第一章绪论
1．1．过程控制（英文：Process Control）通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一
1．1-1．过程控制是生产过程自动化的简称，泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中的连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
1．1-2．连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。
1．1-3．从控制的角度，通常将工业生产过程分为三类，即：连续型、离散型和混合型。过程控制主要是针对连续生产过程采用的控制方法。
1．1-4．过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制——“工业四大参数”是：温度、压力、流量、物（液）位的自动控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续生产过程自动地进行下去。
1．1-5．过程控制系统的定义：为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体
1．1-6．在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框图来表示控制系统。
1．1-7．过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。
1．1-8．过程控制的特点：
⑴．控制对象——被控过程复杂、控制要求多样
⑵．控制方案丰富多彩
⑶．控制过程大多数属于慢过程与参数控制
⑷．定值控制是过程控制的主要形式
⑸．过程控制系统由规范化的、系列化的检测与控制仪表或自动化装置组成
1．2．过程控制的发展概况
1．2-0．过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程
1．2-1．过程控制装置与系统的发展过程
1．局部自动化阶段（20世纪 50～60年代）：自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能
2．模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）：控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。
3．集散控制阶段（20世纪70年代中期至今） 1．2-2．过程控制策略与算法发展 1．3．过程控制系统的性能指标
1．3-1．干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别： 1．3-2．系统阶跃响应的单项性能指标 ⑴．衰减比、衰减率 衰减比：)(2131B B
y y n ==
;n 取整数，习惯上常表示为1:n ,例如1:4、1:10 衰减率：n
y y y y y 1
1113131-=-=-=
?
⑵．最大动态偏差、超调量 最大动态偏差：1y 超调量:%100)
(1
?∞=
y y σ ⑶．残余偏差：系统设定值r 与稳态值)(∞y 的差值，即)()(∞-=∞y r e ⑷．调节时间、峰值时间、振荡频率 调节时间:S t 峰值时间:p t 振荡频率:ω
1．3-3．系统阶跃响应的综合性能指标
⑴．偏差积分IE（Integral of Error）
⑵．绝对偏差积分IAE(Integral Absolute value of Error)
⑶．平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）
⑷．时间与绝对偏差乘积积分ITAE(Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error)
1．3-4-1．某换热器的温度控制系统，给定值为200 ℃。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。
解：最大偏差：
A = 230-200 = 30℃；
余差： C= 205-200 = 5℃；
衰减比： n = y1: y3 = 25:5 = 5:1
1．3-4-2．某被控过程工艺设定温度为900℃，要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80℃。现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
解：
最大动态偏差：50900950=-=A 衰减比：510
5090091090095031==--==
y y n 振荡周期：min 36945=-=T 50＜80！能满足工艺要求。
1．3-4-3．某化学反应器工艺规定的操作温度为（900±10）℃，考虑安全因素，要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80℃。现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
解：
最大动态偏差：50900950=-=A 衰减比：2.410
4290891890895031==--==
y y n 振荡周期：min 40545=-=T 余差： 8900908=-=C ℃ 50＜80！能满足工艺要求。 过渡过程时间：47min
1．3-4-4．某化学反应器工艺规定的操作温度为（800±10）℃，考虑安全因素，要求控制过程中温度最高值不得超过850℃。现设计的定值温度控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大动态偏差、余差、衰减比、过渡时间（±2%！）和振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
解：
最大动态偏差：45800845=-=A ℃ 余差： 5800805=-=C ℃ 衰减比：1410
4080581580584531：==--==
y y n 过渡过程时间：25min
振荡周期：min 13720=-=T 5＜10！能满足工艺要求。
1．3-4-5．某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）℃，考虑发酵效果，要求控制过程中温度偏离给定值最大不得超过6℃。现设计的定值温度控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图，试求最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（±2%！）和振荡周期，该系统能否满足工艺要求？
解：
最大动态偏差：54045=-=A ℃ 余差： 14041=-=C ℃ 衰减比：141
4
4142414531：==--==
y y n 过渡过程时间：23min
振荡周期：min 13518=-=T 5＜6！能满足工艺要求。
补充思考题与实用题
1．（王：1-2）什么过程控制系统？典型过程控制系统有哪几部分组成？
（厉：P1-1、2）什么是化工自动化？化工自动化主要包括哪些内容？
（厉：P1-3）……自动控制系统怎样组成？……
参考答案：
⑴过程控制（Process Control）是生产过程自动化的简称。泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
⑵在化工（生产过程）设备（装置）上，配备一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，是生产在不同程度上自动进行，这种用自动化装置来管理（化工）生产过程的办法，称为（化工）生产过程自动化。
（化工）生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。
自动控制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于使用常规仪表的的过程控制系统来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被（受）控对象》
2．（王：1-4）说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可以分哪几类？
（厉：P1-7）根据设定值的形式，闭环控制系统可以分哪几类？
参考答案：
过程控制系统的分类方法很多，通常使用的“大”类分类方法有两种：
⑴按设定值的形式不同划分，⑵按系统结构的特点分类。
根据设定值的形式，闭环控制系统可以分三类:
⑴定值控制系统、⑵随动控制系统、⑶程序控制系统。
按系统结构的特点分类：
⑴开环系统、⑵反馈控制系统……、⑶前馈控制系统、⑷前馈——反馈复合控制系统。
第二章 过程检测与变送仪表
2．1 检测仪表的基本技术指标
2．1-1．真值t x ：被测量物理量客观存在的真实数值。许多物理量的真值是按国际公认的方式认定的，即使用“认定设备”的检测结果作为真值。通常，个个国家或国际组织将其法定计量机构的专用设备作为“认定设备”、它的检测精度在这个国家或国际组织内被认为是最高的。用这种方法确定的所谓“真值”不是真正意义上的真值，而是一种“约定真值”，一般记为a x ；实际校验仪表时，用精确度较高的“标准表”所测得的测出值作为“标准值”，有人称之为“传递真值”，
2．1-2．绝对误差=在用仪表（或被校验仪表）的测出值—“真值”（或器件铭牌上的标称值）； 绝对误差的表示：必须有“+”或“—”号、数值的大小、单位（量纲）！
绝对误差的符号：一般人们使用t x x -=?、o x x -=?或o a a -=?或A a -=? 2．1-3．相对误差：某测量点的
实际相对误差：%100??
=A A γ 标称相对误差：%100??
=a
a γ
引用误差——满度相对误差：
量程——测量范围：min max x x B S FS -== 某一个测量点满度相对误差：%100??=
B
i
FS γ 模拟连续输出仪表在测量范围内的最大满度相对误差：%100max
??±=B
FSm γ
2．1-4．具有连续模拟显示仪表的基本特性
基本误差：基本误差是指仪表在“国家”规定的标准条件下使用时出现的误差；通常与最大满度相对误差密切联系；
精确度——简称精度：国家统一规定了仪表的精度等级系列数值，用a 表示：某仪表的
精度等级a 是将该仪表的最大满度相对误差去掉±号和%号后取接近的标准系列值
例2-1．某台测温仪表的测量范围为-100~700℃，校验该仪表时测得全量程内的最大绝对误差为+5℃，要求确定该仪表的精度等级
解：%625.0%100)
100(7005
+=?--+=
FSm γ
；0.1625,05.0??
校验仪表时取偏大值，即该仪表的精度等级为1.0级。
例2-2．选择一台测量压力的仪表，测压范围为0~8MPa ，根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过±0.05MPa ，要求确定满足工艺要求的仪表的精度等级
解：%625.0%1008
05
.0±=?±=
FSm γ；；0.1625,05.0?? 选择仪表时取偏小值，即该仪表的精度等级为0.5级。
灵敏度：表示指针（模拟量显示）式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出变化量（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此输出变化量（位移）的被测参数变化量之比表示
灵敏限：表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值 对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限 分辨力：是指仪表能够显示的、最小被测值。
变差：在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。
2．1-5．——测试题（习题、补充题）
求：该表⑴最大绝对误差；⑵仪表的精度；⑶如果工艺要求允许最大误差为±5℃，该表是否能用？
解：
⑴最大绝对误差：+6℃ ⑵仪表的精度：1级
⑶如果工艺要求允许最大误差为±5℃，该表10100
1000
1100max =?=?=
?FS S a ，不能用 Y S X
?=
?
