《自動(dòng)化儀表與過程控制》練習(xí)題及參考答案

1、一、填空題1、過程控制系統(tǒng)一般由 控制器 、 執(zhí)行器 、 被控過程 和測(cè)量變送等環(huán)節(jié)組成。2、儀表的精度等級(jí)又稱 準(zhǔn)確度級(jí) ，通常用 引用誤差 作為判斷儀表精度等級(jí)的尺度。3、過程控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)主要有 衰減比n 、 超調(diào)量 和過渡過程時(shí)間；靜態(tài)質(zhì)量指標(biāo)有 穩(wěn)態(tài)誤差e ss 。4、真值是指被測(cè)變量本身所具有的真實(shí)值，在計(jì)算誤差時(shí)，一般用 約定真值 或 相對(duì)真值 來代替。5、根據(jù)使用的能源不同，調(diào)節(jié)閥可分為 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 、 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 和 液動(dòng)調(diào)節(jié)閥 三大類。6、過程數(shù)學(xué)模型的求取方法一般有 機(jī)理建模 、 試驗(yàn)建模 和混合建模。7、積分作用的優(yōu)點(diǎn)是可消除 穩(wěn)態(tài)誤差(余差)，但引入積分作用會(huì)使

2、系統(tǒng) 穩(wěn)定性 下降。8、在工業(yè)生產(chǎn)中常見的比值控制系統(tǒng)可分為 單閉環(huán)比值控制 、 雙閉環(huán)比值控制 和 變比值控制 三種。9、Smith預(yù)估補(bǔ)償原理是預(yù)先估計(jì)出被控過程的 數(shù)學(xué)模型 ，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過程上，使其對(duì)過程中的 純滯后 進(jìn)行補(bǔ)償。10、隨著控制通道的增益K0的增加，控制作用 增強(qiáng) ，克服干擾的能力 最大 ，系統(tǒng)的余差 減小 ，最大偏差 減小 。11、從理論上講，干擾通道存在純滯后， 不影響 系統(tǒng)的控制質(zhì)量。12、建立過程對(duì)象模型的方法有 機(jī)理建模 和 系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì) 。13、控制系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的基本要求是 準(zhǔn)確 、 迅速 和 可靠 。14、控制閥的選擇包括 結(jié)構(gòu)材質(zhì)的選

3、擇、 口徑的選擇 、 流量特性的選擇 和 正反作用的選擇。15、防積分飽和的措施有 對(duì)控制器的輸出限幅 、限制控制器積分部分的輸出和 積分切除法。16、如果對(duì)象擾動(dòng)通道增益增加，擾動(dòng)作用 增強(qiáng) ，系統(tǒng)的余差 增大 ，最大偏差 增大 。17、在離心泵的控制方案中，機(jī)械效率最差的是 通過旁路控制 。二、名詞解釋題1、衰減比答：衰減比定義為：衰減比是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。為保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般取衰減比為4:110:1。2、自衡過程答：當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，無須外加任何控制作用，過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自衡性。稱該類被控過程為自衡過程。3、分布式控制系統(tǒng)答：分布式控制系

4、統(tǒng)DCS，又稱為集散控制系統(tǒng)，一種操作顯示集中、控制功能分散、采用分級(jí)分層體系結(jié)構(gòu)、局部網(wǎng)絡(luò)通信的計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)。DCS的設(shè)計(jì)思想是“控制分散、管理集中”三、簡(jiǎn)答題1、電氣閥門定位器有哪些作用答：改善閥的靜態(tài)特性改善閥的動(dòng)態(tài)特性改變閥的流量特性用于分程控制用于閥門的反向動(dòng)作2.簡(jiǎn)述串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。答：（1）副回路的選擇必須包括主要擾動(dòng)，而且應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)；（2）主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配；（3）應(yīng)考慮工藝上的合理性和實(shí)現(xiàn)的可能性；（4）要注意生產(chǎn)上的經(jīng)濟(jì)性。3. 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？答：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由一個(gè)被控對(duì)象，一個(gè)檢測(cè)元件和變送器，一個(gè)調(diào)節(jié)閥和

