过程控制系统与习题答案

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1、过程控制系统与仪表习题与思考题解答第 1 1 章 思考题与习题1-11-1 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 1控制对象复杂、控制要求多样2.2. 控制方案丰富3 3控制多属慢过程参数控制4 4定值控制是过程控制的一种主要控制形式5 5过程控制系统由规化的过程检测控制仪表组成1-21-2 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 1-11-1。1-41-4 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

2、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 P）控制、比例积分（PIPI）控制，比例、积分、微分（ P P I I D D ）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 1按设定值的形式不同划分： （ 1 1）定值控制系统

3、（ 2 2）随动控制系统（ 3 3）程序控制系统2 2按系统的结构特点分类： （ 1 1）反馈控制系统（ 2 2）前馈控制系统（ 3 3）前馈 反馈复合控制系统1-51-5 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。1-61-6 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：1-71-7 试说明定值控制系统稳态与

4、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

5、好的控制系统。1-81-8 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 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超调量：第一个波峰值 与最终稳态值 y y ()之比的百分数yi100%y()残余偏差 C C：过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y y ()与设定值之间的偏差 C 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；A A；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰

6、(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。1-1-1010 某被控过程工艺设定温度为900900C，要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过8080C。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1-41-4 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 :A 950 C 900 C 50 C2衰减比 n n：n950 9005:1910 900振荡周期 T T:T 45 936(min)A80A1n1 ( (

7、衰减振荡) )，所以系统满足工艺要求。第 2 2 章思考题与习题2-12-1 某一标尺为 0 010001000C的温度计出厂前经校验得到如下数据:标准表读数/ /C0 020020040040060060080080010001000被校表读数/ /C0 020120140240260460480680610011001求：1 1）该表最大绝对误差；2 2）该表精度；3 3）如果工艺允许最大测量误差为i5C,该表是否能用?求：1 1）变差；2 2）基本误差；3 3）该表是否符合 1.01.0 级精度?2-32-3 某压力表的测量围为 0 010MPa10MPa，精度等级为 1.01.0 级。

8、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5MPa5MPa 时，标准压力计上读数为 5.08MPa5.08MPa ,5050试问被校压力表在这一点上是否符合1 1 级精度，为什么？解答：1)1) 基本误差 = =100%最大绝对误差？max= 0.010.01x1010= O.IMPaO.IMPa2)2)校验点为 5 5 MPaMPa 时的基本误差：5.08 5100% 0.8%100.80.8% 1 0.010.01 MPa,MPa,所以不符合要求；2 2）精度为 1 1 级，量程为 0 01.0MPa1.0MPa 的表，其最大绝对误差：? ?1.0ma

9、x= 1.01.0X1 1%= 0.010.01 MPaMPa, = 0.010.01 MPa,MPa,所以最大误差符合要求，但是压力表的最大测量值应2/32/3 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。2-2-1414 某台空压机的缓冲器，其工作压力围为1.01.01.6MPa1.6MPa，工艺要求就地观察罐压力，并要测量结果的误差不得大于罐压力的 5%5%。试选择一块合适的压力表（类型、测量围、精度等级）并说明其理由。解答：根据题意知：压力围 1.01.01.6MPa1.6MPa ,允许最大误差：? max=1.61.6X(+5 5%)=+0.080.08 M

10、PaMPa1 1）量程确定:应满足工作最大压力小于仪表量程的2/32/3 处，即 1.61.6 MPaMPaX2/32/3 = 2.42.4 MPaMPa可以选量程为 0 02.52.5 MPaMPa 的弹簧压力表。2 2）精度等级确定：求出基本误差，以确定满足要求的精度等级。综上分析，选择量程为0 02.52.5 MPaMPa，精度等级为 2.52.5 级的弹簧压力表。该表的最大绝对误差：? ?max=2.52.5X(+2.52.5%)=+0.06250.0625 MPaMPa,0.080.08 MPaMPa所以满足要求2-172-17 什么叫标准节流装置？试述差压式流量计测量流量的原理；并

11、说明哪些因素对差压式流量 计的流量测量有影响？解答：1 1）标准节流装置：包括节流件和取压装置。2 2）原理：基于液体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量 的。3 3）影响因素：P47P471流量系数的大小与节流装置的形式、孔口对管道的面积比m m 及取压方式密切相关；2流量系数的大小与管壁的粗糙度、孔板边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩性相关;3流量系数的大小与流体流动状态有关。2-192-19 为什么说转子流量计是定压式流量计？而差压式流量计是变压降式流量计？0.08100%2.53.2%，允许的精度等级为2.52.5 级解答：1 1）转子流量计是定压式流量

