過程控制系統(tǒng)及儀表 王再英等 課后答案(全)

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. ------------------------------------------author ------------------------------------------date 過程控制系統(tǒng)及儀表 王再英等 課后答案(全) 過程控制系統(tǒng)及儀表 王再英等 課后答案(全) 第1章 思考題與習題 1-1 過程控制有哪些主要特點？為什么說過程控制多

2、屬慢過程參數(shù)控制？ 解答： 1．控制對象復雜、控制要求多樣 2. 控制方案豐富 3．控制多屬慢過程參數(shù)控制 4．定值控制是過程控制的一種主要控制形式 5．過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的過程檢測控制儀表組成 1-2 什么是過程控制系統(tǒng)？典型過程控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？ 解答：過程控制系統(tǒng)：一般是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。組成：參照圖1-1。 1-4 說明過程控制系統(tǒng)的分類方法，通常過程控制系統(tǒng)可分為哪幾類？ 解答：分類方法說明： 按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理

3、的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計算機控制系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所完成的功能來分，有串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)等；按其動作規(guī)律來分，有比例（P）控制、比例積分（PI）控制，比例、積分、微分（PID）控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)組成回路的情況來分，有單回路與多回路控制系統(tǒng)、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)；按被控參數(shù)的數(shù)量可分為單變量和多變量控制系統(tǒng)等。 通常分類： 1．按設定值的形式不同劃分：（1）定值控制系統(tǒng) （2）隨動控制系統(tǒng) （3）程序控制系統(tǒng) 2．按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類：（1）反饋控制系統(tǒng) （2）前饋控制系統(tǒng) （3）前饋—反

4、饋復合控制系統(tǒng) 1-5 什么是定值控制系統(tǒng)? 解答：在定值控制系統(tǒng)中設定值是恒定不變的，引起系統(tǒng)被控參數(shù)變化的就是擾動信號。 1-6 什么是被控對象的靜態(tài)特性？什么是被控對象的動態(tài)特性？二者之間有什么關系？ 解答：被控對象的靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)時控制過程被控參數(shù)與控制變量之間的關系稱為靜態(tài)特性。 被控對象的動態(tài)特性：。系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控參數(shù)與控制變量之間的關系即為控制過程的動態(tài)特性。 二者之間的關系： 1-7 試說明定值控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)的含義。為什么在分析過程控制系統(tǒng)得性能時更關注其動態(tài)特性？ 解答：穩(wěn)態(tài)：對于定值控制，當控制系統(tǒng)輸入（設定值和擾動）不變時，整

5、個系統(tǒng)若能達到一種平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)暫不動作，它們的輸出信號都處于相對靜止狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)（或靜態(tài)）。 動態(tài)：從外部擾動出現(xiàn)、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動控制裝置開始動作，到整個系統(tǒng)又建立新的穩(wěn)態(tài)（達到新的平衡）、調(diào)節(jié)過程結(jié)束的這一段時間，整個系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)和參數(shù)都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。 在實際的生產(chǎn)過程中，被控過程常常受到各種振動的影響，不可能一直工作在穩(wěn)態(tài)。只有將控制系統(tǒng)研究與分析的重點放在各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，才能設計出良好的控制系統(tǒng)。 1-8 評價控制系統(tǒng)動態(tài)性能的常用單項指標有哪些？各自的定義是什么？ 解答：單項性能指標主要有：衰減比、超調(diào)量

6、與最大動態(tài)偏差、靜差、調(diào)節(jié)時間、振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。 衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比n； 過渡過程的最大動態(tài)偏差：對于定值控制系統(tǒng)，是指被控參數(shù)偏離設定值的最大值A； 超調(diào)量：第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y（）之比的百分數(shù)； 殘余偏差C： 過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達到的新穩(wěn)態(tài)值y（）與設定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差； 調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時間； 振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率； 峰值時間：過渡過程開始至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。 1-10 某

