緒論

控制裝置的主要構成

課後隨堂題目:請給出右圖中ABCDEFG多代表的元件或者位置名稱,並簡述DEFG的功能或作用?
不得不說,老師做PPT的能力還有待改進,這個圖畫的簡直太醜了,看我重新畫的就好看多了.

變送器的用途:將被測參數轉換成標準輸出信號.
控制器的用途:根據輸入信號而和控制要求按某一規律自動地改變輸出信號的儀表.控制器的輸出信號可以去控制執行器,或去控制其他控制器.
執行器的用途: 接受控制器的輸出指令,進行功率放大後去驅動控制機構的裝置.
模/數轉換器: 將變送器測量得到的模擬信號轉爲數字信號.

課後隨堂題目:下圖爲鍋爐水位自動控制系統,請給出其中ABCDE做代表的元件名稱,並說明各元件的作用?

A爲執行器
B爲控制器
C爲檢測/變送器
D爲安全閥
E爲放空閥

課後隨堂題目:請簡述下圖力平衡式測量儀表的結構和動作過程?

待測壓力通過一彈簧裝置轉化爲作用於槓桿上的力,使槓桿產生偏移,產生位移.位移檢測元件檢測到位移後發出信號,經位移檢測放大器作用後,將信號傳送至一利用電磁原理產生力的裝置. $F=F_f$ 時該過程結束,實現了力的測量.

基礎知識

基本概念

現場總線: 現場總線是安裝在生產現場的儀表和控制室內的儀表或裝置之間的數字式串行通信鏈路.既包括軟件部分,也包括硬件部分.

信號制

課後隨堂題目:什麼是信號制?控制系統儀表之間採用何種連接方式最佳?爲什麼?

信號制: 是指成套系列儀表中,各個儀表的輸入輸出信號採用何種統一的聯絡信號.
信號傳輸設計原則:
1. 控制室儀表之間使用電壓信號,爲了方便維護檢修.
2. 現場儀表及傳輸線使用電流信號(首選4~20mA直流電流信號),爲了抗幹抗性能好.
模擬信號的標準化:
1. 模擬氣動信號: 使用20 kPa~100kPa氣壓信號.
2. 模擬直流電流信號: 使用4~20mA直流電流信號或0~10mA直流電流信號.優先選用4~20mA直流電流信號,輔助聯絡信號爲1~5V電壓信號.
練習題: 寫出3種工業過程中常用的信號標準,並比較2種標準電流信號的特點?
控制系統中使用的常用標準信號有氣壓信號,電壓信號和電流信號.
標準電流信號分爲0~10 mA和4~20 mA兩種:前者使用方便,容易將電流值換算爲實際物理參數真實值,但是存在零值是無法確定是物理信號爲零還是系統故障導致的電壓爲零的問題;而後者克服了上述缺點,存在調整量程靈活多變的優點.

兩種模擬直流信號的區別

課後隨堂題目:控制系統中使用的標準信號有哪些?試比較0-X,A-X(A>0)兩種信號標準的優缺點?

兩種模擬信號的優缺點比較

0~10mA直流電流信號: 死零點,老式儀表採用.
- 優點: 直觀,方便進行模擬信號的數學運算與刻度轉換.
- 缺點:
  1. 無法分辨儀表失電,電路斷線和信號下限三種情況.
  2. 產生的電磁力小,帶負載能力差.
4~20mA直流電流信號: 活零點,新式儀表採用.
- 缺點: 設計複雜
- 優點:
  1. 方便分辨儀表失電,電路斷線和信號下限三種情況.
  2. 儀表精度高,避開了電子元件的非線性區.
  3. 儀表可設計爲兩線制,節省電纜.
  4. 產生的電磁力大,帶負載能力強.

課後隨堂題目:請分析電流信號傳輸與電壓信號傳輸的區別?

電流信號: 電流信號可以遠傳,且抗干擾能力強.所以電流信號適用於有電磁干擾且傳輸距離長的場合.
電壓信號: 電壓信號可以現場檢測,且量程可以任意調整.所以電壓信號適用於電磁干擾小,傳輸距離短且接收電路輸入阻抗較大的情況.