12、计 （P47P47） 虽然转子流量计也是根据节流原理测量流量的，但它是利用节流元件改变流体的流通面积来 保持转子上下的压差恒定。所以是定压式。2 2）差压式流量计是变压降式流量计 （P45P45） 是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置是产生的压差实现流量测量的。所以是 变压降式。2-212-21 椭圆齿轮流量计的特点是什么？对被测介质有什么要求？解答：1 1）特点：流量测量与流体的流动状态无关，这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头 推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。粘度愈大的介质， 从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小， 因此核测介质的粘皮愈大， 泄漏误差愈小，对测量愈有利。椭

13、圆齿轮流量计计量精度高，适用于高粘度介质流量的测量。2 2）对被测介质的要求：不适用于含有固体颗粒的流体（固体颗粒会将齿轮卡死，以致无法测量流量 ）。如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。2-222-22 电磁流量计的工作原理是什么？它对被测介质有什么要求？解答： P51P511)1) 原理：利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动是测量流速。2)2) 对被测介质的要求：导电液体，被测液体的电导率应大于水的电导率 油类或气体的流量。( (ioocm)cm)，不能测量2-2- 2424 超声波流量计的特点是什么？解答：超声波流量计的非接触式测量方式，不会影响被测流体的流动状况，

14、被测流体也不会对流量 计造成磨损或腐蚀伤害，因此适用围广阔。2-252-25 用差压变送器测某储罐的液位， 差压变送器的安装位置如图 2-752-75 所示。请导出变送器所测 差压p与液位H之关系。变送器零点需不需要迁移？为什么？2-2- 2626 用法兰式差压变送器测液位的优点是什么？解答： P57P57测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体的液位，在膜盒、毛细管和测量 室所组成的封闭系统充有硅油，作为传压介质，使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。可节省隔离罐。2-2- 2727 试述电容式物位计的工作原理。解答：利用电容器的极板之间介质变化时，电容量也相应变化的原理测物

15、位，可测量液位、料位和 两种不同液体的分界面。2-2- 2828 超声波液位计适用于什么场合？解答： P60P60适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体的测量第 3 3 章 习题与思考题3-3- 1 1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？解答：1 1）控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。2 2）基本控制规律： 位式控制、 比例控制、 比例积分控制、 比例微分控制和比例积分微分控制3-23-2 双位控制规律是怎样的？有何优缺点？解答：1 1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小2 2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上

16、下作等幅振荡，无法稳定在设定值 上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量 调节所致。3 3）优点：偏差在中间区时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制 器中运动部件的使用寿命。3-33-3 比例控制为什么会产生余差？解答：产生余差的原因：比例控制器的输出信号y y 与输入偏差 e e 之间成比例关系：y “为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来 讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。3-43-4 试写出积分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消

17、除余差？解答：1 1） 积分控制作用的输出变化量y y 是输入偏差 e e 的积分：y丄edtTi2 2） 当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持 在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。3-53-5 什么是积分时间？试述积分时间对控制过程的影响。解答:反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P P 实现1 1)积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。2 2）在实际的控制器中，常用积分时间 TiTi 来表示积分作用的强弱，在数值上，T Ti=1=1

18、 /K Ki显然，T Ti越小，K Ki就越大，积分作用就越强，反之亦然。3-3- 6 6 某比例积分控制器输入、 输出围均为 4 420mA20mA，若将比例度设为 100%100%、积分时间设为 2min2min、 稳态时输出调为 5mA5mA，某时刻，输入阶跃增加 0.2mA0.2mA，试问经过 5min5min 后，输出将由 5mA5mA 变化 为多少？解答:由比例积分公式：心吩创分析:依题意：p 100%，即 K K p p =1,=1,TI=2 2 minmin , , e e=0.20.2;Kp稳态时： y y= 5mA5mA,1 1y y0eedtPT15min5min 后：1

19、5 1 ( 0.20.2 5)2(5 0.7)mA3-73-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？调整比例度时要注意什么问题？解答：P74P741 1）控制器的比例度 P P 越小，它的放大倍数KP就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，2 2）比例度不但表示控制器输入输出间的放大倍数，还表示符合这个比例关系的有效输入区间一表的量程是有限的，超出这个量程的比例输出是不可能的。所以，偏差的变化使控制器的输出可以变化全量程（16mA16mA），避免控制器处于饱和状态3-3- 8 8 理想微分控制规律的数学表达式是什么？为什么常用实际为分控制规律？解答：1）y TDdt2 2） 由于理想