7、被控過程工藝設定溫度為900℃，要求控制過程中溫度偏離設定值最大不得超過80℃。現(xiàn)設計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1-4所示。試求該系統(tǒng)過渡過程的單項性能指標：最大動態(tài)偏差、衰減比、振蕩周期，該系統(tǒng)能否滿足工藝要求？ 解答： 最大動態(tài)偏差A： 衰減比n： 振蕩周期T： A<80, 且n>1 (衰減振蕩)，所以系統(tǒng)滿足工藝要求。 第2章 思考題與習題 2-1①最大絕對誤差=806-800=6②基本誤差=6/1000=0.6%；1.0級③不能用，只能用0.5級的儀表 2-2求：1）變差； 2）基本誤差； 3）該表是否符合1.0級精度？ 2-3

8、 某壓力表的測量范圍為0～10MPa，精度等級為1.0級。試問此壓力表允許的最大絕對誤差是多少？若用標準壓力計來校驗該壓力表，在校驗點為5MPa時，標準壓力計上讀數(shù)為5.08MPa，試問被校壓力表在這一點上是否符合1級精度，為什么？ 解答： 1）基本誤差= 最大絕對誤差?max＝0.01×10＝0.1MPa 2）校驗點為5 MPa時的基本誤差： 0.8％<1％ ，所以符合1.0級表。 2-4 間接導致精度等級下降。例如：量程0~1000的1級儀表用在測量范圍在0~100時，精度變成了10級！ 2-5 有兩塊直流電流表，它們的精度和量程分別為 1) 1.0級，0～25

9、0mA 2）2.5級，0～75mA 現(xiàn)要測量50mA的直流電流，從準確性、經(jīng)濟性考慮哪塊表更合適？ 解答：分析它們的最大誤差： 1）?max＝250×1％＝2.5mA； 2）?max＝75×2.5％＝1.875mA； 2號表精度低，價格相對便宜，但2號儀表的最大誤差小，而且被測參數(shù)的數(shù)值在2號表量程內(nèi)，所以選擇2號表。 2-6①將兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路，若兩個連接點溫度不同，回路中會產(chǎn)生電勢。此電勢稱為熱電勢。 鎳鉻—鎳硅 K 0～+1000 40μV/℃ 價廉,，可在氧化及中性氣氛中使用 銅—康銅 T -200～+400 50μV/℃ 價廉,但銅易氧

10、化,常用于150℃以下溫度測量 ③熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關，還與冷端溫度有關。所以使用時，需保持熱電偶冷端溫度恒定。但熱電偶的冷端和熱端離得很近，使用時冷端溫度較高且變化較大。為此應將熱電偶冷端延至溫度穩(wěn)定處。 2-8①金屬熱電阻測溫精度高。②熱電阻導線過長時，導線電阻過大，對測量帶來較大誤差，采用三線制接法，可有效消除線路電阻對測量的影響。 2-9①查閱Cu100電阻分度表，得到140°對應電阻為159.96歐姆②查閱Pt100電阻分度表，得到電阻為159.96歐姆對應157° 2-11 某DDZ-Ⅲ型溫度變送器輸入量程為200～1000℃，輸出為4～20mA。當變送器

11、輸出電流為10mA時，對應的被測溫度是多少？ 解答： ； T=500。 2-12 試簡述彈簧管壓力計的工作原理?，F(xiàn)有某工藝要求壓力范圍為1.2±0.05MPa，可選用的彈簧管壓力計精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五個等級，可選用的量程規(guī)格有0～1.6MPa、0～2.5MPa和0～4MPa。請說明選用何種精度和量程（見附錄E）的彈簧管壓力計最合適？ 解答：1）工作原理： 2）根據(jù)題意：壓力范圍為1.2＋0.5 MPa，即允許的最大絕對誤差?max＝0.05 分析選用不同量程的表所需的精度等級： 0～1.6 MPa量程：，可選2.5級表； 0～2.5

