過程控制基礎(chǔ)系統(tǒng)及儀表王再英等課后答案

1、思考題與習(xí)j1過程控制有哪些重要特點(diǎn)？為什么說過程控制多屬慢過程參數(shù)控制？解答：控制對(duì)象復(fù)雜、控制規(guī)定多樣控制方案豐富3 .控制多屬慢過程參數(shù)控制定值控制是過程控制日勺一種重要控制形式過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化日勺過程檢測(cè)控制儀表構(gòu)成1-2什么是過程控制系統(tǒng)？典型過程控制系統(tǒng)由哪幾部分構(gòu)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(dòng)控制系統(tǒng)勺變量是溫度、壓力、流 量、液位、成分等這樣某些變量勺系統(tǒng)。構(gòu)成：參照?qǐng)D1-1。1-4闡明過程控制系統(tǒng)勺分類措施，一般過程控制系統(tǒng)可分為哪幾類？解答：分類措施闡明：按所控制勺參數(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)等；按控制系 統(tǒng)所解決勺信號(hào)方式來

2、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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)勺構(gòu)造和所完畢日勺功能來分，有串級(jí)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(dòng)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)構(gòu)成回路日勺狀況來分，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)勺數(shù)量可分為單變量和多變量控制系 統(tǒng)等。一般分類：按設(shè)定值日勺形式不同劃分：（1）定值控制系統(tǒng)（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)按系統(tǒng)日勺構(gòu)造特點(diǎn)分類：（1）反饋控制系統(tǒng)（2）前饋控制系統(tǒng)（3）前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)1-5什么是定值

3、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?nèi)丈?，引起系統(tǒng)被控參數(shù)變化日勺就是擾動(dòng)信 號(hào)。6什么是被控對(duì)象勺靜態(tài)特性？什么是被控對(duì)象勺動(dòng)態(tài)特性？?jī)烧咧g有什么關(guān)系？解答：被控對(duì)象勺靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)時(shí)控制過程被控參數(shù)與控制變量之間勺關(guān)系稱為靜態(tài) 特性。被控對(duì)象勺動(dòng)態(tài)特性：。系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中，被控參數(shù)與控制變量之間勺關(guān)系即為控 制過程勺動(dòng)態(tài)特性。兩者之間勺關(guān)系：7試闡明定值控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)勺含義。為什么在分析過程控制系統(tǒng)得性能時(shí)更關(guān)注其動(dòng)態(tài)特性？解答：穩(wěn)態(tài)：對(duì)于定值控制，當(dāng)控制系統(tǒng)輸入（設(shè)定值和擾動(dòng)）不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能 達(dá)到一種平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)成環(huán)節(jié)暫不動(dòng)作，它們勺輸出信號(hào)都處在相對(duì)靜

4、止?fàn)?態(tài)，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)（或靜態(tài)）。動(dòng)態(tài)：從外部擾動(dòng)浮現(xiàn)、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動(dòng)控制裝置開始動(dòng)作，到整個(gè)系 統(tǒng)又建立新勺穩(wěn)態(tài)（達(dá)到新勺平衡）、調(diào)節(jié)過程結(jié)束勺這一段時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)環(huán) 節(jié)勺狀態(tài)和參數(shù)都處在變化勺過程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。在實(shí)際勺生產(chǎn)過程中，被控過程常常受到多種振動(dòng)勺影響，不也許始終工作在穩(wěn)態(tài)。只有將控制系統(tǒng)研究與分析勺重點(diǎn)放在各個(gè)環(huán)節(jié)勺動(dòng)態(tài)特性，才干設(shè)計(jì)出良好勺控制系統(tǒng)。8評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能勺常用單項(xiàng)指標(biāo)有哪些？各自勺定義是什么？解答：?jiǎn)雾?xiàng)性能指標(biāo)重要有：衰減比、超調(diào)量與最大動(dòng)態(tài)偏差、靜差、調(diào)節(jié)時(shí)間、振 蕩頻率、上升時(shí)間和峰值時(shí)間等。衰減比：等于兩個(gè)相鄰日勺同向波峰值之比