2．（厉：例3-1）某一标尺为0~1000℃的温度计，出厂前校验数据如下：
求：该表⑴最大绝对误差；⑵仪表的精度 解：
⑴最大绝对误差：+6℃ ⑵仪表的精度：1级
%6.0%1001000
6
%100-=?-=??=
FS m FSm S γ 3．（王2-2）一台压力表量程为0~10MPa ，校验数据
求：⑴变差；⑵基本（最大满度相对）误差；⑶该表是否符合1级精度。 解：
⑴变差：0．12%
⑵基本（最大满度相对）误差：±0．6%； ⑶该表的变差为1．2%,不符合1级精度？
※仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度！照这个条件该表不符合1级精度！
4．（王2-5）有两块直流电流表，它们的精度等级和仪表量程分别为：表1：1.0级、0～250mA ；表2：2.5级、0～75mA 。现在测量50mA 的直流电流，从准确性、经济性考虑，选用哪快表更合适！
解：
表1：5.2100250
1100max =?=?=
?FS S a 表2：875.1100
75
5.2100max =?=?=
?FS S a 从准确性、经济性考虑，选用表2更合适！
5．（王2-13）如果某反应器最大压力为1。0MPa ，允许的最大绝对误差为0．01MPa ，现用一台测量范围为0~1．6MPa 、精度为1级的压力表进行测量，问：能否符合工艺要求？若用一台测量范围为0~1．0MPa 、精度为1级的压力表进行测量，问：能否符合要求？
解：
测量范围为0~1．6MPa 、精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为：
016.0100
6.11100max =?=?=
?FS S a MPa ，大于0．01MPa ，不能符合工艺要求 测量范围为0~1．0MPa 、精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为：
01.0100
.11100max =?=?=
?FS S a MPa ，等于0．01MPa ，从允许的最大绝对误差角度，能符合工艺要求，但量程不符合！
6．（厉：例3-4）如果某反应器最大压力为0．8MPa ，允许的最大绝对误差为0．01MPa ，现用一台测量范围为0~1．6MPa 、精度为1级的压力表进行测量，问：能否符合工艺要求？若用一台测量范围为0~1．0MPa 、精度为1级的压力表进行测量，问：能否符合要求？
解：
测量范围为0~1．6MPa 、精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为：
016.0100
6
.11100max =?=?=
?FS S a MPa ，大于0．01MPa ，不能符合工艺要求 测量范围为0~1．0MPa 、精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为：
01.0100
.11100max =?=?=
?FS S a MPa ，等于0．01MPa ，从允许的最大绝对误差角度，能符合工艺要求，量程也符合！
7．某一标尺为0~500℃的温度计，出厂前校验数据：
求：该表⑴最大绝对误差；⑵确定仪表的精度等级；⑶经过一段时间使用后重新校验，仪表的最大绝对误差为±8℃，问：仪表是否还符合原来的精度等级？
解：
⑴最大绝对误差：+6℃ ⑵仪表的精度：1。5级
⑶经过一段时间使用后重新校验，仪表的最大绝对误差为±8℃，最大满度相对误差：+1。6%，仪表已经超过1。5级，不符合原来的精度等级。
8．（厉：习题3-1）一台压力表量程为0~25MPa ，校验数据
求：⑴最大误差；⑵变差；⑶该表是否符合0。5级精度。 解：
⑴最大误差：0。15MPa ⑵变差：0。15MPa 、%6.0%10025
15
.0%100max =?=??=
FS FSm S γ； ⑶该表的变差为0．6,不符合0。5级精度？ ※仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度！
9．（厉：习题3-2）某温度控制系统，控制温度为800℃，要求绝对误差不超过±7℃，现选择一台测量范围为0~1200℃、精度等级为1。0级的仪表，问：是否合适？如果不合适，应如何选择？
解：
测量范围为0~1200℃、精度等级为1。0级的仪表，其最大误差：
12100
1200
1100max =?=?=
?FS S a ℃，12℃大于7℃，不合适 应选择测量范围为0~1200℃、精度等级为0。5级的仪表
6100
1200
5.0100max =?=?=
?FS S a ℃，6℃小于7℃，合适
2．2 温度检测及仪表
2．2-0．温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。 2．2-1．温度检测方法与仪表概述 2．2-2．热电偶
1．热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV ） 。 特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。 2．将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。
3．热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成。
4．热电偶的基本定律
均质导体定律：热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。但其几何形状——截面和长度等不限。
中间导体定律：在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。
中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t 、t 0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta 和ta 、t 0时的热电势之代数和。即
E AB ( t ，to ) = E AB ( t , 0 ) － E AB ( to , 0 )
据此，只要给出冷端为0℃时的热电势关系E AB ( t ,0 ) ，便可求出冷端任意温度时的热电势 5．热电偶冷端温度补偿：热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。但实际使用的热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。
为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区
的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。
6．热电偶冷端温度的处理：查表法（计算法）、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法、半导体PN 結补偿法。
7．标准热电偶：热电势与温度的关系、允许误差、型号（分度号）按国际标准（IEC)统一规定。 8．热电偶的冷端温度校正：1）查表法、2)电桥补偿法、………… 2．2-3．热电阻
1．对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。
2．金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。 3．铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259~+630 ℃间的基准器，但线性度稍差，常用于-200~+600 ℃温度测量。
4．铂电阻的电阻温度关系：
])100(1[320t t C Bt At R R t -+++= (-200~0℃) ]1[20Bt At R R t ++= ( 0~850℃) 铂电阻有两种分度号：Pt10 , Pt100
5．铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50~+100 ℃温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50 ，Cu100 。电阻温度关系：
]1[0t R R t ?+=α (-50~150℃)
6．热电阻的三线制接法：电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。
2．2-4．集成温度传感器：
1．集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为-50~150℃。
2．集成温度传感器按输出量形式不同，可分为电压型、电流型和数字型三类。 2．2-5．温度显示与记录方法与仪表
1．动圈式指示仪表：可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。 2．数字式指示仪表 3．自动记录仪表 4．数字式指示记录仪表
2．2-6．温度变送器
1．检测信号要进入控制系统，必须传递符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。
