过控技术与应用分析计算题（补充）
第一章
题型一过渡过程性能指标的计算
1.某化学反应器工艺规定操作温度为10900℃，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图示。
(1)试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、余差、衰减比和振荡周期
(2)该调节系统能否满足题中所给的工艺要求？
第二章
题型一方块图的绘制及其相关分析（正反作用是重点！）
1.★管式加热炉出口温度串级控制系统。
1）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？
2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向；
3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
解：1）
主对象：加热炉内加热管的管壁；副对象：加热炉的炉膛
主变量：原料的出口温度T1；副变量：炉膛内的温度T2；操纵变量：燃料的流量；
主扰动量f1：被加热原料的进口的温度、压力、流量
副扰动量f2：燃料油的压力、温度；雾化燃料油用的过热蒸汽的压力、流量；燃烧器的配风、炉膛的漏风以及环境温度等。
2）加热炉出口温度串级控制系统的方块图
3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度T2升高，原料油出口温度T1也会随之提高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器TC1，e1增大，主控制器输出u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差e2增大，副控制器的输出信号u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量燃料油m减小，炉膛温度T2下降，从而炉管内原料油出口温度T1也会随之下降。
2.★课本P.42例2-3
第三章
题型一压力、温度测量应变片的贴片位置（设计）及其相关计算
1.构件受载荷的作用如图示，已知构件截面：Φ20mm，为测量载荷P在构件上贴四个应变片，构成全
桥测量。
求：1）画出应变片在构件上的贴片示意图；2）画出应变片的连接线路图；
3）已知供桥电压U=5V，测出电桥输出电压ΔU=10mV，E=2×105MPa，求P=？
第四章
★题型一调节阀流量系数C的计算P171例4-3
第五章
★★★题型一AD转换器的计算
1.压力测量。已知：压力传感器输入0-1.6MPa，输出2-10V，12位AD转换器输入范围0-10V。求：AD
转换器输出值为3600时，对应的压力
解：12位AD转换器输入范围0-10V，输出：0-4095；
输入2V电压时，AD值为：819。
实验
★★题型一水槽液位对象特征参数的计算（作图法，双容）
已知：在阶跃激励出现前水槽液位为h1、h2，水槽进水流量为qv1，当水槽进水流量出现阶跃激励后，其流量变为qv1’，经历一段时间后水槽液位稳定在h1’h2’，数据如下表。（1）计算双容液位被控对象对象h2的放大系数K，用作图法求时间常数T1，T2，求出双容液位对象的数学模型。
(2)用作图法求出容量滞后时间c。
（3）分析双容液位对象中低位水槽液位变化的滞后现象。
（4）图形中高位水槽液位突然下降是什么因素造成的？
230 05年 三、计算题（共30分） 1、（6分）某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和回复时间（给定值200℃）。 解 最大偏差：A=230-200=30℃ 余 差 C=205-200=5℃ 由图上可以看出， 第一个波峰值 B=230-205=25，第二个波峰值B ’=230-205=5，故衰减比应为B ∶B ’ =25∶5=5∶1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故 周期T=20-5=15（min ） 过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2%，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×（±2%）=±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±4℃画一区域，图9-6中以画有阴影线区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min 。 2、（6分）某一燃烧煤气的加热炉，采用DDZ －III 型仪表组成温度单回路控制系统，温度测量范围0～1000℃，由温度变送器转换为4～20mADC 输出。记录仪刻度范围0～1000℃。当炉温稳定在800℃时，控制器输出为12mA 。此时手动改变设定值，突然使控制器输出变为16mA ，温度记录从800℃逐渐上升并稳定在860℃。从响应曲线上测得τ＝3min ，T P ＝8min 。如果采用P ，PI ，PID 控制器，采用响应曲线法求解各整定参数值。
条件1： 条件2： 响应曲线法整定参数 [解] 对照图12-12响应曲线，结合本控制系统求出： Δm ＝16－12＝4mA ，m max －m min ＝20－4＝16mA Δx ＝x (∞)－x (0)＝860－800＝60℃， x max －x min ＝1000－0＝1000℃ 代入式（12-2）得 由表12-9中PID 控制器参数计算式，算得： P(﹪)=83 7.47% 8 324.083=?=τP P T K T I ＝2τ＝2×3＝6min T D ＝0.5τ＝0.5×3＝1.5min 3、（9分）下图为水箱液位控制对象，其液体流入量为Q 1，改变调节阀1的开度μ1， 可以改变Q 1的大小。液体流出量为Q 2，它取决于用户的需要，可调节阀门2的开度来加以改变。液位h 的变化就反映了因液体流入量Q 1与流出量Q 2的不等，而引起水箱中 响应曲线法 x (
