过程控制新版系统与仪表练习题.doc

第1章 思考题与习题
1-1 过程控制有哪些重要特点？
解答：
1．控制对象复杂、控制规定多样
2. 控制方案丰富
3．控制多属慢过程参数控制
4．定值控制是过程控制一种重要控制形式
5．过程控制系统由规范化过程检测控制仪表构成
1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几某些构成？
解答：
过程控制系统：普通是指工业生产过程中自动控制系统变量是温度、压力、流量、液位、成分等这样某些变量系统。
构成：参照图1-1。
1-4 阐明过程控制系统分类办法，普通过程控制系统可分为哪几类？
解答：
分类办法阐明：
按所控制参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所解决信号方式来分，有模仿控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统构造和所完毕功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统构成回路状况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数数量可分为单变量和多变量控制系统等。
普通分类：
1．按设定值形式不同划分：（1）定值控制系统
（2）随动控制系统
（3）程序控制系统
2．按系统构造特点分类：（1）反馈控制系统
（2）前馈控制系统
（3）前馈—反馈复合控制系统
1-5 什么是定值控制系统?
解答：
在定值控制系统中设定值是恒定不变，引起系统被控参数变化就是扰动信号。

1-6 什么是被控对象静态特性？什么是被控对象动态特性？两者之间有什么关系？
解答：
被控对象静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间关系称为静态特性。
被控对象动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间关系即为控制过程动态特性。
两者之间关系：

1-7 试阐明定值控制系统稳态与动态含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？
解答：
稳态：
对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达
到一种平衡状态，系统中各个构成环节暂不动作，它们输出信号都处在相对静
止状态，这种状态称为稳态（或静态）。
动态：
从外部扰动浮现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统
又建立新稳态（达到新平衡）、调节过程结束这一段时间，整个系统各个环节状态和参数都处在变化过程之中，这种状态称为动态。
在实际生产过程中，被控过程经常受到各种振动影响，不也许始终工作在稳态。只有将控制系统研究与分析重点放在各个环节动态特性，才干设计出良好控制系统。

1-8 评价控制系统动态性能惯用单项指标有哪些？各自定义是什么？
解答：
单项性能指标重要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。
衰减比：等于两个相邻同向波峰值之比n；
过渡过程最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值最大值A；
超调量：第一种波峰值与最后稳态值y（）之比百分数；

残存偏差C： 过渡过程结束后，被控参数所达到新稳态值y（）与设定值之间偏差C称为残存偏差，简称残差；
调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需时间；
振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；
峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一种波峰所需要时间。

第2章 思考题与习题
2-3 某压力表测量范畴为0～10MPa，精度级别为1.0级。试问此压力表容许最大绝对误差是多少？若用原则压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa时，原则压力计上读数为5.08MPa，试问被校压力表在这一点上与否符合1级精度，为什么？
解答：
1）基本误差=
最大绝对误差∆max＝0.01×10＝0.1MPa
2）校验点为5 MPa时基本误差：
0.8％<1％ ，因此符合1.0级表。

2-5 有两块直流电流表，它们精度和量程分别为
1) 1.0级，0～250mA
2）2.5级，0～75mA
现要测量50mA直流电流，从精确性、经济性考虑哪块表更适当？
解答：
分析它们最大误差：
1）∆max＝250×1％＝2.5mA；
2）∆max＝75×2.5％＝1.875mA；
选取2.5级，0～75mA表。

2-11 某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃，输出为4～20mA。当变送器输出电流为10mA时，相应被测温度是多少？
解答：
； T=500。

2-12 试简述弹簧管压力计工作原理。既有某工艺规定压力范畴为1.2±0.05MPa，可选用弹簧管压力计精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五个级别，可选用量程规格有0～1.6MPa、0～2.5MPa和0～4MPa。请阐明选用何种精度和量程（见附录E）弹簧管压力计最适当？
解答：
1）工作原理：
2）依照题意：压力范畴为1.2＋0.5 MPa，即容许最大绝对误差∆max＝0.05
分析选用不同量程表所需精度级别：
0～1.6 MPa量程：，可选2.5级表；
0～2.5 MPa量程：，可选1.5或2.0级表；
0～4.0 MPa量程：，可选1.0级表。
量程选取：被测最大压力＝1/3～2/3量程上限
0～1.6 MPa量程：
0～2.5 MPa量程：
0～4.0 MPa量程：
综合分析，选用1.5级或2.0级，0～2.5 MPa量程表最适当。