2．现代电控系统：模拟控制系统的信号标准是：Ⅱ 型：0~10mA 、0～10V ；III 型：4～20mA 、1～5V 。数字控制系统的信号标准有：FF 协议、 HART 协议等。
补充习题、例题、典型题
1．（王2-7）用分度号K 的热电偶测量某设备的温度，测得热电动势为20.3mV ，热电偶冷端温度为30℃，求设备的温度！如果改用分度号为S 的热电偶测量该设备的温度，在相同的条件下，测得热电动势为？
解： 查表计算
分度号为K 的热电偶：——
23
.52010493
.21919.21493
.21503.21520503.21)0,30()30,()0,(203
.1)0,30(3.20)30,(=?--+
==+===t E t E t E E t E AB AB AB AB AB 改用分度号为S 的热电偶测量该设备的温度
259
.4)30,520(173.0)0,30(432.4)0,520(===AB AB AB E E E mV 2．（厉-例？）用分度号K 的热电偶测量某设备的温度，在没有采用冷端补偿措施的情况下，显示仪表的指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。此时实际温度为多少？如果热端温度保持不变，设法使冷端温度保持为20℃，此时显示仪表的指示值为？
解：
557
10772
.22198.23772
.22076.23550076.23436.2640.20)0,(),()0,(436
.2)0,60()0,(640.20)0,500(),(0000=?--+
==+=+====?t t E t t E t E E t E E t t E 使冷端温度保持为20℃ 热端温度保持不变：557℃，则
4
.53810919
.21346.22919
.21278.22530278.22)0,(278.22798.0076.23)0,20()0,557(),(//0=?--+
===-=-=t t E E E t t E
3．（厉-例3-19）用分度号K 的热电偶测量某设备的温度，测得热电动势为20mV ，热电偶冷端温度为25℃，求设备的温度！如果改用分度号为E 的热电偶测量该设备的温度，在相同的条件下，测得热电动势为？
解：查表计算
分度号为K 的热电偶：——
509
10640
.20066.21640
.202150021)0,25()25,()0,(0
.1)0,25(20)25,(=?--+
==+===t E t E t E E t E AB AB AB AB AB 改用分度号为S 的热电偶测量该设备的温度
2
.36)25,509(5.1)0,25(7.37)0,509(===AB AB AB E E E
4．（王2-9）（厉：习题3-16？）（厉：例题3-25？）用Pt100铂电阻测温，在查表时错用了Cu100的分度表，查得温度为140℃，问：实际温度为多少？{“厉”有错误？Cu100：150℃→164。27Ω；Pt100：164。27Ω→168。7℃}
解：
查Cu100的分度表： 140℃→96.159=t R Ω 查Pt100的分度表
96.159=t R Ω→1.157=t ℃。
1.71073
.365
.21031.15704.16131.15796.159=?=?--
5．（厉-例3-？）某温度控制系统，最高温度为700℃，要求测量的绝对误差不超过±10℃，现有两台量程分别为0~1600℃、0~1000℃的1。0级温度检测仪表，试问应该选择哪台仪表更合适？如果两台量程均0~1000℃，精度等级分别为1.0级和0.5级，那么又应该选择哪台仪表更合适？
解： 因为100
max FS
S a ?=
? ⑴同为1.0级仪表, 量程为0~1600℃的仪表, 16100
1600
100max ==?=
?FS S a ；量程为0~1000℃的仪表, 10100
1000
100max ==?=
?FS S a ⑵同为量程为0~1000℃的仪表,精度为1.0级的仪表10100
1000
100max ==?=?FS S a 已经能够满足要求；从经济角度考虑，不必选用0.5级的仪表。
6．（厉：例3-20）现用一支镍铬—铜镍热电偶测量某换热器的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表为动圈仪表、机械零点为0℃，这时仪表显示值为400℃，若认为换热器的温度为430℃，对不对？正确值是多少？
解：
不对！热电偶的热电势是非线性的 查表：
显示仪表测出的毫伏值943.28)0,400()30,(),(0=?=E t E t t E mV 冷端温度为30℃，801.1)0,30()0,(0=?E t E mV
热电偶的热电势744.30801.1943.28)0,30()30,()0,(=+=+=E t E t E mV 查表：422=t ℃。
7．（厉：习题3-8）用镍铬—镍硅热电偶测量炉温，其冷端温度为30℃，测得热电势为33。29mV ，求被测炉子的实际温度？
解：
查镍铬—镍硅热电偶的分度号为K 的分度表：
285.1)0,30(=E mV 29.33)30,(=t E mV
575.34285.129.33)0,30()30,()0,(=+=+=E t E t E Mv 55.831=t ℃
8．（厉：习题3-9）某台动圈式仪表是与镍铬—镍硅热电偶配套使用的，但错接了铂铑10—铂热电偶，仪表指示为201℃，（冷端温度为0℃！）问实际温度为多少？
解：
查镍铬—镍硅热电偶的分度号为K的分度表：
177
.8
)0,
201
(=
E mV
查铂铑10—铂热电偶的分度号为S的分度表：
8
875
177
.8
)0,(。
；=
=t
t
E℃
2．3．压力检测及仪表
2．3-1．压力检测的方法
1．工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”
2．工程中压力的表示方式有：表压、负压（真空度）、差压、绝对压力。
3．国际单位制（SI）定义的压力的单位是“帕斯卡”——1Pa =1N/m2、1MPa =106Pa；过去常用的压力单位是：1工程大气压 = 1kgf /cm2 = 9.80665×104Pa=0.980665 ×105Pa≈ 0.1MPa 2．3-2．压力表的选择、安装与校验
1．为了合理、经济使用仪表，仪表的量程不能选得太大，但为了保证测量精度，一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/3为宜；同时为了延长弹性元件的使用寿命，避免弹性元件因长期受力过大而永久变形，压力计的上限值应该高于被测量的最大值（量程的3/4~2/3），留有余量2．仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差Δmax来确定的。不能认为选用的仪表精度越高越好，应在满足工艺要求的前提下，尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表3．例：——某台压缩机的出口压力范围为25～28MPa，测量绝对误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围；要求条件为：被测脉动压力25～28MPa，测量绝对误差≤1MPa，就地观察、高低限报警。
解：
脉动压力对仪表寿命影响很大，故选择仪表的上限值为：
若选压力表的测量范围为0～60MPa
则： 25MPa / 60MPa >1/3
被测压力的最小值不低于满量程的1/3，下限值也符合要求。
另外，根据测量误差的要求，可算得对仪表允许误差的要求为：
MPa
56
2
28
2
max
1
=
?
=
?
=p
p
%67.1%10060
1
%100max =?=??FS S 故选精度等级为1.5级的仪表可以满足误差要求。
答：根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可选用YX —150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa ，精度等级为1.5级。
4．习题（王-2-12）工艺要求压力范围为1.2MPa ±0.05MPa ，可选用的弹簧管压力表的精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五个等级, 可选用的量程规格有0~1.6MPa 、0~2.5MPa 、0~4MPa ，选用合适的仪表。
解： 量程选择：
被测压力变化缓慢时：——；选择仪表量程为；则6.36.143
2.131????FS FS FS S S S 0~2.5MPa 被测压力变化频繁时：——；选择仪表量程为；则6.38.13
2
2.131????FS FS FS S S S 0~2.5MPa
仪表精度选择：
21005
.205
.0100max =?=
??≤
FS
S a Y-150，量程0~2.5MPa ，精度2.0级
5．习题（王-2-13）反应器最大压力为1.0MPa ，允许最大绝对误差为0.01MPa 。现用一台测量范围为0~1.6MPa 、精度为1级的压力表进行测量，能否满足要求？若采用一台测量范围为0~1.0MPa 、精度为1级的压力表进行测量，能否满足要求？
解：
测量范围为0~1.6MPa 、精度为1级的压力表：
01.0016.0100
1
6.1100max ?=?=?=
