過程控制系統與儀表 王再英 習題答案

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1、第1章 過程控制 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控制？ 解：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？典型過程控制系統由哪幾部分組成？ 解：過程控制系統：一般是指工業(yè)生產過程中自動控制系統的變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統。 組成：由被控過程和過程檢測控制儀表（包括測量元件，變送器，調節(jié)器和執(zhí)行器）兩部分組成。 1-4 說明過程控制系統的分類方法，通

2、常過程控制系統可分為哪幾類？ 解：分類方法說明：按所控制的參數來分，有溫度控制系統、壓力控制系統、流量控制系統等；按控制系統所處理的信號方式來分，有模擬控制系統與數字控制系統；按控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統與計算機控制系統；按控制系統的結構和所完成的功能來分，有串級控制系統、均勻控制系統、自適應控制系統等；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）控制系統等；按控制系統組成回路的情況來分，有單回路與多回路控制系統、開環(huán)與閉環(huán)控制系統；按被控參數的數量可分為單變量和多變量控制系統等。 通常分類：1．按設定值的形式不同劃分：（1）定值控制

3、系統（2）隨動控制系統（3）程序控制系統 2．按系統的結構特點分類：（1）反饋控制系統（2）前饋控制系統（3）前饋—反饋復合控制系統 1-5 什么是定值控制系統? 解：在定值控制系統中設定值是恒定不變的，引起系統被控參數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？二者之間有什么關系？ 解：被控對象的靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)時控制過程被控參數與控制變量之間的關系稱為靜態(tài)特性。 被控對象的動態(tài)特性：。系統在動態(tài)過程中，被控參數與控制變量之間的關系即為控制過程的動態(tài)特性。 1-7 試說明定值控制系統穩(wěn)態(tài)與動態(tài)的含義。為什么在分析過程控制系統得性能時更關

4、注其動態(tài)特性？ 解： 穩(wěn)態(tài)：對于定值控制，當控制系統輸入（設定值和擾動）不變時，整個系統若能達到一種平衡狀態(tài)，系統中各個組成環(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、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動控制裝置開始動作，到整個系統又建立新的穩(wěn)態(tài)（達到新的平衡）、調節(jié)過程結束的這一段時間，整個系統各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)和參數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，才能設計出良好的控制系統。 1-8 評價控制系統動

5、態(tài)性能的常用單項指標有哪些？各自的定義是什么？ 解：單項性能指標主要有：衰減比、超調量與最大動態(tài)偏差、靜差、調節(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，是指被控參數偏離設定值的最大值A； 超調量：第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y（）之比的百分數； 殘余偏差C： 過渡過程結束后，被控參數所達到的新穩(wěn)態(tài)值y（）與設定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差； 調節(jié)時間：從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間； 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，其倒數稱為振蕩頻率；

6、 峰值時間：過渡過程開始至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。 1-10 某被控過程工藝設定溫度為900℃，要求控制過程中溫度偏離設定值最大不得超過80℃。現設計的溫度定值控制系統，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，該系統能否滿足工藝要求？ 解答： 最大動態(tài)偏差A： 衰減比n： 振蕩周期T： A<80, 且n>1 (衰減振蕩)，所以系統滿足工藝要求。 第2章 思考題與習題 2-1 某一標尺為0～1000℃的溫度計出廠前經校驗得到如下數據： 標準表讀數/℃ 0 200 4

7、00 600 800 1000 被校表讀數/℃ 0 201 402 604 806 1001 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±5℃，該表是否能用？ 2-2 一臺壓力表量程為0～10MPa，經校驗有以下測量結果： 標準表讀數/MPa 0 2 4 6 8 10 被校表讀數/MPa 正行程 0 1.98 3.96 5.94 7.97 9.99 反行程 0 2.02 4.03 6.06 8.03 10.01 求：1）變差； 2）基本誤差； 3）該表是否符合1.0級精度？