12、MPa量程：，可選1.5或2.0級表； 0～4.0 MPa量程：，可選1.0級表。 量程選擇：被測最大壓力＝1/3～2/3量程上限 0～1.6 MPa量程： 0～2.5 MPa量程： 0～4.0 MPa量程： 綜合分析，選用1.5級或2.0級，0～2.5 MPa量程的表最合適。 2-13 如果某反應器最大壓力為1.0MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa。現(xiàn)用一臺測量范圍為0～1.6MPa，精度為1級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝要求？若采用一臺測量范圍為0～1.0MPa，精度為1級的壓力表，能符合要求嗎？試說明其理由。 解答：工藝要求：最大壓力為1.0MPa

13、，允許最大絕對誤差為0.01MPa。 分別求出兩臺儀表的最大允許誤差，進行判斷。 1）精度為1級，量程為0～1.6MPa的表，其最大絕對誤差： ?1.6max＝1.6×1％＝0.016 MPa，> 0.01 MPa, 所以不符合要求； 2）精度為1級，量程為0～1.0MPa的表，其最大絕對誤差： ?1.0max＝1.0×1％＝0.01 MPa，＝ 0.01 MPa, 所以最大誤差符合要求，但是壓力表的最大測量值應≤ 2/3儀表量程，否則壓力波動會使測量值超出儀表量程。 所以，該表也不符合要求。 2-14 某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為1.0～1.6MPa，工藝要求就地

14、觀察罐內(nèi)壓力，并要測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的±5%。試選擇一塊合適的壓力表（類型、測量范圍、精度等級），并說明其理由。 解答： 根據(jù)題意知：壓力范圍1.0～1.6MPa， 允許最大誤差：?max＝1.6×（＋5％）＝＋0.08 MPa 1）量程確定： 應滿足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.6 MPa×2/3＝2.4 MPa 可以選量程為0～2.5 MPa的彈簧壓力表。 2）精度等級確定： 求出基本誤差，以確定滿足要求的精度等級。 ，允許的精度等級為2.5級。 綜上分析，選擇量程為0～2.5 MPa，精度等級為2.5級的彈簧壓力表。 該表的最大絕對誤差：?

15、max＝2.5×（＋2.5％）＝＋0.0625 MPa，<0.08 MPa 所以滿足要求。 2-15①電容式壓力變送器先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后用電路測電容。 ②特點：靈敏度高，量程寬，過載能力強，測量精度高，可達0.2級。 2-17 什么叫標準節(jié)流裝置？試述差壓式流量計測量流量的原理；并說明哪些因素對差壓式流量計的流量測量有影響？ 解答： 1）標準節(jié)流裝置：包括節(jié)流件和取壓裝置。 2）原理：基于液體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的。 3）影響因素：P47 流量系數(shù)的大小與節(jié)流裝置的形式、孔口對管道的面積比m及取壓方式密切相關；

16、 流量系數(shù)的大小與管壁的粗糙度、孔板邊緣的尖銳度、流體的粘度、溫度及可壓縮性相關； 流量系數(shù)的大小與流體流動狀態(tài)有關。 2-19 為什么說轉(zhuǎn)子流量計是定壓式流量計？而差壓式流量計是變壓降式流量計？ 解答： 1）轉(zhuǎn)子流量計是定壓式流量計(P47) 雖然轉(zhuǎn)子流量計也是根據(jù)節(jié)流原理測量流量的，但它是利用節(jié)流元件改變流體的流通面積來保持轉(zhuǎn)子上下的壓差恒定。所以是定壓式。 2）差壓式流量計是變壓降式流量計(P45) 是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置是產(chǎn)生的壓差實現(xiàn)流量測量的。所以是變壓降式。 2-21 橢圓齒輪流量計的特點是什么？對被測介質(zhì)有什么要求？ 解答：1

17、）特點：流量測量與流體的流動狀態(tài)無關，這是因為橢圓齒輪流量計是依靠被測介質(zhì)的壓頭推動橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)而進行計量的。 粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此核測介質(zhì)的粘皮愈大，泄漏誤差愈小，對測量愈有利。 橢圓齒輪流量計計量精度高，適用于高粘度介質(zhì)流量的測量。 2）對被測介質(zhì)的要求：不適用于含有固體顆粒的流體(固體顆粒會將齒輪卡死，以致無法測量流量)。 如果被測液體介質(zhì)中夾雜有氣體時，也會引起測量誤差。 2-22 電磁流量計的工作原理是什么？它對被測介質(zhì)有什么要求？ 解答：P51 1）原理：利用導電液體通過磁場時在兩固定電極上感應出電動

