过程控制及仪表(邵裕森版)答案

第⼀章思考题与习题（P9）1.简述过程控制发展概况。答上个世纪40年代以前，⼯业⽣产⼤多处于⼿操作阶段，⼈们主要是凭经验⽤⼈⼯去控制⽣产过程。⽣产过程中的关键参数靠⼈⼯观察，⽣产过程的操作也靠⼈⼯去执⾏。因此劳动⽣产率很低。40年代以后，⽣产过程⾃动化发展很快。尤其近年来，过程控制技术发展更为迅速。当前，⾃动化装置已成为⼤型设备不可分割的组成部分。可以说，如果不配置合适的昀⼤控制系统，⼤型⽣产过程是根本⽆法运⾏的。实际上，⽣产过程⾃动化的程度已成为衡量⼯业企业现代化⽔平的⼀个重要标志。纵观过程控制发展的历史，⼤致精⼒⼀下阶段：第⼀个阶段。50年代前后，过程控制开始得到发展。⼀些⼯⼚企业实现了仪表化和局部⾃动化。者是过程控制发展的第⼀个阶段。其主要特点是：检测和控制仪表普遍采⽤基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是启动仪表）；过程控制系统结构⼤多数是单输⼊、单输出系统；被控参数主要是温度、压⼒、流量和液位四种参数；控制的⽬的是保持这些参数稳定，消除或者减少对⽣产过程的主要扰动；过程控制的理论是以频率法和根轨迹法为主题的经典控制理论，主要解决单输⼊、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。第⼆个阶段。在60年代，随着⼯业⽣产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电⼦技术的迅速发展，也为⾃动化技术⼯具的完善提供了条件，开始了过程控制的第⼆个阶段。在仪表⽅⾯，开始⼤量采⽤单元组合仪表（包括电动和⽓动）。为了满⾜定型、灵活、多功能的要求，⼜出现了组装仪表，它将各个单元划分为更⼩的功能块，以适应⽐较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统要求。与此同时，计算机控制系统开始应⽤于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。在过程控制系统⽅⾯，为了提⾼控制质量与实现⼀些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，例如串级、⽐值和均匀控制的应⽤，尤其是前馈和选择性控制系统的应⽤，是复杂控制系统达到⼀个新的⽔平。在过程控制理论⽅⾯，除了仍然采⽤经典控制理论解决实际⽣产过程遇到的问题外，现代控制理论开始应⽤，控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际⽣产过程遇到的更为复杂的问题。第三个阶段。70年代以来，随着现代⼯业⽣产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型计算机的开发应⽤，使⽣产过程⾃动化的发展达到⼀个新的⽔平。其主要特点：对全⼯⼚或整个⼯艺流程的集中控制、应⽤计算机系统进⾏多参数综合控制，或者⽤多台计算机对⽣产过程进⾏控制和经营管理。过程控制发展到现代过程控制的新阶段。在新型的⾃动化技术⼯具⽅⾯，开始采⽤以微处理器为核⼼的智能单元组合仪表（包括可编程序调节器）；在测量变送器⽅⾯，较为突出的是成分在线检测与数据处理（如⽓相⾊普和液相⾊普与质普等）的应⽤⽇益⼴泛；在模拟式调节仪表⽅⾯，不仅Ⅲ型仪表产品品质增加，可靠性能提⾼，⽽且本质安全防爆（电动），适应了各种复杂控制系统要求。70年代中期，DCS问世，从此⼯业⽣产过程⾃动化进⼊⼀个新的时代。在过程控制理论⽅⾯，智能控制与优化。3．什么是过程控制系统？试述其组成。答过程控制系统是指⾃动控制系统的被控量是温度、压⼒、流量、液位成分、粘度、湿度以及pH值(氢离⼦浓度)等这样⼀些过程变量时的系统。其组成为：系统的组成包括测量元件、变送器、调节阀、调节器、被控过程等。5．⼄炔发⽣器是利⽤电⽯和⽔来⽣产⼄炔⽓的装置。为了降低电⽯消耗量，提⾼⼄炔⽓的收率，确保⽣产安全，故设计图1-8所示温度控制系统。⽣产要求发⽣器温度控制80±1℃。试画出温度控制系统的⽅框图，并指出图中控制对象、被控参数和调节参数。图1-8温度控制系统答温度控制系统的⽅框图如下图所示：控制对象：⼄炔发⽣器被调参数：⼄炔发⽣器温度调节参数：冷⽔流量10．为什么说系统过渡过程的质量指标是⼀项单项指标？