1. 准确性: 准确性由准确度表示,被定义为相对被测变量真实值的正确量度,准确度通常用满刻度读数来表示.

   例如,若一台变送器的量程为100℃,其准确度为0.5%,则说明变送器能确定真实温度在0.5℃之内.或者说,若变送器的量程为100℃,其测量值与真实值之差为0.5℃.

2. 可靠性: 可靠性指的是在规定条件下和规定的时间内,完成规定的功能的能力.由平均无故障时间(MTBF)衡量. 平均无故障时间(Mean Time Between Failures): 单台仪表在两次相邻故障间,除去维修时间后,其实际工作时间的平均值.

3. 电磁兼容性

4. 耐环境影响性: 使用防护等级(IP代码)衡量.

课后随堂题目:什么是信号制?控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳?为什么?

• 信号制: 是指成套系列仪表中,各个仪表的输入输出信号采用何种统一的联络信号.
• 信号传输设计原则:
  1. 控制室仪表之间使用电压信号,为了方便维护检修.
  2. 现场仪表及传输线使用电流信号(首选4~20mA直流电流信号),为了抗干抗性能好.
• 模拟信号的标准化:
  1. 模拟气动信号: 使用20 kPa~100kPa气压信号.
  2. 模拟直流电流信号: 使用4~20mA直流电流信号或0~10mA直流电流信号.优先选用4~20mA直流电流信号,辅助联络信号为1~5V电压信号.
• 练习题: 写出3种工业过程中常用的信号标准,并比较2种标准电流信号的特点? 控制系统中使用的常用标准信号有气压信号,电压信号和电流信号. 标准电流信号分为0~10 mA和4~20 mA两种:前者使用方便,容易将电流值换算为实际物理参数真实值,但是存在零值是无法确定是物理信号为零还是系统故障导致的电压为零的问题;而后者克服了上述缺点,存在调整量程灵活多变的优点.

课后随堂题目:控制系统中使用的标准信号有哪些?试比较0-X,A-X(A>0)两种信号标准的优缺点?

两种模拟信号的优缺点比较

1. 0~10mA直流电流信号: 死零点,老式仪表采用.
   • 优点: 直观,方便进行模拟信号的数学运算与刻度转换.
   • 缺点:
     1. 无法分辨仪表失电,电路断线和信号下限三种情况.
     2. 产生的电磁力小,带负载能力差.
2. 4~20mA直流电流信号: 活零点,新式仪表采用.
   • 缺点: 设计复杂
   • 优点:
     1. 方便分辨仪表失电,电路断线和信号下限三种情况.
     2. 仪表精度高,避开了电子元件的非线性区.
     3. 仪表可设计为两线制,节省电缆.
     4. 产生的电磁力大,带负载能力强.

课后随堂题目:请分析电流信号传输与电压信号传输的区别?

• 电流信号: 电流信号可以远传,且抗干扰能力强.所以电流信号适用于有电磁干扰且传输距离长的场合.

• 电压信号: 电压信号可以现场检测,且量程可以任意调整.所以电压信号适用于电磁干扰小,传输距离短且接收电路输入阻抗较大的情况.

课后随堂题目:请详述四线制和两线制各自的特点? 有两线制和四线制两种

• 四线制(信号线与电源线相独立):

  • 输出可以是0~10mA或4~20mA直流信号.
  • 对电流信号的零点与功率没有限制.
  • 电源为交直流均可.

• 两线制(信号线与电源线共享):

  • 输出必须是4~20mA直流信号.

  • 对电流信号的零点与功率有限制.

  • 电源必须为单电源,直流.

  • 变送器的正常工作电流必须小于等于信号电流的下限.

课后随堂题目:什么是变送器的量程调整?为何要进行量程调整?画图并结合公式说明量程调整的方法和步骤?

• 量程与上限的定义:

  • 量程: 测量上限与下限代数差的绝对值
  • 测量上限与下限: 测量范围的最高值与最低值

• 量程调整: 包括下限调整(又称为零点调整)和上限调整两个方面,只有当下限为零或确定不变时,才可以把上限调整看作是量程调整.