8、 2-3 某壓力表的測量范圍為0～10MPa，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： 1）基本誤差= 最大絕對誤差?max＝0.01×10＝0.1MPa 2）校驗點為5 MPa時的基本誤差： 0.8％<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被測量大小來選?。窟x一臺量程很大的儀表來測量很小的參數值有什么問題？ 解答： 1） 2） 2-5 有兩塊直流電流表，它們的

9、精度和量程分別為 1) 1.0級，0～250mA 2）2.5級，0～75mA 現要測量50mA的直流電流，從準確性、經濟性考慮哪塊表更合適？ 解答： 分析它們的最大誤差： 1）?max＝250×1％＝2.5mA； 2）?max＝75×2.5％＝1.875mA； 選擇2.5級，0～75mA的表。 2-11 某DDZ-Ⅲ型溫度變送器輸入量程為200～1000℃，輸出為4～20mA。當變送器輸出電流為10mA時，對應的被測溫度是多少？ 解答： ； T=500。 2-12 試簡述彈簧管壓力計的工作原理?，F有某工藝要求壓力范圍為1.2±0.05MPa，可選用

10、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0～1.6MPa、0～2.5MPa和0～4MPa。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：，可選2.5級表； 0～2.5 MPa量程：，可選1.5或2.0級表； 0～4.0 MPa量程：，可選1.0級表。 量程選擇：被測最大壓力＝1/3～2/3量程上限 0～1.6 MPa量程： 0～2

11、.5 MPa量程： 0～4.0 MPa量程： 綜合分析，選用1.5級或2.0級，0～2.5 MPa量程的表最合適。 2-13 如果某反應器最大壓力為1.0MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa?，F用一臺測量范圍為0～1.6MPa，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0～1.0MPa，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0～1.6MPa的表，其最大絕對誤差： ?1.6max＝1.6×

12、1％＝0.016 MPa，> 0.01 MPa, 所以不符合要求； 2）精度為1級，量程為0～1.0MPa的表，其最大絕對誤差： ?1.0max＝1.0×1％＝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≤ 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1.0～1.6MPa，工藝要求就地觀察罐內壓力，并要測量結果的誤差不得大于罐內壓力的±5%。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： 根據題意知：壓力范圍1.0～

13、1.6MPa， 允許最大誤差：?max＝1.6×（＋5％）＝＋0.08 MPa 1）量程確定： 應滿足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.6 MPa×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。 ，允許的精度等級為2.5級。 綜上分析，選擇量程為0～2.5 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×（＋2.5％）＝＋0.0625 MPa，<0.08 MPa 所以滿足要求。 2-17 什么叫標準節(jié)流裝置？試述差壓式流量計測量流量的原理；并

14、說明哪些因素對差壓式流量計的流量測量有影響？ 解答： 1）標準節(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，利用流體流經節(jié)流裝置時產生的壓力差而實現流量測量的。 3）影響因素：P47 流量系數的大小與節(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； 流量系數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； 流量系數的大小與流體流動狀態(tài)有關。 2-19 為什么說轉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？ 解答： 1）轉子流量計是定壓式流量計(P47) 雖然轉子流量計也是根據節(jié)流原理測量流量的，但它是

15、利用節(jié)流元件改變流體的流通面積來保持轉子上下的壓差恒定。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，利用流體流經節(jié)流裝置是產生的壓差實現流量測量的。所以是變壓降式。 2-21 橢圓齒輪流量計的特點是什么？對被測介質有什么要求？ 解答： 1）特點：流量測量與流體的流動狀態(tài)無關，這是因為橢圓齒輪流量計是依靠被測介質的壓頭推動橢圓齒輪旋轉而進行計量的。 粘度愈大的介質，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，適用于高粘度介質流量的測量。 2

16、）對被測介質的要求：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？它對被測介質有什么要求？ 解答：P51 1）原理：利用導電液體通過磁場時在兩固定電極上感應出電動是測量流速。 2）對被測介質的要求：導電液體，被測液體的電導率應大于水的電導率(cm)，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？ 解答： 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。