第3章 习题与思考题
3-1 什么是控制器控制规律？控制器有哪些基本控制规律？
解答：
1）控制规律：是指控制器输出信号与输入偏差信号之间关系。
2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。

3-3 比例控制为什么会产生余差？
解答：
产生余差因素：比例控制器输出信号y与输入偏差e之间成比例关系：

为了克服扰动影响，控制器必要要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器输出变化量才不为零，这阐明比例控制会永远存在余差。

3-4 试写出积分控制规律数学表达式。为什么积分控制能消除余差？
解答：
1）积分控制作用输出变化量y是输入偏差e积分：
2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。因而积分控制器构成控制系统可以到达无余差。

3-5 什么是积分时间？试述积分时间对控制过程影响。
解答：
1）
积分时间是控制器消除偏差调节时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
2） 在实际控制器中，惯用积分时间Ti来表达积分作用强弱，在数值上，Ti=1／K i 。显然，Ti越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。

3-7 比例控制器比例度对控制过程有什么影响？调节比例度时要注意什么问题？
解答：
1）控制器比例度P越小，它放大倍数就越大，它将偏差放大能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用强弱通过调节比例度P实现。
2）比例度不但表达控制器输入输出间放大倍数，还表达符合这个比例关系有效输入区间。一表量程是有限，超过这个量程比例输出是不也许。
因此，偏差变化使控制器输出可以变化全量程（16mA），避免控制器处在饱和状态。

3-9 试写出比例、积分、微分（PID）三作用控制规律数学表达式。
解答：

3-10 试分析比例、积分、微分控制规律各自特点，积分和微分为什么不单独使用？
解答：
1）比例控制及时、反映敏捷，偏差越大，控制力越强；但成果存在余差。
2）积分控制可以达到无余差；但动作缓慢，控制不及时，不单独使用。
3）微分控制能起到超前调节作用；但输入偏差不变时，控制作用消失，不单独使用。
3-14 PID调节器中，比例度P、积分时间常数、微分时间常数分别具备什么含义？在调节器动作过程中分别产生什么影响？若将取∞、取0，分别代表调节器处在什么状态？
解答：
比例度P含义：使控制器输出变化满量程时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应输入测量值变化占仪表输入量程比例。比例作用强弱取决于比例度大小。
积分时间常数含义：越小，积分作用越强；越大积分作用越弱；若将取∞，则积分作用消失。
微分时间常数含义：越大，微分作用越强；取0，微分作用消失。

第4章 思考题与习题
4-1 气动调节阀重要由哪两某些构成？各起什么作用？
解答：
1）执行机构和调节机构。
2）执行机构作用：按调节器输出控制信号，驱动调节机构动作；
调节机构作用：由阀芯在阀体内移动，变化阀芯与阀座之间流通面积，从而变化被控介质流量。

4-2 试问调节阀构造有哪些重要类型？各使用在什么场合？
解答：
1）类型：直通单座阀、直通双座阀。
2）直通单座阀使用场合：小口径、低压差场合；
直通双座阀使用场合：大口径、大压差场合。

4-4 什么叫调节阀抱负流量特性和工作流量特性？惯用调节阀抱负流量特性有哪些？
解答：
1）抱负流量特性：在调节阀先后压差固定状况下得出流量特性称为固有流量特性，也叫抱负流量特性。
工作流量特性：在实际工艺装置上，调节阀由于和其她阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端压差随流量变化而变化，这时流量特性称为工作流量特性。
2）惯用抱负流量特性：直线流量特性、等比例（对数）流量特性、
快开特性

4-8 什么叫气动调节阀气开式与气关式？其选取原则是什么？
解答：
1）气开式：无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐开大气动调节阀为气开式。
气关式：无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小气动调节阀为气关式。
2）选取原则：从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀开关状态应能保证工艺设备和操作人员安全。

