过程控制仪表与系统.docx
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过程控制仪表与系统
一、填空题
1、简单控制系统是由（被控对象）（检测元件及变送器）（控制器）（执行器）组成。
2、执行器由（执行机构）和（调节机构）两部分组成
3、人工智能在控制领域的主要应用有：
（专家控制系统）（模糊控制）和（神经网络控制）等
4、变送器可以通过（零点迁移）和（量程调整），来提高仪表的测量精度
5、控制系统的性能指标可用（时域指标）或（积分指标）描述
6、通常随动控制系统衰减比调整建议在（10:
1）以上，而定值控制系统衰减比建议调整在（4:
1）
7、在锅炉设备的控制中，三大主要控制系统是（锅炉汽包水位控制）（锅炉燃烧系统控制）和（锅炉过热蒸汽系统控制）
8、模糊控制系统通常由（模糊化）（知识库）（模糊推理）（清晰化）等部分组成
9、气开控制阀指当输入到执行机构的信号增加时，流过控制阀的流量增加，因此，故障时，气开控制阀处于全关状态
10、均匀控制的整定原则：
比例度较大些，积分时间较长些。
11、描述对象特性的参数是（放大系数）（时间常数）（滞后时间）
12、控制系统建模方法有（建立机理模型）（实验建模）两种
13、工业上广泛应用于泵和风机流量控制的方法是采用（变频调速）方法
14、数字PID控制规律主要有（增量式）（位置式）
15、控制阀流量特性有（理想流量特性）和（工作流量特性）
16、典型的理想流量特性有（直线）、（等百分比）、（快开）和（抛物线）四种。
（双曲线）（平方根）
17、积分时间越短，积分作用越强，
18、放喘振控制分为（固定极限流量放喘振控制）、（可变极限流量放喘振控制）
19、可编程控制器简称PLC
20、当控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不断变化的过程称为（过渡过程）。
也就是系统从一个平衡状态到达另一个平衡状态的过程。
有以下几种形式：
（发散振荡过程）、（等幅振荡过程）、（衰减振荡过程）、（非振荡的单调过程）、
21、过程特性是指当被控量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律。
工业过程的特性分为四种：
（自衡的非振荡过程）（无自衡非振荡过程）（有自衡的振荡过程）（具有反向特性的过程）
22、在衡量和比较不同的控制方案时，必须首先定出评价系统优劣的性能指标，一般过程控制系统的性能指标主要是用来衡量系统的（稳定性）（准确性）（快速性）
23、（预测控制算法）是以模型为基础，既包含了预测的原理，同时具有最优化控制的基本特征。
三个基本特征：
（模型预测）、（滚动优化）、（反馈校正）
24、计算机集成控制称为（综合自动化或广义自动化），综合和广义意味着（管理）和（控制）的一体化，并不停留在一般意义上的自动控制，即具有综合的功能，进行综合考虑，追求综合的整体优化。
25、安全栅作为（控制仪表和现场总线仪表）的关联设备，一方面传输信号，一方面控制流入危险场所的能量在爆炸气体或混合物的点火能量以下，以保证系统的本安防爆性能。
26、变送器和转换器的作用是分别将各种（工艺变量和电气信号）转换成相应的统一标准信号。
27、根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法称为（系统辨识法），建立的模型称为（黑箱模型）。
28、自适应控制系统是一类能够适应过程特性或（环境条件变化）自动调整控制器参数的控制系统。
29、工业生产过程控制的发展趋势有里两个明显的特点（同步性）（综合性）
30、过程动态数学模型案模型描述表述为（传递函数）（状态空间）（微分方程）（差分方程）
31、在建立过程动态模型中，对过程模型的要求是（正确、可靠和简单）
32、分局控制系统稳定运行准则，扰动或设定变化时，控制系统静态稳定的条件是（控制系统各开环增益之积基本恒定）；控制系统动态稳定运行的条件是（控制系统总开环传递函数的模基本恒定）
二、简答题
1、简要辨析前馈控制和反馈控制的区别及优缺点
反馈控制是最基本也是最常见的控制系统。
控制是按被调量与给定值的偏差起作用的，所以也称偏差控制。
扰动作用后要等到被调量发生变化并与给定值行程偏差才能产生控制作用，所以从消除扰动的影响来看，控制作用时不及时的，但他时刻关注被调量，所以可以保证被调量不会有太大的偏离
