1、过程装备控制技术课后习题及参考答案第一章 控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统。2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：自动控制系统主要有被控对象,测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。自动控制系统常用的术语有：被控变量 y；给定值 ys； 测量值 ym； 操纵变量 m；干扰 f；偏差信号（e）；控制信号 u3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方
2、块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料 成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？答：干扰作
3、用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？答：闭环控制是控制系统的输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减
4、小，反之则影响操纵变量是输出信号增大。可见定值控制系统 满足闭环负反馈系统的要求。6.在图 1-11 的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。试画出该控制系统的方框图；方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大 ）时，该系统如何实现自动控制的？TCTT冷物料蒸汽热物料答：如图所示为该控制系统的方框图。Ts Th 干扰作用作用TC 温控器 调节阀 被控对象温度测量变送装置 TT该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值 ys，干扰作用 f，输出为热物料出口温度
5、T，当冷物料流量增大 ，则出口温度 y 减小，TT 检测后所得 ym 减小，偏差信号 e=ym-ys1,n 时的过度过程曲线？答：如图所示：n1，发散振荡n1，衰减振荡n=1，等幅振荡10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？hs h液位控制器 阀门 贮槽液位测量变送装置n，单调过程f答：表示衰减振荡过程的控制指标有：最大偏差 A指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。衰减比 n过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。回复时间（过渡时间）t s指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。差 e( )指过渡过程终了时被控变量新
6、的稳态值与设定值之差。振荡周期 T过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。第二章 过程装备控制基础1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数 K，时间常数T 和滞后时间 。K：被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。T：时间常数是指当对象受到输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到输入作用后，被控变量达到新的稳态值的快慢。它
7、决定整个动态过程的长短；：描述对象滞后现象的动态参数2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？答：放大系数 K 表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数，所以 K 是被控对象的静态特性参数。时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，所以是动态特性参数。滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？答：被控对象的控制通道是指操纵变量与控制变量之间的关系，干扰通道是指干扰作用与被控变量之间的关系。4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对
8、控制有什么影响？答：放大系数对控制的影响：对控制通道而言，放大系数 K 值大，即使调节器输出变化不大，也会对被控对象产生很大影响，控制灵敏。反之放大系数小，被控变量变化迟缓。对干扰通道而言，如果 K 很小，即使干扰幅度很大也不会对控制变量产生很大影响，如果 K很大则当干扰幅度很大并且频繁出现系统很难稳定。时间常数 T 对控制影响：对控制通道而言，时间常数大，则被控变量变化较平缓，系统容易控制，缺点是控制较缓慢。若 T 小，则控制变量变化迅速，不易控制。对干扰通道而言，时间常数大明显存在好处，此时阶跃干扰系统影响比较平缓，被控变量变化平缓，系统容易控制。滞后时间对控制影响：对控制通道而言，滞后存
9、在是不利的，使控制不够及时，在干扰出现后不能及时调节，严重影响控制质量。对干扰通道而言，纯滞后只是延迟干扰时间，并不影响控制质量，对于容量滞后则可以缓和干扰对控制变量的影响，因而对控制系统是有利5.试从图 2-58 某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间。解：如图所示：k= =()0Hx1()0HqvT 如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间，T= ，10t如图所示，不存在容量滞后， c6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号 P 与输入偏差信号 e 之间的关系。常
10、用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID 。7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？答：双位控制是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置，双位控制结构简单成本较低使用方便，对配用的调节阀没有任何要求，缺点是被控对象总是在波动，控制质量不高，且当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大，不适合控制要求较高场合。比例控制是指调节器输出变化量与输入变化量成比例，比例控制系统能迅速的克服干扰影响，使系统未定下来。有点是反应快控制及时，缺点是被控对象负荷发生改变时，系统输出存在余差。积分控制是指调节器输出变化量与输入余差积分