變送器與控制室儀表間的信號傳輸

課後隨堂題目:請詳述四線制和兩線制各自的特點?
有兩線制和四線制兩種

四線制(信號線與電源線相獨立):
- 輸出可以是0~10mA或4~20mA直流信號.
- 對電流信號的零點與功率沒有限制.
- 電源爲交直流均可.
兩線制(信號線與電源線共享):
- 輸出必須是4~20mA直流信號.
- 對電流信號的零點與功率有限制.
- 電源必須爲單電源,直流.
- 變送器的正常工作電流必須小於等於信號電流的下限.

量程與零點

課後隨堂題目:什麼是變送器的量程調整?爲何要進行量程調整?畫圖並結合公式說明量程調整的方法和步驟?

量程與上限的定義:
- 量程: 測量上限與下限代數差的絕對值
- 測量上限與下限: 測量範圍的最高值與最低值
量程調整: 包括下限調整(又稱爲零點調整)和上限調整兩個方面,只有當下限爲零或確定不變時,纔可以把上限調整看作是量程調整.
量程調整的目的:
- 上限調整: 使變送器的輸出信號的上限值 $y_{max}$ 與測量範圍的上限值 $x_{max}$ 相對應.,在下限爲零時,也可以稱作量程增大調整.
  上限調整的目的: 相當於改變變送器輸入輸出特性的斜率.
- 下限調整(零點調整): 使變送器輸出信號的下限值 $y_{min}$ 與測量信號的下限值 $x_{min}$ 相對應,在 $x_{min}=0$ 時,爲零點調整,在 $x_{min}\ne0$ 時,爲零點遷移調整.在未加遷移時,測量起始點爲零;當測量的起始點由零變爲某一正值時,稱爲正遷移;反之,當測量的起始點由零變爲某一負值時,稱爲負遷移.
  下限調整的目: 在實際測量中,爲了正確選擇變送器的量程大小,提高測量準確度,常常需要將測量的起點遷移到某一數值(正值或負值).

控制裝置的抗干擾

干擾的形式

串模干擾: 作用在儀表的兩個輸入端子之間,因此有橫向干擾之稱,其效果如同干擾信號與有用信號串聯後送到儀表的輸入端一樣.主要影響信號精度.
共模干擾: 作用在信號電路與地之間,它對兩根信號導線的作用完全相同,儀表的兩個輸入端子之間並無干擾信號,但這兩個端子和地之間卻出現了干擾信號,因此有"縱向干擾"之稱.
共模干擾的危害:
1. 易於轉換爲串模干擾.
2. 對儀表產生破壞作用
抗干擾措施: 從干擾源,干擾途徑和干擾對象三項因素着手:
1. 消除或抑制干擾源.
2. 破壞干擾引進的途徑
3. 削弱干擾接收對象對干擾的敏感性.

課後隨堂題目:請給出工業中常見的電氣隔離方式並簡述其原理?

電氣隔離是指將電源與用電迴路作電氣上的隔離,即將用電的分支電路與整個電氣系統隔離,使之成爲一個在電氣上被隔離的、獨立的不接地安全系統,以防止在裸露導體故障帶電情況下發生間接觸電危險.常見的電氣隔離方式有如下幾種:

變壓器隔離: 變壓器本身就是電氣隔離的一種裝置,雙繞組變壓器的一、二次側所連接的電路處於電氣隔離狀態.利用電磁感應定律,在變壓器工作時,一次繞組通入交流電後,將在其鐵芯中產生交變磁通,交變磁通又將在一、二次繞組感應電動勢.二次繞組感應電動勢後就可向二次電路提供交流電壓.
光電耦合隔離: 光電耦合器把輸入信號與內部電路隔離開來,或者是把內部輸出信號與外部電路隔離開來.通過發光二極管的亮滅表進行輸入信號表達,進而控制另一電路的通斷.
繼電器隔離: 可利用繼電器的線圈接受信號,利用觸點發送和輸出控制信號,從而避免強電和弱電信號之間的直接接觸,實現了抗干擾隔離.

控制裝置的防爆

齊納式安全柵

課後隨堂題目:請描述齊納式安全柵的工作原理?