⽽偏差性能指标是⼀种综合指标？答系统过渡过程的质量指标由余差(静态偏差)、衰减⽐或衰减率、昀⼤偏差、过渡过程时间和峰值时间组成。在上述质量指标中，它们之间是互相制约的。当⼀个系统的稳态精度要求很⾼时，可能会引起动态不稳定；解决稳定问题之后，⼜可能因反应迟钝⽽失去快速性。所以对于不同的控制系统，这些指标各有其重要性，要⾼标准地同时满⾜这些指标的要求是很困难的。因此，系统过程的质量指标是⼀种单项指标，应根据⼯艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证先满⾜主要的质量指标的要求。⼀个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况，在相同输⼊量作⽤下，如偏差越⼤，⽽且其持续时间越⻓，则系统的质量就越差，所以可以把偏差性能指标当成综合指标来对系统过渡过程进⾏综合评价。第⼆章思考题与习题（P47）5．图2—37所示液位过程的输⼊量为，流出量为、，液h为被控参数，C为容量系数，并设,,均为线性液阻。要求：（1）列出过程的微分⽅程组；（2）画出过程的⽅框图；（3）求过程的传递函数=H(S)/.图2-37液位过程解：(1)由题意得：(2)(3)由⽅程（2）、（3）代⼊（1）得拉⽒变换后传递函数为6.已知两只⽔箱串连⼯作（如图2—38所示），其输⼊量，流出量、,，分别为两只⽔箱的⽔位，为被控参数，、为容量系数，假设、、、为线性液阻。要求：（1）列出过程的微分⽅程组；（2）画出过程的⽅框图；（3）求过程的传递函数.图2-38液位过程解：（1）由题意得：对⽔箱列⽅程：对⽔箱列⽅程：(2)（3）⽅程（2）、（3）代⼊（1）得拉⽒变换：(7)式（5）、（6）代⼊（4）得：拉⽒变换：(8)将式（7）、（8）消去得传递函数7.如图2－39所示，为过程的流⼊量，为流出量，h为液位⾼度，C为容量系数。若以为过程输⼊量，h为输出量，设,为线性液阻，求过程的传递函数=H(S)/。图2-39液位过程解：由题意得：（2）代⼊（1）拉⽒变换得：11、⽤脉冲响应法求加热炉过程的动态特性，脉冲宽度＝2mm，幅值为0.2T/h，其实验数据如下：0246810121416182000.480.690.560.470.390.330.270.220.180.15222426283032343638400.130.110.090.070.050.030.020.010.010试由脉冲响应求阶跃响应，并求其数学模型。解⼀：脉冲响应曲线由阶跃响应曲线、叠加→由题意得：阶跃响应如下表：t02468101214161820y00.481.171.732.22.592.923.193.413.593.74t22242628303234363840y3.873.984.074.144.194.224.244.254.264.26由y(t)的数据得出,曲线y(t)形状为S形，可能是⼀阶时延环节或⼆阶环节。试⽤⼆阶环节验证：由得因为，确认此环节为⼆阶下⾯求、、解之得：传递函数为：11.解⼆：脉冲响应曲线由阶跃响应曲线、叠加→由题意得：阶跃响应如下表：t02468101214161820y00.481.171.732.22.592.923.193.413.593.74t22242628303234363840y3.873.984.074.144.194.224.244.254.264.26由y(t)的数据得出,曲线y(t)形状得⼀阶时延环节。试验证：由解之得：传递函数为：14.、⽤响应曲线法辨识某液位被控过程，阶跃扰动的幅值为1（即单位阶跃），阶跃响应的数据如下表所示，试⽤⼀阶环节近似法和⼆阶环节近似法求过程的数学模型。t(S)020406080100140180250300400500600(cm)00.20.82.03.65.48.811.814.416.618.419.219.3解：1、⼀阶时延环节由得t(S)020406080100140(cm)00.100.0410.1040.1870.2800.456t(S)180250300400500600(cm)0.6110.7460.8600.9530.9951.000注：、值相差⽐较⼤数学模型为：2、⼆阶环节近似得：解之得：传递函数为第三章思考题与习题（P96）2.何谓测量过程和测量误差？测量误差通常可以分为哪⼏类？