过程控制系统与仪表课后习题答案完整版

第1章 思考题与习题

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 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？

解答：

过程控制系统：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：参照图1-1。

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？ 解答：

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

1-5 什么是定值控制系统?

解答：

在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。

1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？

解答：

被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。

被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。

二者之间的关系：

1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更

关注其动态特性？ 解答： 稳态：

对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达 到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静 止状态，这种状态称为稳态（或静态）。

动态：

从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统 又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。

在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。

1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？

解答：

单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。

衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；

过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A；

超调量：第一个波峰值y1与最终稳态值y（?）之比的百分数?；

1

y1?100% y(?)残余偏差C： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（?）与设定值之

??间的偏差C称为残余偏差，简称残差；

调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；

振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；

峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。

1-10 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最大不得超

过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-4所示。试求该系统过渡过程的单项性能指标：最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？ 解答：

1最大动态偏差A：A?950?C?900?C?50?C ○

950?9002衰减比n：n?○?5:1 910?9003振荡周期T：T?45?9?36(min) ○

A<80?C, 且n>1 (衰减振荡)，所以系统满足工艺要求。

第2章 思考题与习题

2-1 某一标尺为0～1000℃的温度计出厂前经校验得到如下数据： 标准表读数/℃ 被校表读数/℃ 0 0 200 201 400 402 600 604 800 806 1000 1001 求：1）该表最大绝对误差；

2）该表精度；

3）如果工艺允许最大测量误差为±5℃，该表是否能用？

2-2 一台压力表量程为0～10MPa，经校验有以下测量结果： 标准表读数/MPa 被校表正行程 0 0 2 1.98 4 3.96 6 5.94 8 7.97 10 9.99 2

读数/MPa 反行程 0 2.02 4.03 6.06 8.03 10.01 求：1）变差；

2）基本误差；

3）该表是否符合1.0级精度？

2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa，精度等级为1.0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5.08MPa，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？

解答： 1）基本误差?=

?100%

5.08?5?100%?0.8% 10最大绝对误差?max＝0.01×10＝0.1MPa 2）校验点为5 MPa时的基本误差：??0.8％<1％ ，所以符合1.0级表。

2-4 为什么测量仪表的测量范围要根据被测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题？

解答： 1） 2）

2-5 有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为

1) 1.0级，0～250mA 2）2.5级，0～75mA

现要测量50mA的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？ 解答：

分析它们的最大误差：

2.5?100%??5% 501.8752）?max＝75×2.5％＝1.875mA；????100%??3.75%

50选择2.5级，0～75mA的表。

1）?max＝250×1％＝2.5mA；???

2-11 某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃，输出为4～20mA。当变送器

3

输出电流为10mA时，对应的被测温度是多少？

解答：

1000?200T?； T=500?C。

20?410

2-12 试简述弹簧管压力计的工作原理。现有某工艺要求压力范围为1.2±0.05MPa，可选用的弹簧管压力计精度有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和0～4MPa。请说明选用何种精度和量程（见附录E）的弹簧管压力计最合适？

解答： 1）工作原理：

2）根据题意：压力范围为1.2＋0.5 MPa，即允许的最大绝对误差?max＝0.05 1分析选用不同量程的表所需的精度等级： ○

0.05 0～1.6 MPa量程：????100%??3.125%，可选2.5级表；

.601.050～2.5 MPa量程：????100%??2%，可选1.5或2.0级表；

2.50.050～4.0 MPa量程：????100%??1.2%，可选1.0级表。

4.02量程选择：被测最大压力＝1/3～2/3量程上限 ○

1.2320～1.6 MPa量程：??

11.61.24230～2.5 MPa量程：??

32.5311.20～4.0 MPa量程：?0.3?

4.03综合分析，选用1.5级或2.0级，0～2.5 MPa量程的表最合适。

2-13 如果某反应器最大压力为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0～1.0MPa，精度为1级的压力表，能符合要求吗？试说明其理由。

解答：

工艺要求：最大压力为1.0MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。 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0～1.6MPa的表，其最大绝对误差： ?1.6max＝1.6×1％＝0.016 MPa，> 0.01 MPa, 所以不符合要求； 2）精度为1级，量程为0～1.0MPa的表，其最大绝对误差：

?1.0max＝1.0×1％＝0.01 MPa，＝ 0.01 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。

4

解答：

1）滞后特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后。

2）容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后。 纯滞后：在生产过程中还经常遇到由（物料、能量、信号）传输延迟引起的纯

滞后。

5-9 对图5-40所示的液位过程，输入量为Q1，流出量为Q2、Q3，液位h为被控参数，水箱截面为A，并设R2、R3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H(s)Q1(s)，并写出放大倍数K和时间常数T的表达式。

解答： ?Q1??Q2??Q3?Ad?hdt?h?Q2?（1）

R2（2）框图如图： ?Q3?

