過程控制系統(tǒng)與儀表課后習題答案完整版.

1、第 1 章 思考題與習題1- 1 過程控制有哪些主要特點？為什么說過程控制多屬慢過程參數(shù)控制？ 解答：1控制對象復雜、控制要求多樣2. 控制方案豐富 3控制多屬慢過程參數(shù)控制 4定值控制是過程控制的一種主要控制形式 5過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的過程檢測控制儀表組成1- 2 什么是過程控制系統(tǒng)？典型過程控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？解答： 過程控制系統(tǒng)： 一般是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的變量是溫度、 壓力、流量、 液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。組成：參照圖 1-1。1-4 說明過程控制系統(tǒng)的分類方法，通常過程控制系統(tǒng)可分為哪幾類？ 解答：分類方法說明： 按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系

2、統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制 系統(tǒng)所處理的信號方式來分， 有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)； 按控制器類型來分， 有 常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)； 按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所完成的功能來分， 有串級 控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等；按其動作規(guī)律來分，有比例（P）控制、比例積分（PI）控制，比例、積分、微分（PID）控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)組成回路的 情況來分， 有單回路與多回路控制系統(tǒng)、 開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)； 按被控參數(shù)的數(shù)量可分 為單變量和多變量控制系統(tǒng)等。通常分類： 1按設(shè)定值的形式不同劃分： （1）定值控制系統(tǒng)（ 2）隨動控制系統(tǒng)（ 3）程序控制系統(tǒng)2按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類： （1）反饋

3、控制系統(tǒng) （ 2）前饋控制系統(tǒng)（ 3）前饋 反饋復合控制系統(tǒng)1-5 什么是定值控制系統(tǒng) ?解答： 在定值控制系統(tǒng)中設(shè)定值是恒定不變的，引起系統(tǒng)被控參數(shù)變化的就是擾動信號。1- 6什么是被控對象的靜態(tài)特性？什么是被控對象的動態(tài)特性？二者之間有什么關(guān) 系？解答：被控對象的靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)時控制過程被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特 性。被控對象的動態(tài)特性：。系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系即為 控制過程的動態(tài)特性。二者之間的關(guān)系：1- 7試說明定值控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)的含義。為什么在分析過程控制系統(tǒng)得性能時更關(guān)注其動態(tài)特性？解答：穩(wěn)態(tài)：對于定值控制，當控制系統(tǒng)輸入（設(shè)定值和擾動）不變

4、時，整個系統(tǒng)若能達 到一種平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)暫不動作，它們的輸出信號都處于相對靜 止狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)（或靜態(tài)）。動態(tài)：從外部擾動出現(xiàn)、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動控制裝置開始動作，至V整個系統(tǒng)又建立新的穩(wěn)態(tài)（達到新的平衡）、調(diào)節(jié)過程結(jié)束的這一段時間，整個系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的 狀態(tài)和參數(shù)都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。在實際的生產(chǎn)過程中，被控過程常常受到各種振動的影響，不可能一直工作在穩(wěn)態(tài)。 只有將控制系統(tǒng)研究與分析的重點放在各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性， 才能設(shè)計出良好的控制系 統(tǒng)。1- 8評價控制系統(tǒng)動態(tài)性能的常用單項指標有哪些？各自的定義是什么？解答：單項性能指標主要有：衰減比、超調(diào)量與

5、最大動態(tài)偏差、靜差、調(diào)節(jié)時間、振蕩頻 率、上升時間和峰值時間等。衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比 n ；過渡過程的最大動態(tài)偏差：對于定值控制系統(tǒng)，是指被控參數(shù)偏離設(shè)定值的最大值A(chǔ) ；超調(diào)量：第一個波峰值y,與最終穩(wěn)態(tài)值y （：）之比的百分數(shù)二；二- 100%y3）殘余偏差C：過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達到的新穩(wěn)態(tài)值y （：）與設(shè)定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時間；振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工 作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率；峰值時間：過渡過程開始至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。1- 10某被

6、控過程工藝設(shè)定溫度為 900r，要求控制過程中溫度偏離設(shè)定值最大不得超 過80C。現(xiàn)設(shè)計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線 如圖1-4所示。試求該系統(tǒng)過渡過程的單項性能指標：最大動態(tài)偏差、衰減比、 振蕩周期，該系統(tǒng)能否滿足工藝要求?解答： 最大動態(tài)偏差 A : A =950 C -900 C = 50 C 衰減比n： n 振蕩周期T:950 - 900= 5:1910900T = 45 - 9 二 36(min)A1 （衰減振蕩），所以系統(tǒng)滿足工藝要求。第2章思考題與習題2-1某一標尺為o1000r的溫度計出廠前經(jīng)校驗得到如下數(shù)據(jù):標準表讀數(shù)/c02004006008001

