過程控制系統(tǒng)與儀表_習(xí)題答案_王再英()

1、過程控制系統(tǒng)與儀表第 1 章 思考題與習(xí)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(fù)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？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？分類方法說明：按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)

2、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）反饋控制系統(tǒng)（ 2）前饋控制系統(tǒng)（ 3）前饋反饋

3、復(fù)合控制系統(tǒng)1-5 什么是定值控制系統(tǒng)?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？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？穩(wěn)態(tài)：對于定值控制，當(dāng)控制系統(tǒng)輸入（設(shè)定值和擾動）不變時，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

4、都處于相對靜止?fàn)顟B(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，到整個系統(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(biāo)有哪些？各自的定義是什么？解答：單項性能指標(biāo)主要有：衰減比、超調(diào)量與最大動態(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

5、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yi與最終穩(wěn)態(tài)值y （-）之比的百分?jǐn)?shù)仃；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 （笛）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 某被控過程工藝設(shè)定溫度為900 C ,要求控制過程中溫度偏離設(shè)定值 最大不得超過80 Co現(xiàn)設(shè)計的溫度定值控

6、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(biāo)：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= 950 90°=5:1 910 -900&振蕩周期 T: T =45一9 =36(min)A<802 ,且n>1 (衰減振蕩)，所以系統(tǒng)滿足工藝要求。第2章思考題與習(xí)題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(biāo)準(zhǔn)壓力計來校驗該壓力表，在校驗點為5MPa時，標(biāo)

7、準(zhǔn)壓力計上讀數(shù)為5.08MPa,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：最大絕對誤差一工1)基本誤差、:=,，表.豈程100%最大絕對誤差？max= 0.01 X 10= 0.1MPa2)校驗點為5 MPa時的基本誤差：6 =508二5x100% = 0.8%100.8 %<1% ,所以符合1.0級表。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勺直流電流，從準(zhǔn)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:2 51) ?max= 250X 1% = 2.5mA; 6 = ±

8、25x100% = ±5%502) ?max= 75X2.5 % = 1.875mA; 6 = 112875x100% = ±3.75%50選擇2.5級，075mA勺表。2-11 某DDZ-HI型溫度變送器輸入量程為 2001000C ,輸出為420mA當(dāng)變送器輸出電流為10mAM,對應(yīng)的被測溫度是多少？解答：1000 -200 T20 -410T=500 C2-12 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±0.05MPq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01.6MP& 02

9、.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 ± 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：0 1.6 MPa 量程：每=±005X100% = 3125% ,可選 2.5 級表；1.602.5 MPa 量程：每=±005x100% =±2% ,可選 1.5 或 2.0 級表； 2.504.0 MPa 量程：6 =±0°5父100% = ±1.2%,可選 1.0 級表。4.0量程選擇：

10、被測最大壓力=1/32/3量程上限01.6 MPa 量程：1.2 = 3 ?21.64 302.5 MPa 量程：1（1.2 （23 2.5 304.0 MPa量程：絲= 0.36 4.03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26對誤差為0.01MPa 現(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。工藝要求：最大壓力為1.0MPa,允許最大26對誤差為0.01MPa分別求出兩臺儀表的最大

11、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= 1.6 X1% = 0.016 MPa, > 0.01 MPa,所以不符合要求；2）精度為1級，量程為01.0MPa的表，其最大絕對誤差：?1.0max= 1.0 X1%= 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)w 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)壓力的士 5%試選擇 一塊合

12、適的壓力表（類型、測量范圍、精度等級），并說明其理由。根據(jù)題意知：壓力范圍1.01.6MPa,允許最大誤差：？max= 1.6 X （上5%）=上0.08 MPa1）量程確定：應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.6 MP* 2/3 =2.4 MPa可以選量程為0 2.5 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。6=士竺8父10。 =3.2%，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= 2.5 X （土2.5 %） =土0.0625 MPa <0.0