?hR3

H(s)R2R3? Q1(s)AR2R3s?R2?R3（3）

5-10 以Q1为输入、h2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

15

递函数H2(s)Q1(s)。

d?h1dt?h1?h2?Q2??R2R2d?h2dt解答：

?Q1??Q2?A11）方程组：

?Q2??Q3?A

?Q3??h2R3H2(s)R3? Q11(s)T1T2s2?(T1?T2?T12)s?132）传递函数：

式中：T1?A1R2,T2?A2R3,T12?A1R3

3）过程框图：

5-12 何为测试法建模？它有什么特点？

解答：

1）是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数学模型。 2）可以在不十分清楚内部机理的情况下，把被研究的对象视为一个黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性。

5-13 应用直接法测定阶跃响应曲线时应注意那些问题？

解答：P139

（1）合理地选择阶跃输入信号的幅度 （2）试验时被控过程应处于相对稳定的工况 （3）要仔细记录阶跃曲线的起始部分 （4）多次测试，消除非线性

16

5-14 简述将矩形脉冲响应曲线转换为阶跃响应曲线的方法；矩形脉冲法测定被控过程的阶跃响应曲线的优点是什么？

解答：P139～P140 1） 2）

5-15 实验测得某液位过程的阶跃响应数据如下： ts 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 … hcm 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 …

当阶跃扰动为???20%时： （1）画出液位的阶跃响应曲线；

（2）用一阶惯性环节加滞后近似描述该过程的动态特性，确定K、T、?。

解答： （1） （2）

第6章 思考题与习题

6-1 简单控制系统由几个环节组成？

解答：

测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。

6-2 简述控制方案设计的基本要求。

解答：

安全性、稳定性、经济性。

6-3 简单归纳控制系统设计的主要内容。

17

解答：

1）控制系统方案设计； 2）工程设计；

3）工程安装和仪表调校； 4）调节器参数整定。

6-4 过程控制系统设计包括哪些步骤？

解答：P174

（1）熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标 （2）建立被控过程的数学模型 （3）控制方案的确定 （4）控制设备选型 （5）实验（或仿真）验证

6-5 选择被控参数应遵循哪些基本原则？什么是直接参数？什么是间接参数？两者有何关系？

解答：

1）原则：必须根据工艺要求，深入分析、生产过程，找出对产品的产量和质量、生产安全、经济运行、环境保护、节能降耗等具有决定性作用，能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数。

2）直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数 3）间接参数：与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量，间接反映产品质量、生产过程的实际情况。

4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。

6-6 选择控制变量时，为什么要分析被控过程的特性？为什么希望控制通道放大系数

Ko要大、时间常数To小、纯滞后时间?o越小越好？而干扰通道的放大系数Kf尽可能小、

时间常数Tf尽可能大？

解答：

18

1）控制变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性密切相关。

2）控制通道的静态放大系数K0越大，系统的静态偏差越小，表明控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好。

时间常数T0小，被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时，从而获得良好的控制品质。

纯滞后?0的存在会使系统的稳定性降低。?0值越大，对系统的影响越大。 3）扰动通道的静态放大系数Kf越小，表明外部扰动对被控参数的影响越小。时间常数Tf越大，外部干扰f（t）对被控参数y（t）的影响越小，系统的控制品质越好。

6-7 当被控过程存在多个时间常数时，为什么应尽量使时间常数错开？

解答：P182

由自控理论知识可知，开环传递函数中几个时间常数值错开，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。

6-8 选择检测变送装置时要注意哪些问题？怎样克服或减小纯滞后？

解答：

1）P184-1、2、3、4 2）合理选择检测点。

6-9 调节阀口径选择不当，过大或过小会带来什么问题？正常工况下，调节阀的开度在什么范围比较合适？

解答：

1）调节阀口径选得过大，阀门调节灵敏度低，工作特性差，甚至会产生振荡或调节失灵的情况。

调节阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态，使系统暂时处于失控工况，这对扰动偏差的消除不利。

2）正常工况下要求调节阀的开度在15%-85%之间。

19

6-10 选择调节阀气开、气关方式的首要原则是什么？

解答：

保证人身安全、系统与设备安全是调节阀开、关作用方式选择的首要原则。

6-11 调节器正、反作用方式的选择依据是什么？

解答：

确定原则是整个单回路构成负反馈系统。

6-12 在蒸气锅炉运行过程中，必须满足汽-水平衡关系，汽包水位是一个十分主要的指标。当液位过低时，汽包中的水易被烧干引发生产事故，甚至会发生爆炸，为此设计如图6-28所示的液位控制系统。试确定调节阀的气开、气关方式和调节阀LC正、反作用；画出该控制系统的框图。