11、成正比，积分控制可以消除余差，但输出变化总是滞后于余差变化，不能及时克服扰动影响，使被控变量的波动加剧，使系统难以稳定。微分控制是指调节器输出变化量与输入偏差变化速度成正比，且具有一定的超前控制作用，抑制振动，增强系统稳定（但微分作用不宜过强）8什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之差。比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调节器有输出，就必须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能消除余差。积分控制其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调节器的输出就
12、不0t1qvqv10t 1tTHH( )断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有存在偏差身先等于的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。9为什么积分控制规律一般不单独使用？答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律。10比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控制质量的影响。答：比例比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差
13、也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。积分控制积分时间 TI 表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间 TI 的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。微分控制微分时间 TD 是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间 TD 越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间 TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。11试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特征曲线。12比例积
14、分微分调节器有什么特点？答：比例积分微分调节器的特点是：在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具有良好的调节性能。调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间 TI 和微分时间TD 面改变。答：比例控制反应快，控制及时，但有余差。积分控制作用缓慢但可消除余差。微分控制具有一定的超前控制作用，抑制振荡，增强稳定性。若将三者结合起来，并选择适合的比例度、积分时间、微分时间，就可以得到无余差、控制及时又稳定的高质量控制。13在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一个参数时,对调节器的控制作用有
15、什么影响?e(t)AKpAKpAA Au(t)KpA KpAe(t) e(t)KpAt t tttITt答:在 PID 调节器中,比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较高的控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当 时，PID 调节器成为积分微分调节器，当 TI 积分时间 时，PID 调节器成为比例微分控制器，当 TD 时，PID 调节器成为 PI 即比例积分控制。答：调整积分时间对控制作用的影响：随着积分时间的减小积分作用不断增强，在相同的干扰作用下，调节器的输出增大，最小偏差减小，余差消除很快，但同时系统的震荡加剧。积分时间过小还可能导致系统的不稳定。14调节器参数
16、整定的目的是什么？工程上常用的整定方法有哪些？答：调节参数整定目的是按照给定的控制系统，求取控制系统最好的调节器参数。工程上常用的整定方法有经验试凑法、临界比例法、曲线衰减法 15调节器控制规律选择的依据是什么？答：关于控制规律选取可归纳为以下几点： 简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控变量，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选取用复杂的控制系统。 在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对控制通道时间常数较少，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例规律， 当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺要求无余差
17、时，可选用比例积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用，如工艺充许消除余差，可选用比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用 PID 调节规律16设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？答：设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特征外，对于工艺过程，设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行行器，调节器以及调节器控制规律待，最后将调节器的参数整定到最佳值。17什么是串级控制系统？它有什么特点？
