過程控制系統(tǒng)與儀表 習題答案 王再英-

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1、 過程控制系統(tǒng)與儀表 王再英 劉淮霞 陳毅靜 編著 習題與思考題解答 機械工業(yè)出版社 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

2、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)

3、、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系稱為靜態(tài)特性。 被控對象的動態(tài)特

4、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系即為控制過程的動態(tài)特性。 二者之間的關系： 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，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

5、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)偏離設定值的最大值A； 超調(diào)量：第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y（）之比的百分數(shù)； 殘余偏差C： 過渡過程結(jié)束

6、后，被控參數(shù)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(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℃?，F(xiàn)設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：

7、 衰減比n： 振蕩周期T： A<80, 且n>1 (衰減振蕩)，所以系統(tǒng)滿足工藝要求。 第2章 思考題與習題 2-1 某一標尺為0～1000℃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)/℃ 0 200 400 600 800 1000 被校表讀數(shù)/℃ 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(jīng)校驗有以下測量結(jié)果： 標準表讀數(shù)/MPa 0 2 4 6 8 10 被校表讀

8、數(shù)/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？ 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(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： 1）基本誤差= 最大絕對誤差?max＝0.0110＝0.1MPa 2）校驗點為5 MPa時的基

9、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(jù)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(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，0～250mA 2）2.5級，0～75mA 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＝2501％＝2.5mA； 2）?max＝752.5％＝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2

10、00～1000℃，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(xiàn)有某工藝要求壓力范圍為1.20.05MPa，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0～1.6MPa、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(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～

11、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： 0～2.5 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。現(xiàn)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

12、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＝1.61％＝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＝1.01％＝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

13、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(nèi)壓力，并要測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)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(jù)題意知：壓力范圍1.0～1.6MPa， 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 MPa2/3＝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

14、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(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； 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； 流

15、量系數(shù)的大小與流體流動狀態(tài)有關。 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？ 解答： 1）轉(zhuǎn)子流量計是定壓式流量計(P47) 雖然轉(zhuǎn)子流量計也是根據(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？ 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(zhì)的壓頭推動

16、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：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？ 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(zhì)的要求：導電液體，被測液體的電導率應大于水的電導率

17、(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。 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(jié)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(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

18、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？ 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

19、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(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)地在設定值上下作等幅振蕩，無法穩(wěn)定在設定值上。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(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？ 解答： 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

20、，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(shù)學表達式。為什么積分控制能消除余差？ 解答： 1）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?。?。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(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。 解答： 1） 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?。Ｖ挥挟斊顬榱銜r，輸出停止變化，保持在某一值上。

21、 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(shù)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、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(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(diào)整比例度時要注意什么問題？

22、 解答：P74 1）控制器的比例度P越小，它的放大倍數(shù)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

23、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？ 解答： 1）比例控制及時、反應靈敏，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。 3-11 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

24、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(diào)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(diào)節(jié)器的輸出電流I0與手動操作的輸入信號成比例關系。 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-Ⅲ型調(diào)節(jié)器中為了實現(xiàn)無擾切換，在設計PID電路時采取了哪些措施？ 解答：P84 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、CI。P85中。 3-14 PID調(diào)節(jié)器中，比例度P、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)分別具有什么含義？在

25、調(diào)節(jié)器動作過程中分別產(chǎn)生什么影響？若將取∞、取0，分別代表調(diào)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)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(shù)含義：越大，微分作用越強；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？ 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(xiàn)的。 3-

26、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下的輸出電路。 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？ 解答： 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

27、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？ 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(diào)節(jié)閥的理想流量特性和工作流量特性？常用的調(diào)節(jié)閥理想流量特性有哪些？ 解答： 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、設備、管道等串連使用，閥門兩端的壓差隨流量變化而變化

28、，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？ 解答： 1）可調(diào)范圍：反映調(diào)節(jié)閥可控制的流量范圍，用R＝Qmax/Qmin之比表示。R越大，調(diào)節(jié)流量的范圍越寬,性能指標就越好。 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(lián)管道阻力的影響，使閥門開大時

29、流量達不到預期的值，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(diào)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(diào)節(jié)閥為氣關式。 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(tǒng)發(fā)生故障時，加熱器的耐

30、熱材料不被燒壞，試確定蒸氣管道上調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式。 解答： 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。 解答：P113 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(diào)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(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

31、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20～l00kPa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。 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(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？ 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(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