?FS S a ；不能满足要求 测量范围为0~1.0MPa 、精度为1级的压力表： 满度值等于被测量值，不能满足要求
6．（王2-14）某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.0~1.6MPa ，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的±5%。试选择合适的仪表。
解：
被测压力变化缓慢时：
133
.24
3
6.10
.33
1
0.1????FS FS FS FS S S S S ；；
选择仪表量程为0~2.5MPa
测量值在1.0MPa 时的误差不得大于±5%，则
25
.2555100100%5%1000.1max
==?????±??FS FS
S a S a 查附录E ：只能选择型号为Y-100T ，仪表量程为0~2.5MPa 、精度为1。5级的弹簧管压力表。 7．（厉：例3-9）某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.1~1.6MPa ，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的±5%。试选择合适的仪表。
解：
被测压力比较平稳、变化缓慢：
426.132
。；≥≥?FS FS S S MPa 331.13
1
。；≤≤?FS FS
S S MPa 选择仪表量程为0~2.5MPa
测量值在1.1MPa 时的误差不得大于±5%，则
%2.2%1005
.2%
51.1=?? 2.25
.21.155********.1%5%1001.1max
=?=??????±??FS FS
S a S a
查附录E ：只能选择型号为Y-60，仪表量程为0~2.5MPa 、精度为1。5级的弹簧管压力表。 8．检定一块1.5级、刻度为0~100MPa 的压力表，发现在50MPa 处的误差最大，为1.4MPa ，这块压力表是否合格？
解：该表的最大引用误差为
%5.1%4.1%1000
1004
.1%100max ?=?-=??=
FS FSm S γ 这块压力表合格
9．※测量稳定压力时，仪表最大量程应为测定值的1.5倍，测量波动压力时，仪表最大量程应为测定值的2倍。
测空气、水、蒸汽、油等介质，用Y 型压力表，其外壳为黑色。测氨类用YA 型氨用压力表，其外壳为黄色。测氧气用YD 型氧用压力表，其外壳为天蓝色。
2．4．流量检测及仪表
2．4-1．流量指单位时间内流过某一截面的流体数量。★可以是瞬时流量或者是平均流量。 1．流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为：“节流式流量计”、速度式流量计、容积式流量计、质量式流量计、电磁式流量计、·········
2．流量的基本概念：瞬时流量（单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量）与累积流量（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）；体积流量、重量流量与质量流量。
3．流量的检测方法
（1）体积流量检测方法：容积法（单位时间内排出流体的固定体积数）和速度法（管道内的平均流速乘以管道面积）；
（2）质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度）和直接法（仪表直接测得）。 2．4-2．“差压式流量计”
1．速度式流量计——节流式——（变差压式）——孔板、挡板、文丘里管→孔板流量计： 2．节流现象：流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。
节流装置包括节流件和取压装置。 2．4-3．转子流量计
1．差压式流量计对管径小于50mm 、低雷诺数的流体的测量精度是不高的。而转子流量计则特别适宜于测量管径50mm 以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。
2．转子流量计，是以压降不变、利用节流面积的变化来测量流量的大小，即：转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法
3．生产厂是在工业标准状态下（20℃，0.10133MPa ），用水或空气进行标度。对液体测量，仪表示值代表20℃时水的流量值。对气体测量，则是代表20℃，0.10133MPa 压力下空气的流量值。实际使用时，须对指示值进行修正
2012-2013学年第一学期统计10本 《随机过程》期中考试 一. 填空题 1．设马氏链的一步转移概率矩阵()ij P p =，n 步转移矩阵() ()n ij P p =，二者之间的关系为 (n) n P P = 2.状态i 常返的充要条件为( ) n i i n p ∞ ==∑∞。 3.在马氏链{},0n X n ≥中，记() n i j p ={}0,11,n P Xm j m n X j X i ≠≤≤-==，n ≥1. i j p =( ) 1n i j n p ∞ =∑,若i j p <1,称状态i 为 。 二. 判断题 1. S 是一个可数集，{:0n n X ≥}是取值于S 的一列随机变量，若 ( ) 1 01110011111 1,,...,(,...,)n n n n n n n n n n n n i i S P i X i X i X i P i i -+++--++-?≥?∈X =|====X =|X =并且满足，则{:0n n X ≥}是一个马氏链。 × 2. 任意状态都与它最终到达的状态是互通的，但不与它自己是互通的。 × 3. 一维与二维简单随机游动时常返的，则三维或更高维的简单随机游动也是常返的。× 4. 若状态i ?状态j ，则i 与j 具有相同的周期。 √ 5. 一个有限马尔科夫链中不可能所有的状态都是暂态。 √ 三. 简答题 1．什么是随机过程，随机序列？ 答：设T 为[0，+∞）或（-∞，+∞），依赖于t(t ∈T)的一族随机变量（或随机向量）{t ξ}通称为随机过程，t 称为时间。当T 为整数集或正整数集时，则一般称为随机序列。 2 .什么是时齐的独立增量过程？
什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪几种？ 过程控制系统通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。基本分类方法有：按照设定值的形式不同【定值，随动，程序】；按照系统的结构特点【反馈，前馈，前馈-反馈复合】。 热电偶测量的基本定律是什么？常用的冷端补偿方式有哪些 均质材料定律：由一种均匀介质或半导体介质组成的闭合回路中，不论截面和长度如何以及沿长度方向上的温度分布如何，都不能产生热电动势，因此热电偶必须采用两种不同的导体或半导体组成，其截面和长度大小不影响电动势大小，但须材质均匀； 中间导体定律：在热电偶回路接入中间导体后，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响； 中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、t0时的热电势之代数和。只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端任意温度时的热电势,即 由于冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为某一定值，因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端采取补偿措施，使其温度恒定。冷端温度补偿方法有冷端恒温法、冷端补偿器法、冷端温度校正法和补偿导线法。 为什么热电阻常用三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电 桥输出带来较大误差，必须用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。 对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答： 变送器具有哪些主要功能？ 变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。 什么是变送器零点、零点迁移调整和量程调整？ 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。
计算及问答题 1．某换热器温度控制系统（设定值为100℃），在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。分别求出衰减比、最大偏差、余差、过渡时间和振荡周期（按±3％稳态值来确定过渡时间）。 温度℃ 解：衰减比ψ= 8 .011)105110()105130(12 =-=---B B 最大偏差A ，即超调量σ= %8.23%100%100105 105 130) () ()(=?=?-∞∞-y y t y p 余差C=│y ﹙∞﹚－y ﹙0﹚│=105－100=5 过渡时间ts=27min ，（计算稳态值的±3％，即102或108，用尺子量后估算出时间） 振荡周期，时间作衰减振荡，所以振荡周期T=20－8=12min ，（两个波峰的时间差） 2．已知某被控过程的数学模型为 1)()(+= Ts K s E s U 应用前向差分法，求关于u(k)和e(k)的差分方程。 参考计算控制课本p129 解：)() 1()(s E K Ts s U ?=+? )()()(s E K s U s U Ts ?=+? )()()(t Ke t u T dt t du =+ 设采样周期为T S ，代入S T k u k u dt t du ) ()1() (-+= )()())()1((k Ke k u k u k u S T T =+-+ )()1()(k Ke k u k u T T T T T T S S S --++= 3．一台仪表的测温范围为100～550℃，绝对误差的最大值为2℃，求这台仪表的相对误差。 解：δ= % 44.0%100100 5502=?- 第 页