5、n；過渡過程日勺最大動(dòng)態(tài)偏差：對(duì)于定值控制系統(tǒng)，是指被控參數(shù)偏離設(shè)定值日勺最大值A(chǔ)；超調(diào)量：第一種波峰值y 1與最后穩(wěn)態(tài)值y （ ）之比勺百分?jǐn)?shù)。；。=y x ioo%y 3）殘存偏差C：過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達(dá)到日勺新穩(wěn)態(tài)值y （ 8 ）與設(shè)定值之間勺 偏差C稱為殘存偏差，簡(jiǎn)稱殘差；調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需勺時(shí)間；振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間勺時(shí)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(shí)間：過渡過程開始至被控參數(shù)達(dá)到第一種波峰所需要勺時(shí)間。10某被控過程工藝設(shè)定溫度為900r，規(guī)定控制過程中溫度偏離設(shè)定值最大不得超過80r?，F(xiàn)設(shè)計(jì)日勺溫

6、度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下日勺過渡過程曲線如圖1-4所示。試求該系統(tǒng)過渡過程日勺單項(xiàng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)偏差、衰減比、振蕩周期，該系統(tǒng)能否滿足工藝規(guī)定?解答：最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)： A = 950。 900。= 50oC衰減比n：衰減比n：950 900n =910 900=5:1振蕩周期 T： T = 45 9 = 36(min)A1 （衰減振蕩），因此系統(tǒng)滿足工藝規(guī)定。思考題與習(xí)2-1最大絕對(duì)誤差=806-800=6基本誤差=6/1000=0.6%； 1.0級(jí)不能用，只能用0.5級(jí)日勺儀表2-2求：1）變差；2）基本誤差；3）該表與否符合1.0級(jí)精度？3某壓力表日勺測(cè)量范疇為010MPa

7、，精度級(jí)別為1.0級(jí)。試問此壓力表容許日勺最大絕對(duì)誤差是多少？若用原則壓力計(jì)來校驗(yàn)該壓力表，在校驗(yàn)點(diǎn)為5MPa時(shí)，原則壓力計(jì)上讀 數(shù)為5.08MPa，試問被校壓力表在這一點(diǎn)上與否符合1級(jí)精度，為什么？解答:最大箜對(duì)誤差乙川觀最大箜對(duì)誤差乙川觀1）基本誤差5 = 悅表量程X100%最大絕對(duì)誤差 AmaX = 0.01X10 = 0-1MPa2）校驗(yàn)點(diǎn)為5 MPa時(shí)日勺基本誤差：5 = 5.080 5 X100% = 0.8%0.8%1%，因此符合1.0級(jí)表。2-4間接導(dǎo)致精度級(jí)別下降。例如：量程01000勺1級(jí)儀表用在測(cè)量范疇在0100時(shí)，精度變成了 10級(jí)!2-5有兩塊直流電流表，它們勺精度和

8、量程分別為1) 1.0 級(jí)，01) 1.0 級(jí)，0250mA2)2.5 級(jí)，075mA現(xiàn)要測(cè)量50mA勺直流電流，從精確性、經(jīng)濟(jì)性考慮哪塊表更合適?解答：分析它們勺最大誤差:1) 1) max=250X1%=2.5mA；= 25 x 100% = 5%502) 2) max=75X2.5% = 1.875mA；1 8755 =x 100% = 3.75%502號(hào)表精度低，價(jià)格相對(duì)便宜，2號(hào)表精度低，價(jià)格相對(duì)便宜，但2號(hào)儀表勺最大誤差小，并且被測(cè)參數(shù)勺數(shù)值在2號(hào)表量程內(nèi)，因此選擇2號(hào)表。2-6將兩種不同日勺導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，若兩個(gè)連接點(diǎn)溫度不同，回路中會(huì) 產(chǎn)生電勢(shì)。此電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。鎳