5、一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。檢測(cè)元件和變送器用于檢測(cè)被控變量，并將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸出到控制器?？刂破饔糜趯z測(cè)變送器的輸出信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差，并把偏差信號(hào)按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到執(zhí)行器。執(zhí)行器是控制系統(tǒng)回路中的最終元件，直接用于改變操縱量，以克服干擾，達(dá)到控制的目的。4. 前饋控制和反饋控制各有什么特點(diǎn)？為什么采用前饋-反饋復(fù)合系統(tǒng)將能較大地改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)？答:前饋控制的特點(diǎn)是:根據(jù)干擾工作;及時(shí);精度不高,實(shí)施困難;只對(duì)某個(gè)干擾 有克服作用.反饋的特點(diǎn)作用依據(jù)是偏差;不及時(shí):精度高,實(shí)施方便,對(duì)所有干擾都有克服作用.由于兩種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ), 所以前饋-反饋復(fù)

6、合系統(tǒng)將能較大地改善系統(tǒng)的控制品質(zhì).5、PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)、對(duì)控制性能各有什么影響？答：(1)比例增益反映比例作用的強(qiáng)弱，越大，比例作用越強(qiáng)，反之亦然。比例控制克服干擾能力較強(qiáng)、控制及時(shí)、過渡時(shí)間短，但在過渡過程終了時(shí)存在余差；(2)積分時(shí)間反映積分作用的強(qiáng)弱，越小，積分作用越強(qiáng)，反之亦然。積分作用會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，但在過渡過程結(jié)束時(shí)無余差；(3)微分時(shí)間反映積分作用的強(qiáng)弱，越大，積分作用越強(qiáng)，反之亦然。微分作用能產(chǎn)生超前的控制作用，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間；但對(duì)噪聲干擾有放大作用。6、與反饋控制系統(tǒng)相比，前饋控制系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？答：(1)反饋控制的本質(zhì)是基于偏差來消除偏差，而前饋控制是基

7、于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響；(2)反饋控制是“不及時(shí)”的，而前饋控制器可“及時(shí)”動(dòng)作；(3)反饋控制屬閉環(huán)控制，而前饋控制屬開環(huán)控制；(4)反饋控制對(duì)閉環(huán)內(nèi)擾動(dòng)均有校正作用，而前饋控制具有制定性補(bǔ)償?shù)木窒扌裕?5)反饋控制規(guī)律通常有P、PI、PD、PID等，而前饋控制規(guī)律比較復(fù)雜。7、簡(jiǎn)述“積分飽和現(xiàn)象”產(chǎn)生的內(nèi)因和外因。答：造成積分飽和現(xiàn)象的內(nèi)因是控制器包含積分控制作用，外因是控制器長(zhǎng)期存在偏差。在偏差長(zhǎng)期存在的條件下，控制器輸出會(huì)不斷增加或減小，直到極限值引起積分飽和。8、如圖所示的壓力容器，采用改變氣體排出量以維持 容器內(nèi)壓力恒定：(1)調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣開式還是氣關(guān)式？請(qǐng)說明原因。(2

8、)壓力控制器(PC)應(yīng)為正作用還是反作用？請(qǐng)說明原因。答：(1)應(yīng)選擇氣關(guān)式。因?yàn)樵跉庠磯毫χ袛鄷r(shí)，調(diào)節(jié)閥可以自動(dòng)打開，以使容器內(nèi)壓力不至于過高而出事故。(2) 調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣關(guān)式，則壓力控制器(PC)應(yīng)為反作用。當(dāng)檢測(cè)到壓力增加時(shí)，控制器應(yīng)減小輸出，則調(diào)節(jié)閥開大，使容器內(nèi)壓力穩(wěn)定?；颍寒?dāng)檢測(cè)到壓力減小時(shí)，控制器應(yīng)增大輸出，則調(diào)節(jié)閥開小，使容器內(nèi)壓力穩(wěn)定。9、在制藥工業(yè)中，為了增強(qiáng)藥效，需要對(duì)某種成分的藥物注入一定量的鎮(zhèn)定劑、緩沖劑，或加入一定量的酸、堿，使藥物呈酸性或堿性。這種注入過程一般都在混合槽中進(jìn)行。工藝要求生產(chǎn)藥物與注入劑混合后的含量必須符合規(guī)定的比例，同時(shí)在混合過程中不允許藥物流量