18、是測量流速。 2）對被測介質(zhì)的要求：導電液體，被測液體的電導率應大于水的電導率(cm)，不能測量油類或氣體的流量。 2-24 超聲波流量計的特點是什么？ 解答：超聲波流量計的非接觸式測量方式，不會影響被測流體的流動狀況，被測流體也不會對流量計造成磨損或腐蝕傷害，因此適用范圍廣闊。測量液體流量精度可達0.2級，測量氣體流量精度可達0.5級。 2-25Δp = p1-p2 = ( h1r1g + Hr1g + p0 ) －( h2r2g + p0 ) H=0時，Δp = h1r1g- h2r2g，若r1=r2，則Δp<0，需要負遷移。 2-26 用法蘭式差壓變送器測液位的優(yōu)點是

19、什么？ 解答：P57 測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體的液位，在膜盒、毛細管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，使被測介質(zhì)不進入毛細管與變送器，以免堵塞?？晒?jié)省隔離罐。 2-27 試述電容式物位計的工作原理。 解答：利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時，電容量也相應變化的原理測物位，可測量液位、料位和兩種不同液體的分界面。 2-28 超聲波液位計適用于什么場合？ 解答：P60 適合于強腐蝕性、高壓、有毒、高粘性液體的測量。 第3章 習題與思考題 3-1 什么是控制器的控制規(guī)律？控制器有哪些基本控制規(guī)律？ 解答： 1）控制規(guī)律：是

20、指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關系。 2）基本控制規(guī)律：位式控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制。 3-2 雙位控制規(guī)律是怎樣的？有何優(yōu)缺點？ 解答： 1）雙位控制的輸出規(guī)律是根據(jù)輸入偏差的正負，控制器的輸出為最大或最小。 2）缺點：在位式控制模式下，被控變量持續(xù)地在設定值上下作等幅振蕩，無法穩(wěn)定在設定值上。這是由于雙位控制器只有兩個特定的輸出值，相應的控制閥也只有兩個極限位置，總是過量調(diào)節(jié)所致。 3）優(yōu)點：偏差在中間區(qū)內(nèi)時，控制機構(gòu)不動作，可以降低控制機構(gòu)開關的頻繁程度，延長控制器中運動部件的使用壽命。 3-3 比例控制為什么會產(chǎn)生余差？

21、 解答：產(chǎn)生余差的原因：比例控制器的輸出信號y與輸入偏差e之間成比例關系： 為了克服擾動的影響，控制器必須要有控制作用，即其輸出要有變化量，而對于比例控制來講，只有在偏差不為零時，控制器的輸出變化量才不為零，這說明比例控制會永遠存在余差。 3-4 試寫出積分控制規(guī)律的數(shù)學表達式。為什么積分控制能消除余差？ 解答： 1）積分控制作用的輸出變化量y是輸入偏差e的積分： 2）當有偏差存在時，輸出信號將隨時間增大（或減小）。當偏差為零時，輸出停止變化，保持在某一值上。因而積分控制器組成控制系統(tǒng)可以到達無余差。 3-5 什么是積分時間？試述積分時間對控制過程的影響。 解答：

22、 1） 積分時間是控制器消除偏差的調(diào)整時間，只要有偏差存在，輸出信號將隨時間增大（或減小）。只有當偏差為零時，輸出停止變化，保持在某一值上。 2） 在實際的控制器中，常用積分時間Ti來表示積分作用的強弱，在數(shù)值上，Ti=1／K i 。顯然，Ti越小，K i 就越大，積分作用就越強，反之亦然。 3-6 某比例積分控制器輸入、輸出范圍均為4～20mA，若將比例度設為100%、積分時間設為2min、穩(wěn)態(tài)時輸出調(diào)為5mA，某時刻，輸入階躍增加0.2mA，試問經(jīng)過5min后，輸出將由5mA變化為多少？ 解答：由比例積分公式：分析： 依題意：，即K p =1, TI= 2 min , e＝