7、000被校表讀數(shù)/c02014026048061001求：1）該表最大絕對誤差；2）該表精度；3）如果工藝允許最大測量誤差為 芳r,該表是否能用?2-2 一臺壓力表量程為010MPa,經(jīng)校驗有以下測量結(jié)果:標準表讀數(shù)/MPa0246810被校表正行程01.983.965.947.979.993讀數(shù) 反行程 02.024.036.068.0310.01/MPa求：1）變差；2）基本誤差；3）該表是否符合1.0級精度？2- 3某壓力表的測量范圍為010MPa,精度等級為1.0級。試問此壓力表允許的最大 絕對誤差是多少？若用標準壓力計來校驗該壓力表， 在校驗點為5MPa時，標準壓力計 上讀數(shù)為5.0

8、8MPa,試問被校壓力表在這一點上是否符合 1級精度，為什么？解答：1）基本誤差、=. 丁二100%最大絕對誤差？max= 0.01 X 10= 0.1MPa5 08 52）校驗點為5 MPa時的基本誤差：二 100% =0.8%100.8% 1%，所以符合1.0級表。2- 4為什么測量儀表的測量范圍要根據(jù)被測量大小來選取？選一臺量程很大的儀表來 測量很小的參數(shù)值有什么問題？解答：1)2)2-5有兩塊直流電流表，它們的精度和量程分別為1）1.0 級，0250mA2）2.5 級，075mA現(xiàn)要測量50mA的直流電流，從準確性、經(jīng)濟性考慮哪塊表更合適?解答：分析它們的最大誤差:1) ?max= 2

9、50X 1% = 2.5mA;、2) ?max= 75X 2.5%= 1.875mA; 選擇2.5級，075mA的表。2 5=25100%=： 5%501 875二 1875 100% = 3.75%5052-11某DDZ-川型溫度變送器輸入量程為 2001000E，輸出為420mA。當變送器32輸出電流為10mA時，對應(yīng)的被測溫度是多少?解答：1000 - 200 _ T20 -4- 10T=500 C o2-12試簡述彈簧管壓力計的工作原理?，F(xiàn)有某工藝要求壓力范圍為1.2.05MPa,可選用的彈簧管壓力計精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五個等級，可選用的量程規(guī)格有0 1.6MP

10、a、02.5MPa和04MPa。請說明選用何種精度和量程（見附錄 E）的彈簧管壓 力計最合適？解答：1） 工作原理:2）根據(jù)題意：壓力范圍為1.2土0.5 MPa,即允許的最大絕對誤差？max= 0.05分析選用不同量程的表所需的精度等級:01.6 MPa量程:02.5 MPa量程：04.0 MPa量程：0.05005-4.0100% = 3.125%，可選 2.5 級表；100% = 2%，可選1.5或2.0級表;100% = -1.2%，可選 1.0 級表。量程選擇：被測最大壓力=1/32/3量程上限01.6 MPa量程:02.5 MPa量程:04.0 MPa量程:3-4-.2一2-6港0

11、.33 14.03綜合分析，選用1.5級或2.0級,02.5 MPa量程的表最合適。2- 13如果某反應(yīng)器最大壓力為1.0MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa?，F(xiàn)用一臺測量 范圍為01.6MPa，精度為1級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝要求？若采用一 臺測量范圍為01.0MPa，精度為1級的壓力表，能符合要求嗎？試說明其理由。解答：工藝要求：最大壓力為1.0MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa。分別求出兩臺儀表的最大允許誤差，進行判斷。1）精度為1級，量程為01.6MPa的表，其最大絕對誤差：?1.6max= 1.6X 1%= 0.016 MPa， 0.01 MPa,所以不符合要求

12、；2）精度為1級，量程為01.0MPa的表，其最大絕對誤差：?1.0max= 1.0X 1%= 0.01 MPa, = 0.01 MPa,所以最大誤差符合要求，但是壓力表 的最大測量值應(yīng)2/3儀表量程，否則壓力波動會使測量值超出儀表量程。所以，該表也不符合要求。2- 14某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為 1.01.6MPa,工藝要求就地觀察罐內(nèi) 壓力，并要測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的 芳。試選擇一塊合適的壓力表（類型、 測量范圍、精度等級），并說明其理由。解答：根據(jù)題意知：壓力范圍1.01.6MPa,允許最大誤差：？max= 1.6X（土 5%）=土 0.08 MPa1）量程確定：應(yīng)滿