20、微分运算的输出信号持续时间太短，往往不能有效推动阀门。实际应用中，一般 加以惯性延迟，如图 3-73-7 所示，称为实际微分。3-3- 9 9 试写出比例、积分、微分（PIDPID ）三作用控制规律的数学表达式。解答:3-3- 1010 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? 解答：1 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 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 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3-3- 1111 DDZ-DDZ-川型基型控制器由哪几部分组成？各

21、组成部分的作用如何?解答：P79P791 1）组成如图 3-113-11 所示Tedtdedt2 2）作用参照 P79P79。3-3- 1212 DDZ-DDZ-川型控制器的软手动和硬手动有什么区别？各用在什么条件下？解答：1 1）软手动操作是指调节器的输出电流I I。与手动操作的输入信号成积分关系；硬手动操作是指调节器的输出电流I I。与手动操作的输入信号成比例关系。2 2）软手动操作：系统投运硬手动操作：系统故障3-3- 1313 什么叫控制器的无扰动切换？在 DDZ-DDZ-川型调节器中为了实现无扰切换，在设计 PIDPID 电路 时采取了哪些措施？解答： P84P841 1）调节器进行

22、状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲击。2 2）C CM、C CI。 P85P85 中。3-143-14 PIDPID 调节器中，比例度 P 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 0 ,分别代表调节器处于什么状态？解答：比例度 P 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T|含义：T|越小，积分作用越强；越大积分作用越弱；若将T|取,则积分作用消失3-3- 1515 什么是调节器的正

23、/ /反作用？在电路中是如何实现的？解答：1 1） 正作用：偏差 = =测量值 - -给定值;反作用：偏差 = =给定值 - -测量值。2 2） 运放输入端的切换开关实现的。3-3-1 16 6调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式？输出电路是怎样将输出电压转换成4 420mA20mA 电流的？解答：1 1） 采用差动输入方式，可以消除公共地线上的电压降带来的误差。2 2） 参照 P83P83 下的输出电路。3-183-18 给出实用的 PIDPID 数字表达式，数字仪表中常有哪些改进型 PIDPID 算法？ 解答：1 1） P91P91 式（3-183-18）2 2） 改进的算法：微分时间

24、常数TD含义：TD越大，微分作用越强;TD取 0 0，微分作用消失第 4 4 章 思考题与习题4-4- 1 1 气动调节阀主要由哪两部分组成？各起什么作用？解答：1 1）执行机构和调节机构。2 2）执行机构的作用：按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作； 调节机构的作用：由阀芯在阀体的移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而改变被控 介质的流量。4-4- 2 2 试问调节阀的结构有哪些主要类型？各使用在什么场合？解答：1 1）类型：直通单座阀、直通双座阀。2 2）直通单座阀使用场合：小口径、低压差的场合； 直通双座阀使用场合：大口径、大压差的场合。4-4- 4 4 什么叫调节阀的理想流量特性

25、和工作流量特性？常用的调节阀理想流量特性有哪些？ 解答： 1 1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫 理想流量特性。工作流量特性：在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用， 阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为工作流量特性。2 2）常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、快开特性4-4- 6 6 什么叫调节阀的可调围？在串联管道中可调围为什么会变化？解答：1 1） 可调围：反映调节阀可控制的流量围，用R R= Q Qmax/Q/Qmin之比表示。R R 越大，调节流量的围 越宽 , ,性能指标就越

26、好。2 2）由于串联管道阻力的影响。4-4- 7 7 什么是串联管道中的阀阻比S?S值的变化为什么会使理想流量特性发生畸变？ 解答：1 1）阀阻比：用阀阻比S PTmin/Po表示存在管道阻力的情况下，阀门全开时，阀门前后的最小压差PTmin占总压力 P Po的比值。2 2）在 S Sv1 1 时，由于串联管道阻力的影响，使阀门开大时流量达不到预期的值，也就是阀的 可调围变小。随着 S S 值的减小， 直线特性渐渐区于快开特性， 等百分比特性渐渐趋近于直线特性。4-4- 8 8 什么叫气动调节阀的气开式与气关式？其选择原则是什么？解答：1 1）气开式：无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀

27、门逐渐开大的气动调节阀为气开式。气关式：无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀为气关 式。2 2）选择原则：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。4-4- 9 9 如图 4-244-24 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。4-114-11 试述电 / /气转换器的用途与工作原理。解答： P113P1131 1 ）用途： 为了使气动阀能够接收电动调节器的输出信号，必须使用电气转换器把调节器输出的