23、＋0.2； 穩(wěn)態(tài)時：y0＝5mA， 5min后： 3-7 比例控制器的比例度對控制過程有什么影響？調(diào)整比例度時要注意什么問題？ 解答：P74 1）控制器的比例度P越小，它的放大倍數(shù)就越大，它將偏差放大的能力越強，控制力也越強，反之亦然，比例控制作用的強弱通過調(diào)整比例度P實現(xiàn)。 2）比例度不但表示控制器輸入輸出間的放大倍數(shù)，還表示符合這個比例關系的有效輸入?yún)^(qū)間。一表的量程是有限的，超出這個量程的比例輸出是不可能的。 所以，偏差的變化使控制器的輸出可以變化全量程（16mA），避免控制器處于飽和狀態(tài)。 3-8 理想微分控制規(guī)律的數(shù)學表達式是什么？為什么常用實際為分控制規(guī)律？

24、解答： 1） 2）由于理想微分運算的輸出信號持續(xù)時間太短，往往不能有效推動閥門。實際應用中，一般加以慣性延遲，如圖3-7所示，稱為實際微分。 3-9 試寫出比例、積分、微分（PID）三作用控制規(guī)律的數(shù)學表達式。 解答： 3-10 試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點，積分和微分為什么不單獨使用？ 解答： 1）比例控制及時、反應靈敏，偏差越大，控制力越強；但結(jié)果存在余差。 2）積分控制可以達到無余差；但動作緩慢，控制不及時，不單獨使用。 3）微分控制能起到超前調(diào)節(jié)作用；但輸入偏差不變時，控制作用消失，不單獨使用。 3-11 DDZ-Ⅲ型基型控制器由哪幾部分組成？

25、各組成部分的作用如何？ 解答：P79 1）組成如圖3-11所示。 2）作用參照P79。 3-12 DDZ-Ⅲ型控制器的軟手動和硬手動有什么區(qū)別？各用在什么條件下？ 解答： 1）軟手動操作是指調(diào)節(jié)器的輸出電流I0與手動操作的輸入信號成積分關系； 硬手動操作是指調(diào)節(jié)器的輸出電流I0與手動操作的輸入信號成比例關系。 2）軟手動操作：系統(tǒng)投運 硬手動操作：系統(tǒng)故障 3-13 什么叫控制器的無擾動切換？在DDZ-Ⅲ型調(diào)節(jié)器中為了實現(xiàn)無擾切換，在設計PID電路時采取了哪些措施？ 解答：P84 1）調(diào)節(jié)器進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，輸出值不發(fā)生跳動，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換無沖擊。

26、2）CM、CI。P85中。 3-14 PID調(diào)節(jié)器中，比例度P、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)分別具有什么含義？在調(diào)節(jié)器動作過程中分別產(chǎn)生什么影響？若將取∞、取0，分別代表調(diào)節(jié)器處于什么狀態(tài)？ 解答：比例度P含義：使控制器的輸出變化滿量程時（也就是控制閥從全關到全開或相反），相應的輸入測量值變化占儀表輸入量程的百分比。比例作用的強弱取決于比例度的大小。 積分時間常數(shù)含義：越小，積分作用越強；越大積分作用越弱；若將取∞，則積分作用消失。 微分時間常數(shù)含義：越大，微分作用越強；取0，微分作用消失。 3-15 什么是調(diào)節(jié)器的正/反作用？在電路中是如何實現(xiàn)的？ 解答： 1）正作