过程装备控制技术 及应用习题及参考答案 第一章控制系统的基本概念 1?什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含： ①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2. 自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y――被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）y s――对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值y m 由检测原件得到的被控变量的实际值； 操纵变量（或控制变量）m――受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰f――引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e） 被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u――控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3. 什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图
一、一、填空题（25分） 1、1、工业生产对过程装备的基本要求是（）、（）和（） 等。 2、2、压差式流量计的核心部件是（），常见的节流装置有（）、 （）和（）等。 3、3、液位是指（），常用的液位计有（）、（）、（）等。 4、4、在PID调节器中，需要整定的参数为（）、（）和（）。 5、5、调节阀的选型主要包括（）、（）、（）和（）等 内容。 6、6、计算机在过程控制中的应用类型一般可分为（）、（）、 （）、（）等几种类型。 7、7、PLC的程序表达方式常采用（）、（）和（）等方法。 二、二、判断改正题（10分） 1、1、一单纯比例控制的液位对象，只要比例度选择的合适，系统就能跟踪 并最终稳定到设定值。( ) 2、2、自动调节系统中，滞后的存在总不利于调节的。（） 3、3、时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越 短。（） 4、4、控制系统中直接产生控制作用的是控制信号。（） 5、5、串联管路中，随S值下降，调节阀的等百分比流量特性畸变趋近于直 线特性。 三、三、简答题（20分） 1、1、何为调节器参数的工程整定法，并简述临界比例度法进行参数整定的 过程。 2、2、试简要分析计算机控制系统与常规模拟控制系统的异同点。 3、3、试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理。 4、4、何为单容液位对象的自衡作用，并简要分析产生自衡作用的原因。 四、四、分析计算题（45分） 1、1、如图为一简单水槽液位控制系统，要求：（10分） （1）（1）画出本控制系统方框图。 （2）（2）系统被控变量、控制变量和检测变送环节各是什么？ （3）（3）系统调节机构的输入、输出量各是什么，属哪种调节规律，并推导出调节规律的数学表达式。
1.1.1 生产过程自动化系统所包含的内容：自动检测系统：采用检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传感器等）对温度、压力、流量、液位等 进行测量，自动控制的依据 ? 信号连锁系统：信号连锁系统是一种安全装置，包括信号报警和联锁保护 ，信号连锁系统的作用 ，在事故发生前，自动发出声光报警 信号，引起操作员的注意以便及早采取措施 ? 自动操作系统：按预先规定的程序周期性操作（如PLC 程序控制） ? 自动控制系统：根据实际的工艺参数变化进行自动调节（如PID 调节期、计算机数控等） 1、工业生产对过程装备的基本要求是（安全性；经济性；稳定性）等。 2、压差式流量计的核心部件是（节流装置 ），常见的节流装置有（孔板；喷嘴；文都利管 ）等。 3、液位是指（容器内液体介质液面的高低），常用的液位计有（浮力式；静压式；电容式；光纤式） 4、在PID 调节器中，需要整定的参数为（比例度；积分时间；微分时间）。 5、调节阀的选型主要包括（阀的口径选择；型式选择；固有流量特性选择；材质选择）等内容。 6、计算机在过程控制中的应用类型一般可分为（直接数字控制系统；监督控制系统；分级控制系统；集散控制系统）等几种类型。 7、PLC 的程序表达方式常采用（梯形图；语句表；逻辑功能图）等方法。 判断1、一单纯比例控制的液位对象，只要比例度选择的合适，系统就能跟踪并最终稳定到设定值。(错误。单纯的比例控制不可能消除余差) 2、自动调节系统中，滞后的存在总不利于调节的。（错误。控制通道的滞后总是不利的，但干扰通道中的容量滞后可以缓和干扰的影响，对控制系统有利。） 3、时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越短。（错误。时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越长） 4、控制系统中直接产生控制作用的是控制信号。（错误。控制系统中直接产生控制作用的是操纵变量。） 5、串联管路中，随S 值下降，调节阀的等百分比流量特性畸变趋近于直线特性。正确 三、简答题1、何为调节器参数的工程整定法，并简述临界比例度法进行参数整定的过程。