4． （1）求出仪表最大绝对误差值； （2）确定仪表的允许误差及精确度等级； （3）仪表经过一段时间使用后，重新校验时，仪表最大绝对误差为±8℃，问该仪表是否还符合出厂时的精确度等级。 解：(1)最大绝对误差值为 6 。 (2)仪表精度δ= % 5.1%2.1%1000 5006≤=?- 所以允许误差为±1.5%，仪表精度等级为1.5级。 (3)使用一段时间后的精度为δ= % 5.1% 6.1%1000 5008≥=?- 所以不符合出厂时的精确度等级。 5．如下图所示液位控制系统中，被控过程物料的输入量和输出量是什么？控制系统的（1）被控变量、（2）操纵变量、（3）主要扰动、（4）输入信号、（5）输出信号各是什么？ Q 2 6．图所示液位过程的输入量为q 1，流出量为q 2、q 3，液位h 为被控参数，C 为容量系数，设R 1、R 2、R 3为线性液阻，求： （1）列出液位过程的微分方程组； （2）画出液位过程的框图； （3）求液位过程的传递函数W 0(s )=H (s )/Q 1(s ) q 2 q 3 (2)
闭环控制系统和开环控制系统有什么不同？ 答：开环控制系统中控制装置与被控对象之间只有顺向作用，而无反向联系；开环控制系统较为简单不能保证消除误差，抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统的输出信号通过反馈环节返回到输入端；根据偏差控制被测量可以偏差减小或消除，闭环系统较为复杂，闭环控制系统使系统的稳定性变差。 自动控制系统主要哪几部分组成？各组成部分在系统中的作用是什么？ 答：一般自动控系统包括被控对象，检测变送单元，控制器、执行器1、被控对象：是植被控制的工业设备或装置。2、检测变送单元：测量被控变量，并按一定规律将其转化为标准信号，输出作为测量值，即把被控变量转化为测量值。3、控制器：被控变量的测量值与设定值进行比较得出的偏差信号，并控制某种预定的控制变量进行运算，给出控制信号。4、执行器：接收控制器送来的控制信号直接改变操纵变量 按设定值的不同自动控制系统可以分为哪几类？答：按设定值的不同，将自动控制系统分为三大类1、定值控制系统2、随动控制系统3、程序控制系统 对系统运行的基本要求是什么？过程控制系统的单项性能指标有哪些？他们分别表示了对系统哪一方面的性能要求？答：基本要求包括静态和动态两个方面，一般可以归纳为稳准快，过渡过程的单项性能指标1、衰减比n放映了系统的稳定性2、超调量与最大动态偏差Emax，衡量过渡过程动态准确性3、回复时间Ts衡量控制系统快速性4、余差描述静态准确性的指标 一阶自衡非振荡过程的特性参数有哪些（过程特性的一般分析）？各有何物理意义？答：一阶自衡非振荡过程的特性参数有K、T、To K：放大系数T：时间常数To:纯滞后时间 什么是控制器的控制规律，常规控制的基本控制规律有哪些？他们各有什么特点？答：控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律常规控制器的基本控制规律有比例控制P积分控制I和微分控制D各种控制规律的特点：1、比例控制规律，控制速度很快，输出输入成正比，不具备消除偏差的性质是有差调节。2、积分控制规律：输出与偏差的积分成正比，控制速度较慢主要特点是能够消除余差3、微分控制规律：输出与偏差变化速度成正比，有超前控制的有点，不能消除余差 工业实际使用的控制规律主要有哪几种？试分别简述它们的适用场合。答：工业生产实际中使用的控制规律有比例控制P，比例积分控制PI比例积分微分控制PID 三种1、液位、一般要求不高，用P或PI控制规律2、流量：时间常数小，测量信息中夹杂有噪音，用PI或加反微分3、压力：液体介质的时间常数小，气体介质的时间常数中等，用P或PI。4、温度和成分分析：容量滞后较大宜用PID控制规律。 什么是控制阀的理想流量特性和工作流量特性？两者有什么关系？系统设计时应如何选择控制阀的流量特性？答：理想流量特性：控制阀两端压差恒定时的流量特性为理想流量特性，又称固有流量特性。工作流量特性是指控制阀的相对开度与相对流量之间的关系称为工作流量特性。理想流量特性：是工作流量特性的理想化模型 何为串级控制？画出一般串级控制系统的典型方框图，并指出它在结构上与简单控制系统有什么不同？答：串级控制系统是由两个控制器想连接组成，其中一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。与简单控制系统的区别：1、串级控制系统将原被控对象分解为两个串联的被控对象2、主控制器的输出值作为副控制器的设定值3、串级控制系统的主环是一个定值控制系统副回路是一个随动控制系统 如何选择串级控制系统中主、副控制器的正反作用？它们与控制阀的开关形式有关系？答：串级控制系统中副控制器作用方式的选择是根据工艺安全要求在选定控制阀的气开，气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的，因此，副控制器的作用方式与副对象特性及控制阀的气开气关有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正反作用的方法相同，串级控制系统中主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与控制阀的气开，气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象特性，选择与其作用方向相反的主控制器的正反作用。 自动控制的基本方式：1、开环控制系统2、闭环控制系统；自动控制系统的分类：1、定值控制系统2、随动控制系统3、程序控制系统；被控量的选择方法：1、选择直接参数作为被控变量2、选择间接参数作为被控变量；操纵变量：在过程控制系统中，把用来克服扰动对被控变量的影响、实现控制作用的变量称为操作变量。控制阀的组成：执行机构和调节机构
1．设随机变量X 服从参数为λ的泊松分布，则X 的特征函数为 。 2．设随机过程X(t)=Acos( t+),- 过程控制工程复习题 （课程代码392217） 一、选择题（请从下列选项中选出正确的一项） 1、下列不属于单回路反馈控制系统的是（） 选项A）被控对象 选项B）被测对象 选项C）测量变送 选项D）控制器和控制阀 答案：B 2、在工业控制中，使用最多的控制系统是（） 选项A）单回路反馈控制系统 选项B）串级控制系统 选项C）比值控制系统 选项D）前馈控制系统 答案：A 3、下列中对干扰通道特性对控制质量影响描述错误的是（） 选项A）K f增加，余差增加，系统稳定性不变 选项B）T f增加，过渡过程时间减小 选项C）T f增加，振荡幅值减小 选项D）τf增加，余差减小 答案：D 4、下列中对控制对象特性对控制质量影响描述错误的是（） 选项A）一般希望放大倍数K0大些好，易于调节 选项A）一般希望控制通道时间常数小些好，但不能过小 选项C）控制通道时间常数越小越好，系统才灵敏 选项D）时间常数大，系统的工作频率低 答案：D 5、下列对操纵变量选择原则描述错误的是（） 选项A）操纵变量必须可控 选项A）选择通道放大倍数相对大的 选项C）选择干扰通道时间常数小一点的 选项D）选择通道的纯滞后尽量小 答案：C 6、下列中对控制通道特性对控制质量影响描述错误的是（） 选项A）K0增加，余差增加，系统稳定性不变 选项B）T0增加，过渡过程时间增加 选项C）T0增加，系统频率变慢 选项D）τ0增加，稳定程度大大降低 答案：A 6、下图的曲线中，哪一条是对数流量特性的是（） 选项A）1 选项B）2 选项C）3 选项D）4 答案：B 7、在控制系统中，能准确、快速、及时地跟踪设定值的变化的系统属于（）选项A）随动系统 选项B）定值系统 选项C）程序系统 选项D）以上都不是 答案：A 8、在过程控制系统中，系统的设定值保持不变的系统属于（） 选项A）随动系统 选项B）定值系统 选项C）程序系统 选项D）以上都不是 答案：B 9、在过程控制系统中，系统的设定值有规律变化的系统属于（） 选项A）随动系统 选项B）定值系统 选项C）程序系统 选项D）以上都不是 答案：C 10、用来表征生产设备或过程运行是否正常而需要加以控制的物理量是（）选项A）被控对象 选项B）被控变量 选项C）操纵变量 选项D）测量值 答案：B 11、受控制器的操纵，使被控变量保持在设定值的物理量是（） 选项A）被控对象 选项B）设定值 选项C）操纵变量 选项D）测量值 答案：C 12、一阶环节的传递函数是（） 选项A）K/(Ts+l) 选项B）K/Tis 过程控制系统与仪表复习题 一、判断题： 1. 过程控制系统中，需要控制的工艺设备(塔、容器、贮糟等)、机器称为被控对象。