27、用：偏差=測量值-給定值； 反作用：偏差=給定值-測量值。 2）運放輸入端的切換開關實現(xiàn)的。 3-16 調(diào)節(jié)器的輸入電路為什么要采取差動輸入方式？輸出電路是怎樣將輸出電壓轉(zhuǎn)換成4～20mA電流的？ 解答：1）采用差動輸入方式，可以消除公共地線上的電壓降帶來的誤差。 2）參照P83下的輸出電路。 3-18 給出實用的PID數(shù)字表達式，數(shù)字儀表中常有哪些改進型PID算法？ 解答：1） P91式（3-18） 2）改進的算法：P91~93 第4章 思考題與習題 4-1 氣動調(diào)節(jié)閥主要由哪兩部分組成？各起什么作用？ 解答：1）執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。 2

28、）執(zhí)行機構(gòu)的作用：按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作； 調(diào)節(jié)機構(gòu)的作用：由閥芯在閥體內(nèi)的移動，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而改變被控介質(zhì)的流量。 4-2 試問調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)有哪些主要類型？各使用在什么場合？ 解答： 1）類型：直通單座閥、直通雙座閥。 2）直通單座閥使用場合：小口徑、低壓差的場合； 直通雙座閥使用場合：大口徑、大壓差的場合。 4-4 什么叫調(diào)節(jié)閥的理想流量特性和工作流量特性？常用的調(diào)節(jié)閥理想流量特性有哪些？ 解答： 1）理想流量特性：在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定的情況下得出的流量特性稱為固有流量特性，也叫理想流量特性。 工作流量特性：

29、在實際的工藝裝置上，調(diào)節(jié)閥由于和其他閥門、設備、管道等串連使用，閥門兩端的壓差隨流量變化而變化，這時的流量特性稱為工作流量特性。 2）常用理想流量特性：直線流量特性、等百分比（對數(shù)）流量特性、 快開特性 4-5單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系：等百分比閥在各流量點的放大系數(shù)不同，但對流量的控制力卻是相同的。 4-6 什么叫調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍？在串聯(lián)管道中可調(diào)范圍為什么會變化？ 解答： 1）可調(diào)范圍：反映調(diào)節(jié)閥可控制的流量范圍，用R＝Qmax/Qmin之比表示。R越大，調(diào)節(jié)流量的范圍越寬,性能指標就越好。 2）由于串聯(lián)管道阻力的影響。 4-7 什么

30、是串聯(lián)管道中的閥阻比？值的變化為什么會使理想流量特性發(fā)生畸變？ 解答： 1）閥阻比：用閥阻比表示存在管道阻力的情況下，閥門全開時，閥門前后的最小壓差占總壓力po的比值。 2）在S＜1時，由于串聯(lián)管道阻力的影響，使閥門開大時流量達不到預期的值，也就是閥的可調(diào)范圍變小。隨著S值的減小，直線特性漸漸區(qū)于快開特性，等百分比特性漸漸趨近于直線特性。 4-8 什么叫氣動調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關式？其選擇原則是什么？ 解答： 1）氣開式：無壓力信號時閥門全閉，隨著壓力信號增大，閥門逐漸開大的氣動調(diào)節(jié)閥為氣開式。 氣關式：無壓力信號時閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門逐漸關小的氣動調(diào)節(jié)閥為氣關

31、式。 2）選擇原則：從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷時，調(diào)節(jié)閥的開關狀態(tài)應能保證工藝設備和操作人員的安全。 4-9 如圖4-24所示的蒸氣加熱器對物料進行加熱。為保證控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，加熱器的耐熱材料不被燒壞，試確定蒸氣管道上調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式。 解答：氣開式，保證控制信號中斷時，切斷蒸汽源。 4-11 試述電/氣轉(zhuǎn)換器的用途與工作原理。 解答：P113 1）用途： 為了使氣動閥能夠接收電動調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須使用電／氣轉(zhuǎn)換器把調(diào)節(jié)器輸出的標準電流信換為20～100kPa的標準氣壓信號。 2）原理：在杠桿的最左端安裝了一個線圈，該線圈能在永久磁鐵得氣