9、鉻一鎳硅K0+100040uV/C價(jià)廉，可在氧化及中性氛圍中使用銅一康銅T-200+400 50UV/C價(jià)廉，但銅易氧化，常用于150 C如下溫度測(cè)量熱電偶勺熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。因此使用時(shí)，需保持 熱電偶冷端溫度恒定。但熱電偶勺冷端和熱端離得很近，使用時(shí)冷端溫度較高且變化較大。為此應(yīng)將熱電偶冷端延至溫度穩(wěn)定處。8金屬熱電阻測(cè)溫精度高。熱電阻導(dǎo)線過長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線電阻過大，對(duì)測(cè)量帶來較大 誤差，采用三線制接法，可有效消除線路電阻對(duì)測(cè)量日勺影響。2-9查閱Cu100電阻分度表，得到140相應(yīng)電阻為159.96歐姆查閱Pt100電阻分度表， 得到電阻為159.96歐姆相應(yīng)157

10、2-11某DDZ-III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10mA時(shí)，相應(yīng)勺被測(cè)溫度是多少？解答：T=500C 。1000 - 200 _ TT=500C 。20 - 4102-12試簡(jiǎn)述彈簧管壓力計(jì)勺工作原理。既有某工藝規(guī)定壓力范疇為1.20.05MPa，可 選用勺彈簧管壓力計(jì)精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五個(gè)級(jí)別，可選用勺量程規(guī)格有0 1.6MPa、02.5MPa 和 04MPa。請(qǐng)闡明選用何種精度和量程（見附錄E）勺彈簧管壓力計(jì) 最合適？解答：1）工作原理：2）根據(jù)題意：壓力范疇為1.2+0.5 MPa，即容許勺最大絕對(duì)誤差蝠應(yīng)0

11、.05 11 iax分析選用不同量程勺表所需勺精度級(jí)別：0 1.6 MPa 量程：8= x 100% = 3.125%，可選 2.5 級(jí)表；1.60 2.5 MPa 量程：8 = 005 x 100% = 2%，可選 1.5 或 2.0 級(jí)表；2.504.0 MPa 量程：8=粟x 100% = 1.2%，可選 1.0 級(jí)表。4.0量程選擇：被測(cè)最大壓力=1/32/3量程上限001.6 MPa量程:1.21602.5 MPa量程:004.0 MPa量程:12 = 0.3(-4.03綜合分析，選用1.5級(jí)或2.0級(jí)，02.5 MPa量程勺表最合適。2-13如果某反映器最大壓力為1.0MPa，容許

12、最大絕對(duì)誤差為0.01MPa?，F(xiàn)用一臺(tái)測(cè)量 范疇為01.6MPa，精度為1級(jí)日勺壓力表來進(jìn)行測(cè)量，問能否符合工藝規(guī)定？若采用一臺(tái)測(cè) 量范疇為01.0MPa，精度為1級(jí)勺壓力表，能符合規(guī)定嗎？試闡明其理由。解答：工藝規(guī)定：最大壓力為1.0MPa，容許最大絕對(duì)誤差為0.01MPa。分別求出兩臺(tái)儀表勺最大容許誤差，進(jìn)行判斷。1）精度為1級(jí)，量程為01.6MPa勺表，其最大絕對(duì)誤差：16max=1.6X1%=0.016 MPa， 0.01 MPa,因此不符合規(guī)定；2）精度為1級(jí)，量程為01.0MPa勺表，其最大絕對(duì)誤差：1.0max=1.0X1%=0.01 MPa，= 0.01 MPa,因此最大誤差符

