工业自动化仪表及过程控制之数字调节器
《自动化仪表》习题答案解析
第1章（P15）（1）简述过程控制的特点。
Q:1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩,控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制;5)定值控制是过程控制的主要形式。
（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。
Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分.过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。
2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号:气动0。
02~0。
1MPa、电动Ⅲ型：4～20mADC或1~5V DC.2)数字式仪表的信号：无统一标准.（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示.Q：是串级控制系统。
方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。
2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型?试举例说明。
Q：1）按结构不同,分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈—反馈复合控制系统;按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统.2)略（10)只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q:1)不是这样。
2）比如对安全火花型防爆仪表,还有安全等级方面的考虑等。
（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是.2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件.2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
工业自动化仪表与过程控制
您的位置:考核练习〉〉习题浏览选择题1一、单项选择题1、由于节流装置造成流束局部收缩，在流束截面积最小处的静压力（）（分数：1分)A. 最高B。
最低C. 为平均压力D. 无关正确答案：B2、定值调节系统是一个（）调节系统（分数：1分)A. 开环B. 闭环C. 随动D。
比值正确答案：B3、在热电阻的测量电路里，有热电阻和测量仪表，在对于接线的二线制、三线制、四线制的说法里，不正确的是（）。
（分数:1分)A. 在二线制里，导线不宜过长B. 二线制电路连接仪表与三线制无误差区别C。
在三线制里测量精度比二线制高D。
在高精度测量的场合,采用四线制方式正确答案:B4、若设计Smith补偿控制，则Smith补偿器模型的取决于（分数：1分）A. 扰动通道的传递函数B。
被控过程的数学模型C。
控制器的模型D. A和B正确答案:D5、下面说法正确的是（). （分数：1分)A。
定值控制系统是按扰动量的大小进行调节的B. 采用前馈－反馈调节的优点是利用前馈调节的及时性和反馈调节的静态准确性C。
定值控制系统是开环调节，前馈调节是闭环调节D. 前馈调节是按测量与给定的偏差大小进行调节的正确答案：B6、。
用一台量程为0～1Mpa、精度为1。
5级的压力表来测量锅炉的蒸汽压力，工艺要求其测量误差不超过0.011 Mpa，此仪表精度显然不符合要求，应该选为精度为( )的另一台仪表. （分数：1分)A. 2.0B. 1。
5C。
1。
0D. 2。
57、根据对象特性来选择控制规律时，对于控制通道滞后小,负荷变化不大,工艺参数不允许有余差的系统，应当选用（）控制。
(分数：1分）A。
比例B. 比例积分C。
比例微分D. 微分正确答案：B8、常见的被控参数包括流量、（）、压力、温度等。
(分数：1分）A. 液位B。
转速C。
偏差D. 锅炉正确答案：A9、在控制流程图里，T作为被检测量时，一般表示（) （分数:1分）A. 液位B。
温度C。
压力D. 流量正确答案：B10、下列哪项不属于过程控制系统的常见被控对象（分数：1分）A。
化工仪表及自动化复习练习题(含答案)
化工仪表及自动化复习练习题（含答案）1。
电路一般由_____、_____及中间环节三部分组成.(电源；负载)2.在一段电路中，流过电路的电流与电路两端的电压成_____，与该段电路的电阻成_____。
(正比；反比)3。
晶体二极管的主要特性是_____导电性。
(单向）4。
从晶体三极管三个区引出的三个极分别是______极、______极和______极.(基;发射；集电)5。
仪表的测量范围是从测量_____值到测量_____值;量程是测量上限与测量下限值之_____。
（下限；上限；差）6。
按能源来分,仪表可分为_____仪表、_____仪表和_____仪表.(气动；电动；液动)7。
按被测参数来分,仪表可分为_____测量仪表、_____测量仪表、_____测量仪表、_____测量仪表和成分_____仪表。
（压力；流量；温度;物位;分析)8。