17、2-25 用差壓變送器測某儲罐的液位，差壓變送器的安裝位置如圖2-75所示。請導出變送器所測差壓與液位之關系。變送器零點需不需要遷移？為什么？ 2-26 用法蘭式差壓變送器測液位的優(yōu)點是什么？ 解答：P57 測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及粘度大、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內充有硅油，作為傳壓介質，使被測介質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變化時，電容量也相應變化的原理測物位，可測量液位、料位和兩種不同液體的分界面。 2-28 超聲波

18、液位計適用于什么場合？ 解答：P60 適合于強腐蝕性、高壓、有毒、高粘性液體的測量。 第3章 習題與思考題 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？ 解答： 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分控制。 3-2 雙位控制規(guī)律是怎樣的？有何優(yōu)缺點？ 解答： 1）雙位控制的輸出規(guī)律是根據輸入偏差的正負，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)地在設定值上下作等幅振蕩，無法穩(wěn)定

19、在設定值上。這是由于雙位控制器只有兩個特定的輸出值，相應的控制閥也只有兩個極限位置，總是過量調節(jié)所致。 3）優(yōu)點：偏差在中間區(qū)內時，控制機構不動作，可以降低控制機構開關的頻繁程度，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生余差？ 解答： 產生余差的原因：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)律的數學表達式。為什么積分控制能消除余差？ 解答： 1

20、）積分控制作用的輸出變化量y是輸入偏差e的積分： 2）當有偏差存在時，輸出信號將隨時間增大（或減小）。當偏差為零時，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。 解答： 1） 積分時間是控制器消除偏差的調整時間，只要有偏差存在，輸出信號將隨時間增大（或減?。Ｖ挥挟斊顬榱銜r，輸出停止變化，保持在某一值上。 2） 在實際的控制器中，常用積分時間Ti來表示積分作用的強弱，在數值上，Ti=1／K i 。顯然，Ti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

21、、輸出范圍均為4～20mA，若將比例度設為100%、積分時間設為2min、穩(wěn)態(tài)時輸出調為5mA，某時刻，輸入階躍增加0.2mA，試問經過5min后，輸出將由5mA變化為多少？ 解答： 由比例積分公式：分析： 依題意：，即K p =1, TI= 2 min , e＝＋0.2； 穩(wěn)態(tài)時：y0＝5mA， 5min后： 3-7 比例控制器的比例度對控制過程有什么影響？調整比例度時要注意什么問題？ 解答：P74 1）控制器的比例度P越小，它的放大倍數就越大，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整比例度P實現。 2）比例度不但表示控制器輸入輸出間的

22、放大倍數，還表示符合這個比例關系的有效輸入區(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)律的數學表達式是什么？為什么常用實際為分控制規(guī)律？ 解答： 1） 2）由于理想微分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)律的數學表達式。 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？

23、 解答： 1）比例控制及時、反應靈敏，偏差越大，控制力越強；但結果存在余差。 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節(jié)作用；但輸入偏差不變時，控制作用消失，不單獨使用。 3-11 DDZ-Ⅲ型基型控制器由哪幾部分組成？各組成部分的作用如何？ 解答：P79 1）組成如圖3-11所示。 2）作用參照P79。 3-12 DDZ-Ⅲ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？ 解答： 1）軟手動操作是指調節(jié)器的輸出電流I0與手動操作的輸入信號成積分關系； 硬手動操作是指調節(jié)器的輸出電流I0與手動操作的輸入信號

24、成比例關系。 2）軟手動操作：系統投運 硬手動操作：系統故障 3-13 什么叫控制器的無擾動切換？在DDZ-Ⅲ型調節(jié)器中為了實現無擾切換，在設計PID電路時采取了哪些措施？ 解答：P84 1）調節(jié)器進行狀態(tài)轉換后，輸出值不發(fā)生跳動，即狀態(tài)轉換無沖擊。 2）CM、CI。P85中。 3-14 PID調節(jié)器中，比例度P、積分時間常數、微分時間常數分別具有什么含義？在調節(jié)器動作過程中分別產生什么影響？若將取∞、取0，分別代表調節(jié)器處于什么狀態(tài)？ 解答： 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到全開或相反），相應的輸入測