1、所谓的工程整定法，就是避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控变量的过渡过程，来获取调节器参数的最佳数值。临界比例度法整定参数的步骤是：首先将调节器的积分、微分作用全部去除，在纯比例作用调节比例度，直至得到等幅振荡的阶跃干扰过渡过程，此时的比例度和振荡周期称为临界比例度和临界周期，最后按照相应的经验公式计算出调节器各参数的整定数值。临界比例度法参数整定是以闭环系统得到4:1衰减比，且有合适的超调量为目标的。 2、试简要分析计算机控制系统与常规模拟控制系统的异同点。2、计算机直接控制系统与常规模拟控制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程也相同，都是基于“检测偏差、纠正偏差”的控制原理。不同之处在于计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。 3、试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理。3、本质安全防爆型是指在正常和故障状态下，电路及设备产生的火花能量都不足于引起爆炸的防爆类型。它由两种场所、两种电路组成，即安装在危险场所的本质安全电路及安装在非危险场所的非本质安全电路，两者间采用防爆安全栅隔离。仪表的防爆性能是靠电路设计来实现和保证：采用低的工作电压和小的工作电流；用防爆安全栅将危险与非危险场所电路隔开；现场和控制室之间仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。 4、 何为单容液位对象的自衡作用，并简要分析产生自衡作用的原因。4、单容液位对象的自衡作用是指当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象的自身能重新恢复平衡的特性。产生的原因主要是出口阀的流量特性，即在流出变化量很小的情况下，流出量与液位成正比关系，即：s v R H q 2 四、分析计算题（45分）1、如图为一简单水槽液位控制系统，要求：（10分）（1） 画出本控制系统方框图。（2） 系统被控变量、控制变量和检测变送环节各是什么？ （3） 系统调节机构的输入、输出量各是什么，属哪种调节规律，并推导出调节规律的数学表达式。 2、聚合釜温度与流量的串级控制系统，如图所示，(10分)（1） 画出控制系统方框图。（2） 说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？（3） 分析系统不采用简单温度控制而采用串级温度、流量控制的原因。 3、如图为一牛奶干燥过程流程图，要保证产品质量，需严格控制干燥器的温度，试分析：（15分） （1） 影响干燥器温度的因素有哪些？（2） 合理选择系统控制变量，并说明原因。 （3） 画出控制系统方框图。
过程装备控制技术及应用试题 一、选择题（每题2分，共20分） 1、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 2、 DDZ-皿型仪表采用国际标准信号，现场传输信号是（4?20mADC ），控制联络信号为1?5VDC。 （A）0 ?10mADC ; （B）4 ?20mADC ; （C）1 ?5VDC ; （D）1 ?10VDC。 3、对于PID调节器（I的作用是消除静态偏差、D的作用是减小动态偏差）。 （A）I的作用是减小动态偏差、D的作用是消除静态偏差；（B）l的作用是消除静态偏差、D的作用是消除动态偏差；（C）l的作用是消除动态偏差、D的作用是减小静态偏差；（D）l的作用是消除静态偏差、D的作用是减小动态偏差。 4、因为（微分动作）对于干扰的反应是很灵敏的。因此，它常用于温度的调节，一般不能用于压力、流量、液位的调节。 （A）比例动作；（B）积分动作；（C）微分动作；（D）比例积分。 5、调节系统中用临界比例带法整定参数的具体方法是（先将Ti置最大，TD置最小，SP置较大）。 （A）先将Ti置最大，TD置最小，SP置较大；（B）先将Ti置最小，TD置最大，SP置较大；（C）先将Ti置最小，TD 置最小，SP置较小；（D）先将Ti置最小，TD置最小，SP置较大。 6、调节对象在动态特性测试中，应用最多的一种典型输入信号是（阶跃函数）。 （A）阶跃函数；（B）加速度函数；（C）正弦函数；（D）指数函数。 7、霍尔压力变送器是利用霍尔效应把压力作用下的弹性元件位移信号转换成（电动势）信号，来反应压力的变化。 （A）电流；（B）相位；（C）电动势；（D）以上都是 8、要使PID调节器为比例规律，其积分时间Ti和微分时间TD应设置为（^、0 ）。 （A）g 汽（B）g 0 ；（C）0、0；（D）0、g 9、动态偏差是指调节过程中（被调量与给定值）之间的最大偏差。 （A）被调量与调节量；（B）调节量与给定值；（C）被调量与给定值；（D）以上都不是 10、需要知道对象的动态特性，才能进行参数整定的工程方法是____________ 。 A、临界比例带法 B、衰减曲线法 C、响应曲线法 D、广义频率法 二、填空题（每空2分，共30分） 1、工业生产对过程装备的基本要求是________________ 、_____________ 、__________ （安全性；经济性；稳定 性）等 2、在阶跃干扰作用下，自动控制系统的过度过程有哪几种基本形 式_____________ 、_____________ 、__________ 、 __________ 。①发散振荡过程② 等幅振荡过程③衰减 振荡过程④非振荡的单调过程