28、标准电流信换为 2020100kPa100kPa 的标准气压信号2 2）原理：在杠杆的最左端安装了一个线圈，该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动， 由电动调节器送来得电流 I I 通入线圈。当输入电流 I I 增大时，线圈与磁铁间产生得吸力增大，使 杠杆左端下移，并带动安杠杆上的挡板靠近喷嘴，改变喷嘴和挡板之间的间隙。喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本的变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换为气压信号。经过气动功率放大器的放大后，输出2020lOOkPalOOkPa 的气压信号 p p 去推动阀门。4-4- 1212 试述电 / /气阀门定位器的基本原理与工作过程。解答： P11

29、5P115在杠杆上绕有力线圈，并置于磁场之中。当输入电流 I I 增大时，力线圈产生的磁场与永久磁 铁相作用，使杠杆绕支点 O O 顺时针转动， 带动挡板靠近喷嘴，使其背压增大，经气动功率放大器 放大后，推动薄膜执行机构使阀杆移动。4-4- 1414 电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所？安全火花是什么意思？解答：1 1） 必须是采取安全防爆措施的仪表，就是限制和隔离仪表电路产生火花的能量。使其不会 给现场带来危险。2 2） 安全火花：电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气 体的点火能量之下。4-164-16 齐纳式安全栅的基本结构是什么？它是怎样限压、限流的？解答：1

30、 1）结构：图 4-194-19 所示。2 2）利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压，用电阻进行限流。第 5 5 章 思考题与习题5-5- 1 1 什么是被控过程的数学模型？解答：被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出 （被控参数）变化的数学表达式。5-25-2 建立被控过程数学模型的目的是什么？过程控制对数学模型有什么要求？解答：1 1）目的：OI I 设计过程控制系统及整定控制参数；指导生产工艺及其设备的设计与操作；O3 3 对被控过程进行仿真研究；O4 4 培训运行操作人员；O5 5 工业过程的故障检测与诊断。2 2）要求：总的原则一是尽量简单，

31、二是正确可靠。阶次一般不高于三阶，大量采用具有纯滞 后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式。5-5- 3 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？解答： P127P1271 1）方法：机理法和测试法2 2）机理法：测试法：5-5- 4 4 什么是流入量？什么是流出量？它们与控制系统的输入、输出信号有什么区别与联系？ 解答：1 1）流入量：把被控过程看作一个独立的隔离体，从外部流入被控过程的物质或能量流量称为 流入量。流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。2 2）区别与联系： 控制系统的输入量：控制变量和扰动变量。 控制系统的输出变量：系统的被控参数。5

32、-5- 5 5 机理法建模一般适用于什么场合？解答： P128P128对被控过程的工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换 有密切关系。5-5- 6 6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点？解答：1 1）在扰动作用破坏其平衡工况后， 被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性， 称为自衡特性。2 2）被控过程输出对扰动存在负反馈。5-5- 7 7 什么是单容过程和多容过程？解答：1 1）单容：只有一个储蓄容量。2 2）多容：有一个以上储蓄容量(3)5-5- 8 8 什么是过程的滞后特性？滞后又哪几种？产生的原因是什么?解答:1)1) 滞后

33、特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后。2)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A，并设R2、R3为线性液阻。(1)(1)列写液位过程的微分方程组;(2)(2)画出液位过程的框图;解答:5-95-9 对图 5-405-40 所示的液位过程，输入量为Qi， 流出量为Q2、Q3，液位h为被控参数，水箱截面为(3(3)求出传递函数H(s)Qi(s)，并写出放大倍数K和时间常数T的表达式。Q2Q3(1)Q2Q3d hA -dthR2hR3(2)框图如图:(4)R2R3Q1(s)AR2R3SR2R

34、3H(s)5-5-1010 以Qi为输入、h2为输出列写图 5-105-10 串联双容液位过程的微分方程组，并求出传递函数3 3）过程框图:5-5- 1212 何为测试法建模？它有什么特点？解答：1 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 2）可以在不十分清楚部机理的情况下，把被研究的对象视为一个黑匣子，完全通过外部测H2（S） Q1（S）。解答:Qi1 1）方程组:Q2Q3Q3R32 2）传递函数:H2（S）QH（S）2T1T2S（T1T2T12）s 13式中：T1AR2,A2R3, T12AiR3Q2d h2Q2Adth2试来描述它的特性。(1)5-5-

35、1313 应用直接法测定阶跃响应曲线时应注意那些问题?解答：P139P139(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5-5- 1414 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：P139P139P140P1401 1)2 2)5-155-15实验测得某液位过程的阶跃响应数据如下：t/s0 010102020404060608080100100140140180180250250300300 400400500500600600h