9、突然發(fā)生變化，以免混合過程產(chǎn)生局部的化學(xué)副反應(yīng)，為此設(shè)計(jì)如下圖所示的控制系統(tǒng)。 試分析：1圖中停留槽的作用是什么？ 2圖中有幾個(gè)控制系統(tǒng)，分別是什么系統(tǒng)，各系統(tǒng)的作用如何？答: 停留槽的作用是穩(wěn)定藥物流量,防止其發(fā)生急劇變化.圖中共有兩個(gè)控制系統(tǒng),一個(gè)是停留槽液位與出口流量的均勻控制系統(tǒng),是藥物流量緩慢變化;另一個(gè)是藥物與添加劑的比值控制系統(tǒng),保持二者的比例關(guān)系.四、分析與計(jì)算題1、有一臺(tái)溫度變送器，量程為400600，輸出為420mA，當(dāng)溫度從500變化到550時(shí)，變送器從多少變?yōu)槎嗌?？答?00時(shí)輸出為：（204）×（500400）/（600400）412mA500時(shí)輸出為：（2

10、04）×（550400）/（600400）416mA即：當(dāng)溫度從500變化到550時(shí)，變送器從12mA變?yōu)?6mA。2.某儀表的測(cè)量范圍為200-600，儀表的精度為0.5級(jí)，在600該儀表指示為604，問該儀表是否超差？答：某儀表的測(cè)量范圍為200-600，儀表的精度為0.5級(jí)，在600該儀表指示為604，問該儀表是否超差？（600（200）×0.5=4  該儀表不超差。 3.某測(cè)量?jī)x表的測(cè)量范圍是+200+500精度等級(jí)為為5.0，求當(dāng)其示值為200和500時(shí),被測(cè)點(diǎn)的真實(shí)溫度（真值）大約為多少？3、答：某測(cè)量?jī)x表的測(cè)量范圍是+200+500,精度等級(jí)為為5.

11、0，求當(dāng)其示值為200和500時(shí),被測(cè)點(diǎn)的真實(shí)溫度（真值）大約為多少？max=±5.0%（500-200）=±15示值為200時(shí)真值在185和215之間示值為500時(shí)真值在485和515之間4、如下圖所示的隔焰式隧道窯燒成帶溫度控制系統(tǒng)，燒成帶溫度是被控變量，燃料流量為操縱變量。試分析：(1)該系統(tǒng)是一個(gè)什么類型的控制系統(tǒng)？畫出其方框圖；(2)確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，并說明原因。答：(1)該系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，其方框圖為：(2)當(dāng)調(diào)節(jié)閥氣源出現(xiàn)故障失去氣源時(shí)，為保證系統(tǒng)安全，應(yīng)使閥門處于關(guān)閉位置，故調(diào)節(jié)閥采用氣開式。5、如下圖所示的液體儲(chǔ)罐，設(shè)進(jìn)水口和出水口的體積流

12、量分別是 和 ，輸出變量為液位，儲(chǔ)罐的橫截面積為 。試建立該液體儲(chǔ)罐的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 。完整解答過程如下（含評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)）：液位的變化滿足動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系：液罐內(nèi)蓄液量的變化率單位時(shí)間內(nèi)液體流入量單位時(shí)間內(nèi)液體流出量： (2分)以增量形式表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程度。即： （式1）(2分)由重力場(chǎng)中無粘性不可壓縮流體定常流動(dòng)的伯努利方程：(2分)得：故 (2分)對(duì)非線性項(xiàng)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，并取線性部分：(1分)將上式代入（式1），得：整理并省略增量符號(hào)，得微分方程：(1分)經(jīng)拉氏變換可得傳遞函數(shù)為： (2分)什么是過程控制？過程控制是生產(chǎn)過程自動(dòng)化的簡(jiǎn)稱。過程控制的特點(diǎn)1，系統(tǒng)由被控過程與系類化生