18、什么情况下采用串级控制？答：串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。它的特点有：能迅速克服进入副回路的干扰。能改善被控对象的特征，提高了系统克服干扰的能力。主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。串级控制系统主要就用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。18串级控制系统中心副回路和主回路各起什么作用？为什么？答：串级控制系统中主回路在控制过程中起着细调作用，是定值控制系统，副回路在控制系统中起着粗调作用，是随动控制
19、系统。这是因为串级控制系统的目的是更好的稳定主回路，使其等于给定值，主变量就是主调节器的输出，所以说主回路是定制给定系统；副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主调节器的输出，所以在串级控制系统中，复变量不是要求不变的，而是随着主调节器的输出变化而变化，因此是随动控制系统。19图 2-59 是聚合釜温度与流量的串级控制系统。说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？试述该系统是如何客观实现其控制作用？解：该系统的主对象：聚合釜 副对象：冷却水进口管路主变量：聚合釜温度 副变量：冷却水流量主调节器：温度调节器 副调节器：流量调节器该控制系统的方框图：如图所示：冷却水流量若减小，首
20、先由流量检测变送，经流量调节阀调整冷却水阀门开度，开度增加；同时由于流量减少使聚合釜由温度 T 升高。从而使温度稳定在工橄要求范围内。20什么是前馈控制系统？应用在什么场合？答：前馈控制又称扰动补偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制主要用于下列场合：干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；主要干扰是可测不可控的变量；对象的控制通道滞后大，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈反馈控制系统，以提高控制质量。21.什么是比值控制系统？它有哪几种类型？答：实现两个或两个以上的参数符
21、号一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统，它主要有定比值控制系统和变比值控制系统。其中定比值系统有三类：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。2f1f给定 T调节器流量调节器温度调节器聚合釜检测变送 2（流量）检测变送 1（温度）冷却水进口管路22.选择性控制系统的特点是什么？应用在什么场合？答：选择性控制系统的特点是使用选择器，可以在两个或多个调节器的输出端，或在几个变送器输出端对信号进行选择，以适应不同的工况，主要应用在对不稳定工况的控制，可以保证生产工艺过程的安全操作，尽量减少开，停车中的不稳定工况。主要应用于非正常生产过程的保护性措施中。23.均匀控制的目的和特点
22、是什么？答：均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样，不是为了使被控变量保持不变可，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。第三章 过程检测技术1.写出测量方程式，以及测量三要素，并举例说明。答：测量方程式： 为被测量，x 为测量值，u 为测量单位。测量过程三要素为：测量单位，测量方法，测量仪器与设备。举例：如液柱式温度计测量温度。2.简述直接测量法与间接测量法的定义，指出它们的异同及使用场合？答：直接测量法指被测量与单位能直接比较得出比值，或者仪表能直接显示出被测参数值的测量方法；间接
23、测量法通过测量与被测量有一定函数关系的其他物理量，然后根据函数关系计算出被测量的数值，称为间接测量法。相同之处在于都是对工业生产中一些物理量的测量，都包含测量三要素。不同之处在于直接测量测量过程简单方便，应用广泛；间接测量过程较复杂，只有在误差较大或缺乏直接测量仪表时才采用。3.测量仪表的主要性能指标有哪些？传感器的主要特性有哪些？答：测量仪表的主要性能指标有技术，经济及使用三方面的指标，其中技术方面的有：误差，精度等级，灵敏度，变差，量程，响应时间，漂移等；经济方面的有：使用寿命，功耗，价格等；使用方面的有：操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护能的强弱，重量体积的大小，自动化
24、程度的高低等。传感器的主要特性有：准确性，稳定性，灵敏性。4.举例说明系统误差，随机误差和粗大误差的含义及减小误差的方法。答：系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确，测试人员的分辨能力或固有的读数习惯，测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因产生的测量值与真值的偏差。系统误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。如仪表零位未调整好会引起恒值系统误差。随即误差是由于测量过程中大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响而产生的测量值与真值的偏差，其绝对值和符号以不可预料的方式变化。如气温的变化。粗大误差是由于测量操作者的粗心，不正确地操作，实验条件的突变或实
25、验状况未达到预想的要求而匆忙实验等原因造成的明显地歪曲测量结果的误差。减小误差的方法：系统误差：应尽量减少或消除系统误差的来源。首先检查仪表本身的性能是否符号要求；其次仔细检查仪器是否处于正常工作条件，如环境条件及安装位置等是否符合技术要求，零位是否正确；此外还应检查测量系统和测量方法本身是否正确。随即误差：由于摩擦，间隙，噪声等都会产生随机误差，因此首先从结构，原理上尽量避免采用存在摩擦的可动部分；采用减小噪声的装置，并采用抗干扰能力强的测量仪器。对于粗大误差应端正科学研究态度，并认真分析数据，剔除坏值。5.试述绝对误差，相对误差及引用误差的定义，举例说明各自的用途。答：绝对误差仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差，即 ，可表示仪表xA基本误差限： 。a相对误差测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比，即用，可表示仪表的基本误差限与绝对误差相比较，相对误差更能说10%6x明测量结果的精确程度，如温度升测量显示值为 57，时间温度为 60 ，则：=57-60=-3, ，3105.%若实际为 30，测量显示值为 27 ，则 ：=-3 ， ，显然此时的相对误差比前者大。.30
