2）仪表的测量范围上限值与下限值之差,称为该 仪表的量程
该控制器当给定信号增加时，其输出信号 也是增加的。由于给定信号与测量信号在 进行比较时，是相减的运算，控制器的输 入信号（偏差）等于测量信号减去给定信 号 ，所以当给定信号增加时， 控制器的偏 差信号是减小的，而这时输出信号反而增 加，故该控制器属于反作用式控制器。
某DDZ-III调节器处于反作用状态，当比例带 =100%，Ti=2min,Td=0时，在t=1min时加入 一幅值为1mA的阶跃信号，如左图所示。 如调节器的起始工作点为8mA,试画出调节器的输 出波形图。（考查PI调节器的控制规律）
串联管道时的工作流量特性
•选择调节阀时，如果口径选得过大，需要关 工艺截止阀，导致阻力比减小，可调范围减 小。对调节质量的影响可由其流量特性的畸 变解释。
t
第四章 执行仪表与安全栅
1、掌握气动调节阀的结构、（执行机构+调节机 构） 2、正确理解并掌握流量特性（阀门两端差压不变 时流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系） 的概念，工作流量特性（与理想流量特性的差别： 阀门两端差压变化）的概念，可调比（或可调范 围）的概念，阻力比的概念 注意最小可调节流量与泄漏流量的区别。 为什么对数流量特性比直线流量特性更适合各类 过程控制系统？
一台型温度比例控制器，测温范围为 200~1200℃，当温度给定值由800℃变动到 850℃时，其输出由12mA变化到16mA。试求该 控制器的比例度及放大系数。该控制器是正作用 还是反作用控制器，为什么？
由于是单元组合式仪表，输入到温度控制器的信 号是由温度变送器来的4-20mA信号，与输出信号 一样，都是统一的标准信号，所以温度控制器的 放大系数与其比例度成倒数关系，故有
实际控制器有正、反作用两种形式，注意 着两种情况下控制器输入输出的关系 调节器正、反作用形式的概念：一般的正 反作用根据测量值定义，若测量不变，给 定变化，同样会导致调节器输出变化，注 意这种情况下如何根据调节器的输入输出 信号判断其正反作用 比如测量值不变，给定值增大，相当于给 定值不变，测量值变小的情况，对于正作 用调节器，输出会增小，而对于反作用调 节器输出会变大
3、掌握调节阀的选用原则，如口径如何选？ 流量特性如何选？气开气关的概念和选用 问题，阀门形式（主要是直通单座和双座） 和材料的选用问题；掌握流量系数（或流 通能力）的概念 4、阀门定位器的作用，掌握在电、气仪表 共存情况下如何使用阀门定位器
已知阀的最大流量 Q 100m / h，可调范围 R=30。试分别计算在理想情况下阀的相对 l 行程为 L 0.1,0.2,0.8,0.9 ，时的流量值Q，并比较等 百分比流量特性控制阀在小开度与大开度 时的流量变化情况。 解：根据等百分比流量特性的相对流量与 l 相对行程之间的关系： Q ( 1) L
最小流量Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/h 串联管道时，压差变为60kpa， 此时最大流量会 发生变化 C Q1max 100*7.746 77.46m3 / h 1/ 60 所以，可调比变为 Fra Baidu bibliotek1=77.46/3.33=23.26 可见，串联管道时，会使调节阀的流量特性发生 畸变，其可调范围会降低，本题目中由30变为 23.26。
第二章 检测仪表
3）仪表精度等级值越小，精确度越高，就意味着 仪表既精密、又准确，即随机误差和系统误差都小。 精度等级确定后，仪表的允许误差也就随之确定了。 仪表的允许误差在数值上等于“±精度%”。 4）根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据 工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的 允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相 对百分误差。根据工艺要求来选择仪表精度等级时， 仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允 许的最大相对百分误差。
3 max
Q max
R
分别代入上述数据，可得