玻璃液体温度计是由__________、________和刻度标尺三部分组成.(玻璃温包;毛细管）9.电阻箱可以看作是一个具有__________的标准电阻.（可变电阻值）10。
测量一个电路的电流,电流表必须和这个电路_____,且电流表的内阻抗要尽量_____。
(串联;小）11。
兆欧表又称作_____、_____和___________.（摇表；高阻表；绝缘电阻测试器）12.U型压力表必须_____安装。
（垂直）13.玻璃管水位计是利用_______的原理制成的。
（连通器）14。
整流电路的作用是将_______变成____________。
(交流电；脉动直流电）15。
温度测量仪表可分为_______测温仪表和__________测温仪表两大类.(接触式；非接触式）16。
自动化仪表具有__________、___________、__________、__________功能.（自动检测;自动信号联锁;自动操纵；自动调节)17。
直流单臂电桥又称________电桥.(惠斯登)18。
工业自动化仪表及过程控制(0)
Industrial Automation Instrumentations and Process Control1）•课程的主要内容：•工业自动化仪表：•实现生产过程自动化的电子电气设备•过程控制：•实现生产自动化的理论和技术2）•过程控制系统(process control systems)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。
这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。
表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。
一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式。
过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。
3） 过程控制系统的组成4）例1：热交换器温度控制5）例2：热交换器自动调节系统6） 典型过程控制系统框图7）•自动调节系统组成：•调节对象(object)或称过程(process)•控制设备•传感器/变送器(sensor/transmitter)•调节器(controller)•执行器(actuator)8）●课程性质：限选课●考核方式：考试课●学时：569）主要参考书●历玉鸣.《化工仪表自动化》.第三版. 化学工业出版社●吴九辅.《仪表控制系统》.石油工业出版社●刘巨良.《过程控制仪表》.化学工业出版社●侯志林.《过程控制及自动化仪表》.机械工业出版社●天津大学化工学院主编.注册化工工程师执业资格考试基础考试(下)复习教程与模拟试题. 天津大学出版社.10） 自动化仪表的发展•发展的三个阶段•基地式仪表•单元组合式仪表•计算机控制系统11）基地式仪表：简单、实用12） 单元组合仪表（1）：电动单元组合仪表：DDZ13） 单元组合仪表（2）：电动单元组合仪表控制室14） 单元组合仪表（3）：电动单元组合仪表控制现场15） 单元组合仪表（4）：气动单元组合仪表：QDZ16） 计算机控制系统（1）DSC：集散控制系统17） 计算机控制系统（2）PLC：可编程控制器18）计算机控制系统（3）FCS ：现场总线控制系统局域网NT 服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口差压变送器调节阀差压变送器差压变送器温度变送器企业管理层（数据网络）过程监控层（数据网络）现场控制层（控制网络）现场总线网段19）•计算机控制系统（4）•计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)和计算机集成过程系统(CIPS)•管理信息分系统•设计自动化分系统•制造自动化分系统•质量保证分系统•计算机网络分系统•数据库分系统20）•课程重点：•自动化仪表：•基本工作原理及其应用•课程举例典型仪表：•检测仪表：常用温度、压力、流量和液位检测仪表•模拟仪表：DDZIII型•数字仪表：YS-80系列•DCS：CENTUNM系统•FCS：Fieldbus Foundation21）•课程重点：•过程控制技术：•单回路调节系统的结构、工作原理及应用。
《过程控制与自动化仪表》第3章 过程控制仪表上
3 、比例微分控制（PD）
对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增 加微分作用。 按偏差变化速度来产生调节作用，“超前”克服预 计的偏差，采取过量调节方法。它能较有效地改善过渡滞后较大 的调节对象的调节质量。
（1） 微分控制（D）
理想微分
u(t)
TD
de dt
式中：TD — 微分时间
例 某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，
输出信号范围是4～20mA。当指示指针从450℃变
到550℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。
求设定的比例度。
/ 100% e emax emin
u umax umin
/ 550450 168
800400 204
100% 50%
电；温度高于T2时，继电器1、2都断开。
进水
出水
J1
2
21
整理课件