32、隙中自由地上下運動，由電動調(diào)節(jié)器送來得電流I通入線圈。當輸入電流I增大時，線圈與磁鐵間產(chǎn)生得吸力增大，使杠桿左端下移，并帶動安杠桿上的擋板靠近噴嘴，改變噴嘴和擋板之間的間隙。 噴嘴擋板機構(gòu)是氣動儀表中最基本的變換和放大環(huán)節(jié)，能將擋板對于噴嘴的微小位移靈敏地變換為氣壓信號。經(jīng)過氣動功率放大器的放大后，輸出20～l00kPa的氣壓信號p去推動閥門。 4-12 試述電/氣閥門定位器的基本原理與工作過程。 解答：P115 在杠桿上繞有力線圈，并置于磁場之中。當輸入電流I增大時，力線圈產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵相作用，使杠桿繞支點O順時針轉(zhuǎn)動，帶動擋板靠近噴嘴，使其背壓增大，經(jīng)氣動功率放大器放大后，

33、推動薄膜執(zhí)行機構(gòu)使閥桿移動。 4-14 電動儀表怎樣才能用于易燃易爆場所？安全火花是什么意思？ 解答：1）必須是采取安全防爆措施的儀表，就是限制和隔離儀表電路產(chǎn)生火花的能量。使其不會給現(xiàn)場帶來危險。 2）安全火花：電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下。 4-16 齊納式安全柵的基本結(jié)構(gòu)是什么？它是怎樣限壓、限流的？ 解答：1）結(jié)構(gòu)：圖4-19所示。 2）利用齊納二極管的反向擊穿特性進行限壓，用電阻進行限流。 第5章 思考題與習題 5-1 什么是被控過程的數(shù)學模型？ 解答：被控過程的數(shù)學模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾

34、動輸入）作用下，其狀態(tài)和輸出（被控參數(shù)）變化的數(shù)學表達式。 5-2 建立被控過程數(shù)學模型的目的是什么？過程控制對數(shù)學模型有什么要求？ 解答： 1）目的： 設計過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù)； 指導生產(chǎn)工藝及其設備的設計與操作； 對被控過程進行仿真研究； 培訓運行操作人員； 工業(yè)過程的故障檢測與診斷。 2）要求：總的原則一是盡量簡單，二是正確可靠。階次一般不高于三階，大量采用具有純滯后的一階和二階模型，最常用的是帶純滯后的一階形式。 5-3 建立被控過程數(shù)學模型的方法有哪些？各有什么要求和局限性？

35、 解答：P127 1）方法：機理法和測試法。 2）機理法： 測試法： 5-4 什么是流入量？什么是流出量？它們與控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號有什么區(qū)別與聯(lián)系？ 解答： 1）流入量：把被控過程看作一個獨立的隔離體，從外部流入被控過程的物質(zhì)或能量流量稱為流入量。 流出量：從被控過程流出的物質(zhì)或能量流量稱為流出量。 2）區(qū)別與聯(lián)系： 控制系統(tǒng)的輸入量：控制變量和擾動變量。 控制系統(tǒng)的輸出變量：系統(tǒng)的被控參數(shù)。 5-5 機理法建模一般適用于什么場合？ 解答：P128 對被控過程的工作機理非常熟悉，被控參數(shù)與控制變量的變化都與物質(zhì)和能量的流動與轉(zhuǎn)換有密

36、切關系。 5-6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控過程的系統(tǒng)框圖有什么特點？ 解答： 1）在擾動作用破壞其平衡工況后，被控過程在沒有外部干預的情況下自動恢復平衡的特性，稱為自衡特性。 2）被控過程輸出對擾動存在負反饋。 5-7 什么是單容過程和多容過程？ 解答：1）單容：只有一個儲蓄容量。 2）多容：有一個以上儲蓄容量。 5-8 什么是過程的滯后特性？滯后又哪幾種？產(chǎn)生的原因是什么？ 解答： 1）滯后特性：過程對于擾動的響應在時間上的滯后。 2）容量滯后：多容過程對于擾動的響應在時間上的這種延遲被稱為容量滯后。 純滯后：在生產(chǎn)過程中還經(jīng)