1.1.1生产过程自动化系统所包含的内容：自动检测系统：采用检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传 感器等）对温度、压力、流量、液位等进行测量，自动控制的依据 ?信号连锁系统：信号连锁系统是一种安全装置，包括信号报警和联锁保护，信号连锁系统的作用， 在事故发生前，自动发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施 ?自动操作系统：按预先规定的程序周期性操作（如PLC程序控制） ?自动控制系统：根据实际的工艺参数变化进行自动调节（如PID调节期、计算机数控等） 1、工业生产对过程装备的基本要求是（安全性；经济性；稳定性）等。 2、压差式流量计的核心部件是（节流装置），常见的节流装置有（孔板；喷嘴；文都利管）等。 3、液位是指（容器内液体介质液面的高低），常用的液位计有（浮力式；静压式；电容式；光纤式） 4、在PID调节器中，需要整定的参数为（比例度；积分时间；微分时间）。 5、调节阀的选型主要包括（阀的口径选择；型式选择；固有流量特性选择；材质选择）等内容。 6、计算机在过程控制中的应用类型一般可分为（直接数字控制系统；监督控制系统；分级控制系统； 集散控制系统）等几种类型。 7、PLC的程序表达方式常采用（梯形图；语句表；逻辑功能图）等方法。 判断1、一单纯比例控制的液位对象，只要比例度选择的合适，系统就能跟踪并最终稳定到设定值。(错误。单纯的比例控制不可能消除余差) 2、自动调节系统中，滞后的存在总不利于调节的。（错误。控制通道的滞后总是不利的，但干扰通道 中的容量滞后可以缓和干扰的影响，对控制系统有利。） 3、时间常数越大，表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越短。（错误。时间常数越大， 表示对象受干扰作用后，到达新稳态值所需的时间越长） 4、控制系统中直接产生控制作用的是控制信号。（错误。控制系统中直接产生控制作用的是操纵变量。） 5、串联管路中，随S值下降，调节阀的等百分比流量特性畸变趋近于直线特性。正确 三、简答题1、何为调节器参数的工程整定法，并简述临界比例度法进行参数整定的过程。1、所谓的 工程整定法，就是避开被控对象的特性和数学描述，在被控对象运行时，直接在控制系统中，通过改变调节器参数，观察被控变量的过渡过程，来获取调节器参数的最佳数值。临界比例度法整定参数的步骤是：首先将调节器的积分、微分作用全部去除，在纯比例作用调节比例度，直至得到等幅振荡的阶跃干扰过渡过程，此时的比例度和振荡周期称为临界比例度和临界周期，最后按照相应的经验公式计算出调节器各参数的整定数值。临界比例度法参数整定是以闭环系统得到4:1衰减比，且有合适的超调量为目标的。 2、试简要分析计算机控制系统与常规模拟控制系统的异同点。2、计算机直接控制系统与常规模拟控 制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程也相同，都是基于“检测偏差、纠正偏差”的控制原理。不同之处在于计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数、状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的。 3、试简要分析本质安全防爆系统的防爆原理。3、本质安全防爆型是指在正常和故障状态下，电路及 设备产生的火花能量都不足于引起爆炸的防爆类型。它由两种场所、两种电路组成，即安装在危险场所的本质安全电路及安装在非危险场所的非本质安全电路，两者间采用防爆安全栅隔离。仪表的防爆性能是靠电路设计来实现和保证：采用低的工作电压和小的工作电流；用防爆安全栅将危险与非危险场所电路隔开；现场和控制室之间仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。 4、何为单容液位对象的自衡作用，并简要分析产生自衡作用的原因。4、单容液位对象的自衡作用 是指当输入变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象的自身能重新恢复平衡的特性。产生的原因主要是出口阀的流量特性，即在流出变化量很小
1. 什么是被控对象的控制通道?什么是干扰通道? 答:对一个被控对象来说,输入量是扰动量和操纵变量,而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道;扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道 2. 被控对象的特性是由生产工艺过程和工艺设备决定的,在控制系统的设计中是无法改变的。 3. 被控对象数学描述推导依据的:物料平衡和力学平衡. 4. 传感器的主要组成部分:敏感元件、转换元件、测量电路与其他辅助部件组成. 5. 力平衡式压差变送器主要组成部分:测量部分、放大器和反馈部分。 6,. 温度变送器类型:直流毫伏、电阻体温度和热电偶温度变送器. 7.试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。 答:电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种:四线制和两线制,四线制中, 供电电源通过两根导线接入,另两根导线与负载电阻R2相连,输出0~10mA DC 信号。这种连线方式中,同变送器连接的导线共有4根,成为四线制,如图(a所示。如图b中所示,同变送器连接的导线只有两根,同时传送变送器所需的电源电压和4~20mA DC输出电流,称为两线制。 8.何为基型调节器?它具有哪些主要特点? 答:基型调节器是一种具有PID运算功能,并能对被调参数,给定值及阀门位置进行显示的调节器。 特点:①采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件,提高万仪表的精度,稳定性和可靠性,降低了能耗。