25、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。 積分時間常數含義：越小，積分作用越強；越大積分作用越弱；若將取∞，則積分作用消失。 微分時間常數含義：越大，微分作用越強；取0，微分作用消失。 3-15 什么是調節(jié)器的正/反作用？在電路中是如何實現的？ 解答： 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實現的。 3-16 調節(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換成4～20mA電流的？ 解答： 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

26、下的輸出電路。 3-18 給出實用的PID數字表達式，數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 思考題與習題 4-1 氣動調節(jié)閥主要由哪兩部分組成？各起什么作用？ 解答： 1）執(zhí)行機構和調節(jié)機構。 2）執(zhí)行機構的作用：按調節(jié)器輸出的控制信號，驅動調節(jié)機構動作； 調節(jié)機構的作用：由閥芯在閥體內的移動，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而改變被控介質的流量。 4-2 試問調節(jié)閥的結構有哪些主要類型？各使用

27、在什么場合？ 解答： 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 什么叫調節(jié)閥的理想流量特性和工作流量特性？常用的調節(jié)閥理想流量特性有哪些？ 解答： 1）理想流量特性：在調節(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，調節(jié)閥由于和其他閥門、設備、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）流量特性、 快開特性

28、4-6 什么叫調節(jié)閥的可調范圍？在串聯管道中可調范圍為什么會變化？ 解答： 1）可調范圍：反映調節(jié)閥可控制的流量范圍，用R＝Qmax/Qmin之比表示。R越大，調節(jié)流量的范圍越寬,性能指標就越好。 2）由于串聯管道阻力的影響。 4-7 什么是串聯管道中的閥阻比？值的變化為什么會使理想流量特性發(fā)生畸變？ 解答： 1）閥阻比：用閥阻比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占總壓力po的比值。 2）在S＜1時，由于串聯管道阻力的影響，使閥門開大時流量達不到預期的值，也就是閥的可調范圍變小。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。

29、 4-8 什么叫氣動調節(jié)閥的氣開式與氣關式？其選擇原則是什么？ 解答： 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節(jié)閥為氣開式。 氣關式：無壓力信號時閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門逐漸關小的氣動調節(jié)閥為氣關式。 2）選擇原則：從工藝生產安全考慮，一旦控制系統發(fā)生故障、信號中斷時，調節(jié)閥的開關狀態(tài)應能保證工藝設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節(jié)閥的氣開、氣關形式。 解答： 氣開式調節(jié)閥。 4-11 試述電/氣轉換器

30、的用途與工作原理。 解答：P113 1）用途： 為了使氣動閥能夠接收電動調節(jié)器的輸出信號，必須使用電／氣轉換器把調節(jié)器輸出的標準電流信換為20～100kPa的標準氣壓信號。 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，由電動調節(jié)器送來得電流I通入線圈。當輸入電流I增大時，線圈與磁鐵間產生得吸力增大，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。經過氣動功率放大器的放大后，輸出20～l00kPa的氣壓信號p去推動閥門。 4

31、-12 試述電/氣閥門定位器的基本原理與工作過程。 解答：P115 在杠桿上繞有力線圈，并置于磁場之中。當輸入電流I增大時，力線圈產生的磁場與永久磁鐵相作用，使杠桿繞支點O順時針轉動，帶動擋板靠近噴嘴，使其背壓增大，經氣動功率放大器放大后，推動薄膜執(zhí)行機構使閥桿移動。 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？ 解答： 1）必須是采取安全防爆措施的儀表，就是限制和隔離儀表電路產生火花的能量。使其不會給現場帶來危險。 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構是

32、什么？它是怎樣限壓、限流的？ 解答： 1）結構：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 思考題與習題 5-1 什么是被控過程的數學模型？ 解答： 被控過程的數學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）變化的數學表達式。 5-2 建立被控過程數學模型的目的是什么？過程控制對數學模型有什么要求？ 解答： 1）目的： 設計過程控制系統及整定控制參數； 指導生產工藝及其設備的設計與操作； 對被控過程進行仿真研究

