过程与控制部分课后题答案.docx

1、 1 100%()yy （ 2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。 答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 过程控制系统的一般性框图如图 1-1所示： 图 1-1 过程控制系统的一般性框图 （ 3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？ 答：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；电动型： 420mADC 或 15V 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方框图表示。 答：加热炉控制系统流程图的方框图如图 1

2、-3所示： 图 1-2 加热炉过程控制系统流程 （ 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？ 答： 1）单项性能指标主要有：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。 2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比 n； 超调量：第一个波峰值 1y 与最终稳态值 y（ ）之比的百分数： 最大动态偏差 A：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度； 静差，也称残余偏差 C： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值 y（ ）与设定值之间的偏差 C 称为残余偏差，简称残差； 调节时间 st ：系统从受干扰开始到被控量进入

3、新的稳态值的 5% （ 2% ）范围内所需要的时间； 振荡频率 n ：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率； 上升时间 pt ：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间； 峰值时间 pt ：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。 （ 9）两个流量控制系统如图 1-4所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。 图 1-4 两个流量 控制回路示意图 答：系统 1 是前馈控制系统，系统 2 是反馈控制系统。系统框图如图 1-5如下： 控 制 器r ( t )执 行 器被 控 过 程检 测 变 送 装 置y ( t )_

4、f ( t )e ( t ) u ( t )q ( t )z ( t )T C P C给 定 值阀 管 道 加 热 炉热 油 出 口 温度P T燃 油 压 力_T T_干 扰 2干 扰 1A CA T燃 油P TP CT CT T引 风 机烟 气冷 油 入 口热 油 出 口火 嘴送 风 机空 气系统 1 系统 2 图 1-5 两个流量控制回路方框图 （ 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？ 答： 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控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？ 答： 1）是的。 2）因为安全火

5、花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计成安全火花型。 2综合练习题 （ 3）某化学反应过程规定操作温度为 80 5，最大超调量小于或等于 5，要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图 1-8 所示。要求： 1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间； 2）说明该系统是否满足工艺要求。 答： 1）由上图可得 y( ) = 81，设定值 r=80 , B1=8581=4,B2=8281=1 稳态误差 e( ) = r y( ) =80 -81 = 1 衰减比：， 最大超调量： 过渡过程时间 ts ：大概在 18min 左右。 2）虽然该系统最大超调满

6、足要求，然而在规定操作温度为 80，而最后趋于稳定的值却为 81，因此不满足工艺要求。 （ 4）图 1-9所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？ 图 1-9 锅炉汽泡水位控制流程图 答： 1）控制系统框图如图 1-10所示： 图 1-10 锅炉汽泡水位控制框图 2）被控过程：加热器 +汽包； 被控参数：汽包水位； 控制参数：上水流量； 干扰参数：蒸汽流量变化。 1基本练习题 （ 3）某台测温仪表测量的上下限为 500 1000，它的最大绝对误差为 2，试确定该仪表的精度等级； 答：根据题意可知：最大绝对误差为 2 则

7、精度等级 所以仪表精度等级为 0.4 级 （ 4）某台测温仪表测量的上下限为 100 1000，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过 2，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？ 答：由题可得：仪表精度等级至少为 0.001 级。 或者 0.002 （ 5）有一台 DDZ-型两线制差压 变送器，已知其量程为 20100kPa，当输入信号为 40kPa 和 80kPa 时，变送器的输出分别是多少？ 答： 由题可得：变送器输出的分别是 8mA 和 16mA。 L T L C蒸 汽汽 包加热室水124 4 :11Bn B ( ) ( ) 8 5 8 11 0 0 % 1 0 0 % 4 . 9 3

8、8 %( ) 8 1py t yy 液 位 控 制 器上 水 调 节 阀 汽 包液 位 变 送 器液 位 设 定-蒸 汽 流 量 变 化实 际 液 位%4.0%1005002 测 量 变 送被 控 过 程执 行 器 测 量 变 送被 控 过 程执 行 器（ 12）某被测温度信号在 4080范围内变化，工艺要求测量误差不超过 1，现有两台测温仪表，精度等级均为 0.5 级，其中一台仪表的测量范围为 0100，另一台仪表的测量范围为 0200，试问：这两台仪表能否满足上述测量要求 ? 答： 由题可得：这两台仪表均不能满足上述测量要求。 （ 13）热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿 ？其补偿方法常

9、采用哪几种？ 答： 1）只有当热电偶的冷端温度恒定时，其热电动势才是单值函数。依据等值替换原理制成的补偿导线，虽然可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，但还不能保持绝对不变。因此，为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可以进行冷端温度校正。 2）补偿方法常采用查表校正法和电桥补偿法。 2 综合练习题 （ 5）用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。若差压变送器量程为 0 410 Pa，对应输出信号为 420mA DC，相应流量为 0320m3/h。求差压变送器输出信号为 8mA DC 时，对应的差压值及流量值各是多少？ 答：根据题意可知： 斜率 差压值 y = 2500pa 流量值