13、足工作最大壓力小于儀表量程的 2/3處，即1.6 MPaX 2/3= 2.4 MPa 可以選量程為02.5 MPa的彈簧壓力表。2）精度等級確定：求出基本誤差，以確定滿足要求的精度等級。:二一 008 100% =32%，允許的精度等級為2.5級。2.5綜上分析，選擇量程為02.5 MPa，精度等級為2.5級的彈簧壓力表。該表的最大絕對誤差：？max= 2.5X（土2.5%）=土0.0625 MPa, 解答：(1)(2)第6章思考題與習題6- 1簡單控制系統(tǒng)由幾個環(huán)節(jié)組成？解答：測量變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、被控過程四個環(huán)節(jié)組成。6- 2簡述控制方案設(shè)計的基本要求解答：安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性6-

14、 3 簡單歸納控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容。解答：1）控制系統(tǒng)方案設(shè)計；2）工程設(shè)計；3）工程安裝和儀表調(diào)校；4）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。6- 4 過程控制系統(tǒng)設(shè)計包括哪些步驟？解答： P174（1）熟悉和理解生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與性能指標（2）建立被控過程的數(shù)學模型（3）控制方案的確定（4）控制設(shè)備選型（5）實驗（或仿真）驗證6- 5 選擇被控參數(shù)應(yīng)遵循哪些基本原則？什么是直接參數(shù)？什么是間接參數(shù)？兩者有 何關(guān)系？解答：1）原則：必須根據(jù)工藝要求，深入分析、生產(chǎn)過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、 生產(chǎn)安全、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護、節(jié)能降耗等具有決定性作用，能較好反映生產(chǎn)工藝狀 態(tài)及變化的參數(shù)作為被控參數(shù)。2）

15、直接參數(shù)：能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)3）間接參數(shù)：與質(zhì)量指標有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的變量，間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、 生產(chǎn)過程的實際情況。4）兩者關(guān)系：間接參數(shù)是直接參數(shù)的單值函數(shù)。6- 6選擇控制變量時，為什么要分析被控過程的特性？為什么希望控制通道放大系數(shù)K。要大、時間常數(shù)T。小、純滯后時間o越小越好？而干擾通道的放大系數(shù) Kf盡可能小、 時間常數(shù)Tf盡可能大？解答：1) 控制變量和干擾變量對被控參數(shù)的影響都于過程的特性密切相關(guān)。2) 控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)Ko越大，系統(tǒng)的靜態(tài)偏差越小，表明控制作用越靈敏， 克服擾動的能力越強，控制效果越好。時間常數(shù)To小，被控參數(shù)對控

16、制變量的反應(yīng)靈敏、控制及時，從而獲得良好的控制9品質(zhì)。純滯后 0的存在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。 0值越大，對系統(tǒng)的影響越大。3) 擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù) Kf越小，表明外部擾動對被控參數(shù)的影響越小。時間常數(shù)Tf越大，外部干擾f (t)對被控參數(shù)y (t)的影響越小，系統(tǒng)的控制品質(zhì)越好。6- 7當被控過程存在多個時間常數(shù)時，為什么應(yīng)盡量使時間常數(shù)錯開？解答：P182由自控理論知識可知，開環(huán)傳遞函數(shù)中幾個時間常數(shù)值錯開，可提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差等，改善控制質(zhì)量。6- 8選擇檢測變送裝置時要注意哪些問題？怎樣克服或減小純滯后？解答：1) P184-1、2、3、42) 合理選擇檢

17、測點。6-9調(diào)節(jié)閥口徑選擇不當，過大或過小會帶來什么問題？正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度 在什么范圍比較合適？解答：1) 調(diào)節(jié)閥口徑選得過大，閥門調(diào)節(jié)靈敏度低，工作特性差，甚至會產(chǎn)生振蕩或調(diào)節(jié)失靈的情況調(diào)節(jié)閥口徑選得過小，當系統(tǒng)受到較大的擾動時，調(diào)節(jié)閥工作在全開或全關(guān)的飽和狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時處于失控工況，這對擾動偏差的消除不利2）正常工況下要求調(diào)節(jié)閥的開度在 15%-85%之間。6-10選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式的首要原則是什么？解答：保證人身安全、系統(tǒng)與設(shè)備安全是調(diào)節(jié)閥開、關(guān)作用方式選擇的首要原則6-11調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇依據(jù)是什么?解答：確定原則是整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。6-12在蒸氣鍋爐