②有软、硬两种手动操作方式,软手动与自动之间由于有保持状态而使调节器输出能够长期保持,因而在互相切换时具有双向无平衡无抗扰特性,提高了操作性能。 ③采用集成电路便于各种功能的扩展。 ④采用标准信号制,接受1-5V DC测量信号,输出4~20mA DC信号,由于空气受点不是从零点开始的,故容易识别断电、断线等故障 ⑤能与计算机联用。 9.什么是自动控制系统的方框图?它与工艺流程图有什么不同? 答:自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线(带有箭头的线段、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分,方块内填入表示其自身特性的数学表达式;方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系,以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号,表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接,借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程,即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。10.在自动控制系统中,什么是干扰作用?什么是控制作用?两者有什么关系?答:干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用;控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象,通过改变操纵变量克服干扰作用,使被控变量保持在给定值,两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用,不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值,而控制作用是使被控变量接近给定值。 11.什么是自动控制系统的过度过程?在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式? 其中哪些能满足自动控制的要求,哪些不能,为什么?
《过程装备控制技术及应用》 （第二版） 王毅、张早校 化学工业出版社 思考题与习题及参考答案 第一章控制系统的基本概念 1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？ 答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值；
操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。 4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？ 答：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？
第一章控制系统的基本概念 1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含： ①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值； 操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素； 偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。 4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？
1. 过程装备的三项基本要求过程装备的三项基本要求：安全性、经济性和稳定性. A.安全性:指整个生产过程中确保人身和设备的安全 B.经济性:指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而效率高 C.稳定性:指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力. 2. 过程装备控制的主要参数：温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等. 3. 流程工业四大参数：温度、压力、流量、液位（或物位） 4. 控制系统的组成控制系统的组成:(1)被控对象 (2)测量元件和变送器 (3)调节器 (4)执行器 5. 控制系统各参量及其作用:1.被控变量 y 指需要控制的工艺参数，它是被控对象的输出信号 2.给定值（或设定值) ys 对应于生产过程中被控变量的期望值 3.测量值 ym 由检测元件得到的被控变量的实际值 4.操纵变量（或控制变量）m 受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号 5.干扰（或外界扰动）f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素 6.偏差信号 e 在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差 7.控制信号u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 6. 控制系统的分类（1）控制系统的分类：按给定值 a 定值控制系统；随动控制系统；程序控制系统（2） b c 按输出信号的影响 a 闭环控制；b 开环控制（3）按系统克服干扰的方式 a 反馈控制系统；b 前馈控制系统；c 前馈-反馈控制系统 7. 