10、 3设计题 （ 1）用分度号为 K 的镍铬 -镍硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为 600，此时冷端温度为 50。试问：实际温度是多少？如果热端温度不变，使冷端温度为 20时，此时显示仪表指示值应为多少？ 答： 1）已知冷端温度为 50，由分布表可查得 0E ( t , 0 ) = E ( 5 0 , 0 ) = 2 . 0 2 2 m V又已知热电动势 E=24.902+2.022=26.924mV 所以实际温度为 648。 2）当冷端温度为 20时，热电势为 0.798 mV 26.924-0.798=26.126 mV 26.176-25.751=0.425 m

11、V 当冷端温度为 20时，显示仪表指示值为 629。 1基本练习题 （ 1）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号 又是如何规定的？ 答： 1）在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电 /气转换器、执行器、安全栅等。 2）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没

12、有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。 3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用 0.020.1MPa 的模拟气压信号。电动仪表的输入 输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。过程控制系统的模拟直流电流信号为 420mA DC，负载 250 ；模拟直流电压信号为 15V DC。 （ 2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为 420mADC，若设 100% 、 1 2minT ，稳态时其输出为 6mA；若在某一时刻输入阶跃增加 1mA，试求经过 4min 后调节器的输出。 答：由比例积分公式（ 3-1）

13、所示： （ 3-1） 依题意：， 即 Kp =1, e 1； 稳态时： y0 6mA， 111y e e d tPT %1001 pKpmAdtTePyy9)4211(16e114010 2 5 0 01 0 0 0 0420 4 k1 6 03 2 01 0 0 0 02 5 0 0 p hm /32 6 . 1 7 6 2 6 . 1 2 66 3 0 1 0 6 2 90 . 4 2 5 C 4min 后： （ 6）调节器的正、反作用是如何规定的？ 答：若调节器输出随反馈值输入的增加而增加，称为正作用调节器，反之为反作用调节器。 正作用：偏差 =测量值 -给定值； 反作用：偏差 =给定值

14、 -测量值。 （ 9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执 行器与气动执行器有何特点？ 答： 1）执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。在过程控制系统中，他接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 2）特点：气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆的等优点，电动执行器优点是能源取用方便。信号传输速度快和便于远传，缺点就是结构复杂。价格贵，适用于防爆要求不高或缺乏气源的场所。 （ 11）什么叫气开式执行器和气关式执行器？它们是怎样组合的？试

15、举两例分别说明它们的使用。 答： 1）所谓“气开”，是指当前气压信号 p0.02MPa 时，阀由关闭状态逐渐打开；“气关”则相反，即指当前气压信号 p0.02MPa时，阀由全开状态逐渐关闭。 2）组合如表 3-1所示： 表 3-1 执行器组合表 执行机构作用方式 阀体作用方式 执行器气开、气关形式 正 正 气关 正 反 气开 反 正 气开 反 反 气关 3）举例：一般加热器选用“气开”式，这样当控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不会因为温度过高发生事故或危险。 又如，锅炉进水的执行器则应选用“气关”式，即当控制信号中断时，执行器处于打开状态，保证有水进入锅炉，不致产生烧干或爆

16、炸事故。 （ 15）什么是调节阀的流量特性？调节阀的理想流量特性有哪几种？它们各是怎样定义的？调节阀的工作流量特性与阻力系数有关，而阻力系数又是怎样定义的？它的大小对流量特性有何影响？ 答： 1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也 叫理想流量特性。 2）常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、快开特性。 3）直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系。等百分比流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系。快开流量特性是指在小开度时就有较大的流量随着开度的增大，。流量很快达到最大，故称为快开

17、特性。 4）阻力系数 S 定义为阀全开时阀前后压差 minpV 与系统总压差 p 的比值。 5)S=1 时，工作流量特性为理想流量特性。当 S1 时，阀全开时流量特性减小，随着 S减小，直线特性趋向快开特性，对数特性趋向直线特性， S值愈小，流量特性变形程度愈大。 2综合练习题 （ 5）如图 3-7 所示，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事 故状态下，为了保护加热器设备的安全即耐热材料不被损坏，现在蒸汽管道上有一只气动 执行器，试确定其气开、气关形式，并画出由 PID 电动器构成的控制系统结构框图。 图 3-7 蒸汽加热答： 1）应选用气开形式，当出现故障导致信号中断时，执行器处于关闭状态，