利用在本安電路與非本安電路間串接的電阻限制進入本安電路的電流,利用齊納二極管 $VD_1$ 及 $VD_2$ 限制進入本安電路的電壓,並用快速熔斷絲 $FU$ 保護齊納二極管.
在正常工作時,安全柵端電壓 $V_1$ 小於齊納二極管的擊穿電壓 $V_0$ ,齊納二極管不工作,迴路電流數值由安裝在危險側的變送器決定,安全柵並不影響正常的工作電流值.在現場發生事故如危險場所形成短路時,則用R限制過大電流進入危險場所.在安全柵端電壓 $V_1$ 高於齊納管的擊穿電壓 $V_0$ 時,齊納管擊穿,進入危險場所的電壓將被限制在 $V_0$ 值上.同時,安全側電流急劇增大,使快速熔斷絲 $FU$ 很快熔斷,立即把可能造成事故的高壓與危險現場隔斷,也保護了齊納二極管.

執行器

閥門定位器

課後隨堂題目:下圖爲力平衡式閥門定位器,請描述其工作原理並畫出工作流程圖?

工作原理
壓力(電流)信號通入後,波紋管形變使槓桿2產生一個向左的力,使其繞支點作逆時針偏轉,擋板靠近噴嘴,噴嘴背壓經氣動放大器送入氣動薄膜調節閥氣室,使閥杆向下移動,經擺杆帶動反饋杆和偏心凸輪繞支點偏轉,通過滾輪使槓桿1繞支點偏轉,將(反饋)彈簧拉伸,反饋彈簧對槓桿2的拉力與壓力信號輸入平衡時,儀表達到平衡狀態.
控制框圖:(有兩種版本,不知道哪個是正確的,都在PPT上有)

轉速控制裝置

課後隨堂題目:火電機組中常用到哪些無級調速方式?請選擇一種說明其組成和工作原理

轉速控制裝置有3種:

轉差(滑差)電動機調速機構
液力耦合器調速機構
變頻調速裝置

液力耦合器

課後隨堂題目:請簡述下圖所示液力耦合器調速機構的工作原理,並給出其調速特點?

工作原理

泵輪轉速是固定的,而渦輪轉速則是根據工作油量的多少而改變,工作油越多,泵輪傳給渦輪的力矩越大,則渦輪轉速越高,反之渦輪轉速越低.因而,可以通過調整工作油量來改變渦輪轉速,具體有兩種方式:
1. 改變勺管位置(主要方式)
2. 改變油泵經控制閥進入循環圈內的油量
調速特點
1. 可實現寬範圍無級調速(25%~100%),便於控制.
2. 離合方便,可使勺管控制充油量爲零,實現零負荷起動.
3. 無機械連接,具有隔離振動的緩衝作用.
4. 可實現過載保護,即使負載突然加大,電機仍然正常運轉不致損壞.
5. 無機械磨損,可靠性高,維護量小.
6. 缺點是系統較複雜,自身有功率損耗,仍然是損失轉差律S換取轉速變化,節能不理想.

控制器

PID調節

課後隨堂題目:畫出PID調節電路的原理圖,在圖中標出各個電阻和電容元件的參數?並簡述PID調節特性?

PID調節的特性如下:

比例調節的特點:
1. 動作快,調節迅速.
2. 對干擾有很強的抑制作用.
3. 調節過程結束,被調量的偏差仍存在,存在靜態偏差,因此被稱爲有差調節.
積分調節的特點:
1. 只要偏差存在,積分控制作用一直增加,從而消除了靜態誤差,實現無差調節.
2. 控制作用主要體現在調節過程的後期
微分調節的特點:
1. 微分調節作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關,而與偏差值的大小無關.
2. 微分調節可以實現超前調節,有利於克服動態偏差,將大大改善調節過程.
3. 微分調節的引入可以使控制系統的穩定性和準確性得以提高,可適當減小靜態偏差,但不能完全消除靜態偏差.

先進控制策略

課後隨堂題目:寫出5種先進控制策略的名稱,並簡要描述其中任意2種的工作原理?