T1 T2
J2 220V
比例积分微分调节规律
理想PID的数学表达式 ：
u(t)Kce(t)T 1I e(t)dtTDde d(tt)
u ( t ) 为调节器的输出值，
为被控参数与给定值之差。
写成传递函数形式：Gc(s)U E((ss))Kc1T1IsTDs
3、微分：根据偏差变化速度输出，有“超前”调节 作用，对过渡滞后大的对象有较好效果，可使最大偏 差减小，过渡时间减小，余差减小。TD增大，调节作 用增大，太大引起振荡。
整理课件
二、DDZ-Ⅲ型PID基型调节器
将PV值与SV值进行比较，得出DV后根据调节规律进行运算 输出MV信号，控制执行器消除偏差量，使PV值保持在给定值 附近或按预定规律变化的控制器
输出变化量与偏差的积分成正比 积分作用具有保持功能，故积分 控制可以消除余差。 积分输出信号随着时间逐渐增强 ，控制动作缓慢，故积分作用不单独 使用。 若将比例与积分组合起来，既 能控制及时，又能消除余差 。
[第4讲]-自动化仪表及过程控制-第四章-过程控制仪表
![[第4讲]-自动化仪表及过程控制-第四章-过程控制仪表](https://img.taocdn.com/s3/m/908249a56529647d272852bc.png)
第四章过程控制仪表⏹本章提要1.过程控制仪表概述2.DDZ-Ⅲ型调节器3.执行器4.可编程控制器⏹授课内容第一节概述✧过程控制仪表---是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。
在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。
过程控制仪表包括调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。
过程控制仪表的分类：●按能源形式分类：液动控制仪表、气动控制仪表和电动控制仪表。
●按结构形式分类：基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表、集散控制装置等。
[基地式控制仪表]以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。
基地式控制仪表特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。
目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。
[单元组合式控制仪表]将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。
使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。
特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。
它适用于各种企业的自动控制。
广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QD2型)。
[组件组装式控制仪表]是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。
它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。
整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。
这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。
过程控制与自动化仪表知识点
1.过程控制系统由被控过程和自动化仪表两部分组成。
2.自动化仪表按能源形式分为：液动、气动和电动。
按信号类型分为：模拟式和数字式。
3.模拟仪表的信号可分为气动仪表的模拟信号与电动仪表的模拟信号。
4.气动仪表的输入/输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa 的模拟气压信号。
5.按照国际电工委员会规定，过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mA DC ，负载电阻为250Ω；模拟直流电压信号为1~5V DC 。
DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表就是这种信号标准。
6.气动仪表与电动仪表的能量供给分别来自于气源和电源。
1.过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。
2.引用误差计算公式：%100x x minmax ⨯-∆=γ（其中△为最大绝对误差，等于实测值x 减真值a x 的最大差值，即a1x x -=∆，min max x x 与为测量表的上下限值）3.精确度及其等级：最大引用误差去掉“±”与“%”。
例：±5%的精度等级为0.5。
4.热电阻在500℃以下的中、低温度适合作测温元件（理解公式()()[]00t t 1t -+=αR R ，其中R(t)为被测温度t 时的电阻值；R 0为参考温度t 0时的电阻值，通常t 0=0℃，α为正温度系数）；金属热电阻适用于-200℃~500℃；热敏电阻为-50~300℃。
5.热电阻接线有二线制、三线制、四线制三种接法，其中三线制可利用电桥平衡原理消去导线电阻。