4-9 蒸气加热器对物料进行加热。为保证控制系统发生故障时，加热器耐热材料不被烧坏，试拟定蒸气管道上调节阀气开、气关形式。
解答：
气开式调节阀。

4-11 试述电/气转换器用途与工作原理。
解答：
1）用途： 为了使气动阀可以接受电动调节器输出信号，必要使用电／气转换器把调节器输出原则电流信换为20～100kPa原则气压信号。
2）原理：在杠杆最左端安装了一种线圈，该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动，由电动调节器送来得电流I通入线圈。当输入电流I增大时，线圈与磁铁间产生得吸力增大，使杠杆左端下移，并带动安杠杆上挡板接近喷嘴，变化喷嘴和挡板之间间隙。
喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴微小位移敏捷地变换为气压信号。通过气动功率放大器放大后，输出20～l00kPa气压信号p去推动阀门。

4-14 电动仪表如何才干用于易燃易爆场合？安全火花是什么意思？
解答：
1）必要是采用安全防爆办法仪表，就是限制和隔离仪表电路产生火花能量。使其不会给现场带来危险。
2）安全火花：电路在短路、开路及误操作等各种状态下也许发生火花都限制在爆炸性气体点火能量之下。

第5章 思考题与习题
5-1 什么是被控过程数学模型？
解答：
被控过程数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化数学表达式。

5-2 建立被控过程数学模型目是什么？过程控制对数学模型有什么规定？
解答：
1）目： 设计过程控制系统及整定控制参数；
指引生产工艺及其设备设计与操作；
对被控过程进行仿真研究；
培训运营操作人员；
工业过程故障检测与诊断。
2）规定：总原则一是尽量简朴，二是对的可靠。阶次普通不高于三阶，大量采用品有纯滞后一阶和二阶模型，最惯用是带纯滞后一阶形式。

5-3 建立被控过程数学模型办法有哪些？各有什么规定和局限性？
解答：P127
1）办法：机理法和测试法。
2）机理法：
测试法：

5-4 什么是流入量？什么是流出量？它们与控制系统输入、输出信号有什么区别与联系？
解答：
1）流入量：把被控过程看作一种独立隔离体，从外部流入被控过程物质或能量流量称为流入量。
流出量：从被控过程流出物质或能量流量称为流出量。
2）区别与联系：
控制系统输入量：控制变量和扰动变量。
控制系统输出变量：系统被控参数。
5-5 机理法建模普通合用于什么场合？
解答：
对被控过程工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量变化都与物质和能量流动与转换有密切关系。

5-6 什么是自衡特性？具备自衡特性被控过程系统框图有什么特点？
解答：
1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预状况下自动恢复平衡特性，称为自衡特性。
2）被控过程输出对扰动存在负反馈。

5-7 什么是单容过程和多容过程？
解答：
1）单容：只有一种储蓄容量。
2）多容：有一种以上储蓄容量。

5-9 对图5-40所示液位过程，输入量为，流出量为、，液位为被控参数，水箱截面为，并设、为线性液阻。
（1）列写液位过程微分方程组；
（2）画出液位过程框图；
（3）求出传递函数
解答：
（1）
（2）框图如图：

（3）

5-10 觉得输入、为输出列写图5-10串联双容液位过程微分方程组，并求出传递函数。
解答：
1）方程组：
2）传递函数：
式中：
3）过程框图：略

5-13 应用直接法测定阶跃响应曲线时应注意那些问题？
解答：P139
（1）合理地选取阶跃输入信号幅度
（2）实验时被控过程应处在相对稳定工况
（3）要仔细记录阶跃曲线起始某些
（4）多次测试，消除非线性

5-15 实验测得某液位过程阶跃响应数据如下：

0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 …

0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6 …

当阶跃扰动为时：
（1）画出液位阶跃响应曲线；
（2）用一阶惯性环节加滞后近似描述该过程动态特性，拟定、、。
解答：略
第6章 思考题与习题
6-1 简朴控制系统由几种环节构成？
解答：
测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节构成。