18、運行過程中，必須滿足汽-水平衡關(guān)系，汽包水位是一個十分主要的 指標。當液位過低時，汽包中的水易被燒干引發(fā)生產(chǎn)事故，甚至會發(fā)生爆炸，為此設(shè)計 如圖6-28所示的液位控制系統(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式和調(diào)節(jié)閥LC正、反作 用；畫出該控制系統(tǒng)的框圖解答：見圖2- 281）調(diào)節(jié)閥：氣關(guān)方式2）調(diào)節(jié)器：正作用。3）框圖：6-13在如圖6-29所示的化工過程中，化學反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。為使化學反應(yīng)持續(xù)進行， 必須用熱水通過加熱套加熱反應(yīng)物料，以保證化學反應(yīng)在規(guī)定的溫度下進行。如果溫度 太低，不但會導致反映停止，還會使物料產(chǎn)生聚合凝固導致設(shè)備堵塞，為生產(chǎn)過程再次運行造成麻煩甚至損壞設(shè)備。為此設(shè)計如圖6-29

19、所示的溫度控制系統(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式和調(diào)節(jié)閥的 TC正、反作用；畫出該控制系統(tǒng)的框圖解答：1）調(diào)節(jié)閥：氣開式2）調(diào)節(jié)器：反作用3）框圖：6-14簡述比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點。解答：P1931）比例控制：是最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很迅速。比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，整定簡便。比例調(diào)節(jié)的主要缺點是系統(tǒng)存在靜差。2）積分控制：積分調(diào)節(jié)的特點是沒有靜差。但它的動態(tài)偏差最大、調(diào)節(jié)時間長， 只能用于有自衡特性的簡單對象、很少單獨使用。3）微分控制：超前調(diào)節(jié)。6-21試比較臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法及經(jīng)驗法的特點。解答：P201臨界比例度法：衰減曲線法：響應(yīng)

20、曲線法：經(jīng)驗法：6-22如圖6-30所示熱交換器，將進入其中的冷卻物料加熱到設(shè)定溫度。工藝要求熱 物料溫度的訂豈_1 C，而且不能發(fā)生過熱情況，以免造成生產(chǎn)事故。試設(shè)計一個簡單 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)熱物料的溫度控制，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式，調(diào)節(jié)器的正反作 用方式，以及調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。解答：1）被控參數(shù)選擇：熱交換器出口溫度。2）控制參數(shù)選擇：載熱介質(zhì)流量。3）檢測儀表選擇：溫度傳感器與溫度變送器。4）調(diào)節(jié)閥選擇： 流量特性選擇：對數(shù)流量特性。 氣開、氣關(guān)方式選擇：氣開。5）調(diào)節(jié)器選擇：調(diào)節(jié)規(guī)律選擇：PI或PID。 正反作用方式選擇：反作用方式。掙物料掙物料崢物料崢物料被加熱物料被加熱物料被加

21、翹物料被加翹物料系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正、負符號判別：被控過程：+;變送器：+;調(diào)節(jié)閥：+;根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成負反饋條件：各環(huán)節(jié)符號之積必為“-”，則調(diào)節(jié)器為“-6）畫出控制系統(tǒng)流程圖：如圖所示。7）畫出控制系統(tǒng)方框圖：如圖所示。8）簡述控制系統(tǒng)工作原理：第7章思考題與習題7- 1與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有哪些主要特點？解答：P2127.1.27- 2分析串級系統(tǒng)的工作原理，說明為什么副回路的存在會使系統(tǒng)抑制擾動的能力增 強。解答：P208 7.1.17- 5在串級控制系統(tǒng)中當主回路為定值（設(shè)定值）控制時，副回路也是定值控制嗎？為什么?解答：P212不是，副回路是隨動控制7- 8在某生產(chǎn)過程中，通過加熱爐

22、對冷物料加熱，根據(jù)工藝要求，需對熱物料出口溫 度進行嚴格控制。對系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，主要擾動為燃料壓力波動。故設(shè)計如圖7-43所示的控制系統(tǒng)。要求：(1) 畫出控制系統(tǒng)框圖；(2) 為保證設(shè)備安全，爐溫不能過高。確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式。(3) 確定兩個調(diào)節(jié)器的正反作用 解答：(1) 控制系統(tǒng)框圖如圖所示。(2) 氣開式。(3) 副調(diào)節(jié)器：反作用；主調(diào)節(jié)器：反作用7- 9簡述前饋控制的工作原理，與反饋控制相比，它有什么優(yōu)點和局限?解答:1) 當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小來改變控制量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。P2212) 優(yōu)點：前饋控制器在擾動出現(xiàn)時立即進行控制，控制及時，對特定擾動引起的 動、靜態(tài)偏差控制比較有效。局限：P224 1)、2)7- 10為什么一般不單獨采用前饋控制方案?解答：由于前饋控制的局限性。7