过程控制系统与仪表习题答案 自制

1-1 过程控制有哪些主要特点为什么说过程控制多属慢过程参数控制解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 原因：被控过程大多具有大惯性、大滞后的特点。

1-2 什么是过程控制系统典型过程控制系统由哪几部分组成一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。

组成：调节器。

执行器。

被控过程（对象）。

检测变送器1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P ）控制、比例积分（PI ）控制，比例、积分、微分（PID ）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。

通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）程序控制系统2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统3-9 试写出比例、积分、微分（PID ）三作用控制规律的数学表达式。

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎰dt de T edt T e P y D 111 3-10 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点，积分和微分为什么不单独使用1）比例控制及时、反应灵敏，偏差越大，控制力越强；但结果存在余差。

2）积分控制可以达到无余差；但动作缓慢，控制不及时，不单独使用。

3）微分控制能起到超前调节作用；但输入偏差不变时，控制作用消失，不单独使用。

3-14 PID 调节器中，比例度P 、积分时间常数I T 、微分时间常数D T 分别具有什么含义在调节器动作过程中分别产生什么影响若将I T 取∞、D T 取0，分别代表调节器处于什么状态比例度P 含义：使控制器的输出变化满量程时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。

比例作用的强弱取决于比例度的大小。

积分时间常数I T 含义：I T 越小，积分作用越强；越大积分作用越弱；若将I T 取∞，则积分作用消失。

7-1 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点串级控制系统由于引入副回路，使系统控制品质相对于单回路控制系统显着提高。

在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器的设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定制控制。

串级系统的主回路是定制控制系统，副回路是随动控制系统。

4-9 如图4-24所示的蒸气加热器对物料进行加热。

为保证控制系统发生故障时，加热器的耐热材料不被烧坏，试确定蒸气管道上调节阀的气开、气关形式。

解答：气开式调节阀。

从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。

如果控制信号中图断时，阀处于打开位置时危险性小，则应选用气关式调节阀；反之，若阀处于关闭位置时危险性小，则应选用气开阀。

7-9 简述前馈控制的工作原理，与反馈控制相比，它有什么优点和局限1）当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改变控制量，以抵消扰动对被控参数的影响。

2）优点：前馈控制器在扰动出现时立即进行控制，控制及时，对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。

局限：1.实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一个独立的监测装置和前馈控制器。

2.决定前馈控制器规律的Gf(s),Go1(s)和Gv(s)的精确表达式很难得到，即使得到了，也很难在物理上计算出Gb(s)。

7-18什么是比值控制系统常用比值控制系统方案有哪些比较其优点。

实现两个活两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，成为比值系统。

开环比值控制系统、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。

7-23什么是均值控制要求和目的。

均值控制是连续生产过程中，各种设备前后紧密联系的情况提出来的一种特殊控制。

目的和要求：均值控制通过对液体和流量两个变量同时兼顾的控制策略，是两个相互矛盾的变量相互协调，满足二者均在小范围内缓慢变化的要求。

7-25什么是分程控制简述分程控制的特点。

怎样实现分程控制在工业生产过程中，有事会遇到一个控制器去操控几个阀门，若按输出信号的不同区间操作不同的阀门，这样的控制系统就是分程控制系统。

特点：调节器输出信号分程，调节阀多。

通过阀门定位器来实现。

7-29什么是选择性控制通过实例简述选择性控制的基本原理。

凡是在控制回路中引入选择器的系统成为选择性控制。

选择器位于调节器的输出端，对调节器的输出信号进行选择的系统：两个调节器共用一个调节阀。

选择器位于调节器之前，对变送器的输出信号进行选择的系统：几个变送器合用一个调节器。

9-2 什么是直接数字控制（DDC）系统它主要包括哪些部分概念：用一台工业计算机配以适当的输入、输出设备，从输入通道获取生产过程的信息。

按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。

组成：被控过程、检测仪表、执行器、计算机系统（软件、硬件）。

9-6集散控制系统（DCS）最主要的特点是什么与传统的仪表控制系统和集中控制系统相比，有什么优点特点：集中管理和分散控制。

优点：采用危险分散、控制分散、而操作和管理集中的基本设计思想以及分层、分级和合作自治的结构形式，因此，集散控制系统不仅具有极高的可靠性、多功能性；而且人机联系便利，能够完成各类的数据采集和处理，实现各种复杂的高级控制。