13、產(chǎn)的自動(dòng)化儀表組成2，被控過程復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)3，控制方案豐富多彩，控制要求越來越高4,控制過程大多屬于慢變過程與參量控制5，定值控制是過程控制的主要形式過程參數(shù)檢測(cè)儀表通常由傳感器和變松器組成。測(cè)溫儀表的選用原則1，儀表精度等級(jí)應(yīng)符合工藝參數(shù)的誤差要求2，選用的儀表應(yīng)能操作方便、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)、合理，在同一工程中應(yīng)盡量減少一起的品種和規(guī)格3，儀表的量程應(yīng)大于工藝要求的實(shí)際測(cè)溫范圍，但也不能太大。4，熱電偶是測(cè)溫儀表的首選檢測(cè)元件，但當(dāng)在低溫測(cè)量時(shí)還是選用熱電阻元件合適5，對(duì)裝有保護(hù)套管的測(cè)溫元件，保護(hù)套管的耐壓等級(jí)應(yīng)不低于所在管線或設(shè)備的耐壓等級(jí)，其材料根據(jù)最高使用溫度及被測(cè)戒

14、指的特性確定壓力是指作用于單位面積上的力，即物理上的壓強(qiáng)流量單位時(shí)間內(nèi)流過工藝管道某截面的流體數(shù)量稱為瞬時(shí)流量，而把某一段時(shí)間內(nèi)流過工藝管道某截面的流體總量稱為累計(jì)流量調(diào)節(jié)器的功能1，偏差顯示2，輸出顯示3，內(nèi)外給定的選擇4，正反作用的選擇5，手動(dòng)切換操作6，其他功能執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行器的氣開，是指當(dāng)氣壓信號(hào)p>0.02MPa 時(shí)，閥門由關(guān)閉逐漸打開；氣關(guān)相反調(diào)節(jié)閥的流量特性是指控制介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門相對(duì)開度之間的關(guān)系理想流量特性是指 當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差一定是獲得的流量特性理想流量特性主要有三種，直線流量特性，對(duì)數(shù)（等百分比）流量特性，快開流量特性直線流量

15、特性是指流過調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度成直線關(guān)系，即閥桿單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。適用于中等開度，且負(fù)荷變化不大的過程對(duì)數(shù)流量特性是指單位行程變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系，適用于負(fù)荷變化打的過程快開流量特性是指小開度時(shí)就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快達(dá)到最大流量特性的選擇必須保證系統(tǒng)總的放大系數(shù)在整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。有自衡特性當(dāng)原來處于平衡狀態(tài)的過程出現(xiàn)干擾時(shí)，其輸出量在無人或無控制裝置的干預(yù)下，能夠自動(dòng)回復(fù)到原來或新的平衡狀態(tài)單容過程。只有一個(gè)儲(chǔ)存容積的過程M序列的產(chǎn)生方法通常有兩種，一是用移位寄存器產(chǎn)生，二是用軟件實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制參數(shù)

16、的確定原則1，選擇結(jié)果應(yīng)使控制通道的靜態(tài)增益K0盡可能大，時(shí)間常數(shù)，選擇恰當(dāng)。，控制通道的純滯后時(shí)間應(yīng)盡可能的小，一般與的比值小于，干擾通道的靜態(tài)增益應(yīng)盡可能的??；時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能的大，其個(gè)數(shù)盡可能的多；擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥。，當(dāng)廣義被控過程有幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時(shí)，應(yīng)盡可能的設(shè)法使幾個(gè)時(shí)間常數(shù)中的最大與最小的比值盡可能的大，一邊盡可能提高系統(tǒng)的可控性。調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則調(diào)節(jié)器的正反作用方式選擇串級(jí)控制將兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作、各自完成不同任務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就稱為串級(jí)控制結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果，能迅速客服進(jìn)入副回路的干擾，能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率，能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的一致能力。，能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。，對(duì)非線性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍，容量滯后較大的過程，純滯后較大的過程，干擾變化劇烈、幅度大的過程，參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過