13、8 MPa 所以滿足要求。2-17 什么叫標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置？試述差壓式流量計測量流量的原理；并說明哪些因素對差壓式流量計的流量測量有影響？1）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：包括節(jié)流件和取壓裝置。2）原理：基于液體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓 力差而實現(xiàn)流量測量的。3）影響因素：P47流量系數(shù)的大小與節(jié)流裝置的形式、孔口對管道的面積比m及取壓方式密切相關(guān)；流量系數(shù)的大小與管壁的粗糙度、孔板邊緣的尖銳度、流體的粘度、溫度及可壓縮性相關(guān)； 流量系數(shù)的大小與流體流動狀態(tài)有關(guān)。2-19為什么說轉(zhuǎn)子流量計是定壓式流量計？而差壓式流量計是變壓降式流 量計？1）轉(zhuǎn)子流量計是定壓式流量計（P47）雖然轉(zhuǎn)子流量計也

14、是根據(jù)節(jié)流原理測量流量的，但它是利用節(jié)流元件改 變流體的流通面積來保持轉(zhuǎn)子上下的壓差恒定。所以是定壓式。2）差壓式流量計是變壓降式流量計（P45）是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置是產(chǎn)生的壓差實現(xiàn) 流量測量的。所以是變壓降式。2-21橢圓齒輪流量計的特點是什么？對被測介質(zhì)有什么要求？1）特點：流量測量與流體的流動狀態(tài)無關(guān)， 這是因為橢圓齒輪流量計是 依靠被測介質(zhì)的壓頭推動橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)而進行計量的。粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小， 因此核測介質(zhì)的粘皮愈大，泄漏誤差愈小，對測量愈有利。橢圓齒輪流量計計量精度高，適用于高粘度介質(zhì)流量的測量。2）對被測介質(zhì)的要求：

15、不適用于含有固體顆粒的流體 （固體顆粒會將齒 輪卡死，以致無法測量流量）。如果被測液體介質(zhì)中夾雜有氣體時，也會引起測量誤差。2-22 電磁流量計的工作原理是什么？它對被測介質(zhì)有什么要求？1）原理：利用導(dǎo)電液體通過磁場時在兩固定電極上感應(yīng)出電動是測量流 速。2）對被測介質(zhì)的要求：導(dǎo)電液體，被測液體的電導(dǎo)率應(yīng)大于水的電導(dǎo)率 （1001cm）,不能測量油類或氣體的流量。2-24超聲波流量計的特點是什么？超聲波流量計的非接觸式測量方式，不會影響被測流體的流動狀況，被 測流體也不會對流量計造成磨損或腐蝕傷害，因此適用范圍廣闊。2-26用法蘭式差壓變送器測液位的優(yōu)點是什么？測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及

16、粘度大、易凝固等液體的液位，在 膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，使被 測介質(zhì)不進入毛細管與變送器，以免堵塞。可節(jié)省隔離罐。2-27 試述電容式物位計的工作原理。解答：利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時，電容量也相應(yīng)變化的原理測物位，可測量液位、料位和兩種不同液體的分界面。2-28 超聲波液位計適用于什么場合？適合于強腐蝕性、高壓、有毒、高粘性液體的測量。第 3 章 習(xí)題與思考題3-1 什么是控制器的控制規(guī)律？控制器有哪些基本控制規(guī)律？1）控制規(guī)律：是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關(guān)系。2）基本控制規(guī)律：位式控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微

17、分控制。3-2 雙位控制規(guī)律是怎樣的？有何優(yōu)缺點？1） 雙位控制的輸出規(guī)律是根據(jù)輸入偏差的正負，控制器的輸出為最大或最小。2） 缺點： 在位式控制模式下，被控變量持續(xù)地在設(shè)定值上下作等幅振蕩，無法穩(wěn)定在設(shè)定值上。這是由于雙位控制器只有兩個特定的輸出值，相應(yīng)的控制閥也只有兩個極限位置，總是過量調(diào)節(jié)所致。3）優(yōu)點：偏差在中間區(qū)內(nèi)時，控制機構(gòu)不動作，可以降低控制機構(gòu)開關(guān)的頻繁程度，延長控制器中運動部件的使用壽命。3-3 比例控制為什么會產(chǎn)生余差？產(chǎn)生余差的原因：比例控制器的輸出信號y 與輸入偏差e 之間成比例關(guān)系：為了克服擾動的影響，控制器必須要有控制作用，即其輸出要有變化量，而對于比例控制來講，只