前馈控制系统没有被调量的反馈信号，没有形成闭合回路，又称开环控制。
扰动作用后，一方面通过被控对象会引起被调量的变化，但同时由于前馈控制器产生控制作用，力图消除扰动的影响，所以，控制作用是很及时的。
前馈控制主要做用于对外部扰动进行抑制，以减少动态偏差。
2.、什么是控制系统的过渡过程？
描述过渡过程的品质指标有哪些？
当控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不断变化的过程
衰减比n、最大偏差或超调量、余差C、稳定时间、振荡周期或频率
3、锅炉燃烧时其炉膛为什么要控制在微负压？
如何控制炉膛负压？
炉膛负压控制过低，则往炉膛内的漏风增加，影响热效率；如果炉膛压力为正压，火苗外冒，影响炉子寿命，超过了限度，还可能造成事故。
通过引风量来控制炉膛负压
4、锅炉燃烧系统四种控制方案特点
A、串级-比值控制系统：
能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，空气量能够跟踪燃料量变化，但是送入的空气量滞后于燃料量的变化
B、串级-串级控制系统：
燃料量与空气量的比值关系是通过燃料控制器和空气控制器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定
C、逻辑提量和逻辑减量控制系统：
该方案在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。
该方案既能保证蒸汽压力恒定，又可实现燃料的完全燃烧。
控制系统的工作原理可参考选择性控制系统的相关内容。
D、双交叉燃烧控制：
使该控制系统在稳定工况下能够保证空气和燃料在最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近，因此，具有良好的经济效益和社会效益
13、锅炉汽包为什么会产生虚假液位
蒸汽流量突然增加，导致汽包压力下降，水沸腾突然加剧，水中气泡数量迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高。
压力下降而非水量增加（实际减少）导致胞内水位上升的现象称为虚假水位
锅炉汽包水位控制系统
双冲量水位控制系统；
三冲量水位控制系统；
5、常用换热器控制方案
调节载热体的流量（最常用）
调节传热平均温差：
滞后较小，反应迅速，应用亦较广泛
调节传热面积：
滞后较大，只有在某些必要的场合下采用
将工艺介质分路：
反应迅速及时，采用专用的冷剂或热剂，不经济。
总流量不好调节。
6、空气过剩率：
为了使燃料得到充分的燃烧，空气过剩率
常大于1，一般μ=1.02-1.50。
空气过剩率与燃烧效率、节能、防止公害有很大的关系
7、泵的3种控制方案及优缺点
改变控制阀开启度，直接节流优点是简便易行，缺点是在流量小的情况下，总的机械效率较低。
所以这种方案不宜使用在排出量低于正常值30%的场合
改变泵的转速采用这种控制方案时，在液体输送管线上不需要装设控制阀，因此不存在hv项的阻力损耗，相对说机械效率较高，所以在大功率的重要泵装置中，有逐渐扩大采用的趋势。
但要具体实现这种方案，都比较复杂，所需设备费用亦高一些。
通过旁路控制方案简单，而且控制阀口径比较总的机械效率较低
8、饱和积分的原因及解决方案
具有积分作用的控制器在单方向偏差信号作用下，其输出范围仍然继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态进入深度饱和状态，这种现象成为积分饱和
影响：
控制不及时
防止方法：
在控制器输出达到输出范围上限值或者下限值时，暂时去掉积分作用；在控制器输出达到输出范围上限值或者下限值时，使积分作用输出不继续增加。
9、简述比例控制参数Kp对系统性能（动态特性和稳态特性）影响
对动态特性：
比例控制参数Kp加大，系统的动作灵敏度提高，速度加快，Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当Kp太大时，系统会趋于不稳定。
Kp太小，又会使系统动作缓慢。
对稳态特性：
在系统稳态的情况下，加大比例控制Kp，可减小稳态误差，提高控制精度，但加大Kp只是减少稳态误差，却不能完全消除误差。
10、模拟变送器；模拟控制器组成及作用
模拟变送器
组成：
测量部分、放大器和反馈部分
——测量部分的转换系数；
——放大器的放大系数；