Q0.1 4.68m3 / h, Q0.2 6.58m3 / h, Q0.8 50.65m3 / h, Q0.9 71.17m3 / h
例：1：上课例题
:2：对于一台可调范围为R=30的调节阀，已 知最大流通能力C=100，流体密度为 1g/cm3.阀由全关到全开时，由于串联管道 的影响，使阀两端的压差由100kpa降为 60Kpa， 如果不考虑阀的泄漏量的影响， 试计算系统的阻力比s，并说明串联管道对 可调范围的影响。
第一章概述
1．掌握过程控制系统的组成(四个环节，控制器， 执行器，被控对象和测量变送环节）及系统方框 图中各信号的含义，如果采用DDZ-III性仪表或 QDZ仪表应该能知道信号范围
第一章
2．掌握评价过程控制系统过渡过程性能好坏的品 质指标，最大偏差，衰减比，余差，过渡时间各是 怎样定义的.如何判断一个系统是否满足工艺要求？ （作业1-8,1-10及讲义例题） 3．掌握过程控制的特点及分类系统特点 定值控制，随动控制，程序控制是按给定值特点分 类，各类系统有什么特点？ 反馈，前馈，反馈—前馈复合控制是按结构分，反 馈按偏差调节，闭环；前馈按扰动调节，开环。 定值控制，随动控制从结构上是反馈控制，按偏差 进行控制，属于闭环控制。 如果按被控变量来分则分为温度控制系统，液位控 制系统，压力控制系统，流量控制系统，成分控制 系统等，这些一般是定值控制。
3、掌握差压式流量计、转子流量计，电磁流 量计等的工作原理和使用场合 必须注意的是： 1）差压式流量计的构成： 差压计和节流装臵， 节流装臵的构成：节流元件和取压装臵 节流元件的作用：使管道中流体差生局部收缩， 从而导致节流元件两端差生差压。 常用节流件：孔板，喷嘴，文丘里管 2）差压式流量计和转子流量计均为节流式流 量计，注意二者的差别，差压式流量计是变差 压，恒节流面积；而转子流量计是恒差压，变 节流面积。 3）电磁流量计对于油和气无法测量。
第二章 检测仪表（续）
5）关于变差：在相同的条件下，用同一仪 表对某一工艺参数进行正反行程的测量， 相同的被测量值得到的正反行程测量值的 最大差值 仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否 则为超差仪表，应及时检修。 作业2-2 (1) 变差1.2%；（2）基本误差0.6%；（3） 由于变差1.2%>1.0%，因此不符合1级精 度。
(1) PD控制规律。 (2) 由题意得：
KC A 2 K C A( K D 1) 8 KD 1 TD 解之得：KC=2，KD=5，TD=5。 Δ u(t) 开环输出特性曲线 10 因为 KCA=2，KCKDA=10 2 曲线如右图所示 O
3掌握数字PID算法，改进数字算法的特点，如为了防止 给定阶跃突变引起的调节器输出跳变，即微分冲击引入了 微分先行PID算法IPI-D；为解决给定值变化时比例和微分 引起的冲击，引入I-PD算法
某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式 为 u 2 8et （t单位为分钟）。试问： （1）这是什么控制规律？ （2）求出控制器各个控制参数。 （3）画出其开环输出特性图。 解：
4、掌握物位测量的主要方法和原理，重点差 压式，掌握零点迁移的概念，如作业2-25 5、掌握成分检测的主要方法及常用仪表的工 作原理，重点红外线气体分析仪（根据气体对 红外线的选择吸收特性制造），氧化锆氧量计 （测烟气中氧的含量，注意对温度，参比侧氧 含量的要求）。 注意 1、成分测量仪表存在参比的概念。因此对参 比物有要求 2、每种仪表均有其使用限制，如红外气体分 析洗不能用于测H2等，氧化锆氧量计必须使 在高温环境下使用等。
解答： 阻力比S=控制阀全开时阀上压差/系统总压差。 在不考虑阀泄漏量时，阀全关时阀门两端的压差 就可视为系统总压差，故本系统的总压差为 100Kpa。 所以： S=60/100=0.6 由于该阀的最大流通能力为100，R=30 在理想状况下，阀两端压差维持100Kpa， 流体密 度为1g/cm3的情况下，最大流量为：100m3/h