• 量程调整的目的:

  • 上限调整: 使变送器的输出信号的上限值 y m a x y_{max} ymax​与测量范围的上限值 x m a x x_{max} xmax​相对应.,在下限为零时,也可以称作量程增大调整. 上限调整的目的: 相当于改变变送器输入输出特性的斜率.

  • 下限调整(零点调整): 使变送器输出信号的下限值 y m i n y_{min} ymin​与测量信号的下限值 x m i n x_{min} xmin​相对应,在 x m i n = 0 x_{min}=0 xmin​=0时,为零点调整,在 x m i n ≠ 0 x_{min}\ne0 xmin​​=0时,为零点迁移调整.在未加迁移时,测量起始点为零;当测量的起始点由零变为某一正值时,称为正迁移;反之,当测量的起始点由零变为某一负值时,称为负迁移. 下限调整的目: 在实际测量中,为了正确选择变送器的量程大小,提高测量准确度,常常需要将测量的起点迁移到某一数值(正值或负值).

• 数字通信使得许多现场仪表和控制室装置在同一条总线上进行双向多信息的串行数字通信.
• 信息在不同层之间的处理方法是按照规定的协议进行的,因此能够相互理解.

1. 漏电电阻
2. 经过公共阻抗耦合
3. 电场耦合
4. 磁场耦合

• 串模干扰: 作用在仪表的两个输入端子之间,因此有横向干扰之称,其效果如同干扰信号与有用信号串联后送到仪表的输入端一样.主要影响信号精度.
• 共模干扰: 作用在信号电路与地之间,它对两根信号导线的作用完全相同,仪表的两个输入端子之间并无干扰信号,但这两个端子和地之间却出现了干扰信号,因此有"纵向干扰"之称. 共模干扰的危害:
  1. 易于转换为串模干扰.
  2. 对仪表产生破坏作用
• 抗干扰措施: 从干扰源,干扰途径和干扰对象三项因素着手:
  1. 消除或抑制干扰源.
  2. 破坏干扰引进的途径
  3. 削弱干扰接收对象对干扰的敏感性.

课后随堂题目:请给出工业中常见的电气隔离方式并简述其原理?

电气隔离是指将电源与用电回路作电气上的隔离,即将用电的分支电路与整个电气系统隔离,使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统,以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险.常见的电气隔离方式有如下几种:

• 己被广泛接收的仪表防爆技术有: 隔爆,增安,本安,正压,浇封和无火花型等. 首选技术是本安防爆技术.
• 本安防爆技术的特点:
  1. 成本低,体积小,质量小,允许在线检测和带电维护,也能用于0区危险场所.
  2. 为系统防爆,其性能既与关联设备有关也与相应设备有关.
• 防爆结构的两种类型:
  1. 隔爆型,用标志d表示: 核心思想是控制爆炸范围.
  2. 本安型,用标志i表示: 核心思想是控制进入危险场所的电压与电流.

课后随堂题目:请描述齐纳式安全栅的工作原理?

利用在本安电路与非本安电路间串接的电阻限制进入本安电路的电流,利用齐纳二极管 V D 1 VD_1 VD1​及 V D 2 VD_2 VD2​限制进入本安电路的电压,并用快速熔断丝 F U FU FU保护齐纳二极管. 在正常工作时,安全栅端电压 V 1 V_1 V1​小于齐纳二极管的击穿电压 V 0 V_0 V0​,齐纳二极管不工作,回路电流数值由安装在危险侧的变送器决定,安全栅并不影响正常的工作电流值.在现场发生事故如危险场所形成短路时,则用R限制过大电流进入危险场所.在安全栅端电压 V 1 V_1 V1​高于齐纳管的击穿电压 V 0 V_0 V0​时,齐纳管击穿,进入危险场所的电压将被限制在 V 0 V_0 V0​值上.同时,安全侧电流急剧增大,使快速熔断丝 F U FU FU很快熔断,立即把可能造成事故的高压与危险现场隔断,也保护了齐纳二极管.