——反馈部分的反馈系数。
11、模拟式控制器（D-III）原理框图
输入信号：
1~5VDC；
输出信号：
4~20mADC或1~5VDC
12、数字式控制器特点及组成框图
特点：
①智能化：
由于采用微处理器作为仪表的核心，使仪表的运算、判断可控制功能都极强，功能丰富；
②适应性强：
控制器的功能主要由软件完成，编制不同的软件，可以得到各种不同的功能，实现不同的控制策略。
用户程序编制可使用面向过程语言（POL：
ProcedureOrientedLanguage），易学易用；
③具备通讯能力，可以与上位计算机交换信息，可组成SPC或DDC（DirectDigitalControl）控制，从而实现大规模的集中监控系统；
④可靠性高：
在硬件与软件中采用了可靠性技术，具有自诊断功能，大大提高了其可靠性。
1、控制系统的组成
对象：
某些被控制的装置或设备。
检测元件（或称敏感元件）及变送器检测元件的功能是感受并测出被控量的大小；变送器的作用则是检测元件测出的被控量变换成控制器所需要的信号形式
控制器：
将检测元件或变送器送来的信号与被控变量的设定值信号进行比较得出偏差信号，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算控制信号u，然后将控制信号传送给执行机器。
执行器：
其作用是接受控制器发出的控制信号，直接改变操纵量，即调整能量或物料的平衡，使被控量回复至设定数值。
2、按设定值形式过程控制系统分类
定值控制系统：
设定值恒定，不随时间而变
程序控制系统：
设定值在时间上按一定程序变化，被控量在时间上也按一定程序变化
随动控制系统：
设定值随时间不断的变化，而且预先不知道它的变化规律，但要求系统的输出即被控量跟着变化，而且希望被控量随设定值的变化即快又准
3、过程控制系统的过渡过程及四种基本形式
过渡过程当控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不断变化的过程。
也就是系统从一个平衡状态到达另一个平衡状态的过程。
发散振荡过程：
被控量不能调回设定值，且波动振幅越来越大
等幅振荡过程：
被控量始终在某一幅值上下波动
衰减振荡过程：
经过一段时间的振荡后，最终趋向一个新平衡状态
非振荡的单调过程：
在生产上被控量不允许有波动时，可采用
4、过程控制系统品质指标
衰减比n：
（‘第一峰值’—‘新稳态值’）：
（‘第一峰值’—‘新稳态值’）
随动控制系统n=10:
1以上定值控制系统n=4:
1
最大偏差或超调量：
最大偏差=‘最高峰值’—‘给定值’超调量=‘峰值’—‘新稳态值’
余差C=‘新稳态值’—‘给定值’
稳定时间变化值进入“‘新稳态值’+‘给定值（±2%）’”的时间
振荡周期或频率T=两峰值时间差
5、多数工业过程的四种对象特性
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
无自衡非振荡过程：
当进料作阶跃变化后，如果不依靠外加控制作用，不能建立起新的物料平衡状态
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
具有反向特性的过程：
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
6、三大对象特性参数
放大系数K（静态特性参数）：
与被控量的变化过程起点与终点有关，变化过程没有关系。
K愈大（或愈小），则输入对输出稳定值的影响愈大（或愈小）
时间常数Tc：
说明被控量变化快慢的参数。
时间常数Tc小，则对象惯性小，被控量变化速度大，不易控制
滞后时间τ：
τ/Tc越大，被控量越容易振荡，对象越难于控制
K是用来表征对象静态特性的参数；时间常数Tc和滞后时间τ都是用来表征对象受到扰动作用后被控量是如何变化的，反映对象动态特性的参数
7、模拟式变送器原理框图
作用：
检测被测参数x，并将其转换成放大器可以接受的信号zi，反馈部分把变送器的输出信号y转换成反馈信号zf；在放大器的输入端，zi与调零及零点迁移信号z0的代数和同zf进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换成统一标准信号y输出
8、智能式变送器框图
9、变送器共性问题
量程调整：
改变变送器的输入输出特性的斜率
零点调整与零点迁移：