18、有在偏差不為零時，控制器的輸出變化量才不為零，這說明比例控制會永遠存在余差。3-4 試寫出積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。為什么積分控制能消除余差?1）積分控制作用的輸出變化量y是輸入偏差e的積分：y = -fedt Ti2）當(dāng)有偏差存在時，輸出信號將隨時間增大（或減?。?。當(dāng)偏差為零時， 輸出停止變化，保持在某一值上。因而積分控制器組成控制系統(tǒng)可以到達無 余差。3-5 什么是積分時間？試述積分時間對控制過程的影響。11） y = JedtTi積分時間是控制器消除偏差的調(diào)整時間，只要有偏差存在，輸出信號將 隨時間增大（或減?。?。只有當(dāng)偏差為零時，輸出停止變化，保持在某一值 上。2）在實際的控制器中，常

19、用積分時間 Ti來表示積分作用的強弱，在 數(shù)值上，Ti=1/K- 顯然，T越小，K i就越大，積分作用就越強，反之亦 然。3-6某比例積分控制器輸入、輸出范圍均為 420mA若將比例度設(shè)為 100%積分時間設(shè)為2min、穩(wěn)態(tài)時輸出調(diào)為5mA某時刻，輸入階躍增加 0.2mA,試問經(jīng)過5min后，輸出將由5m陵化為多少？由比例積分公式：y =- e + edt分析：P k TJ依題意：p = L = 100% 即 K p =1, Ti= 2 min , e =土0.2 ;Kp一穩(wěn)態(tài)時：yO = 5mA11,y = y0 +3 e + fedt P【T115min 后： =5+1 m (±

20、0.2 土一 m 0.2m 5) 2=(5 _0.7)mA3-7比例控制器的比例度對控制過程有什么影響？調(diào)整比例度時要注意什 么問題？1）控制器的比例度P越小，它的放大倍數(shù)一就越大，它將偏差放大的能 力越強，控制力也越強，反之亦然，比例控制作用的強弱通過調(diào)整比例度 P實 現(xiàn)。2）比例度不但表示控制器輸入輸出間的放大倍數(shù)，還表示符合這個比例關(guān) 系的有效輸入?yún)^(qū)間。一表的量程是有限的，超出這個量程的比例輸出是不可能 的。所以，偏差的變化使控制器的輸出可以變化全量程（16mA ,避免控制器 處于飽和狀態(tài)。3-8 理想微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式是什么？為什么常用實際為分控制 規(guī)律？1）尸臂2）由于理想微分

21、運算的輸出信號持續(xù)時間太短， 往往不能有效推動閥門。實際應(yīng)用中，一般加以慣性延遲，如圖 3-7所示，稱為實際微分。3-9 試寫出比例、積分、微分（PID）三作用控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。解答：3-10 試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點，積分和微分為什么 不單獨使用?1） 比例控制及時、反應(yīng)靈敏，偏差越大，控制力越強；但結(jié)果存在余差。2）積分控制可以達到無余差；但動作緩慢，控制不及時，不單獨使用。3）微分控制能起到超前調(diào)節(jié)作用；但輸入偏差不變時，控制作用消失，不單獨使用。3-12 DDZ-m型控制器的軟手動和硬手動有什么區(qū)別？各用在什么條件下？1 ）軟手動操作是指調(diào)節(jié)器的輸出電流I 0與手動

22、操作的輸入信號成積分關(guān)系；硬手動操作是指調(diào)節(jié)器的輸出電流I 0與手動操作的輸入信號成比例關(guān)系。2）軟手動操作：系統(tǒng)投運硬手動操作：系統(tǒng)故障3-13 什么叫控制器的無擾動切換？在 DDZ-HI型調(diào)節(jié)器中為了實現(xiàn)無擾 切換，在設(shè)計PID電路時采取了哪些措施？1 ）調(diào)節(jié)器進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，輸出值不發(fā)生跳動，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換無沖擊。2 ） Cm Co P85中。3-14 PID調(diào)節(jié)器中，比例度P、積分時間常數(shù)Z、微分時間常數(shù)Td分別 具有什么含義？在調(diào)節(jié)器動作過程中分別產(chǎn)生什么影響？若將 Ti取8、Td取 0，分別代表調(diào)節(jié)器處于什么狀態(tài)？比例度P含義：使控制器的輸出變化滿量程時（也就是控制閥從全關(guān)到全開或相反