• 热电阻的三线制接法: 温度变送器热电阻信号输入回路是一个不平衡电桥,热电阻为桥路的一个桥臂.所谓三线制接法,就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质,长短,粗细均相同的连接导线,其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中,另一根与测量桥路电源负极相连.
• 热电阻的四线制接法: 一对导线为热电阻提供恒定电流,另一对导线把电压信号引至内阻很高的显示仪表.

执行器分为3种: 液动,气动,电动.

1. 液动: 推力最大,但较笨重,现很少使用.
2. 气动:
   • 其执行机构和调节机构是统一的整体.
   • 执行机构有薄膜式和活塞式两类.活塞式行程长,适用于要求有较大推力的场合,而薄膜式行程较小,只能直接带动阀杆.
   • 用压缩空气为能源,结构简单,动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防燥.
   • 它可以通过电/气转换器或电/气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用.
3. 电动
   • 其执行机构和调节机构是分开的两部分.
   • 执行机构有角行程,直行程和多转式三种.
   • 以两相交流电机为动力的位置伺服机构,作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量.
   • 能源取用方便,信号传输速度快、距离远,便于集中控制.
   • 停电时,执行器保持原位不动,不影响主设备的安全
   • 灵敏度和精度较高,与电动仪表配合方便,安装接线简单.
   • 结构复杂体积较大,推力小,价格贵,平均故障率高于气动执行器.
   • 安全防爆性能较差,电机动作不够迅速,在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受损.

课后随堂题目:下图为力平衡式阀门定位器,请描述其工作原理并画出工作流程图?

课后随堂题目:火电机组中常用到哪些无级调速方式?请选择一种说明其组成和工作原理

转速控制装置有3种:

1. 转差(滑差)电动机调速机构
2. 液力耦合器调速机构
3. 变频调速装置

1. 无级调速: 高转速可控性好.低转速可控性差.投自动困难.
2. 效率问题: 牺牲转差律换取转速变化,转速降低时功率和效率下降.
3. 可靠性问题:磁间隙容易堵塞.致使软连接→硬连接,失去调速功能.
4. 维护问题:滑差电机拆卸困难.维护量大.

课后随堂题目:请简述下图所示液力耦合器调速机构的工作原理,并给出其调速特点?

• 工作原理

  泵轮转速是固定的,而涡轮转速则是根据工作油量的多少而改变,工作油越多,泵轮传给涡轮的力矩越大,则涡轮转速越高,反之涡轮转速越低.因而,可以通过调整工作油量来改变涡轮转速,具体有两种方式:

  1. 改变勺管位置(主要方式)
  2. 改变油泵经控制阀进入循环圈内的油量

• 调速特点

  1. 可实现宽范围无级调速(25%~100%),便于控制.
  2. 离合方便,可使勺管控制充油量为零,实现零负荷起动.
  3. 无机械连接,具有隔离振动的缓冲作用.
  4. 可实现过载保护,即使负载突然加大,电机仍然正常运转不致损坏.
  5. 无机械磨损,可靠性高,维护量小.
  6. 缺点是系统较复杂,自身有功率损耗,仍然是损失转差律S换取转速变化,节能不理想.

• 最初应用原因: 滑差电机存在致命缺点(硬连接、拆卸维护困难、低效、低转速可控性差)
• 变频调速思想: 将调速手段转移到主动部分;取消转速调节装置.直接控制电机转速.

课后随堂题目:画出PID调节电路的原理图,在图中标出各个电阻和电容元件的参数?并简述PID调节特性?

PID调节的特性如下:

• 比例调节的特点:
  1. 动作快,调节迅速.
  2. 对干扰有很强的抑制作用.
  3. 调节过程结束,被调量的偏差仍存在,存在静态偏差,因此被称为有差调节.
• 积分调节的特点:
  1. 只要偏差存在,积分控制作用一直增加,从而消除了静态误差,实现无差调节.
  2. 控制作用主要体现在调节过程的后期
• 微分调节的特点:
  1. 微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关,而与偏差值的大小无关.
  2. 微分调节可以实现超前调节,有利于克服动态偏差,将大大改善调节过程.
  3. 微分调节的引入可以使控制系统的稳定性和准确性得以提高,可适当减小静态偏差,但不能完全消除静态偏差.