零点调整使变送器的测量起始点为零，而零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）
线性化：
由于传感器组件的输出信号与被测参数之间存在着非线性关系，为了使变送器的输出信号与被测参数之间呈线性关系，必须进行非线性补偿
非线性补偿方法通常有两种，
①使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性；
②使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性。
传输方式：
气动变送器、电动模拟式变送器、数字式变送器
10、温变的三种类型：
热电偶温度变送器量程单元、热电阻温度变送器量程单元、直流毫伏变送器量程单元、
差变的类型：
力矩平衡式、电容式、扩散硅式、膜盒式、电感式
电容式差压变送器原理：
输入差压作用于感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片（即可动电极）与固定电极所组成的差动电容器的电容量发生变化，此电容变化量再经电容-电流转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行对比，其差值送入放大电路，经放大得到4~20mA直流电流输出。
11、执行器的分类
主要特性
气动执行器
电动执行器
液动执行器
构造
简单
复杂
简单
体积
中
小
大
配管配线
较复杂
简单
复杂
推力
中
小
大
动作滞后
大
小
小
维护检修
简单
复杂
简单
使用场合
适于防火防爆
不适于防火防爆
要注意火花
价格
低
高
高
12、四种流量特性
抛物线流量特性：
控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即直线流量特性的斜率等于常数，与相对流量值无关
等百分比流量特性：
相对流量与相对开度之间成对数关系，故又称对数流量特性
直线流量特性：
流量特性是一条抛物线，介于直线及等百分比特性曲线之间
快开流量特性：
在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性
13、串联、并联管道的工作流量特性：
串、并联管道的情况，可得如下结论：
a串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。
b串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。
c串、并联管道都会使控制阀的放大系数减小。
串联管道时控制阀若处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重；并联管道时控制阀若处于小开度，则x值降低对放大系数影响更为严重。
d串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。
14、梯形图编程
在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形编程语言，沿用了继电器、接点、串并联等术语和类似的图形符号，是多数PLC的第一用户语言
语句表：
是一种类似于汇编语言的助记符编程语言，语句是用户程序的基本单元，每种控制功能通过一条或多条语句来描述。
基本指令格式是由操作码和操作数组成
逻辑功能图：
是在数字逻辑电路基础上开发出的一种图形编程语言，它采用了数字电路的图符，用“与”、“或”、“非”等逻辑组合来描述控制功能
顺序功能图编程方式：
采用画工艺流程图的方法编程，亦称功能图，只要在每一个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可
15、串级过程控制系统和双重控制系统比较
①串级：
由两个或两个以上的控制器串联连接而成，一个控制器的输出作为两一个控制器的设定值，由最后一级控制系操纵执行器动作
优点：
（１）由于副回路的作用，增强了抗扰动的能力，对于进入副回路的扰动，不等它影响到主被控量，副控制器就先行控制。
对进入副回路的扰动，具有较强的抗干扰能力。
（２）由于副回路的存在，改善了对象的特性，即对象控制通道的时间常数缩小，反应速度加快，具有超前作用，从而可较有效地克服滞后的影响，提高控制质量。
（３）由于副回路的存在，使控制系统具有一定的自适应能力。