其含义是什么？答所谓测量过程，是利⽤⼀个已知的单位量（即标准量）与被测的同类量进⾏⽐较的过程。通过⽐较就可以知道被测量是已知单位量的若⼲倍。检测仪表（测量仪表）就是实现测量过程的技术⼯具。测量误差：由于测量⼯具的准确性、观察者的主观性、外界环境的变化以及某些偶然因素等的影响，在测量过程中使得测量结果与被测量的真值之间会有⼀定的差值，则称之为测量误差。测量误差反映了测量结果的可靠程度。测量误差的分类如下：（1）绝对误差与相对误差。绝对误差是指测量结果与被测量的真值之差。通常把检定中⾼⼀等级的计量标准所测得的量值作为真值（实际值）。此时，绝对误差是指标准仪表（准确度较⾼）与被校仪表（准确度较低）同时对同⼀量进⾏测量所得的两个测量结果之差。相对误差是指绝对误差与真值或者测量值的百分⽐。实际相对误差，是指绝对误差与被测量的真值（实际值）之百分⽐。标称相对误差，是指绝对误差与仪表示值之百分⽐。引⽤相对误差，是指绝对误差与仪表量程之百分⽐。（2）系统误差、随机误差和疏忽误差。系统误差是指测量仪表本身或其他原因（如零点没有调整好等）引起的有规律的误差。随机误差是指在测量中所出现的没有规律的误差。疏忽误差是指观察⼈员误读或不正确使⽤仪器与测试⽅案等⼈为因素所引起的误差。（3）基本误差、附加误差、和允许误差。基本误差是指仪表在规定的正常⼯作条件下所具有的误差。如通常在正常⼯作条件下的示值误差就是基本误差。附加误差是指仪表超出规定的正常⼯作条件时所增加的误差。如仪表的⼯作温度超过规定的范围时，将引起温度附加误差。允许误差是指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。它是⼀个许可的误差界限。3.什么是检测仪表的精度、变差、灵敏度和灵敏限？答仪表精度=绝对误差的昀⼤值/仪表量程变差=(x1-x2)max/仪表量程×100%灵敏度=灵敏限：引起仪表示值发⽣变化的可测参数的昀⼩变化量。4.什么是⼀次测量？什么是⼀次仪表和⼆次仪表？答在进⾏检测时，⼀般由⼀测量体与被测介质接触，测量体将被测参数成⽐例地转换为另⼀便于计量的物理量，然后再⽤仪表加以显示，通常把前⼀过程叫做⼀次测量，所⽤的仪表叫做⼀次仪表，后⾯的计量仪表叫做⼆次仪表。5.在⼯业⽣产过程中有哪⼏种常⽤的测温⽅法。试说明其特点。答从测量体与被测介质接触与否来分有接触式测量和⾮接触式测量。接触式测量：通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度；测温简单可靠，测量精度⾼。但是由于测温元件需要与被测介质接触进⾏充分的热交换，才能达到热平衡，因⽽产⽣了滞后现象，⽽且可能与被测介质产⽣化学反应。另外由于受到耐⾼温材料的限制，接触式测量不能应⽤于很⾼温度的测量。⾮接触式测量：通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于测温元件不与被测介质接触，因⽽其测量范围很⼴，其测温上限原则上不受限制；测温速度也较快，⽽且可以对运动体进⾏测量，但是，它受到物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离、烟尘和⽔汽等其他介质的影响，⼀般测温误差⽐较⼤。15．什么是变送器的量程调整、零点和零点迁移？为什么要进⾏量程调整和零点迁移？Ⅲ型温度变送器是怎样进⾏调零和量程调整的？怎样实现热电偶的冷端温度补偿？答量程调整是使变送器的输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值相对应；量程程调整相当于改变变送器的输⼊输出特性的斜率；零点是指变送器的输出信号的下限值。零点调整是指使变送器的输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。对于DDZ-III型仪表来说，xmin=0时，⽽y不为4mADC，则进⾏零点调整使之为4mADC；xmin≠0时，y≠ymin则需要零点迁移。零点迁移：把测量起始点由零迁移到某⼀正值或负值。当测量起始点由零迁⾄某⼀正值，称为正迁移；当测量起始点由零迁⾄某⼀负值，称为负迁移；迁移的实质：改变量程的上下限，⽽不改变量程的⼤⼩。若采⽤零点迁移，再辅以量程压缩，可以提⾼仪表的测量精确度和灵敏度。如图15.1所示，W1为调零电位器