33、； 培訓運行操作人員； 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 建立被控過程數學模型的方法有哪些？各有什么要求和局限性？ 解答：P127 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？它們與控制系統的輸入、輸出信號有什么區(qū)別與聯系？ 解答： 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或能量流量稱為流入量。 流出

34、量：從被控過程流出的物質或能量流量稱為流出量。 2）區(qū)別與聯系： 控制系統的輸入量：控制變量和擾動變量。 控制系統的輸出變量：系統的被控參數。 5-5 機理法建模一般適用于什么場合？ 解答：P128 對被控過程的工作機理非常熟悉，被控參數與控制變量的變化都與物質和能量的流動與轉換有密切關系。 5-6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控過程的系統框圖有什么特點？ 解答： 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的情況下自動恢復平衡的特性，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？ 解

35、答： 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？產生的原因是什么？ 解答： 1）滯后特性：過程對于擾動的響應在時間上的滯后。 2）容量滯后：多容過程對于擾動的響應在時間上的這種延遲被稱為容量滯后。 純滯后：在生產過程中還經常遇到由（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，流出量為、，液位為被控參數，水箱截面為，并設、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，并寫出放大倍數和時間常數的表達式

36、。 解答： （1） （2）框圖如圖： （3） 5-10 以為輸入、為輸出列寫圖5-10串聯雙容液位過程的微分方程組，并求出傳遞函數。 解答： 1）方程組： 2）傳遞函數： 式中： 3）過程框圖： 5-12 何為測試法建模？它有什么特點？ 解答： 1）是根據工業(yè)過程輸入、輸出的實測數據進行某種數學處理后得到數學模型。 2）可以在不十分清楚內部機理的情況下，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 應用直接法測定階躍響應曲線時應注意那些問

37、題？ 解答：P139 （1）合理地選擇階躍輸入信號的幅度 （2）試驗時被控過程應處于相對穩(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 5-14 簡述將矩形脈沖響應曲線轉換為階躍響應曲線的方法；矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應曲線的優(yōu)點是什么？ 解答：P139～P140 1） 2） 5-15 實驗測得某液位過程的階躍響應數據如下： 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 … 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6

38、 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6 … 當階躍擾動為時： （1）畫出液位的階躍響應曲線； （2）用一階慣性環(huán)節(jié)加滯后近似描述該過程的動態(tài)特性，確定、、。 解答： （1） （2） 第6章 思考題與習題 6-1 簡單控制系統由幾個環(huán)節(jié)組成？ 解答： 測量變送器、調節(jié)器、調節(jié)閥、被控過程四個環(huán)節(jié)組成。 6-2 簡述控制方案設計的基本要求。 解答： 安全性、穩(wěn)定性、經濟性。 6-3 簡單歸納控制系統設計的主要內容。 解答： 1）控制系統方案設計； 2）工程設計； 3）工程安裝和儀表調校； 4）調

39、節(jié)器參數整定。 6-4 過程控制系統設計包括哪些步驟？ 解答：P174 （1）熟悉和理解生產對控制系統的技術要求與性能指標 （2）建立被控過程的數學模型 （3）控制方案的確定 （4）控制設備選型 （5）實驗（或仿真）驗證 6-5 選擇被控參數應遵循哪些基本原則？什么是直接參數？什么是間接參數？兩者有何關系？ 解答： 1）原則：必須根據工藝要求，深入分析、生產過程，找出對產品的產量和質量、生產安全、經濟運行、環(huán)境保護、節(jié)能降耗等具有決定性作用，能較好反映生產工藝狀態(tài)及變化的參數作為被控參數。 2）直接參數：能直接反映生產過程中產品產量和質量，又易于測量的參數

40、3）間接參數：與質量指標有單值對應關系、易于測量的變量，間接反映產品質量、生產過程的實際情況。 4）兩者關系：間接參數是直接參數的單值函數。 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要大、時間常數小、純滯后時間越小越好？而干擾通道的放大系數盡可能小、時間常數盡可能大？ 解答： 1）控制變量和干擾變量對被控參數的影響都于過程的特性密切相關。 2）控制通道的靜態(tài)放大系數K0越大，系統的靜態(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T0小，被控參數對控制變量的反應靈敏、控制及時，從而獲得良好的控制品質。 純滯后