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2、了解模拟调节器的组成及特点，熟悉DDZ_III 型调节器的输入输出信号范围，现场传输的信号 和控制室用的信号及范围。熟悉其工作状态:软手 动，硬手动，自动；掌握软手动、硬手动的区别 （当控制器处于“硬手动”状态时，控制器的输 出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆 的位臵一一对应。将控制器切换到“软手动”状 态，输出可按快或慢两种速度线性地增加或减小， 以对工艺过程进行手动控制。），掌握无扰切换 的概念（手自动切换期间，控制器输出不变） 能够将PID控制规律与DDZ-III调节器输出联系上， 如作业题3-6
Q P
16 Q 35 30
有一台电动差压变送器，仪表量程25000Pa ，对应的最大流量为50t/h，工艺要求 40t/h时报警。问： （1）不带开方器时，报警值设定在多少？ （2）带开方器时，报警值设定在多少？
第三章 控制仪表
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1、掌握基本控制规律及特点，掌握比例度的概念 和计算（ddz-III型仪表中比例度与放大系数的关 系），掌握比例度，积分时间，微分时间对过渡 过程的影响 参考上课例题，和作业题掌握基本的概念，基本 控制规律公式，
2掌握热电偶(热电效应）、热电阻测（热 阻效应）温原理及使用注意事项(热电偶冷 端温度补偿问题，使用补偿导线是不是就 进行了冷端补偿？分度表的概念；热电阻 三线制接线问题，为何采用三线制？） 热电偶温度变送器的量程单元随选用的热 电偶而变 3、掌握压力测量的原理，重点掌握弹性压 力计（常用弹性元件），电容压力计，掌 握压力仪表的选用原则，参考上课例题和 相关作业题
例：某测量范围为0～60Kpa的DDZ-III型差压变 送器，与标准孔板节流装臵组成差压式流量计， 若已知被测体积流量为16m3/h时，在节流装臵 前后实际测得压差为35Kpa, 则当变送器的输出信 号为12mA时，对应的压差为多大（线性关系） [（60-0）/（20-4）]*（12-4）=30Kpa 此时所对应的被测流量为多大（非线性关系） 流量与压差的关系
直线流量特性阀：单位位移变化所引起的流 量变化是常数；当阀门在小开度时，调节作 用太强，灵敏度高，不容易控制；而在阀门 大开度时，调节作用太弱，调节缓慢，不及 时。 对数流量特性阀：调节阀的放大系数是变化 的，它随相对流量的增大而增大；与直线阀 相比在同样的行程变化下，负荷小时，等百 分比调节阀流量变化小，调节平稳缓和；负 荷大时，流量变化大，调节灵敏有效。
用差压变送器测某开口容器的液位，其最 低液位和最高液位分别为h1=1m和h2=3m （如图所示）。若被测介质的密度 =980kg/ ,求： （1）变送器量程是多少？ （2）变送器零点是否需要迁移？正迁移还 是负迁移？迁移量是
6、掌握DDZ-III型变送器的标准信号范围 （4-20mA），掌握仪表信号和所测物理量 的对应关系。 变送器的作用；DDZ_III型变送器的作用 线性关系与非线性关系： 1、热电势与被测温度之间是非线性，但经 过温度变送器后，温度与变送器电流输出 之间为线性关系，参见作业2-11， 2、差压式流量计：差压与流量信号之间是 非线性关系，但差压与差压变送器的输出 之间是线性关系
第二章 检测仪表
1：掌握检测仪表的基本技术指标：最大误差，基 本误差，最大允许基本误差，精度，灵敏度和分 辨率，变差（回差），响应时间等的定义，尤其 是精度等级和仪表量程的选用，参考上课例题和 作业题，难点在用表与选表的区别 必须注意的问题： 1）仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相 同的。因此,常说的“绝对误差”指的是绝对误差 中的最大值△max。我们所说的基本误差指的是 最大允许误差。 2）仪表的测量范围上限值与下限值之差,称为该 仪表的量程
该控制器当给定信号增加时，其输出信号 也是增加的。由于给定信号与测量信号在 进行比较时，是相减的运算，控制器的输 入信号（偏差）等于测量信号减去给定信 号 ，所以当给定信号增加时， 控制器的偏 差信号是减小的，而这时输出信号反而增 加，故该控制器属于反作用式控制器。
某DDZ-III调节器处于反作用状态，当比例带 =100%，Ti=2min,Td=0时，在t=1min时加入 一幅值为1mA的阶跃信号，如左图所示。 如调节器的起始工作点为8mA,试画出调节器的输 出波形图。（考查PI调节器的控制规律）