18、保证耐热材料不 被损坏。 2）框图如图 3-8所示： 图 3-8 系统框图 1基本练习题 （ 1）什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？为什么要研究过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪几种？ 答： 1）过程控制特性指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。 2）被控过程的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）变化的数学表达式。 3）目的： 1 设计过程控制系统及整定控制参数； 2 指导生产工艺及其设备的设计与操作； 3 对被控过程进行仿真研究； 4 培训运行操作人员； 5 工业过程的故障检测与诊断。 4）机理演绎法和实

19、验辨识法。 2综合练习题 （ 1）如图 4-6 所示， 1q 为过程的流入量， 2q 为流出量， h为液位高度， C为容量系数。若以 1q 为过程的输入量， h 为输出量（被控量），设 1R 、 2R 为线性液阻，求过程的传递函数 01( ) ( ) / ( )G s H s Q s 。 答：根据动态物料平衡关系：流入量流出量 过程的微分方程的增量形式如式（ 4-7）所示： （ 4-7） 中间变量： （ 4-8） 传递函数如式（ 4-9）所示： （ 4-9） 如果考虑管道长度 l， 即出现纯时延，由于管道流量恒定，所以 其传递函数如式（ 4-10）所示： （ 4-10） 1基本练习题 （ 4）

20、什么叫比例度？它是怎样定义的？ 答：比例度表示调节阀开度改变（即从全开到全关）时所需的系统被调量的允许变化范围。也就是说，只有当被调量处在这个范围之内时，调节阀的开度变化才与偏差成比例；若超出这个范围，调节阀则处于全开或全关状态，调节器将失去其调节作用。 （ 5）比例 控制对控制质量有什么影响？ 12 dhQ Q C dt 222 1 22 1 2( ) ( ) ( )hQRdhR Q C R hdtR Q S C R SH S H S Ql2012()() ( ) 1RHsWs Q s C R S 2012()() ( ) 1 SRHsW s eQ s C R S P I D 控 制 器 气

21、 动 执 行 器 加 热 器液 位 变 送 器设 定 值-e实 际 值u ( t )答： 1）比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免的会使系统存在稳态误差。或者说，比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。 2）比例调节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，就需要减小比例度，即需要增大调节器的比例增益。 3）比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。 4）增大比例调节的增益不仅可以较少系统的稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。 （ 6）在保持稳定性不变的情况下，比例微分控制系统的残差为什么比纯比例控制的 残差要小？ 答：因为比例微分控

22、制能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差，这是由于微分作用总是力图阻止系统被调量的变化，而使过渡过程的变化速度趋于平缓。 （ 7）在保持稳定性不变的情况下，在比例控制中引入积分作用后，为什么要增大比例度？积分作用的最大优点是什么？ 答： 1）因为采用积分调节时系统的开环增益与积分速度成正比，增大积分速度会增强积分效果，从而导致系统稳定性降低。 2）积分作用最大的优点是可以提高系统的无差度，也就是提高系统的稳态控制精度。 （ 8）微分控制规律对纯时延有无作用，为什么？ 答： 1）微分调节对于纯时延过程是无效的。 2）由于在纯时延时间里参数的变化率为零，所以微分环节对纯滞后是无效的。 （ 9）

23、调节器参数都有哪些工程整定方法，各有什么特点，分别适用于什么场合？ 答： 1）临界比例度法：是一种闭环整定方法，它是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，其方法简单，使用方便，因而广泛使用。缺点是对生产工艺过程不能反复做振荡实验、对比例调节本质稳定的被控系统并不适用。 2）衰减曲线法：该方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程。适用于多数过程，最大的缺点是较难准确确 定 4:1 的衰减程度。尤其是对于一些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统。 3）响应曲线法：这是一种开环整定方法，利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。这种方法适应性较广，为调节器参数的最

24、佳整定提供可能。 2综合练习题 （ 1）试以一阶惯性过程为例，试计算并分析比例控制对控制质量（超调量、调节时间、稳态误差）的影响。 答： 一阶惯性过程传递函数是：， 若采用比例控制其输出与偏差的关系为 ( ) ( )cy t K e t ，比例调节中比例系数过小会导致过程出现振荡情况，增大比例系数，调节速度加快，稳态误差减少，但过大会是超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，甚至导致系统不稳定。 3设计题 （ 1）如图 5-8 所示的换热器，用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度。生产工艺要求热水温度维持在一定范围（ 11 T ），试设计一个简单的温度控制系统，并指出调节器类型。 答： 1、被控

25、参数：热水的温度。 2、控制参数：热蒸汽的流量（蒸汽管道上的阀门开度）。 3、测温元件及其变送器的选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。 4、调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度考虑，选择气开阀。 调节器选 PID 或 PD 类型的调节器，由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故 vK 为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故为 0K正， 正作用过程，测量变送 mK 为正，为使整个系统中各环节静态放大系数乘积为正，调节器 cK 应为正，所以选用反作用调节器。 1基本练习题 （ 1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？ () 1kGs Ts 答：串级控制系统在结构上增加了