（√） 2. 扰动量是作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。（×） 答案：扰动量是除操纵变量外作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。 3. 由调节器输出至被调参数间的所有环节称为干扰通道。（×） 答案：由调节器输出至被调参数间的所有环节称为调节通道。 4. 过程控制系统的偏差是指设定值与测量值之差。（√） 5. 由控制阀操纵，能使被控变量恢复到设定值的物料量或能量即为操纵变量。（√） 6. 按控制系统的输出信号是否反馈到系统的输入端可分为开环系统和闭环系统。（√） 7. 在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，可分为定值控制系统、前馈控制系统、程序控制系统。（×） 答案：在闭环控制系统中，按照设定值的情况不同，可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 8. 在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的动态。（×） 答案：在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的静态，静态是一种相对静止状态。 9. 对一个系统总是希望能够做到余差小，最大偏差小，调节时间短，回复快。（√） 10. 时间常数越小，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。（×） 答案：时间常数越大，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。 11. 时间常数指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的63.2 %所需要的时间。（√） 12. 对干扰通道时间常数越小越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。（×） 答案：时间常数越大越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。 13. 放大倍数K 取决于稳态下的数值，是反映静态特性的参数。（√） 14. 对于控制通道来说希望τ越大越好，而对扰动通道来说希望τ适度小点好。（×） 答案：控制通道τ越小越好，而对扰动通道来说希望τ适度大点好 15. 对象特性放大系数Κm是动特性，时间常数Tm和滞后时间τm是测量元件和变送器的静态特性。（×） 答案：对象特性放大系数Κm是静特性，时间常数Tm和滞后时间τm是测量元件和变送器的动特性。 16. 对纯滞后大的调节对象，为克服其影响，可引入微分调节作用来克服。（×） 答案：微分作用能起到超前调节的作用，但不能克服纯滞后。 17. 当调节过程不稳定时，可增大积分时间或加大比例度，使其稳定。（√） 18. 比例调节过程的余差与调节器的比例度成正比，比例度越大则余差越大。（√） 19. 临界比例度法是在纯比例运行下通过试验，得到临界比例度δK 和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系，求出调节 器各参数值。（√） 20. 采用PID 调节器的条件是对象纯滞后较大。（×） 答案：采用PID 调节器的条件是对象纯滞后不能太大，否则应考虑采用其他控制方法。 21. 当生产不允许被调参数波动时，选用衰减振荡形式过渡过程为宜。（×） 答案：当生产不允许被调参数波动时，选用非周期衰减过程为宜。 22. 时间常数越小，对象受干扰后达到稳定值所需时间越短。（√） 23. 化工过程中，通常温度控制对象时间常数和滞后时间都较短。（×） 答案：化工过程中，通常温度控制对象时间常数和滞后时间都较大。应合理选择检测点。 24. 自动调节系统干扰通道放大倍数越大，则超调量越大；调节通道放大倍数越大，则超调量越小。（√） 25. 对象特性时间常数越长，则过程反应越快，易引起较长的过渡时间。（×） 答案：对象特性时间常数越长，则过程反应越慢，易引起较长的过渡时间。 26. 纯滞后时间长，将使系统超调量增加，干扰通道中纯滞后对调节品质没有影响。（√） 27. 测量滞后一般由测量元件特性引起，克服测量滞后的办法是在调节规律中增加积分环节。（×） 答案：微分作用能起到超前调节的作用，因此能克服纯滞后；积分作用能克服余差。 28. 目前国生产调节阀主要有有线性、等百分比、快开3 种流量特性。（√） 29. 积分作用可以消除余差，但要求用在对象时间常数较小，系统负荷变化较小的控制过程中。（√） 1-3自动控制系统的分类 本课程的主要内容是研究按偏差控制的系统。为了更好的了解自动控制系统的特点，介绍一下自动控制系统的分类。分类方法很多，这里主要介绍其中比较重要的几种： 一、按描述系统的微分方程分类 在数学上通常可以用微分方程来描述控制系统的动态特性。按描述系统运动的微分方程可将系统分成两类： 1．线性自动控制系统描述系统运动的微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为定常线性自动控制系统；相反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线性自动控制系统。线性系统的特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。 2．非线性自动控制系统描述系统的微分方程是非线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。 严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的，但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时，则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地看成线性定常系统。 二、按系统中传递信号的性质分类 1．连续系统系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 2．采样系统系统中至少有一处，传递的信号是时间的离散信号，则称为采样系统，或离散系统。 三、按控制信号r(t)的变化规律分类 1．镇定系统() r t为恒值的系统称为镇定系统(图1-2所示系统就是一例)。 2．程序控制系统() r t为事先给定的时间函数的系统称为程序控制系统(图1-11所示系统就是一例)。 3．随动系统() r t为事先未知的时间函数的系统称为随动系统，或跟踪系统，如图1-7所示的位置随动系统及函数记录仪系统。 《过程控制工程》期末复习题 一、（每空1分）填空题： 1、对于一个比例积分微分（PID）控制器来说，积分时间越小则积分作用越；微分时间越小，则微分作用越。 2、三种常用的均匀控制方案包括、、。 3、常规PID控制器中的P指作用、I指作用、 D指作用。 4、用于输送流体和提高流体压头的机械设备统称为流体输送设备，其中输送液体并提高其压头的机械称为，而输送气体并提高其压头的机械称为。 5、工程上常用的几种整定PID控制器参数的方法是、、、 。 6、请举出我们曾经学过的三种复杂控制系统：、、。 7、比值系统控制系统从结构上可分为四种，分别是开环比值控制系统、、 、四种。 8、调节阀的固有流量特性主要有、、、 四种。 9、比值系统控制系统从结构上可分为四种，分别是开环比值控制系统、、 、四种。 10、单回路控制系统一般由、、、四个环节组成 11、常见的传热设备有、、等。 12、要消除系统的稳态误差，通常选用控制器。 13、用来评价控制系统性能优劣的阶跃响应曲线性能指标分别是、、、振荡频率和回复时间等。 14、工程上进行PID控制器参数整定时，随动系统的控制品质要求衰减比为，定值系统中控制品质要求衰减比为。 15、常见的传热设备有、、等。 16、精馏装置一般由、、、等设备组成。精馏塔产品质量指标选择有直接产品质量指标和两类。 二、选择题（10分，每小题2分） 1、成分、温度调节系统的调节规律，通常选用（）。 A. PI B. PD C. PID 2、自动控制系统中控制器正、反作用的确定是根据（）。 A．实现闭环回路的正反馈。 B．实现闭环回路的负反馈。 C．系统放大倍数恰到好处 D．生产的安全性。 3、单纯的前馈调节是一种能对（）进行补偿的调节系统。 A．测量与给定之间的偏差 B．被调量的变化 C．干扰量的变化 4、分程控制系统常要加装（）来达到分程的目的。 A．调节器 B.变送器 C.阀门定位器 5、在某一分离异丁烷与正丁烷的精馏塔中，微小的压力波动也会影响温度的变化，同时压力波动引起的各板上温度变化的方向是一致的，此时应选择（）作为间接质量指标进行控制。 A．灵敏板温度 B.温差 C.双温差 6、如果甲乙两个广义调节对象的动态特性完全相同（如均为二阶对象），甲采用PI作用调节器，乙采用P作用调节器。当比例带的数值完全相同时，甲，乙两系统的振荡程度相比 A. 甲系统振荡程度比乙系统剧烈。 B. 乙系统振荡程度比甲系统剧烈。 C. 甲、乙两系统的振荡程度相同。 7、定值控制系统是（）环调节，单纯的前馈控制系统是（）环调节。 A．开，闭 B．闭，开 C．开，开 D．