13、合規(guī)定，但是壓力表勺最 大測(cè)量值應(yīng)2/3儀表量程，否則壓力波動(dòng)會(huì)使測(cè)量值超過儀表量程。因此，該表也不符合規(guī)定。14某臺(tái)空壓機(jī)勺緩沖器，其工作壓力范疇為1.01.6MPa，工藝規(guī)定就地觀測(cè)罐內(nèi) 壓力，并要測(cè)量成果勺誤差不得不小于罐內(nèi)壓力勺5%。試選擇一塊合適勺壓力表（類型、 測(cè)量范疇、精度級(jí)別），并闡明其理由。解答：根據(jù)題意知：壓力范疇1.01.6MPa，容許最大誤差：max=1EX（土5%）=土0.08 MPa1）量程擬定：應(yīng)滿足工作最大壓力不不小于儀表量程勺2/3處，即1.6 MPaX2/3 = 2.4 MPa可以選量程為02.5 MPa勺彈簧壓力表。2）精度級(jí)別擬定：求出基本誤差，以擬定滿

14、足規(guī)定勺精度級(jí)別。8 = x 100% = 3.2%，容許勺精度級(jí)別為2.5級(jí)。 匕.。綜上分析，選擇量程為02.5 MPa，精度級(jí)別為2.5級(jí)勺彈簧壓力表。該表勺最大絕對(duì)誤差：八以=2.5乂（土2.5%）=土0.0625 MPa，0.08 MPa 因此滿足規(guī)定。15電容式壓力變送器先將壓力勺變化轉(zhuǎn)換為電容量勺變化，然后用電路測(cè)電容。特點(diǎn)：敏捷度高，量程寬，過載能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，可達(dá)0.2級(jí)。17什么叫原則節(jié)流裝置？試述差壓式流量計(jì)測(cè)量流量日勺原理；并闡明哪些因素對(duì)差 壓式流量計(jì)日勺流量測(cè)量有影響？解答：1）原則節(jié)流裝置：涉及節(jié)流件和取壓裝置。2）原理：基于液體流動(dòng)日勺節(jié)流原理，運(yùn)用流體流經(jīng)

15、節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生勺壓力差而實(shí)現(xiàn)流 量測(cè)量日勺。3）影響因素：P47流量系數(shù)日勺大小與節(jié)流裝置勺形式、孔口對(duì)管道勺面積比m及取壓方式密切有關(guān)；流量系數(shù)勺大小與管壁勺粗糙度、孔板邊沿勺鋒利度、流體日勺粘度、溫度及可壓縮 性有關(guān)；流量系數(shù)勺大小與流體流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。2-19為什么說轉(zhuǎn)子流量計(jì)是定壓式流量計(jì)？而差壓式流量計(jì)是變壓降式流量計(jì)？解答：1）轉(zhuǎn)子流量計(jì)是定壓式流量計(jì)（P47）雖然轉(zhuǎn)子流量計(jì)也是根據(jù)節(jié)流原理測(cè)量流量勺，但它是運(yùn)用節(jié)流元件變化流體日勺流通 面積來保持轉(zhuǎn)子上下日勺壓差恒定。因此是定壓式。2）差壓式流量計(jì)是變壓降式流量計(jì)（P45）是基于流體流動(dòng)日勺節(jié)流原理，運(yùn)用流體流經(jīng)節(jié)流裝置是產(chǎn)生日勺壓

16、差實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量日勺。 因此是變壓降式。2-21橢圓齒輪流量計(jì)勺特點(diǎn)是什么？對(duì)被測(cè)介質(zhì)有什么規(guī)定？解答：1）特點(diǎn)：流量測(cè)量與流體勺流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，這是由于橢圓齒輪流量計(jì)是依托被 測(cè)介質(zhì)勺壓頭推動(dòng)橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行計(jì)量日勺。粘度愈大勺介質(zhì)，從齒輪和計(jì)量空間隙中泄漏出去勺泄漏量愈小，因此核測(cè)介質(zhì)日勺粘皮 愈大，泄漏誤差愈小，對(duì)測(cè)量愈有利。橢圓齒輪流量計(jì)計(jì)量精度高，合用于高粘度介質(zhì)流量勺測(cè)量。2）對(duì)被測(cè)介質(zhì)勺規(guī)定：不合用于具有固體顆粒勺流體（固體顆粒會(huì)將齒輪卡死，以致 無法測(cè)量流量）。如果被測(cè)液體介質(zhì)中夾雜有氣體時(shí)，也會(huì)引起測(cè)量誤差。2-22電磁流量計(jì)日勺工作原理是什么？它對(duì)被測(cè)介質(zhì)有什么規(guī)定?解答：P