串级控制系统具有一定的自适应能力，能够适应不同负荷和操作条件的变化。
适用于对象滞后和时间常数大，干扰作用频繁、负荷变化大、控制要求高的系统
②双重：
被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行控制的控制系统，（不止一个控制器），一个控制器输出作为另一个控制器的测量信号
优点：
增加开环零点，改善控制品质，提高系统稳定性，提高双重控制系统的工作频率；动静结合、快慢结合，急则治标，缓则治本。
16锅炉引风机和鼓风机的控制
（1）工作过程
锅炉燃料的燃烧需要充分的氧气，引风机和鼓风机为锅炉燃料的燃烧提供氧气。
在锅炉点火时，首先引风机起动，延时8s后鼓风机起动。
停止时，按停止按钮，鼓风机先停，8S后引风机停。
可以采用PLC进行控制。
（2）输入/输出点分配
输入点：
起动按钮I0.0输出点：
引风机控制接触器Q0.0
停止按钮I0.1鼓风机控制接触器Q0.1
（3）梯形图控制程序
（4）工作过程分析
按起动按钮I0.0，Q0.0得电并自锁，引风机起动。
同时T37开始计时，8S后T37触点闭合，Q0.1得电并自锁，鼓风机起动。
按停止按钮I0.1，Q0.1（鼓风机）断电停止，同时M0.0得电并自锁，T38开始计时，8s后T38触点打开，QO.0（引风机）断电停止。
2、分程控制系统定义及用途
3、比例控制参数Kp对系统性能（动态特性、稳态特性）影响
4、积分饱和的原因及解决方法
5、PID控制数学表达式，微分方程不能单独实施的原因
6、串级过程控制系统和双重控制系统比较
1、预测控制
以模型为基础，即包含了预测的原理，同时具有最优控制的基本特征。
有三个基本特征：
即模型预测、滚动优化和反馈校正
2、推断控制
是通过数学模型利用可测信息将不可测输出变量推算出来实现反馈控制，或将不可测扰动推算出来实现前馈控制
3、自适应控制系统
指系统本身能自动测量被控系统的参数或运行指标，自动地调整控制的参数，以适应其特性的变化，保证整个系统的性能指标达到最优的控制系统
必定具有以下三个部分：
1）测量或估计环节，用来测量过程输入与输出，并能对某些参数进行实时估计；
2）品质评价单元用来完成测量或计算性能指标工作，并评定系统是否偏离最优状态；
3）控制决策机构用来自动调整控制参数或改变控制规律。
4、神经网络系统常用模型
最常用的有反向传播（BP：
BackPropagation神经网络是一种多层感知机结构的前向网络，由输入层、输出层和隐含层构成的）网络、径向基函数（RBF：
RadialBasisFunction正向网络，其输入层空间到隐含层空间的变换是非线性的，而隐含层空间到输出层空间的变换是线性的，且隐含层激活函数采用径向对称的径向基函数
）网络、Hopfield网络
4、专家控制系统
是一种人工智能的计算机程序系统，这些程序内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的各种问题
专家系统基本结构
专家控制系统基本结构
5、神经网络控制系统概念
指采用神经网络作为主要工具进行系统设计及实现的控制系统。
6、计算机控制系统
计算机控制系统由工业控制计算机和生产过程组成，而工业控制计算机是计算机控制系统的核心装置，计算机控制系统也是硬件和软件部分组成。
分类：
操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、数据采集与监视控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统等
7、PLC：
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
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
分类：
PLC的种类很多，性能规格不一，通常按结构形式、控制规模、实现功能进行分类。
（1）按地域范围可分为美国流派、欧洲流派、日本流派；
（2）按结构形式可分为一体式和组合式，如图14-4和图14-5所示；
（3）按控制规模（I/O点数）可分为小型机、中型机、大型机
基本组成：
主要包括CPU、RAM、EPROM、E2ROM、I/O接口、通信接口、外设接口、电源和特殊输入/输出单元等
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