5-3 建立被控过程数学模型的方法有哪些各有什么要求和局限性1）方法：机理法和测试法。

2）机理法：要求;要根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关平衡方程式。

局限：对生产过程的机理有充分的了解，能用比较准确的数学语言加以描述，需要充分而可靠的先验知识。

测试法：要求：通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。

局限：对被控过程内部机理有一定了解，首先需要设计一个合理的设计方案。

5-9 对图5-40所示的液位过程，输入量为1Q ，流出量为2Q 、3Q ，液位h 为被控参数，水箱截面为A ，并设2R 、3R 为线性液阻。

（1）列写液位过程的微分方程组；（2）画出液位过程的框图；（3）求出传递函数)()(1s Q s H ，并写出放大倍数K 和时间常数T 的表达式。

（1）3322321R hQ R h Q dthd A Q Q Q ∆=∆∆=∆∆=∆-∆-∆ （2）框图如图：（3） 3232321)()(R R s R AR R R s Q s H ++=2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa ，精度等级为级。

试问此压力表允许的最大绝对误差是多少若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa 时，标准压力计上读数为，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么1）基本误差δ=100%⨯ 最大绝对误差max ＝×10＝2）校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010508.5=⨯-=δ ％<1％ ，所以符合级表。

2-7 用一支K 型热电偶测某设备的温度，测得热电动势为，冷端温度为30度，求设备温度如果改用S 型热电偶来测，相同条件下，S 型测得热电动势应为多少E(t,0)=E(t,to)+E(to,0)=+=(mV) E(t,to)=E(t,0)-E(to,0)= SO 设备温度为520度。

（书后查表）5-10 以1Q 为输入、2h 为输出列写图5-10串联双容液位过程的微分方程组，并求出传递函数)()(12s Q s H 。

解答：1）方程组： 323232222121121R h Q dth d A Q Q R h R h Q dth d A Q Q ∆=∆∆=∆-∆∆-∆=∆∆=∆-∆2）传递函数：3122122131121)()()(++++=s T T T s T T R s Q s H 式中：3112322211,,R A T R A T R A T ===3）过程框图： 6-22 如图6-30所示热交换器，将进入其中的冷却物料加热到设定温度。

工艺要求热物料温度的C T ︒±≤∆1，而且不能发生过热情况，以免造成生产事故。

试设计一个简单控制系统，实现热物料的温度控制，并确定调节阀的气开、气关方式，调节器的正反作用方式，以及调节器的调节规律。

解答：1）被控参数选择：热交换器出口温度。

2）控制参数选择：载热介质流量。

3）检测仪表选择：温度传感器与温度变送器。

4）调节阀选择：○1 流量特性选择：对数流量特性。

○2 气开、气关方式选择：气开。

5）调节器选择：○1 调节规律选择：PI 或PID 。

○2 正反作用方式选择：反作用方式。

系统各环节正、负符号判别：被控过程：＋；变送器：＋；调节阀：＋；根据系统构成负反馈条件：各环节符号之积必为“－”，则调节器为“－”。

6）画出控制系统流程图：如图所示。

7）画出控制系统方框图：如图所示。

8）简述控制系统工作原理：2-13 如果某反应器最大压力为，允许最大绝对误差为。

现用一台测量范围为0～，精度为1级的压力表来进行测量，问能否符合工艺要求若采用一台测量范围为0～，精度为1级的压力表，能符合要求吗试说明其理由。

工艺要求：最大压力为，允许最大绝对误差为。

分别求出两台仪表的最大允许误差，进行判断。

1）精度为1级，量程为0～的表，其最大绝对误差：＝×1％＝MPa，> MPa, 所以不符合要求；2）精度为1级，量程为0～的表，其最大绝对误差：＝×1％＝MPa，＝MPa, 所以最大误差符合要求，但是压力表的最大测量值应≤ 2/3仪表量程，否则压力波动会使测量值超出仪表量程。

所以，该表也不符合要求。

6-16已知被控过程传递函数G（s）=10/(5s+1)(s+2)(2s+1),试用临界比例度法整定PI调节器参数。

6-20。