36、/cm0 00 00.20.20.80.82.02.03.63.65.45.48.88.811.811.8 14.414.4 16.616.618.418.419.219.2 19.619.6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、(2)解答:2 2）第 6 6 章 思考题与习题6-6- 1 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6-6- 2 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。6-6- 3 3 简单归纳控制系统设计的主要容。 解答：1 1）

37、控制系统方案设计；2 2）工程设计；3 3）工程安装和仪表调校；4 4）调节器参数整定。6-6- 4 4 过程控制系统设计包括哪些步骤？ 解答： P174P174（ 1 1）熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标 （2 2）建立被控过程的数学模型（3 3）控制方案的确定（4 4）控制设备选型5 5）实验（或仿真）验证6-6- 5 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 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

38、被控参数。2 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 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 4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。6-6- 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。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：1 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 2）控制通道的静态放大系数 K 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

39、强，控制效果越好。时间常数 T 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 0 的存在会使系统的稳定性降低。0 0 值越大，对系统的影响越大。3 3）扰动通道的静态放大系数KfKf 越小，表明外部扰动对被控参数的影响越小。时间常数 TfTf 越大，外部干扰 f f (t t)对被控参数 y y (t t)的影响越小，系统的控制品质越好6-6- 7 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： P182P182 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。

40、6-6- 8 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 1) P184-1P184-1、2 2、3 3、 4 42 2)合理选择检测点。6-6- 9 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围 比较合适？解答：1)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)2)正常工况下要求调节阀的开度在15%-85%15%-85%之间。6-106-10 选择调节阀气

41、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6-116-11 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。6-126-12 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6-286-28 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 LCLC 正、反作用；画出该控制系统的框图。解答：见图 2 2-28281 1）调节阀：气关方式2 2）调节器：正作用。3 3）框图：6-136-

42、13 在如图 6-296-29 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 6-296-29 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作用；画出该控制系统的框图 解答： 1 1）调节阀：气开式。 2 2）调节器：反作用。3 3）框图：6-146-14 简述比例、积分、微分控制规律各自的特点。解答： P193P1931 1）比例控制：是最简单的调节规律，它对控制作用和扰动

43、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 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 3）微分控制：超前调节。6-216-21 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： P201P201临界比例度法：衰减曲线法：TCTC 正、反响应曲线法:经验法:6-226-22 如图 6-306-30 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 1C，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

44、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，3 3）检测仪表选择：温度传感器与温度变送器4 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 5）调节器选择：1调节规律选择：PIPI 或 PIDPID。2正反作用方式选择：反作用方式以及调节器的调节规律。1 1）2 2）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 6）画出控制系统流程图：如图所示。7 7）画出控制系统方框图：如图所示。8 8）简述控制系统工作原理：第 7 7 章 思考题与习题7-7- 1 1 与单回路系

45、统相比，串级控制系统有哪些主要特点？解答： P212P212 7.1.27.1.27-7- 2 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： P208P2087.1.17.1.17-7- 5 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： P212P212不是，副回路是随动控制。7-87-8 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(1)(1)画出控制系统框图；(2)(2)为保证设备安全，炉温不能过高。确定调节阀的

46、气开、气关形式。(3)(3)确定两个调节器的正反作用。主调节器：反作用。7-97-9 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)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。P221P2217-437-43 所示的控制系统。要求: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;2)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：P2241 1）、2 2）7-107-10 为什么一般不单独采用前馈控制方案? 解答：由

47、于前馈控制的局限性。7-147-14 图 7-447-44 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， 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 1）控制系统工艺流程图如图所示2 2）新增回路功能说明:将单3 3）采用双闭环比值控制系统，如图所示：图7-227-227-197-19 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 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 2）用 P234P234 式（7-377-37）和 P235P23

48、5 式（7-387-38）进行转换。7-207-20 单闭环比值控制系统的主、副流量之比Q2Qi是否恒定？总物料Q总= =QiQ2是否恒定？双闭环比值系统中Q2Q1与Q总的情况怎样？解答：1 1）恒定。2 2）不能恒定。3 3）都能恒定。7-227-22 画出图 7-457-45 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 1）系统框图如图所示：图7-21a7-21a）2 2）是单闭环比值控制系统，总流量不能恒定3 3）采用双闭环比值控制系统，如图所示：图7-227-227-287-28 在某化学反应器进行气相反应，调节阀 A A

49、、B B 分别用来控制进料流量和反应生成物的初料流量。为了控制反应器压力，设计图 7-467-46 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、rr1一1 1）框图如图所示:2 2）调节阀：A A :气开；B B :气关3 3）调节器：反作用。7-307-30 图 7-477-47 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 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 1）画出系统流程图和框图；（2 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:正常工况下要求釜液流1515C，否则裂解气中