过程装备控制技术习题及参考答案-2

过程装备控制技术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。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。9.试画出衰减比分别为n1,n=1,n1,n→∞时的过度过程曲线？答：如图所示：10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？答：表示衰减振荡过程的控制指标有：①最大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。②衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。③回复时间（过渡时间）ts——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。④差e(∞)——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。⑤振荡周期T——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。第二章过程装备控制基础1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？n1，发散振荡n〉1，衰减振荡n=1，等幅振荡n→∞，单调过程答：所谓被控对象的特性，是指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），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ。K——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。T——时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此是对象的动态参数。τ——滞后时间是纯滞后τ0时间和容量滞后τc的总和。输入变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间τ也是反映对象动态特性的重要参数。3.什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。6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID。16．设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？答：设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特征外，对于工艺过程，设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行行器，调节器以及调节器控制规律待，最后将调节器的参数整定到最佳值。17．什么是串级控制系统？它有什么特点？什么情况下采用串级控制？答：串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。它的特点有：①能迅速克服进入副回路的干扰。②能改善被控对象的特征，提高了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。串级控制系统主要就用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。20．什么是前馈控制系统？应用在什么场合？答：前馈控制又称扰动补偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制主要用于下列场合：①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；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，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。第三章过程检测技术3.测量仪表的主要性能指标有哪些？传感器的主要特性有哪些？答：测量仪表的主要性能指标有技术，经济及使用三方面的指标，其中技术方面的有：误差，精度等级，灵敏度，变差，量程，响应时间，漂移等；经济方面的有：使用寿命，功耗，价格等；使用方面的有：操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护能的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。传感器的主要特性有：准确性，稳定性，灵敏性。8.用一温度计测量某介质温度，40%的读数误差小于0.5，用线性插值法估计该温度升的标准差，并计算误差小于0.75的概率。解：（1）(){||}zpxz=222202212zzzzedzedz，0.520.6985z0.530.7019z由此推得0.7时，0.5205z由已知条件知()0.4z，查概率积分表得：220.7zedz时z=0.5205，0.50.5205z，得：0.961（2）0.75z，得：0.781z查表得：0.78z时，()z=20.78231=0.5646即误差小于0.75，概率为0.564616.用U型管压力计（封液为水银）测温度管道中水的压力。压力计在管道下面1.5M（至肘管端口）处，压力计同大气一侧肘管内水银面距口80mm，两管水银面高度h=140mm，求水的表压力（Pa)解：如图所示：1－1截面压力相等，即：123Pg()hhh水水=aP3水银gh∴表压31233313.6109.80.141109.81.50.080.141803.2aPPPghghhhPa表水水银水19．试述弹簧管压力计弹簧管结构特点与测压原理。答：弹簧管压力计由弹簧管压力感应元件和放大指示机构两部分组成，前者是弯成圆弧状的空心管子，一端固定（作为压力输入端）；另一端自由，作为位移输出端，接放大指示机构。其它是由拉杆，齿轮及指针组成。测压原理：在弹性范围内，弹簧管自由端的位移与被测压力之间近似线性关系，即通过测量自由端的位移，可直接测得相应的被测压力大小。21．转子流量计显示流量的形式有几种，是如何分度的。答：转子流量计显示流量的形式有3种，一种是玻璃转子流量计，其锥型管是电玻璃制成，并在管壁标有流量刻度，直接根据转子的高度进行读数；另一类为电运转转子流量计，即将转子的位移信号转变为电信号；另一种为气动运转式转子流量，将转子的位移信号变为压力信号，进行远距离传送。第四章过程控制装置4．DD8－III型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几部分组成的？试简述其工作过程。答：DD8－III型电动差压变送器是按力矩平衡原理工作的，由测量部分（杠杆系统）；电磁反馈装置；矢量机构；低额位移检测放大器。其工作过程如下：被测差压信号p1,p2分别送入敏感元件两侧的正负压室，敏感元件将其转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，使主杠杆以轴封膜片为支点偏转，并以力F1沿水平方向推动矢量机构，矢量机构将推力分解成F2和F3。F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带动副杠杆L4以支点M逆时针偏转，使固定在副杠杆上的差动变压器B的衔铁靠近差动变压器，两点之间的距离变化量再通过低频位移检测放大器转换并方大为4～20mA直流电流，作为便送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力Ff，使副杠杆顺时偏转o，当输入力与反馈力对杠杆系统说产生的力矩Mi,Mf达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流Io便反映了说测电压Δpi的大小。11．PID调节器是由哪些基本部分组成的？试分析各部分所完成的功能。答：PID调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。输入电路是检测偏差信号，信号经滤波电路后输出导PID运算电路。（输入电路包括偏差检测电路，内给定稳压电源电路，内外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等）。PID运算电路：根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调节器实现PID控制规律的关键环节。输出电路：将运算电路的输出信号做最后一次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的组后一级，提供调节器的输出信号。13．试说明基型调节器产生积分饱和现象的原因。答：∵在基型调节器的PI电路中，接有运算放大器，对于理想的比例积分电路，只要输入信号Usc2存在，积分作用就不会终止，直到输出电压被限制在运算放大器的最大或最小允许输出为止，即产生积分饱和现象，一般称输出电压未被限制为正常工作状态，输出电压被限制后称为饱和工作状态。16．有一电动比例调节器，器输入电流范围为4～20mA，输出电压范围是1－5V。试计算当比例度规定在40％时，输入电流变化4mA所引起的输出电压变化量为多少?解：∵maxminmaxmin0.4exxppp即42040.451u2.5uV即：输出电压变化量为2.5V第五节计算机控制系统1.计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分有什么作用？答：计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成。工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分主要包括计算机主机，外部设备，外围设备，工业自动化仪表和操作控制台，软件是指计算机系统的程序系统，各部分作用参见课本P234-235。8．DDC的基本算法有哪些？各有什么优缺点？答：DDC的基本算法分为两种：理想PID算法和实际PID算法。其中理想PID算法包括：位置式，增量式和速度式；实际PID算法有：位置式，增量式和速度式。理想算法中，位置式算法容易产生累积误差，若该项值很大时，调节缓慢，发生积分饱和，对控制调节不利，且受到计算机字长的限制，当超过字长时，引起积分丢失现象。增量式算法无此缺点，而且系统进行手动和自动切换时，增量式PID由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小，即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用，仍可保存元件位，对被控制过程的影响较小。但是理想算法存在自身不足，而且具体工业过程的控制有一定的特殊性，故采用实际PID算法，有较强的干扰抑制能力。