6-2 简述控制方案设计基本规定。
解答：
安全性、稳定性、经济性。

6-3 简朴归纳控制系统设计重要内容。
解答：
1）控制系统方案设计；
2）工程设计；
3）工程安装和仪表调校；
4）调节器参数整定。

6-4 过程控制系统设计涉及哪些环节？
解答：P174
（1）熟悉和理解生产对控制系统技术规定与性能指标
（2）建立被控过程数学模型
（3）控制方案拟定
（4）控制设备选型
（5）实验（或仿真）验证

6-5 选取被控参数应遵循哪些基本原则？什么是直接参数？什么是间接参数？两者有何关系？
解答：
1）原则：必要依照工艺规定，进一步分析、生产过程，找出对产品产量和质量、生产安全、经济运营、环保、节能降耗等具备决定性作用，能较好反映生产工艺状态及变化参数作为被控参数。
2）直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量参数
3）间接参数：与质量指标有单值相应关系、易于测量变量，间接反映产品质量、生产过程实际状况。
4）两者关系：间接参数是直接参数单值函数。

6-7 当被控过程存在各种时间常数时，为什么应尽量使时间常数错开？
解答：
由自控理论知识可知，开环传递函数中几种时间常数值错开，可提高系统工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改进控制质量。

6-9 调节阀口径选取不当，过大或过小会带来什么问题？正常工况下，调节阀开度在什么范畴比较适当？
解答：
1）调节阀口径选得过大，阀门调节敏捷度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵状况。
调节阀口径选得过小，当系统受到较大扰动时，调节阀工作在全开或全关饱和状态，使系统暂时处在失控工况，这对扰动偏差消除不利。
2）正常工况下规定调节阀开度在15%-85%之间。

6-10 选取调节阀气开、气关方式首要原则是什么？
解答：
保证人身安全、系统与设备安全是调节阀开、关作用方式选取首要原则。

6-11 调节器正、反作用方式选取根据是什么？
解答：
拟定原则是整个单回路构成负反馈系统。

6-12 在蒸气锅炉运营过程中，必要满足汽-水平衡关系，汽包水位是一种十分重要指标。当液位过低时，汽包中水易被烧干引起生产事故，甚至会发生爆炸，为此设计如图6-28所示液位控制系统。试拟定调节阀气开、气关方式和调节阀LC正、反作用；画出该控制系统框图。
解答：见图2－28
1）调节阀：气关方式。
2）调节器：正作用。
3）框图：略

6-13 在如图6-29所示化工过程中，化学反映为吸热反映。为使化学反映持续进行，必要用热水通过加热套加热反映物料，以保证化学反映在规定温度下进行。如果温度太低，不但会导致反映停止，还会使物料产生聚合凝固导致设备堵塞，为生产过程再次运营导致麻烦甚至损坏设备。为此设计如图6-29所示温度控制系统。试拟定调节阀气开、气关方式和调节阀TC正、反作用；画出该控制系统框图。
解答：
1）调节阀：气开式。
2）调节器：反作用。
3）框图：
6-21 试比较临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法及经验法特点。
解答：略

6-22 如图6-30所示热互换器，将进入其中冷却物料加热到设定温度。工艺规定热物料温度，并且不能发生过热状况，以免导致生产事故。试设计一种简朴控制系统，实现热物料温度控制，并拟定调节阀气开、气关方式，调节器正反作用方式，以及调节器调节规律。
解答：
1）被控参数选取：热互换器出口温度。
2）控制参数选取： 载热介质流量。
3）检测仪表选取：温度传感器与温度变送器。
4）调节阀选取：
流量特性选取：对数流量特性。
气开、气关方式选取：气开。
5）调节器选取：
调节规律选取：PI或PID。
正反作用方式选取：反作用方式。
系统各环节正、负符号鉴别：被控过程：＋；变送器：＋；调节阀：＋；
依照系统构成负反馈条件：各环节符号之积必为“－”，则调节器为“－”。
6）画出控制系统流程图：如图所示。
7）画出控制系统方框图：如图所示。
8）简述控制系统工作原理：
结论