解答：见图2－28 1）调节阀：气关方式。 2）调节器：正作用。 3）框图：

6-13 在如图6-29所示的化工过程中，化学反应为吸热反应。为使化学反应持续进行，必须用热水通过加热套加热反应物料，以保证化学反应在规定的温度下进行。如果温度太低，不但会导致反映停止，还会使物料产生聚合凝固导致设备堵塞，为生产过程再次运行造成麻烦甚至损坏设备。为此设计如图6-29所示的温度控制系统。试确定调节阀的气开、气关方式和调节阀的TC正、反作用；画出该控制系统的框图。

解答：

1）调节阀：气开式。 2）调节器：反作用。 3）框图：

6-14 简述比例、积分、微分控制规律各自的特点。

20

解答：P193

1）比例控制：是最简单的调节规律，它对控制作用和扰动作用的响应都很迅速。比例调节只有一个参数，整定简便。比例调节的主要缺点是系统存在静差。

2）积分控制：积分调节的特点是没有静差。但它的动态偏差最大、调节时间长，只能用于有自衡特性的简单对象、很少单独使用。

3）微分控制：超前调节。

6-21 试比较临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法及经验法的特点。

解答：P201 临界比例度法：

衰减曲线法：

响应曲线法： 经验法：

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?T??1?C，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。

21

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：

第7章 思考题与习题

7-1 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？

解答：P212—7.1.2

7-2 分析串级系统的工作原理，说明为什么副回路的存在会使系统抑制扰动的能力增强。

解答：P208—7.1.1

7-5 在串级控制系统中当主回路为定值（设定值）控制时，副回路也是定值控制吗？为什么？

解答：P212

不是，副回路是随动控制。

7-8 在某生产过程中，通过加热炉对冷物料加热，根据工艺要求，需对热物料出口温度进行严格控制。对系统分析发现，主要扰动为燃料压力波动。故设计如图7-43所示的控制系统。要求： （1）画出控制系统框图；

22

（2）为保证设备安全，炉温不能过高。确定调节阀的气开、气关形式。 （3）确定两个调节器的正反作用。

解答：

（1）控制系统框图如图所示。 （2）气开式。

（3）副调节器：反作用； 主调节器：反作用。

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？

解答：

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。P221

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：P224—1）、2）

7-10 为什么一般不单独采用前馈控制方案？

解答：

由于前馈控制的局限性。

7-14 图7-44为一单回路水位控制系统。如果蒸气用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制系统，画出控制系统工艺流程图和框图，并对新增回路的功能进行简单说明。

解答：

1）控制系统工艺流程图如图所示。

控制系统框图如图所示。

2）新增回路功能说明：

23

7-19 物料比值K与控制系统比值系数K?有何不同？怎样将物料比值转换成控制系统比值系数K?？

解答：

1）K是工艺规定的流量比；K?是仪表信号之间的比例系数。 2）用P234式（7-37）和P235式（7-38）进行转换。

7-20 单闭环比值控制系统的主、副流量之比Q2Q1是否恒定？总物料Q总=Q1?Q2是否恒定？双闭环比值系统中Q2Q1与Q总的情况怎样？

解答： 1）恒定。 2）不能恒定。 3）都能恒定。

7-22 画出图7-45所示比值控制系统框图。该系统的总流量是否恒定？如果总流量不恒定，要作什么改动才能实现总流量恒定？

解答：

1）系统框图如图所示：图7-21a）。

2）是单闭环比值控制系统，总流量不能恒定。 3）采用双闭环比值控制系统，如图所示：图7-22。

7-28 在某化学反应器内进行气相反应，调节阀A、B分别用来控制进料流量和反应生成物的初料流量。为了控制反应器内压力，设计图7-46所示的分程控制系统。试画出其框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。

解答：

1）框图如图所示：

24

2）调节阀：A：气开；B：气关。 3）调节器：反作用。

7-30 图7-47所示的热交换器用来冷却裂解气，冷剂为脱甲烷塔的釜液。正常工况下要求釜液流量恒定，以保持脱甲烷塔工况稳定。但裂解气冷却后的出口温度不能低于15℃，否则裂解气中的水分会产生水合物堵塞管道。为此要设计一选择性控制系统，要求：

（1）画出系统流程图和框图；

（2）确定调节阀的气开、气关形式，调节器的正、反作用及选择器的类型。

解答：

25

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5g0.html