模糊控制: 用語言歸納操作人員的控制策略,運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制.
專家控制: 試圖在控制閉環中加入一個有經驗的控制工程師,系統能爲他提供一個“控制工具箱”,即可對控制,辨識,測量,監視等各種方法和算法選擇自便,調用自如.
神經網絡控制: 用來模擬腦神經的結構和思維,判斷等腦功能的一種信息處理系統.
遺傳算法: 遺傳算法則是模擬生物的進化機制.將待求解問題轉換成由個體組成的演化羣體和對該羣體進行操作的一組遺傳算子,整個系統按照生成→評價→選擇→操作的演化過程反覆進行,直至搜索到最優解.
自適應控制: 針對對象特性的變化,漂移和環境干擾對系統的影響而提出來的.它的基本思想是通過在線辨識使這種影響逐漸降低以至消除.
變結構控制: 一類特殊的非線性控制,其非線性表現爲控制的不連續性.
魯棒控制: 在設計中,設法使系統對模型的變化不敏感.使控制系統在模型誤差擾動下仍能保持穩定,品質也保持在工程所能接受的範圍內.

現場總線控制儀表

集散控制系統DCS

課後隨堂題目:什麼是集散控制系統?其基本設計思想是什麼?

集散控制系統是採用計算機,通信和屏幕顯示技術,實現對生產過程進行集中監視,操作,管理和分散控制的新型控制系統.其主要特點是功能分散,數據共享,可靠性高.根據具體情況也可以是硬件佈置上的分散.
其設計基本思想是危險分散,控制分散,管理集中.

課後隨堂題目:簡述集散控制系統的體系結構及各層次的主要功能?

集散控制系統自下而上分別是: 現場控制級,過程控制級,過程管理級,經營管理級

現場控制級,主要功能有:
1. 完成過程數據採集與處理.
2. 直接輸出操作命令、實現分散控制.
3. 完成與上級設備的數據通信,實現網絡數據庫共享.
4. 完成對現場控制級智能設備的監測、診斷和組態等.
過程控制級,主要功能有:
1. 採集過程數據,進行數據轉換與處理.
2. 對生產過程進行監測和控制,輸出控制信號,實現控制功能.
3. 現場設備及I/O卡件的自診斷.
4. 與過程操作管理級進行數據通信.
過程管理級,主要功能有:
1. 數據顯示與記錄.
2. 過程操作（含組態操作,維護操作）.
3. 數據存儲和壓縮歸檔.
4. 報警,事件的診斷和處理.
5. 系統組態、維護和優化處理.
6. 數據通信.
7. 報表打印和畫面硬拷貝.
經營管理級,主要功能有:
監視企業各部門的運行情況,利用歷史數據和實時數據預測可能發生的各種情況,從企業全局利益出發,幫助企業管理人員進行決策,幫助企業實現其計劃目標.

課後隨堂題目:操作站包括哪些設備?操作站的主要功能有哪些?

操作站的功能(監視,操作,記錄,診斷)
1. 顯示
2. 報警
3. 報告生成
4. 操作
5. 系統組態
6. 系統維護
操作站的構成
1. 操作檯
2. 微處理機系統
3. 外部存儲設備
4. 圖形顯示設備
5. 打印輸出設備
6. 輸入設備

課後隨堂題目:構成現場控制站的主要設備是什麼?它具有哪些功能?

控制站的硬件組成
1. 機櫃
2. 電源
3. 控制計算機
4. 輸入輸出通道
控制站的功能:
1. 反饋控制,包括:控制迴路組態,控制運算,輸入信號處理
2. 順序控制
3. 邏輯控制
4. 批量控制
5. 輔助功能,包括:控制方式選擇,測量值跟蹤,輸出值跟蹤

課後隨堂題目:解釋什麼是組態,並簡述組態過程?
組態的定義: 根據設計要求,預先將生產過程設計的硬件設備和各種軟件功能模塊組織起來,以使系統按照特定的狀態運行.組態包括系統組態和應用組態.
組態過程是先系統組態,後應用組態.組態主要針對過程控制級和過程管理級.設備組態的順序是自上而下,先過程管理級,後過程控制級;功能組態的順序恰好相反,先過程控制級,後過程管理級.