闭，闭 过程控制系统复习题 一.选择题（每题2分，共10题，共20分） 1.过程控制系统由几大部分组成，它们是：( C ) A.传感器、变送器、执行器 B.控制器、检测装置、执行机构、调节阀门 C. 控制器、检测装置、执行器、被控对象 D. 控制器、检测装置、执行器 2. 在简单控制系统中，接受偏差信号的环节是( B )。 A .变送器 B. 控制器, C. 控制阀 D. 被控对象 3. 串级控制系统主、副对象的时间常数之比，T01/T02＝( )为好，主、副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。 A. 3～10 B. 2～8 C. 1～4 D. 1～2 4. 过渡过程品质指标中，余差表示( )。 A.新稳态值与给定值之差 B.测量值与给定值之差 C.调节参数与被调参数之差 D.超调量与给定值之差 5.PID调节器变为纯比例作用，则( )。 A. 积分时间置∞、微分时间置∞ B. 积分时间置0、微分时间置∞ C. 积分时间置∞，微分时间置0 D. 积分时间置0，微分时间置0 6.( )在阀芯行程比较小时，流量就比较大，随着行程的增加，流量很快地达到最大。 A. 快开流量特性 B. 线性流量特性 C. 抛物线流量特性 D. 等百分比流量特性 7.闭环控制系统是根据( )信号进行控制的。 A.被控量 B.偏差 C.扰动 D.给定值 8.衡量控制准确性的质量指标是( )。 A.衰减比 B.过渡过程时间 C.最大偏差 D.余差 9.对象特性的实验测取常用的方法是( )。 A.阶跃响应曲线法 B.频率特性法 C.比例积分法D．最小二乘法 10.用于迅速启闭的切断阀或两位式调节阀应选择( )的调节阀。 A.快开特性B．等百分比特性C．线性 D.抛物线特性 11.调节具有腐蚀性流体，可选用( )阀。 A.单座阀 B.双座阀 C.蝶阀D．隔膜阀 12.调节阀接受调节器发出的控制信号，把( )控制在所要求的围，从而达到生产过程的自动控制。 A. 操纵变量 B.被控变量 C. 扰动量 D. 偏差 13.串级调节系统主调节输出信号送给( )。 A．调节阀B．副调节器 C. 变送器 D. 主对象 14.在阶跃扰动作用下，过程控制系统的过渡过程出现的形式如下，( )是一种稳定控制系统 A.发散振荡过程 B.等幅振荡过程 C.衰减振荡过程 D.非振荡发散过程 15. 串级控制系统参数整定步骤应为( )。 A. 先主环，后副环 B.先副环后主环 C.只整定副环 D.没有先后顺序 16. 引起被调参数偏离给定值的各种因素称( )。 A.调节 B.扰动 C.反馈 D.给定 北京邮电大学2012——2013学年第1学期 《概率论与随机过程》期末考试试题答案 考试注意事项：学生必须将答题内容（包括填空题）做在试题答题纸上，做在试卷纸上一律无效。在答题纸上写上你的班号和选课单上的学号，班内序号! 一. 单项选择题和填空题：（每空3分，共30分） 1.设A 是定义在非空集合Ω上的集代数,则下面正确的是 .A （A ）若A B ∈∈A,A ,则A B -∈A ; （B ）若A A B ∈?A,,则B ∈A ; （C ）若12n A n =∈?A,,,,则 1 n n A ∞=∈A ; （D ）若12n A n =∈?A,,,,且123A A A ??? ,则 1 n n A ∞ =∈A . 2. 设(),ΩF 为一可测空间，P 为定义在其上的有限可加测度，则下面正确的是 .c （A ）若A B ∈∈F,F ,则()()()P A B P A P B -=-； （B ）若12n A n =∈?F,,,,,且123A A A ??? ，则1 li ( )()m n n n n P A A P ∞→∞ ==； （C ）若A B C ∈∈∈F,F,F,，则()()()()P A B C P A P AB P A BC =++； （D ）若12n A n =∈?F,,,,,且,i j A i j A =??=/，1 1 ( )()n n n n P P A A ∞ ∞===∑. 3.设f 为从概率空间(),P ΩF,到Borel 可测空间(),R B 上的实可测函数，表达式为100 0()k A k f kI ω==∑，其中1000 ,, i j n n i j A A A ==??=Ω/=，则fdP Ω=? ； 第十二章 平稳随机过程 §1 基本概念 定义1：已给s.p t X t X {=，}T t ∈，若1≥?n ，即T 中任意的,,,21n t t t Λ与 h t h t h t n +++,,,21Λ，n 维r.v ),,(21n t t t X X X Λ与),,(21h t h t h t n X X X +++Λ有相同 的n 维d.f 。即 ) ,,,;,,(),,() ,,(),,,;,,,(2121212121212121n n n h t h t h t n t t t n n x x x h t h t h t F x X x X x X P x X x X x X P x x x t t t F n n ΛΛΛΛΛΛ+++=≤≤≤=≤≤≤=+++ 则称s.p t X 是一个严（强，狭义）平稳过程。 当t X ?n 维d.l 时，则有 ),,;,,,(),,;,,,(21212121n n n n x x x h t h t h t f x x x t t t f ΛΛΛΛ+++= 若取n =1，则有),(),(1111x h t f x t f +=，特别，当T ∈0，可取,1t h -=则有),0(),(111x f x t f =。此时平稳过程t X 的一维d.l 与1t （时间）无关。于是 X X m dx x xf t X E μ=== ?+∞ ∞ -),0()(1 即t X 的均值是一个与时间无关的常数。 其方差 ?∞ ∞ -=-=-=.),0()(][2 22 X X X t t dx x f m x m X E X D σ也与时间t 无关的 常数。 而且T X 的二维d.l 也只依赖于.21t t -=τ即当2t h -=时，有 ).,;(),;0,(),;,(2121212121x x f x x t t f x x t t f τ∧ =-= 所以t X 与τ+t X 之间自相关为 ??∞∞-∞ ∞ -+== =+).(),;(),(21212 1ττττX t t X R dx dx x x f x x X X E t t R 它只依赖于.τ类似地τ+t t X X ,之间协方差为 昆明理工大学过程控制系 统期末复习题 Modified by JEEP on December 26th, 2020. 一、填空（每空1分，共20分） 1、自动控制系统按给定值不同分类,可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统三种类型。 2、比例控制规律的优点是控制及时、积分控制规律的优点是消除余差、微分控制规律的特点是超 前控制。 3、自动控制系统中LT表示液位变送器，LRC表示。 5、控制器的工作状态有气开式和气关式。 7、自动控制系统是由控制对象、测量变送器、控制器、控制阀四部分组成。 8、气动控制阀开关形式有气开式和气关式。 1、、串级控制系统中副控制器的正反作用方式由和 决定的。 2、控制阀的选择主要从结构类型、流量特性、口径和作用方式四个方面考虑。 3、简单控制系统是由一个测量元件、一个变送器、一个控制器、一个控制阀和 一个被控对象组成的闭环负反馈系统。 4、比值控制系统的类型有开环比值、单闭环比值、双闭环比值和变比值控制系统。 5、DDZ-Ш仪表输出信号为4--20m A DC或1--10 VDC。 6、控制器的工作状态有气开式和气关式。 7、控制器的作用方式有正作用和反作用。 二、分析说明（共35分） 1、举一个串级控制系统的例子，并说明使用串级控制系统的场合（10分） 2、举一个前馈-反馈控制系统的例子，并说明前馈使用的场合（10分） 2题图左划横线是 1.是，系统中存在频繁且幅值大的干扰可测但是不可控，对被控变量影响较大，采用反馈控制难以克服，但工艺上被控变量的要求又比较严格，可以考虑引入前馈回路来改善系统的品质 2.当采用串级控制系统仍不能把主要干扰包含在副回路中时，采用前馈——反馈控制系统， 可获得更好的控制效果。 3.当对象的控制通道滞后大时，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈——反馈控制统， 以提高控制的质量。 3、下图为取暖锅炉液位的控制方案，分析控制阀的开关形式（说明依据），判断控制器的正反作用（写明判断过程）。说明什么是被控变量、操纵变量、干扰分析控制过程（15分） 第二章 随机过程分析 学习指导 1.1.1 要点 随机过程分析的要点主要包括随机过程的概念、分布函数、概率密度函数、数字特征、通信系统中常见的几种重要随机过程的统计特性。 1. 随机过程的概念 随机过程是一类随时间作随机变化的过程，它不能用确切的时间函数描述。可从两种不同角度理解：对应不同随机试验结果的时间过程的集合，随机过程是随机变量概念的延伸。 2. 随机过程的分布函数和概率密度函数 如果ξ(t )是一个随机过程，则其在时刻t 1取值ξ(t 1)是一个随机变量。ξ(t 1)小于或等于某一数值x 1的概率为P [ ξ(t 1) ≤ x 1 ]，随机过程ξ(t )的一维分布函数为 F 1(x 1, t 1) = P [ξ(t 1) ≤ x 1] (2-1) 如果F 1(x 1, t 1)的偏导数存在，则ξ(t )的一维概率密度函数为 1111111 (,) (, ) (2 - 2)?