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。

1?1de?? y??e??edt?TD??P?T1dt?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TI、微分时间常数TD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TI取∞、TD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TI含义：TI越小，积分作用越强；越大积分作用越弱；若将TI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著提高。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。

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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

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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。

?Q1??Q2??Q3?A（1）

d?hdt?h ?Q2?R2?Q3??hR3（2）框图如图：

（3）

H(s)R2R3?Q1(s)AR2R3s?R2?R3

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？

1）基本误差?=

?100% 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：??5.08?5?100%?0.8% 0.8％<1％ ，所以符合1.0级表。 102-7 用一支K型热电偶测某设备的温度，测得热电动势为20.3mV，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)=20.3+1.203=21.503(mV) E(t,to)=E(t,0)-E(to,0)=4.432-0.173=4.295(mV) SO 设备温度为520度。（书后查表）

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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，并求出传递函数H2(s)Q1(s)。

解答：

?Q1??Q2?A1d?h1dt?h?h?Q2?1?2R2R21）方程组：

d?h2?Q2??Q3?Adt?h?Q3?2R3

2）传递函数： 式中：T1?A1R2, 3）过程框图：

H2(s)R3 ?Q11(s)T1T2s2?(T1?T2?T12)s?13T2?A2R3,T12?A1R3

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。 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。 ○

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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。

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。

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

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