课后随堂题目:写出5种先进控制策略的名称,并简要描述其中任意2种的工作原理?

1. 模糊控制: 用语言归纳操作人员的控制策略,运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制.
2. 专家控制: 试图在控制闭环中加入一个有经验的控制工程师,系统能为他提供一个“控制工具箱”,即可对控制,辨识,测量,监视等各种方法和算法选择自便,调用自如.
3. 神经网络控制: 用来模拟脑神经的结构和思维,判断等脑功能的一种信息处理系统.
4. 遗传算法: 遗传算法则是模拟生物的进化机制.将待求解问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子,整个系统按照生成→评价→选择→操作的演化过程反复进行,直至搜索到最优解.
5. 自适应控制: 针对对象特性的变化,漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的.它的基本思想是通过在线辨识使这种影响逐渐降低以至消除.
6. 变结构控制: 一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性.
7. 鲁棒控制: 在设计中,设法使系统对模型的变化不敏感.使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定,品质也保持在工程所能接受的范围内.

课后随堂题目:什么是集散控制系统?其基本设计思想是什么?

课后随堂题目:请简述现场总线控制系统的组成,并给出FCS相对于DCS系统的优点?

课后随堂题目:数据通信系统是由哪些部分组成的?

数据通信系统由信号,发送装置,接收装置,信道和通信协议组成.

课后随堂题目:什么是信息传输速率,它的单位怎样表示?

信息的传输速率又称为比特率,是指单位时间内通信系统所传输的信息量,一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示,记为R_b,其单位是比特/秒,记为bit/s或bps.

课后随堂题目:什么是通信协议?

通信协议是控制数据通信的一组规则,约定与标准,它定义了通信的内容,格式,通信如何进行,何时进行等.

课后随堂题目:请写出局部网络的拓扑结构?

星型结构,环型结构,总线型结构,树型结构,菊花链型结构.

课后随堂题目:什么是现场总线,现场总线模型一般有哪三层?

现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散,全数字化,智能,双向,互联,多变量,多点,多站的通信网络. 一般有物理层,数据链路层和用户层.

课后随堂题目:现场总线的技术特点有哪些?

1. 现场通信网络
2. 数字通信网络
3. 开放互连网络
4. 现场设备互连网络
5. 结构与功能高度分散的系统
6. 现场设备的可操作性和互换性
7. 系统具有优异的远程监控功能
8. 系统具有强大的故障诊断功能
9. 设备配置,网络组态和系统集成方便自由
10. 现场设备更换和系统扩展更为方便
11. 为企业信息系统的构建创造了重要条件

课后随堂题目:写出FF总线和CAN总线的中英文全称,并简述其工作协议和主要特点?

• FF总线,全称为基金会现场总线(Foundation Fieldbus),其通信协议为物理层、数据链路层和应用层.技术特点如下:
  1. 低速FF-H1总线:
     1. 控制与信息处理的现场化.
     2. 支持总线供电及本质安全防爆.
     3. 令牌总线访问机制.
  2. 内容广泛的用户层.
  3. 基于以太网的高速FF-HSE总线.
• CAN总线,全称为控制局域网络(Controller Area Network),其通信协议为物理层和数据链路层.技术特点如下:
  1. CAN总线规范符合国际标准ISO11898规范.
  2. 采用多主方式工作,通信方式灵活.
  3. 网络上的节点可分为不同的优先级,可满足不同的实时要求.
  4. 采用非破坏性总线仲裁技术,大大节省了总线仲裁时间.
  5. 采用短帧信息(8字节)传输结构,传输时间短,抗干扰能力强.

pdf版本笔记的下载地址: 控制装置与仪表随堂练习答案及知识点总结01（访问密码：3834）