=?F x t f x t x 对于任意时刻t 1和t 2，把ξ(t 1) ≤ x 1和ξ(t 2) ≤ x 2同时成立的概率 {}212121122(, ; , )(), () (2 - 3)F x x t t P t x t x ξξ=≤≤ 称为随机过程 (t )的二维分布函数。如果 2212122121212 (,;,) (,;,) (2 - 4)F x x t t f x x t t x x ?=??? 存在，则称f 2(x 1, x 2; t 1, t 2)为随机过程 (t )的二维概率密度函数。 对于任意时刻t 1，t 2，…，t n ，把 {}n 12n 12n 1122n n ()(),(),,() (2 - 5) =≤≤≤L L L F x x x t t t P t x t x t x ξξξ，，，；，，，称为随机过程 (t )的n 维分布函数。如果 n n 12n 12n n 12n 12n 12n (x )() (2 - 6)?=???L L L L L F x x t t t f x x x t t t x x x ，，，；，，，，，，；，，， 存在，则称f n (x 1, x 2, …, x n ; t 1, t 2, …, t n )为随机过程 (t )的n 维概率密度函数。 3. 随机过程的数字特征 随机过程的数字特征主要包括均值、方差、自相关函数、协方差函数和互相关函数。 随机过程 (t )在任意给定时刻t 的取值 (t )是一个随机变量，其均值为 []1()(, )d (2 - 7)E t xf x t x ξ∞ -∞ =? 《过程控制工程》期末复习题答案 一、（每空1分） 1、强，弱 2、简单均匀控制，串级均匀控制，双冲量均匀控制 3、比例，积分，微分 4、泵，风机和压缩机 5、经验法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 6、串级，前馈，比值，均匀，分程，选择性任选三个 7、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统 8、线性型、等百分比（或对数）型、抛物线型、快开型 9、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统 10、控制器、控制阀、受控对象、测量变送器 11、换热器、加热炉、锅炉（再沸器、冷凝器、加热器等） 12、比例积分（PI）控制 13、衰减比、超调量与最大动态偏差、余差 14、10：1，4：1 15、换热器、加热炉、锅炉、再沸器、冷凝器、加热器中任选三种 16、精馏塔塔身、冷凝器、再沸器、回流罐、间接产品质量指标 二、（10分）选择题 1、C 2、B 3、C 4、C 5、B 6、A 7、B 8、B 9、A 10、B 三、（每题5分） 1、 （1）副控制器的正反作用改变，而主控制器的正反作用不改变。 （2）调节阀口径由30变为20，则调节阀的静态增益Kv减小，为保证副回路的控制品质不变，则应该减小副控制器的比例度，积分时间不需要改变。由于主控制器对副回路中副对象、副回路控制阀具有鲁棒性，所以主控制器的比例度和积分时间不需要改变。 2、保证整个闭环构成一个负反馈。 3、分程控制是指用一个控制器来控制两个或两个以上的控制阀，每个控制阀工作在控制器的某个信号区间。 主要应用场合： （1）用于扩大调节阀的可调范围 （2）用于控制两种不同的工艺介质，以满足工艺生产的要求 （3）用于生产安全的防护措施 4、固定极限流量法和可变极限流量法。 固定极限流量法：可靠性高，投资少，适用于固定流量的场合 可变极限流量法：适用于压缩机负荷经常波动的场合。 5、所谓三冲量控制是指锅炉汽包液位控制系统中，分别引入汽包液位、蒸汽流量和给水流量三个信号，经过一定运算后，共同控制一只控制阀。 引入三冲量控制是因为汽包液位是系统的受控变量，是保证锅炉正常运行的必要指标。而锅炉的汽包液位存在严重的虚假液位情况，单纯根据汽包水位进行控制会导致汽包液位波动严重，控制效果差，甚至会影响事故。而这个虚假液位现象与锅炉的给水流量和蒸汽流量密切相关，引入蒸汽流量信号可以及时克服蒸汽流量波动对汽包水位的影响，并有效克服虚假液位引起的控制系统的误动作。引入给水流量信号可以及时克服给水压力变化对汽包液位的影响。 6、控制器的参数整定是指根据已定的控制方案，通过参数调整来确定控制器的最佳参数值，以使系统获得好的控制质量。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 7、一般水位特性，蒸气流量提高，导致水位下降。但汽包水位特殊，蒸气流量提高，饱和水迅速汽化，水容积增大，水位上升。与一般水位动态特性叠加，表现为水位先升后降，称为“虚假液位”。这种反相变化特性给控制带来困难，可以采用双冲量和三冲量控制。 8、对于具有积分作用的控制器，只要被调量与设定值之间存在偏差，其输出会不停地变化，如果由于某种原因导致偏差无法消除，则经过一段时间调节器的输出将进入深度饱和状态，是为积分饱和现象。 产生的条件（1）控制器有积分作用。（2）控制器输入偏差长期存在。 9、当压缩机的负荷降低到一定程度，气体的排出量会出现强烈的振荡，因而机身也发生剧烈振动，这种现象称为喘振。 10、前馈控制系统基于干扰调节，更及时，但对受控变量是开环控制，而且一种前馈控制系统只能克服一种干扰；反馈控制系统基于偏差调节，对受控变量是闭环控制，能够克服各种干扰。 11、凡是在控制系统中引入选择器的就称为选择性控制系统。 设计选择性控制系统时要考虑：正常控制的参数、极限保护参数、操作变量；调节阀的气开、气关形式；控制器的正反作用；选择器的类型等。 12、均匀控制的目的是实现前后设备在供求关系上达到相互协调，统筹兼顾（3分） 均匀控制的特点是（1）反映前后供求矛盾的两个变量都是变化的，且变化是缓慢的 （2）两个变量的变化均应保持在允许的范围内（2分） 13、一般水位特性，蒸气流量提高，导致水位下降。但汽包水位特殊，蒸气流量提高，意味着汽包 水位下降，饱和水迅速汽化，水容积增大，水位上升。与一般水位动态特性叠加，表现为水位 《随机过程期末考试卷》 1．设随机变量X 服从参数为λ的泊松分布，则X 的特征函数为 。 2．设随机过程X(t)=Acos( t+),- 1、什么是比值控制系统它有哪几种类型画出它们的结构原理图。 答：比值控制系统：用来实现两个或者两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。四种类型：开环比值控制，单闭环比值，双闭环比值，变比值。 画图 Pic1开环比值控制 Pic2单闭环比值 Pic3双闭环比值 主流量 设定值 主流量 副流量 主测量变送 副测量变送 副控制器副控制阀副流量对象 F M KF M F S K - 主流量对象 主控制阀 主控制器 - 副流量 设定值 Pic4变比值 F M 测量变送 比值控制器 执行器副流量对象 - 主对象 (变换炉) 测量变送 除法器 主控制器 - 主、测量变送 F S 2、如图所示的反应釜进行的是放热反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。 （1）当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级画出系统结构图。 （2）当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级画出系统结构图。 （3）对上述两种不同控制方案选择控制阀的气开、闭形式及主、副控制器的正、反作用。 答：（1） （2） （3 ）选择气闭，上述两种情况均为主控制器反作用，副控制器正作用。 3、某前馈-串级控制系统如图所示。已知： ;1 23)(;1)()(;2)(;9)()(012121+= =====s s G s G s G S G S G S G m m V C C ;1 25 .0)(;123)(02+=+= s s G s s G f 要求：（1）绘出该系统方框图。（2）计算前馈控制器的数学模型。3）假定控制阀为气开式，试确定各控 制器的正/反作用。 答：（1） ) (s G f ) (1s G c ) (s H ) (s R ) (2s G p ) (2s G c ) (s G d ) (1s G p ) (s Y ) (s D (2) )()()() ()(1)()(1)() ()(112222s G s G s H s G s G s G s G s G s D s Y p c p c p c d ++= )()()()()(1)()(1) ()()(1) ()() (11222212 222s G s G s H s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G p c p c p c p p c p c ff ++ ++=0 求的，Gff （s ）= （3）主为正作用，副为反作用。 3、有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似. 请问如何区分它们 试分析图3所示的两个系统各属于什么系统 说明其理由.《过程控制工程》期末考试复习题及参考答案
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