控制系统过度过程定义：从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内，然而这一回复并不是瞬间完成的，而是要经历一个过程，这个过程就是控制系统的过渡过程。 8. 阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点（1）发散振荡过程：这是一种不稳定的阶跃干扰下过渡过程的基本形式及其使用特点：过渡过程，因此要尽量避免（2）等幅振荡过程：被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变，这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用（3）衰减振荡过程：被控变量在稳定值附近上下波动，经过两三个周期就稳定下来，这是一种稳定的过渡过程（4）非振荡的过渡过程：是一个稳定的过渡过程，但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢，时间长，一般不采用。 9. 评价控制系统的性能指标（1）以阶跃响应曲线形式表示的质量指标: A.最大偏差 A（或评价控制系统的性能指标：超调量σ） B.衰减比 n C. 过渡时间 ts D.余差 e E.振荡周期 T （2）偏差积分性能指标: A.平方误差积分指标（ISE） B.时间乘平方误差积分指标（ITSE）C.绝对误差积分指标（IAE） D.时间乘绝对误差积分指标（ITAE） 10. 被控对象特性的定义被控对象特性的定义：就是当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度等）。 11. 连续生产过程所遵守的两个最基本的关系：物料平衡和能量平衡。即静态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）等于从系统中流出的物料（或能量）；动态条件下，单位时间流入对象的物料（或能量）与从系统中流出的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）存储量的变化率。 12. 有自衡作用和无自衡作用单容液位对象的区别有自衡作用和无自衡作用单容液位对象的区别：A.自衡特性有利于控制，在某些情况下，使用简单的控制系统就能得到良好的控制质量，甚至有时可以不用设置控制系统。B.无自衡特性被控对象在受到扰动作用后不能重新恢复平衡，因此控制要求较高。对这类被控对象除必须施加控制外，还常常设有自动报警系统。 13. 一阶被控对象一阶被控对象：它是一个一阶常系数微分方程，具有该特性的被控对象叫一阶被控对象. 14. 描述被控对象特性的参数及其对对象控制质量的影响（1）放大系数 K 对控制通道，K 描述被控对象特性的参数及其对对象控制质量的影响：值大，控制灵敏，但被控变量不易控制，系统不稳定；对干扰通道，K 值越小，相同干扰产生的作用越小，利于控制。（2）时间常数 T 不同通道,时间常数对系统的影响：对控制通道，若时间常数 T 大，则被控变量的变化比较缓和，一般来讲，这种对象比较稳定，容易控制，但缺点是控制过于缓慢；若时间常数 T 小，则被控变量的速度变化快，不易控制。因此，时间常数太大或太小，对过程控制都不利；对干扰通道，时间常数大有明显的好处，使干扰对系统的影响变得比较缓和，被控变量的变化平稳，对象容易控制。（3）滞后时间不同通道、不同滞后对控制性能的影响：对控制通道，滞后的存在不利于控制；对于干扰通道，作用不一，纯滞后是只是推迟了干扰作用的时间，因此对控制质量没有影响；容量滞后则可以缓和干扰对被控对象的影响，因而对控制系统是有利的。 15. 单回路控制系统参数选择的原则（1）被控变量的选择基本原则；被控变量信号最好是单回路控制系统参数选择的原则：能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小。若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量。被控变量必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定。被控变量必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。（2）操纵变量的选择；使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好；使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。（3）检测变送环节：检测变送环节在控制系统中起着获取信息和传送信息的作用。①减小纯滞后的方法，正确选择安装检测点位置，使检测元件不要安装在死角或容易结焦的地方。当纯滞后时间太大时，就必须考虑使用复杂控制方案。②克服测量滞后的方法，一是对测量元件时间常数进行限定。尽量选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象的时间常数的十分之一以下为宜；二是在测量元件后引入微分环节，达到超前补偿。在调节器中加入微分控制作用，使调节器在偏差产生的初期，根据偏差的变化趋势发出相应的控制信号。③减小信号传递滞后的方法，尽量缩短气压信号管线长度，一般不超过 300m；较长距离的传输尽量转换成电信号；在气压管线上加气动继电器，以增大输出功率；按实际情况尽量采用基地式仪表等。 16. 基本调节规律：A.断续调节：位式；B.连续调节：比例、积分、微分。 17. PID 调节器的参数整定：整定内容；调节器的比例度δ，积分时间 T1 和微分时间 TD。整定方法；①经验试凑法，②临界比例度法，③衰减曲线法。 18. 复杂控制系统的分类分类：①为提高响应曲线的性能指标而开发的控制系统； ②为某些特殊目的而开发的控制系统。 19. 