23、），相應(yīng)的輸入測量值變化占儀表輸入量程的百分比。比例作 用的強弱取決于比例度的大小。積分時間常數(shù)TI 含義：TI 越小，積分作用越強；越大積分作用越弱；若 將Ti取s,則積分作用消失。微分時間常數(shù)Td含義：Td越大，微分作用越強；Td取0,微分作用消失。3-15 什么是調(diào)節(jié)器的正/ 反作用？在電路中是如何實現(xiàn)的？1）正作用：偏差=測量值- 給定值；反作用：偏差=給定值- 測量值。2）運放輸入端的切換開關(guān)實現(xiàn)的。3-16 調(diào)節(jié)器的輸入電路為什么要采取差動輸入方式？輸出電路是怎樣將輸出電壓轉(zhuǎn)換成420mA電流的？1）采用差動輸入方式，可以消除公共地線上的電壓降帶來的誤差。2）參照P83下的輸出電路

24、。3-18 給出實用的PID數(shù)字表達式，數(shù)字儀表中常有哪些改進型 PID算法？解答：1） P91 式（3-18）2）改進的算法：第 4 章思考題與習(xí)題4-1 氣動調(diào)節(jié)閥主要由哪兩部分組成？各起什么作用？1）執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。2）執(zhí)行機構(gòu)的作用：按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作；調(diào)節(jié)機構(gòu)的作用：由閥芯在閥體內(nèi)的移動，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。4-2 試問調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)有哪些主要類型？各使用在什么場合？1）類型：直通單座閥、直通雙座閥。2）直通單座閥使用場合：小口徑、低壓差的場合;直通雙座閥使用場合：大口徑、大壓差的場合。4-4 什么叫調(diào)節(jié)閥的理想流量特性和工作

25、流量特性？常用的調(diào)節(jié)閥理想 流量特性有哪些？1）理想流量特性：在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定的情況下得出的流量特性稱 為固有流量特性，也叫理想流量特性。工作流量特性：在實際的工藝裝置上，調(diào)節(jié)閥由于和其他閥門、設(shè)備、 管道等串連使用，閥門兩端的壓差隨流量變化而變 化，這時的流量特性稱為工作流量特性。2）常用理想流量特性：直線流量特性、等百分比（對數(shù)）流量特性、快開特性4-6 什么叫調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍？在串聯(lián)管道中可調(diào)范圍為什么會變化？1）可調(diào)范圍：反映調(diào)節(jié)閥可控制的流量范圍，用 R= QWQmin之比表示。R越大，調(diào)節(jié)流量的范圍越寬，性能指標(biāo)就越好。2）由于串聯(lián)管道阻力的影響。4-7 什么是串聯(lián)管道中的閥阻

26、比S? S值的變化為什么會使理想流量特 性發(fā)生畸變？1）閥阻比：用閥阻比5 =即""%表示存在管道阻力的情況下，閥門全 開時，閥門前后的最小壓差 即5所占總壓力Po的比值。2）在S<1時，由于串聯(lián)管道阻力的影響，使閥門開大時流量達不到預(yù)期的值，也就是閥的可調(diào)范圍變小。隨著 S值的減小，直線特性漸漸區(qū)于快 開特性，等百分比特性漸漸趨近于直線特性。4-8 什么叫氣動調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關(guān)式？其選擇原則是什么？1）氣開式：無壓力信號時閥門全閉，隨著壓力信號增大，閥門逐漸開 大的氣動調(diào)節(jié)閥為氣開式。氣關(guān)式：無壓力信號時閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門逐漸關(guān)小的氣動調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式