6.热敏电阻由于互换性较差，非线性严重，且测温范围在-50~300℃左右，所以通常较多用于家电和汽车的温度检测和控制。
7.由于热电偶具有测温精度高、在小范围内线性度与稳定性好、测温范围宽、响应时间快等优点，因此在工业生产过程中应用广泛。
当温度高于2000℃时热电偶不能长期工作，需采用非接触式测温方法。
8.当被测为运动物体时，采用非接触式测温方法。
体积流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：A A A υυ==⎰d q v 累积：⎰=t 0v v dt q Q 质量流量表示瞬时流量与累积流量：瞬时：v m q q ρ= 累积：v m Q Q ρ=（ρ为流量密度）标准状态下的体积流量：n v n m vn /q /q q ρρρ==（n ρ为标准状态下气体密度）9.典型流量检测仪表有容积式流量计、速度式流量计、直接式质量流量计。
《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲
自动化仪表及过程控制》课程教学大纲英文名称：Automatic Instruments and Process Control 课程编号：适用专业：自动化学时：54 学分： 3 课程类别：专业方向课课程性质：限选课一、课程的性质和目的《自动化仪表及过程控制》是自动化专业的重要专业课。
本课程在系统简明地阐述常用过程量测控仪表和计算机控制系统基本原理和基本知识的基础上，同时介绍自动调节系统设计和整定的基础知识，通过本课程的学习，使学生掌握生产过程控制的基础知识和基本应用技术。
二、课程教学内容概述主要内容：1、自动化仪表的概念及其发展；2、DDZ 仪表及其控制系统；3 、自动化仪表的基本性能指标。
第一章检测仪表基本内容和要求：1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；2 、掌握热电偶的测温原理及其应用；3 、掌握热电阻的测温原理及其应用；4、理解温度变送器的基本结构；5、了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；6、理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；7、理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。
8、理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；9、理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；10、了解成分分析仪表的基本概念。
教学重点：1、常用温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表和成分仪表的工作原理及其应用。
2、分度表，分度号，热电偶的冷端延伸和冷端补偿，热电阻的三线制；3、差动电容压力变送器工作原理；4、差压流量计的流量公式；5、差压变送器的零点迁移原理。
第二章调节器基本内容和要求：1、重点掌握PID 调节规律的原理及其应用；2、理解PID 模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；3、理解数字PID 算法基本表达式及其原理；4、简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。
教学重点PID 调节规律的原理及其应用；第三章集散控制系统和现场总线控制系统基本内容和要求：1 、了解单回路可编程调节器的概念2、了解DCS 系统的基本概念；3 、理解DCS 系统的结构特点及其组成；4 、理解DCS 控制站和操作站的功能；5 、了解FCS 系统的基本概念；第四章执行器和防爆栅基本要求1 、熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；2 、熟悉调节器流量特性的定义及其应用；3 、理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；4、了解电动执行器及电气转换器的基本原理；5 、简单了解工业控制系统防爆的基本概念。
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（图2-33)
可编程调节器程序例
SLPC用户程序例1：把两个变量的值相 加后输出。
LD X1 LD X2 + ST Y1 END
注意： 用户程序最多可以有99步指令
常见的改进算法有：
积分分离PID
微分先行PID
抗积分饱和PID
带死区PID
消除积分不灵敏PID 混合过程PID
采样PID
批量PID等
变形的PID算法(Advanced PID
Control)
微分先行算法
比例先行算法
微分先行PID算法
混合PID算法
▪需要将几种中间产品 按一定比例混合后作为 最终产品。混合PID控 制可以保证累计流量的 控制。
单回路可编程控制器组成：I/O
•输入通道：
•模拟量通道信号一般为1－5V的直流电压输入信号;(X1X5); •开关量通道通常采用光电耦合器件进行信号隔离传输; (DI01-06).
•输出通道：
•模拟量输出分别为1—5V或4—20mA的直流信号,(Y1-Y3); •开关量输出通道一般采用光电耦合器件进行隔离传输, (DO01-06).