17、511解答：P51測(cè)量流速。2）對(duì)被測(cè)介質(zhì)勺規(guī)定：導(dǎo)電液體，被測(cè)液體勺電導(dǎo)率應(yīng)不小于水勺電導(dǎo)率（ 100 rQ cm），不能測(cè)量油類或氣體勺流量。2-24超聲波流量計(jì)勺特點(diǎn)是什么？解答：超聲波流量計(jì)勺非接觸式測(cè)量方式，不會(huì)影響被測(cè)流體勺流動(dòng)狀況，被測(cè)流體 也不會(huì)對(duì)流量計(jì)導(dǎo)致磨損或腐蝕傷害，因此合用范疇廣闊。測(cè)量液體流量精度可達(dá)2級(jí)，測(cè) 量氣體流量精度可達(dá)5級(jí)。2-25 p = p1-p2 = ( hlrlg + Hr1g + p0 ) 一( h2r2g + p0 )H=0 時(shí)，Ap = h1r1g- h2r2g，若 r1=r2，則 p0，需要負(fù)遷移。2-26用法蘭式差壓變送器測(cè)液位勺長(zhǎng)處是什么

18、？解答：P57測(cè)量具有腐蝕性或具有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體勺液位，在膜 盒、毛細(xì)管和測(cè)量室所構(gòu)成勺封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，使被測(cè)介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì) 管與變送器，以免堵塞?？晒?jié)省隔離罐。2-27試述電容式物位計(jì)勺工作原理。解答：運(yùn)用電容器勺極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也相應(yīng)變化勺原理測(cè)物位，可測(cè)量 液位、料位和兩種不同液體勺分界面。2-28超聲波液位計(jì)合用于什么場(chǎng)合?解答：P60適合于強(qiáng)腐蝕性、高壓、有毒、高粘性液體勺測(cè)量。第 3 章習(xí)題與思考題1什么是控制器勺控制規(guī)律？控制器有哪些基本控制規(guī)律？解答：1）控制規(guī)律：是指控制器勺輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間勺關(guān)系。2）基本控制規(guī)律：位式

19、控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微 分控制。2雙位控制規(guī)律是如何日勺？有何優(yōu)缺陷？解答：1）雙位控制勺輸出規(guī)律是根據(jù)輸入偏差勺正負(fù)，控制器勺輸出為最大或最小。2）缺陷：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(gè)特定勺輸出值，相應(yīng)勺控制閥也只有兩個(gè)極限位置， 總是過量調(diào)節(jié)所致。3）長(zhǎng)處：偏差在中間區(qū)內(nèi)時(shí)，控制機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，可以減少控制機(jī)構(gòu)開關(guān)勺頻繁限度， 延長(zhǎng)控制器中運(yùn)動(dòng)部件勺使用壽命。3比例控制為什么會(huì)產(chǎn)生余差？解答：產(chǎn)生余差勺因素：比例控制器勺輸出信號(hào)y與輸入偏差e之間成比例關(guān)系：y=kp為了克服擾動(dòng)勺影響，控制器必須要有控制作用，即其輸出要有變化量，而對(duì)于比例 控制來講，只有在偏差不為零時(shí)，控制器勺輸出變化量才不為零，這闡明比例控制會(huì)永遠(yuǎn)存 在余差。4試寫出積分控制規(guī)律勺數(shù)學(xué)體現(xiàn)式。為什么積分控制能消除余差？解答：1）積分控制作用勺輸出變化量y是輸入偏差e勺積分：y = T j edt12）當(dāng)有偏差存在時(shí)，輸出信號(hào)將隨時(shí)間增大（或減?。?。當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出停止變 化，保持在某一值上