串级控制系统的工作原理：串级控制系统由两套检测变送器，两个调节器，两个被控对象和一个调节阀组成，其中两个调节器串联起来工作，前一个调节器的输出作为后一个调节器的给定值，后一个调节器的输出才送往调节阀。串级控制系统与简单控制系统有一个显著的区别，它在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，成为副环或副回路，在控制过程中起着“初调”的作用，一个闭环在外面，称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以保证被控变量满足工艺要求。 20. 串级控制系统的工作特点控制系统的工作特点：①能迅速克服进入副回路的干扰②能改善被控变量的特性，提高系统克服干扰的能力③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。 21. 串级控制系统的适用对象：凡是可以利用上述特点之一来提高系统的控制品质的场合，都可以采用串级控制系统，特别是在被控对象的容量滞后大，干扰强，要求高的场合，采用串级控制可以获得明显的效果。 22. 主副回路的选择依据主副回路的选择依据：让主要干扰位于副回路。23. 前馈控制相较于反馈控制的特点：在反馈控制中，信号的传递形成了一个闭环系统，而在前馈控制中，则只有一个开环系统,闭环系统存在一个稳定性的问题，调节器参数的整定首先要考虑这个稳定性问题，但是，对于开环控制系统来讲，这个稳定性问题是不存在的，补偿的设计主要是考虑如何获得最好的补偿效果。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控变量始终保持不变，或者说兑现了“不变性”原理。 24. 前馈-反馈控制系统：在工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对被控变量最终检验的长处，是一种适合化工过程控制的控制方法。 25. 系统误差：指在相同条件下，多次测量同一被测量值的过程中出现的一种误差，它的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。 26. 随机误差:又称偶然误差，它是在相同条件下多次测量同一被测量值的过程中所出现的绝对值和符号以不可预计的方式变化的误差。 27. 粗大误差：明显的歪曲测量结果的误差称为粗大误差，这种误差时由于测量操作者的粗心，不正确的操作，实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙实验等原因所造成的。 28. 减小误差的方法：①标准法：预先测出系统误差，然后对测量值进行修正。由于修正值本身存在一定误差，因此这种方法只适用于工程测量，②零示法：测量误差与读数误差无关，主要取决于已知的标准量，但要求指示器灵敏度足够高，如电位差计（平衡式电桥）。③代替法：用已知量来代替被测量的测量方法。④交换法：将引起系统误差的某些条件相互交换以达到减小或消除误差的方法。（例如等臂天平称量物体时），此外还有对称法、微差法、比较法等。 29. 仪表的绝对误差：仪表指示值与被测变量真值之间的代数差. 30. 仪表的相对误差：测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比. 31. 仪表的引用误差：绝对误差与仪表的量程之比. 32. 仪表的精度等级：工业自动化仪表通常根据引用误差来评定其精确度等级，并规定用允许引用误差限去掉百分号后的数字来表示精度等级。如精度等级为 1.0 级的仪表其允许引用误差为 1.0%。精密等级值越低的仪表其精确度越高。 33. 流量的概念：流量是指单位时间内流过某一截面的流体数量的多少。 34. 流量计的分类：A 压差式流量计，B 转子式流量计、C 电磁式流量计 35. 压差式流量计的工作原理：当充满管道的流体流经节流装置时，流束收缩，流速提高，静压减小，在节流装置前后会产生了一定的压差。这个压差的大小与流量有关，根据它们之间的关系即可得到流量的大小。 36. 压差式流量计结构上的核心部件：核心部件是节流装置，包括节流元件，取压装置以及其前后管段。 37. 常见的节流装置分类：孔板，喷嘴，文都利管. 38. 液位的概念：液位是指液体介质液面的高低。 39. 液位计的分类：按工作原理可分为直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式。 40. 静压式液位计的工作原理：通过测量某点的压力或该点与另一参考点的压差来间接测量液位。 41. 变送器的作用:将测量元件的输出信号转换为一定的标准信号，送后续环节显示、记录或调节。 42. 变送器的分类：变送器按驱动能源不同的分类:气动变送器，电动变送器。 43. 气动变送器和电动变送器的区别：气动变送器是以压缩空气为驱动能源，电动变送器是以电力为能源。 44. 常用的标准信号：电压(1-5V DC)，电流(4-20mA)，气压(20-100kPa)信号。 45. 常见的气动元件和组件：1.气阻 2.气容 3.阻容耦合组件:(1)节流通室(2)节流盲室 4. 喷嘴-挡板机构 46. 安全火花的定义安全火花的定义：指该火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。 47. 自动化仪表的防爆结构类型及各自特点：①隔爆型，仪表的电路和接线端子全部置于隔爆壳体中，表壳的强度足够大，表壳接合面间隙足够深，最大的间隙宽度又足够窄，即使仪表因事故产生火花，也不会引起仪表外部的可燃性物质发生爆炸。②本质安全防爆型，防爆性能好，理论上适用于一切危险场所；安全性能不随时间而变化；可在线进行维修、调整。 48. 安全防爆系统的构成及工作原理：安装在危险场所中的本质安全电路及安装在非危险场所中的非本质安全电路。