27、。2）選擇原則：從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷時， 調(diào)節(jié)閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工藝設(shè)備和操作人員的安全。4-9 如圖 4-24 所示的蒸氣加熱器對物料進行加熱。為保證控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，加熱器的耐熱材料不被燒壞，試確定蒸氣管道上調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式。氣開式調(diào)節(jié)閥。4-11 試述電 / 氣轉(zhuǎn)換器的用途與工作原理。1）用途：為了使氣動閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須使用電/氣轉(zhuǎn)換器把調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。2）原理：在杠桿的最左端安裝了一個線圈，該線圈能在永久磁鐵得氣隙中自由地上下運動，由電動調(diào)節(jié)器送來得電流I 通入線圈。當(dāng)輸入電流I增大時

28、，線圈與磁鐵間產(chǎn)生得吸力增大，使杠桿左端下移，并帶動安杠桿上的擋板靠近噴嘴，改變噴嘴和擋板之間的間隙。噴嘴擋板機構(gòu)是氣動儀表中最基本的變換和放大環(huán)節(jié)，能將擋板對于噴嘴的微小位移靈敏地變換為氣壓信號。經(jīng)過氣動功率放大器的放大后，輸出20l00kPa的氣壓信號p去推動閥門。4-12 試述電 / 氣閥門定位器的基本原理與工作過程。在杠桿上繞有力線圈，并置于磁場之中。當(dāng)輸入電流I 增大時，力線圈產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵相作用，使杠桿繞支點O順時針轉(zhuǎn)動，帶動擋板靠近噴嘴，使其背壓增大，經(jīng)氣動功率放大器放大后，推動薄膜執(zhí)行機構(gòu)使閥桿移動。4-14 電動儀表怎樣才能用于易燃易爆場所？安全火花是什么意思？1）必須

29、是采取安全防爆措施的儀表，就是限制和隔離儀表電路產(chǎn)生火花的能量。使其不會給現(xiàn)場帶來危險。2）安全火花：電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下4-16 齊納式安全柵的基本結(jié)構(gòu)是什么？它是怎樣限壓、限流的？解答：1）結(jié)構(gòu)：圖4-19 所示。2）利用齊納二極管的反向擊穿特性進行限壓，用電阻進行限流。第 5 章思考題與習(xí)題5-1 什么是被控過程的數(shù)學(xué)模型？被控過程的數(shù)學(xué)模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態(tài)和輸出（被控參數(shù)）變化的數(shù)學(xué)表達式。5-2 建立被控過程數(shù)學(xué)模型的目的是什么？過程控制對數(shù)學(xué)模型有什么要求？1）目的：。設(shè)計過程控制

30、系統(tǒng)及整定控制參數(shù)；指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計與操作；對被控過程進行仿真研究；（4培訓(xùn)運行操作人員；工業(yè)過程的故障檢測與診斷。2） 要求： 總的原則一是盡量簡單，二是正確可靠。階次一般不高于三階，大量采用具有純滯后的一階和二階模型，最常用的是帶純滯后的一階形式。5-3 建立被控過程數(shù)學(xué)模型的方法有哪些？各有什么要求和局限性？1）方法：機理法和測試法。2）機理法：測試法：5-4 什么是流入量？什么是流出量？它們與控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號有什么區(qū)別與聯(lián)系？1） 流入量： 把被控過程看作一個獨立的隔離體，從外部流入被控過程的物質(zhì)或能量流量稱為流入量。流出量：從被控過程流出的物質(zhì)或能量流量稱為流出量。

31、2）區(qū)別與聯(lián)系：控制系統(tǒng)的輸入量：控制變量和擾動變量?？刂葡到y(tǒng)的輸出變量：系統(tǒng)的被控參數(shù)。5-5 機理法建模一般適用于什么場合？對被控過程的工作機理非常熟悉，被控參數(shù)與控制變量的變化都與物質(zhì) 和能量的流動與轉(zhuǎn)換有密切關(guān)系。5-6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控過程的系統(tǒng)框圖有什么特點？1）在擾動作用破壞其平衡工況后，被控過程在沒有外部干預(yù)的情況下自動恢復(fù)平衡的特性，稱為自衡特性。2）被控過程輸出對擾動存在負反饋。5-7 什么是單容過程和多容過程？1）單容：只有一個儲蓄容量。2）多容：有一個以上儲蓄容量。5-8 什么是過程的滯后特性？滯后又哪幾種？產(chǎn)生的原因是什么？1）滯后特性：過程對于擾動的