41、0的存在會使系統的穩(wěn)定性降低。0值越大，對系統的影響越大。 3）擾動通道的靜態(tài)放大系數Kf越小，表明外部擾動對被控參數的影響越小。時間常數Tf越大，外部干擾f（t）對被控參數y（t）的影響越小，系統的控制品質越好。 6-7 當被控過程存在多個時間常數時，為什么應盡量使時間常數錯開？ 解答：P182 由自控理論知識可知，開環(huán)傳遞函數中幾個時間常數值錯開，可提高系統的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差等，改善控制質量。 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、4 2）合理選擇檢測點。 6-9 調節(jié)

42、閥口徑選擇不當，過大或過小會帶來什么問題？正常工況下，調節(jié)閥的開度在什么范圍比較合適？ 解答： 1）調節(jié)閥口徑選得過大，閥門調節(jié)靈敏度低，工作特性差，甚至會產生振蕩或調節(jié)失靈的情況。 調節(jié)閥口徑選得過小，當系統受到較大的擾動時，調節(jié)閥工作在全開或全關的飽和狀態(tài)，使系統暫時處于失控工況，這對擾動偏差的消除不利。 2）正常工況下要求調節(jié)閥的開度在15%-85%之間。 6-10 選擇調節(jié)閥氣開、氣關方式的首要原則是什么？ 解答： 保證人身安全、系統與設備安全是調節(jié)閥開、關作用方式選擇的首要原則。 6-11 調節(jié)器正、反作用方式的選擇依據是什么？ 解答： 確定原則

43、是整個單回路構成負反饋系統。 6-12 在蒸氣鍋爐運行過程中，必須滿足汽-水平衡關系，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)生產事故，甚至會發(fā)生爆炸，為此設計如圖6-28所示的液位控制系統。試確定調節(jié)閥的氣開、氣關方式和調節(jié)閥LC正、反作用；畫出該控制系統的框圖。 解答：見圖2－28 1）調節(jié)閥：氣關方式。 2）調節(jié)器：正作用。 3）框圖： 6-13 在如圖6-29所示的化工過程中，化學反應為吸熱反應。為使化學反應持續(xù)進行，必須用熱水通過加熱套加熱反應物料，以保證化學反應在規(guī)定的溫度下進行。如果溫度太低，不但會導致反映停止

44、，還會使物料產生聚合凝固導致設備堵塞，為生產過程再次運行造成麻煩甚至損壞設備。為此設計如圖6-29所示的溫度控制系統。試確定調節(jié)閥的氣開、氣關方式和調節(jié)閥的TC正、反作用；畫出該控制系統的框圖。 解答： 1）調節(jié)閥：氣開式。 2）調節(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：P193 1）比例控制：是最簡單的調節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動作用的響應都很迅速。比例調節(jié)只有一個參數，整定簡便。比例調節(jié)的主要缺點是系統存在靜差。 2）積分控制：積分調節(jié)的特點是沒有靜差。但它的動態(tài)偏差最大、調節(jié)時間長，只能用于有自衡特性的簡單對

45、象、很少單獨使用。 3）微分控制：超前調節(jié)。 6-21 試比較臨界比例度法、衰減曲線法、響應曲線法及經驗法的特點。 解答：P201 臨界比例度法： 衰減曲線法： 響應曲線法： 經驗法： 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定溫度。工藝要求熱物料溫度的，而且不能發(fā)生過熱情況，以免造成生產事故。試設計一個簡單控制系統，實現熱物料的溫度控制，并確定調節(jié)閥的氣開、氣關方式，調節(jié)器的正反作用方式，以及調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律。 解答： 1）被控參數選擇： 熱交換器出口溫度。 2）控制參數選擇： 載熱介質流量。