例：一阶惯性运算模块LAGn
LD X1 LD P1 LAG1 ST Y1
取输入值 取时间常数 一阶惯性运算 结果输出
单回路可编程控制器组成：接口
•人机接口： •正面设置了测量值、给定值和输出值显示表； 自动/串级/手动切换按钮； 给定值增减按钮； 手动操作按钮和状态显示灯。 •侧面板上有设置和指示各种数据的键盘、显示器 等。
•通信接口：数字信号由驱动电路送出(串/并行)。
单回路可编程调节器功能示意图
例： YS80 SLPC
数字PID调节器(Digital PID Controller )
数字调节器例
DCS/DDC/SCADA/FCS系统
中控室：仪表盘和控制台
过程控制实验台
单回路可编程调节器
特点： •与模拟仪表兼容 •控制运算功能丰富
组成结构： •微处理器、内存 •输入输出通道 •串口、编程接口 •显示表头 •调整键盘、操作键
长
差低强难
高级语言 强
中
组态软件 很强
短
中中强中 好 高 一般 易
不完全微分的PID算法
由于理想的微分动作对高频干扰过于敏感，不能 使用，为抑制干扰的影响，数字调节器仿效模拟调 节器，将理想的微分改为不完全微分，也称为有限 制的微分
不完全微分的PID算法
易引起振荡 和超调
冲击小， 系统稳定
不完全微分PID结构框图
工业自动化仪表及过程 控制之数字调节器
2020年4月26日星期日
数字控制算法
数字调节器：数字式控制仪表。 数字调节的优点：
•运算、控制功能丰富； •具有数字通信功能； •可靠性好，使用维护方便
数字调节器主要输入输出量
输出值：VM(MV: Manipulated Variable) 设定值：VS(SV: Setpoint variable) 测量值：VP(PV:Process Variable)
SLPC数据结构例
•例有数据如下：(3400h)
•符号位0：正数 •整数：011B－3D •小数：0.01B－1/22=0.25D •3400H－3.25D
运算模块
•SLPC的所有运算指令（表2-1） •不同厂家的产品编程方法和指令会 有很大的不同。 •学习时主要了解指令的表示方法和 操作数的位置。
PV
可编程调节器程序例
例2：状态量运算 LD DI1 LD DI2 OR ST DO3 …… END
例3：最简单控制运算
LD X1 BSC ST Y1 ……
基本控 制：基 本PID运
算
END
MV
运算寄存器工作原理
LD X1 LD X2 + ST Y1 END
五个运算寄存器S1-S5：组成的先入后出堆栈
e=VS-VP 若：x(t)=e,y (t) =VM y (t)=f (x(t))
数字系统的离散信号
x0,x1,x2….,xn y0,y1,y2….,yn
也记做：
x(0),x(1),x(2),…,x(n) y(0),y(1),y(2),…,y(n)
数字PID算法(Digital PID Algorithm)
基本PID离散表达式
位置式PID算法
位置式数字PID算法的原理
增量式数字PID算法
•节省内存空间和运算时间 •减少累计误差 •误差动作影响小
增量式PID算法原理
算法框图
位置式PID算法框图
PID程序获得方法
三种常用PID程序编程语言性能对照
功能 开发时间 通用性 价格 针对性 调试
汇编语言 一般
采样周期(Sample Time)Ts的选择
•采样定理 •系统动态指标 •对象动态特性 •干扰信号的频谱 •控制回路数 •计算精度
常见被调量的经验采样周期
数字 PID 控制的改进算法
充分应用计算机控制软件算法实现方便的优点， 在基本PID的基础上，对其算法进行各种改进， 使其达到更好的控制效果。
SLPC数据结构
•16位二进制数组成； •1位符号位：1/0 (+/-) •3位整数位：000～111 (0 ~ 7) •12位小数位：2-12 ~ 1-2 –12
(2.44×10-4 ~ 0.9998) •内部数据范围：-7.999~+7.999 (111111111111111~0111111111111111) •其中：0.000~1.000对应4~20mA •注意：数字量/模拟量/工程量的对应关系
SLPC单回路可编程调节器
模拟输入：1-5V 5路 模拟输出：1-5V 2路，4-20mA 1路 数字输入输出：6点 比例度：6.3%-999.9% 积分时间：1-9999s 微分时间：1-9999s 控制功能：基本控制，串级控制，选择控制 控制算法：标准PID，采样PID，批量PID
控制器工作节拍
SLPC可编程控制器
SLPC可编程控制器
YS170
YS170(回路/趋势/报警 /调整画面）
单回路可编程控制器功能框图
单回路可编程控制器组成：主机
• CPU通常采用8位微处理器，通过内部总 线与接口和其他部件相连，
•ROM存放系统软件； •EPROM存放用户程序； •RAM存放输入数据、显示数据、运算 中间值和运算结果等.