32、響應(yīng)在時間上的滯后。2）容量滯后：多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上的這種延遲被稱為容量滯后。純滯后：在生產(chǎn)過程中還經(jīng)常遇到由（物料、能量、信號）傳輸延遲引起的純滯后。5-9 對圖5-40所示的液位過程，輸入量為Qi ,流出量為Q2、Q3,液位h 為被控參數(shù)，水箱截面為A,并設(shè)R2、R3為線性液阻。（1）列寫液位過程的微分方程組；（2）畫出液位過程的框圖；（3）求出傳遞函數(shù)H（s）/Q1（s）,并寫出放大倍數(shù)K和時間常數(shù)T的表達式。解答：(1)(2)框圖如圖:(3)5-10R2R3Q1 - Q2Q1(s) - AR2R3s R2 &以Qi為輸入、h2為輸出列寫圖組，并求出傳遞函數(shù)H2（s）

33、/QKs）。解答:d h1Q1 f Q2 = A1 - dt.Q二小.也閥門3ft工工，1）方程組:R2R2d 2QQ2 1 ,:Q3 A dt h2Q 2R32）傳遞函數(shù):H2(s)R3_-2_Qn(s)T"2s(T1 T212)s 13式中：工=AR2,T2 = A2R,T12=A R35-12 何為測試法建模？它有什么特點?解答:1）是根據(jù)工業(yè)過程輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學(xué)處理后得到數(shù)學(xué)模型。2）可以在不十分清楚內(nèi)部機理的情況下，把被研究的對象視為一個黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。5-13 應(yīng)用直接法測定階躍響應(yīng)曲線時應(yīng)注意那些問題?（ 1 ）合理地選擇階躍輸入

34、信號的幅度（ 2）試驗時被控過程應(yīng)處于相對穩(wěn)定的工況（ 3）要仔細記錄階躍曲線的起始部分（ 4）多次測試，消除非線性第 6 章 思考題與習(xí)題6-1 簡單控制系統(tǒng)由幾個環(huán)節(jié)組成？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。安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。6-3 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？（ 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(biāo)（ 2）建立被控過程的數(shù)學(xué)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

35、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？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）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(biāo)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)Ko要大、時間常數(shù)To小、純滯后時間入越小越好？

36、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)T0小，被控參數(shù)對控制變量的反應(yīng)靈敏、控制及時，從而獲得 良好的控制品質(zhì)。純滯后丁 0的存在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。丁 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(dāng)被控過程存在多個時間常數(shù)時，為

37、什么應(yīng)盡量使時間常數(shù)錯開？ 解答：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）合理選擇檢測點。6-9 調(diào)節(jié)閥口徑選擇不當(dāng)，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(dāng)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）

38、正常工況下要求調(diào)節(jié)閥的開度在 15%-85臉間。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(biāo)。當(dāng)液位過低時，汽包中的水易被燒干引發(fā)生產(chǎn)事故，甚 至?xí)l(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：1）調(diào)節(jié)閥：氣關(guān)方式。J-府嬴d2）調(diào)節(jié)器：正作用。（汽包3）框

39、圖:6-13 在如圖6-29所示的化工過程中，化學(xué)反應(yīng)為吸熱郊。為使化學(xué) 反應(yīng)持續(xù)進行，必須用熱水通過加熱套加熱反應(yīng)在料，酬嶄正禽但或在規(guī) 定的溫度下進行。如果溫度太低，不但會導(dǎo)致反映停止，還會使物料產(chǎn)生聚 合凝固導(dǎo)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)的框圖平 I解答：1）調(diào)節(jié)閥：氣開式。1二二一一二2）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：1）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

40、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)。6-22 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AT < ±rC ,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。O解答：1）被控參數(shù)選擇：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