为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路中，在两者之间采用了防爆安全栅，使整个仪表系统具有本质安全防爆性能。 49. 执行器按工作能源的分类：气动执行器、电动执行器、液动执行器 50. 电动执行器的分类：1.按照输入位移的不同，电动执行机构可分为角行程（DKJ 型）和直行程（DKZ 型）；2.按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。 51. 调节阀的理想流量特性：在调节阀前后压差一定的情况下的流量特性称为调节阀理想流量特性，根据阀芯形状不同，主要有直线，等百分比（对数），抛物线及快开四种理想流量特性。 52. 调节阀的工作流量特性：在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。 53. 常见的流量特性分类及其使用特性：A.理想流量特性①直线流量特性，在流量小时，流量的变化值大，而流量大时，流量变化的相对值小。因此具有直线流量特性的调节阀不宜用于负荷变化较大的场合。②对数流量特性，适应能力强，在工业过程控制中应用广泛。③快开流量特性，主要用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统。④抛物线流量特性，介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。 B.工作流量特性①串联管道工作流量特性②并联管道工作流量特性. 54. 串联管道工作流量特性:系统的总压差ΔP 等于管路系统的压差ΔP1 与调节阀的压差Δ Pv 之和.系统管道的压差与通过的流量的平方成正比,若系统的总压差ΔP 不变,调节阀一旦动作, ΔP1 将随着流量的增大而增加,调节阀两端的压差ΔPv 则相应减少.以 S 表示调节阀全开时阀上的压差ΔPv 与系统总压差ΔP 之比,S=1 时，工作特性与理想特性一致；随着 s 值减小，管道阻力损失增加，实际可调比减小，流量特性发生畸变，由直线趋于快开，等百分比趋于直线。实际使用中，S 过大或过小都不合适，通常希望介于 0.3-0.5. 55. 调节阀选型内容：口径、型式、固有流量特性、材质. 56. 调节阀的可调比:调节阀能够控制的最大流量与最小流量之比,即R=qvmax/qvmin . qvmin 不等于阀的泄漏量, qvmin 指阀能控制的流量下限,一般为(2%--4%)qvmin,而阀的泄漏量指阀处于关闭状态下的泄漏量,一般小于0.1%C(C 为流量系数). 57. 进行电-气或气-电转换的原因:控制系统中调节执行单元品种繁多，电、气信号常混合使用，需进行电-气或气-电转换. 58. 电-气转换器及电-气阀门定位器：A.电-气转换器作用:将从电动变送器来的电信号变成气信号，送气动调节器或气动显示仪表。工作原理：力矩平衡原理 B.电-气阀门定位器作用：将电动调节器输出信号变成气信号去驱动气动调节阀主要功能：电气转换+气动阀门定位工作原理：力矩平衡原理. 59. 计算机控制系统的组成:计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大
练习题 一、填空题1．定比值控制系统包括：（开环比值控制系统）、（单闭环比值控制系统）和（双闭环比值控制系统）。 2．控制阀的开闭形式有（气开）和（气关）。3．对于对象容量滞后大和干扰较多时，可引入辅助变量构成（串级）控制系统，使等效对 象时间常数（减少），提高串级控制系统的工作频率。 4．测量滞后包括测量环节的（容量滞后）和信号测量过程的（纯滞后）。5．锅炉汽包水位常用控制方案为：（单冲量水位控制系统）、（双冲量控制系统）、（三冲量控制系统）。 6．泵可分为（容积式）和（离心式）两类，其控制方案主要有：（出口直接节流）、（调节泵的转速）、（调节旁路流量）。 7．精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（约束条件控制）和（质量控制）。 1.前馈控制系统的主要结构形式包括：单纯的前馈控制系统、（前馈反馈控制系统）和（多变量前馈控制系统）。 2.反馈控制系统是具有被控变量负反馈的闭环回路，它是按着（偏差）进行控制的；前馈控制系统是按（扰动）进行的开环控制系统。 3.选择性控制系统的类型包括：（开关型）、（连续型）和（混合型）。 4.常用控制阀的特性为（线性）、（快开）、（对数）、和（抛物线）特性。 5.阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的（快速性）、（经济性）、（合理性）、和（有效性）基础上发展起来的一种控制系统。 6.压缩机的控制方案主要有：（调速）、（旁路）和节流。 7.化学反应器在石油、化工生产中占有很重要的地位，对它的控制一般有四个方面，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（质量控制）和（约束条件控制）。 二、简答题1．说明生产过程中软保护措施与硬保护措施的区别。 答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。而硬保护措施将使得生产设备停车。 2．前馈控制主要应用在什么场合？答：前馈控制主要用于下列场合： （1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（2）主要干扰是可测不可控的变量； （3）对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。 3．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答：串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。