26、一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的改善。 （ 2）前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈 -反馈控制系统能改善控制品质？ 答：前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。 反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。 采用前馈反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响；另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。 （ 9）串

27、级控制系统主调节器正、反作用的确定是否只取决于主被控过程放大系数的符号而与其他环节无关？为什么？ 答 :1）不对。 2）主、副调节器的正反作用方式选择的方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定负调节器的正、反作用；然后根据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正反作用形式。 （ 11）在图 6-1所示加热炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统中，工艺要求一旦发生重大事故，应立即切断燃料油的供应。要求： 1）画出控制系统的框图； 2）确定调节阀的气开、气关型式； 3）确定主、副调节器的正、反作用 方式 答： 1）串级系统方框图如图 6-2所示：副回路选择加热炉炉膛温度控制，消除

28、 F1（ S）干扰。 图 6-1加热炉温度串级控制系统 图 6-2加热炉温度串级控制系统方框图 2）由于发生重大事故时立即切断燃料油的供应，从工艺的安全性考虑，调节阀选择气开式，保证无气时调节阀关闭。 3）主调节器选择 PI（或 PID）控制规律，副调节器选择 P 调节规律。 由于燃料增加加热炉温度必然增加，所以过程为正。调节阀气开式为正，主副调节器都选择反作用方式。 （ 12） 图 6-3 所示为精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产工艺要求一旦发生事故应立即停止蒸汽的供应。要求： 1）画出控制系统的框图； 2）确定调节阀的气开、气关型式； 3）确定主、副调节器的正、反作用方式。 1）

29、控制系统的框图如图 6-4所示： 图 6-3 温度、流量串级控制系统 图 6-4温度、流量串级控制系统框图 2） 调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以使切断整齐的供应，确保设备的安全。 3） （ 3）主调节器：反作用方式；负调节器 ：反作用方式。 1基本练习题 （ 1）什么叫比值控制系统？它有哪几种类型？画出它们的原理框图。 答： 1）比值控制系统就是实现副流量 2F 与主流量 1F 成一定比值关系，满足关系式： 的控制系统。 2）比值控制系统的类型：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值 控制系统、变比值控制系统。 3）结构原理图分别如图 7-1，图

30、 7-2，图 7-3，图 7-4 所示： 图 7-1开环比值控制系统 （ a）开环比值控制系统原理图 （ b）开环比值控制系统方框图 图 7-2单闭环比值控制系统 （ a） 单闭环比值控制系统原理图 （ b）单闭环比值控制系统方框图 图 7-3双闭环比值控制系统 （ a）双闭环比值控制系统原理图 （ b）双闭环比值控制系统方框图 控 制 器对 象控 制 阀测 量 变 送-F 1F 2F C（ a ） 原 理 图 （ b ） 方 框 图KF CF 1F 2( a ) 原 理 图( b ) 方 框 图测 量 变 送测 量 变 送对 象控 制 器 控 制 阀K-F 1F 2F 1 CX C主 控 制

31、 器 比 值 控 制 器F 1F 2流 量 对 象控 制 阀 主 对 象除 法 器测 量 变 送测 量 变 送主 测 量 变 送（ a ） 原 理 图 （ b ） 方 框 图F 1-XF 1F 221FK F图 7-4变比值控制系统 （ a）变比值控制系统原理图 （ b）变比值控制系统方框图 （ 5）什么是均匀控制？常用均匀控制方案有哪几种？试述设置均匀控制的目的与要求。 答： 1）均匀控制是将两种控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾的控制系统。 2）常用的均匀控制方案有：简单均匀控制系统、串级均匀控制系统。 3）设置均匀 控制的目的是使前后设备的工艺参数相互协调

32、、统筹兼顾，以确保生产的正常进行；要求是完成生产工艺所要求的特殊控制任务。 （ 8）什么叫分程控制？与前述过程控制方案（如单回路、串级等）相比，有何特点？ 答： 1）根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内全行程动作，这种控制系统被称为分程控制系统。 2）特点：在一般的过程控制系统中，通常是调节器的输出只控制一个调节阀。但在分程控制系统中，将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。 （ 10）什么叫选择性控制？试述其常用的系统分类及应用。 答： 1）选择性控制是指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。 2）自动选择性控制系统按选择器所选信号不同大致可分为两类。选择调节器的输出信号，应用实例：锅炉燃烧过程压力自动选择性控制系统；选择变送器的输出信号，应用实例：化学反应过程峰值温度选择性控制系统。