46、 3）檢測儀表選擇： 溫度傳感器與溫度變送器。 4）調節(jié)閥選擇： 流量特性選擇：對數流量特性。 氣開、氣關方式選擇：氣開。 5）調節(jié)器選擇： 調節(jié)規(guī)律選擇：PI或PID。 正反作用方式選擇：反作用方式。 系統各環(huán)節(jié)正、負符號判別：被控過程：＋；變送器：＋；調節(jié)閥：＋； 根據系統構成負反饋條件：各環(huán)節(jié)符號之積必為“－”，則調節(jié)器為“－”。 6）畫出控制系統流程圖：如圖所示。 7）畫出控制系統方框圖：如圖所示。 8）簡述控制系統工作原理： 第7章 思考題與習題 7-1 與單回路系統相比，串級控制系統有哪些主要特點

47、？ 解答：P212—7.1.2 7-2 分析串級系統的工作原理，說明為什么副回路的存在會使系統抑制擾動的能力增強。 解答：P208—7.1.1 7-5 在串級控制系統中當主回路為定值（設定值）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 在某生產過程中，通過加熱爐對冷物料加熱，根據工藝要求，需對熱物料出口溫度進行嚴格控制。對系統分析發(fā)現，主要擾動為燃料壓力波動。故設計如圖7-43所示的控制系統。要求： （1）畫出控制系統框圖； （2）為保證設備安全，爐溫不能過高。確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式。 （3）確定兩個調節(jié)器的正反

48、作用。 解答： （1）控制系統框圖如圖所示。 （2）氣開式。 （3）副調節(jié)器：反作用； 主調節(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）當系統出現擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據擾動量的大小來改變控制量，以抵消擾動對被控參數的影響。P221 2）優(yōu)點：前饋控制器在擾動出現時立即進行控制，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。

49、 7-14 圖7-44為一單回路水位控制系統。如果蒸氣用量經常發(fā)生變化，為了改善控制質量，將單回路控制系統改為前饋-反饋復合控制系統，畫出控制系統工藝流程圖和框圖，并對新增回路的功能進行簡單說明。 解答： 1）控制系統工藝流程圖如圖所示。 控制系統框圖如圖所示。 2）新增回路功能說明： 7-19 物料比值與控制系統比值系數有何不同？怎樣將物料比值轉換成控制系統比值系數？ 解答： 1）是工藝規(guī)定的流量比；是儀表信號之間的比例系數。 2）用P234式（7-37）和P235式（7-38）進行轉換。 7-20 單閉環(huán)比值控制系統的主、副流量之比是否

50、恒定？總物料總=是否恒定？雙閉環(huán)比值系統中與總的情況怎樣？ 解答： 1）恒定。 2）不能恒定。 3）都能恒定。 7-22 畫出圖7-45所示比值控制系統框圖。該系統的總流量是否恒定？如果總流量不恒定，要作什么改動才能實現總流量恒定？ 解答： 1）系統框圖如圖所示：圖7-21a）。 2）是單閉環(huán)比值控制系統，總流量不能恒定。 3）采用雙閉環(huán)比值控制系統，如圖所示：圖7-22。 7-28 在某化學反應器內進行氣相反應，調節(jié)閥A、B分別用來控制進料流量和反應生成物的初料流量。為了控制反應器內壓力，設計圖7-46所示的分程控制系統。試畫出其框圖，并確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式和調節(jié)器的正、反作用方式。 解答： 1）框圖如圖所示： 2）調節(jié)閥：A：氣開；B：氣關。 3）調節(jié)器：反作用。 7-30 圖7-47所示的熱交換器用來冷卻裂解氣，冷劑為脫甲烷塔的釜液。正常工況下要求釜液流量恒定，以保持脫甲烷塔工況穩(wěn)定。但裂解氣冷卻后的出口溫度不能低于15℃，否則裂解氣中的水分會產生水合物堵塞管道。為此要設計一選擇性控制系統，要求： （1）畫出系統流程圖和框圖； （2）確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式，調節(jié)器的正、反作用及選擇器的類型。 解答： 36