串联管道时的工作流量特性
•选择调节阀时，如果口径选得过大，需要关 工艺截止阀，导致阻力比减小，可调范围减 小。对调节质量的影响可由其流量特性的畸 变解释。
t
第四章 执行仪表与安全栅
1、掌握气动调节阀的结构、（执行机构+调节机 构） 2、正确理解并掌握流量特性（阀门两端差压不变 时流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系） 的概念，工作流量特性（与理想流量特性的差别： 阀门两端差压变化）的概念，可调比（或可调范 围）的概念，阻力比的概念 注意最小可调节流量与泄漏流量的区别。 为什么对数流量特性比直线流量特性更适合各类 过程控制系统？
一台型温度比例控制器，测温范围为 200~1200℃，当温度给定值由800℃变动到 850℃时，其输出由12mA变化到16mA。试求该 控制器的比例度及放大系数。该控制器是正作用 还是反作用控制器，为什么？
由于是单元组合式仪表，输入到温度控制器的信 号是由温度变送器来的4-20mA信号，与输出信号 一样，都是统一的标准信号，所以温度控制器的 放大系数与其比例度成倒数关系，故有
实际控制器有正、反作用两种形式，注意 着两种情况下控制器输入输出的关系 调节器正、反作用形式的概念：一般的正 反作用根据测量值定义，若测量不变，给 定变化，同样会导致调节器输出变化，注 意这种情况下如何根据调节器的输入输出 信号判断其正反作用 比如测量值不变，给定值增大，相当于给 定值不变，测量值变小的情况，对于正作 用调节器，输出会增小，而对于反作用调 节器输出会变大
3、掌握调节阀的选用原则，如口径如何选？ 流量特性如何选？气开气关的概念和选用 问题，阀门形式（主要是直通单座和双座） 和材料的选用问题；掌握流量系数（或流 通能力）的概念 4、阀门定位器的作用，掌握在电、气仪表 共存情况下如何使用阀门定位器
已知阀的最大流量 Q 100m / h，可调范围 R=30。试分别计算在理想情况下阀的相对 l 行程为 L 0.1,0.2,0.8,0.9 ，时的流量值Q，并比较等 百分比流量特性控制阀在小开度与大开度 时的流量变化情况。 解：根据等百分比流量特性的相对流量与 l 相对行程之间的关系： Q ( 1) L
最小流量Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/h 串联管道时，压差变为60kpa， 此时最大流量会 发生变化 C Q1max 100*7.746 77.46m3 / h 1/ 60 所以，可调比变为 Fra Baidu bibliotek1=77.46/3.33=23.26 可见，串联管道时，会使调节阀的流量特性发生 畸变，其可调范围会降低，本题目中由30变为 23.26。
第二章 检测仪表
3）仪表精度等级值越小，精确度越高，就意味着 仪表既精密、又准确，即随机误差和系统误差都小。 精度等级确定后，仪表的允许误差也就随之确定了。 仪表的允许误差在数值上等于“±精度%”。 4）根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据 工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的 允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相 对百分误差。根据工艺要求来选择仪表精度等级时， 仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允 许的最大相对百分误差。
3 max
Q max
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分别代入上述数据，可得
Q0.1 4.68m3 / h, Q0.2 6.58m3 / h, Q0.8 50.65m3 / h, Q0.9 71.17m3 / h
例：1：上课例题
:2：对于一台可调范围为R=30的调节阀，已 知最大流通能力C=100，流体密度为 1g/cm3.阀由全关到全开时，由于串联管道 的影响，使阀两端的压差由100kpa降为 60Kpa， 如果不考虑阀的泄漏量的影响， 试计算系统的阻力比s，并说明串联管道对 可调范围的影响。