現場總線控制系統FCS

課後隨堂題目:請簡述現場總線控制系統的組成,並給出FCS相對於DCS系統的優點?

不同點	FCS	DCS
結構	一對多: 一對傳輸線連接多臺儀表,雙向傳輸多個信號	一對一: 一對傳輸線連接一臺儀表,單向傳輸一個信號
可靠性	可靠性好: 數字信號傳輸抗干擾能力強,精度高	可靠性差: 模擬信號傳輸不僅精度低,而且容易受干擾
失控狀態	操作員在控制室既可以瞭解現場設備過現場儀表的工作情況,也能對設備進行參數調整,還可以預測或尋找故障,使設備始終處於操作員的過程監控與可控狀態之中	操作員在控制室既不瞭解模擬儀表的工作情況,也不能對其進行參數的調整,更不能預測故障,導致操作員對儀表處於失控狀態
控制	控制功能分散在各個智能儀器中	所有的控制功能集中於控制站中
互換性	用戶可以自由選擇不同製造商內提供的性能價格比最優的現場設備和儀表,並將不同品牌的儀表互連,實現"即插即用"	儘管各種模擬儀表採用統一的信號標準(4~20mA直流電流信號),但是大部分技術參數仍由製造商自定,致使不同品牌的儀表不能互換.
儀表	智能儀表除了具有模擬儀表的檢測變換補償等功能外,還具有數字計算和數字通信能力	模擬儀表只具有檢測,變換,補償等功能

現場總線通信協議

通信網絡

課後隨堂題目:數據通信系統是由哪些部分組成的?

數據通信系統由信號,發送裝置,接收裝置,信道和通信協議組成.

課後隨堂題目:什麼是信息傳輸速率,它的單位怎樣表示?

信息的傳輸速率又稱爲比特率,是指單位時間內通信系統所傳輸的信息量,一般以每秒鐘所能夠傳輸的比特數來表示,記爲R_b,其單位是比特/秒,記爲bit/s或bps.

課後隨堂題目:什麼是通信協議?

通信協議是控制數據通信的一組規則,約定與標準,它定義了通信的內容,格式,通信如何進行,何時進行等.

課後隨堂題目:請寫出局部網絡的拓撲結構?

星型結構,環型結構,總線型結構,樹型結構,菊花鏈型結構.

現場總線

課後隨堂題目:什麼是現場總線,現場總線模型一般有哪三層?

現場總線是用於現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散,全數字化,智能,雙向,互聯,多變量,多點,多站的通信網絡.
一般有物理層,數據鏈路層和用戶層.

課後隨堂題目:現場總線的技術特點有哪些?

現場通信網絡
數字通信網絡
開放互連網絡
現場設備互連網絡
結構與功能高度分散的系統
現場設備的可操作性和互換性
系統具有優異的遠程監控功能
系統具有強大的故障診斷功能
設備配置,網絡組態和系統集成方便自由
現場設備更換和系統擴展更爲方便
爲企業信息系統的構建創造了重要條件

課後隨堂題目:寫出FF總線和CAN總線的中英文全稱,並簡述其工作協議和主要特點?

FF總線,全稱爲基金會現場總線(Foundation Fieldbus),其通信協議爲物理層、數據鏈路層和應用層.技術特點如下:
1. 低速FF-H1總線:
  1. 控制與信息處理的現場化.
  2. 支持總線供電及本質安全防爆.
  3. 令牌總線訪問機制.
2. 內容廣泛的用戶層.
3. 基於以太網的高速FF-HSE總線.
CAN總線,全稱爲控制局域網絡(Controller Area Network),其通信協議爲物理層和數據鏈路層.技術特點如下:
1. CAN總線規範符合國際標準ISO11898規範.
2. 採用多主方式工作,通信方式靈活.
3. 網絡上的節點可分爲不同的優先級,可滿足不同的實時要求.
4. 採用非破壞性總線仲裁技術,大大節省了總線仲裁時間.
5. 採用短幀信息(8字節)傳輸結構,傳輸時間短,抗干擾能力強.

控制裝置與儀表隨堂練習答案及知識點總結(一)

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