32、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 思考題與習題 5-1 什么是被控過程的數(shù)學模型？ 解答： 被控過程的數(shù)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(shù)）變化的數(shù)學表達式。 5-2 建立被控過程數(shù)學模型的目的是什么？過程控制對數(shù)學模型有什么要求？ 解答： 1）目的： 設計過程控制系統(tǒng)

33、及整定控制參數(shù)； 指導生產(chǎn)工藝及其設備的設計與操作； 對被控過程進行仿真研究； 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(shù)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(tǒng)的輸入、輸出信號有什么區(qū)別與聯(lián)系

34、？ 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(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。 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。 控制系統(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？ 解答：P128 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？ 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

35、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(chǎn)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(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，流出量為、，液位為被控參數(shù)，水箱截面為，并設、為線性液阻。

36、 （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)，并寫出放大倍數(shù)和時間常數(shù)的表達式。 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(lián)雙容液位過程的微分方程組，并求出傳遞函數(shù)。 解答： 1）方程組： 2）傳遞函數(shù)： 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(jù)工業(yè)過程輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學處理后得到數(shù)學模型。 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

37、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(zhuǎn)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(shù)據(jù)如下： 0 10 20 40 60 80 100 140 180 2

38、50 300 400 500 600 … 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 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(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 簡述控制方案設計的基本要求。 解答： 安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。 6-3 簡單歸納控制

39、系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容。 解答： 1）控制系統(tǒng)方案設計； 2）工程設計； 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）控制設備選型 （5）實驗（或仿真）驗證 6-5 選擇被控參數(shù)應遵循哪些基本原則？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

40、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)量指標有單值對應關系、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)要大、時間常數(shù)小、純滯后時間越小越好？而干擾通道的放大系數(shù)盡可能小、時間常數(shù)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。 2）控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)K0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

41、強，控制效果越好。 時間常數(shù)T0小，被控參數(shù)對控制變量的反應靈敏、控制及時，從而獲得良好的控制品質(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

42、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(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、氣關方式的首要原則是什么？ 解答： 保證人身安全、系統(tǒng)與設備安全是調(diào)節(jié)閥開

43、、關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2－28 1）調(diào)節(jié)閥：氣關方式。 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，化學反應為吸熱反應。為使化學反應持續(xù)進行，必須

44、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，還會使物料產(chǎn)生聚合凝固導致設備堵塞，為生產(chǎn)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(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關方式和調(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：P193 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

45、）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(chǎn)事故。試設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)

46、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。 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：

47、 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：P212—7.1.2 7-2 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—7.1.1 7-5 在串級控制系統(tǒng)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(chǎn)過程中，通過加熱爐對冷物料加熱，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

48、； （2）為保證設備安全，爐溫不能過高。確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式。 （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。P221 2）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—

49、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。 7-14 圖7-44為一單回路水位控制系統(tǒng)。如果蒸氣用量經(jīng)常發(fā)生變化，為了改善控制質(zhì)量，將單回路控制系統(tǒng)改為前饋-反饋復合控制系統(tǒng)，畫出控制系統(tǒng)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(tǒng)工藝流程圖如圖所示。 控制系統(tǒng)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(tǒng)比值系數(shù)有何不同？怎樣將物料比值轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)比值系數(shù)？ 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(shù)。 2）用P234式

50、（7-37）和P235式（7-38）進行轉(zhuǎn)換。 7-20 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主、副流量之比是否恒定？總物料總=是否恒定？雙閉環(huán)比值系統(tǒng)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(tǒng)框圖。該系統(tǒng)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(xiàn)總流量恒定？ 解答： 1）系統(tǒng)框圖如圖所示：圖7-21a）。 2）是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，總流量不能恒定。 3）采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，如圖所示：圖7-22。 7-28 在某化學反應器內(nèi)進行氣相反應，調(diào)節(jié)閥A、B分別用來控制進

51、料流量和反應生成物的初料流量。為了控制反應器內(nèi)壓力，設計圖7-46所示的分程控制系統(tǒng)。試畫出其框圖，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。 解答： 1）框圖如圖所示： 2）調(diào)節(jié)閥：A：氣開；B：氣關。 3）調(diào)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(chǎn)生水合物堵塞管道。為此要設計一選擇性控制系統(tǒng)，要求： （1）畫出系統(tǒng)流程圖和框圖； （2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式，調(diào)節(jié)器的正、反作用及選擇器的類型。 解答： 27