37、常遇到由（物料、能量、信號）傳輸延遲引起的純滯后。 5-9 對圖5-40所示的液位過程，輸入量為，流出量為、，液位為被控參數(shù)，水箱截面為，并設、為線性液阻。 （1）列寫液位過程的微分方程組； （2）畫出液位過程的框圖； （3）求出傳遞函數(shù)，并寫出放大倍數(shù)和時間常數(shù)的表達式。 解答： （1） （2）框圖如圖： （3） 5-10 以為輸入、為輸出列寫圖5-10串聯(lián)雙容液位過程的微分方程組，并求出傳遞函數(shù)。 解答： 1）方程組： 2）傳遞函數(shù)： 式中： 5-12 何為測試法建模？它有什么特點？ 解答：

38、 1）是根據(jù)工業(yè)過程輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學處理后得到數(shù)學模型。 2）可以在不十分清楚內(nèi)部機理的情況下，把被研究的對象視為一個黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。 5-13 應用直接法測定階躍響應曲線時應注意那些問題？ 解答：P139 （1）合理地選擇階躍輸入信號的幅度 （2）試驗時被控過程應處于相對穩(wěn)定的工況 （3）要仔細記錄階躍曲線的起始部分 （4）多次測試，消除非線性 5-14 簡述將矩形脈沖響應曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應曲線的方法；矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應曲線的優(yōu)點是什么？ 解答：P139～P140 第6章 思考題與習題 6-1 簡單控制系

39、統(tǒng)由幾個環(huán)節(jié)組成？ 解答：測量變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、被控過程四個環(huán)節(jié)組成。 6-2 簡述控制方案設計的基本要求。 解答：安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。 6-3 簡單歸納控制系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容。 解答： 1）控制系統(tǒng)方案設計； 2）工程設計； 3）工程安裝和儀表調(diào)校； 4）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。 6-4 過程控制系統(tǒng)設計包括哪些步驟？ 解答：P174 （1）熟悉和理解生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與性能指標 （2）建立被控過程的數(shù)學模型 （3）控制方案的確定 （4）控制設備選型 （5）實驗（或仿真）驗證 6-5 選擇被控參數(shù)應遵循哪些基本原則？什么是直接參數(shù)？什么是間接

40、參數(shù)？兩者有何關系？ 解答： 1）原則：必須根據(jù)工藝要求，深入分析、生產(chǎn)過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、生產(chǎn)安全、經(jīng)濟運行、環(huán)境保護、節(jié)能降耗等具有決定性作用，能較好反映生產(chǎn)工藝狀態(tài)及變化的參數(shù)作為被控參數(shù)。 2）直接參數(shù)：能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù) 3）間接參數(shù)：與質(zhì)量指標有單值對應關系、易于測量的變量，間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過程的實際情況。 4）兩者關系：間接參數(shù)是直接參數(shù)的單值函數(shù)。 6-6 選擇控制變量時，為什么要分析被控過程的特性？為什么希望控制通道放大系數(shù)要大、時間常數(shù)小、純滯后時間越小越好？而干擾通道的放大系數(shù)盡可能小、時間常數(shù)盡可能大？

41、解答：1）控制變量和干擾變量對被控參數(shù)的影響都于過程的特性密切相關。 2）控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)K0越大，系統(tǒng)的靜態(tài)偏差越小，表明控制作用越靈敏，克服擾動的能力越強，控制效果越好。 時間常數(shù)T0小，被控參數(shù)對控制變量的反應靈敏、控制及時，從而獲得良好的控制品質(zhì)。 純滯后0的存在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。0值越大，對系統(tǒng)的影響越大。 3）擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù)Kf越小，表明外部擾動對被控參數(shù)的影響越小。時間常數(shù)Tf越大，外部干擾f（t）對被控參數(shù)y（t）的影響越小，系統(tǒng)的控制品質(zhì)越好。 6-7 當被控過程存在多個時間常數(shù)時，為什么應盡量使時間常數(shù)錯開？ 解答：P182 由自控理論知識

42、可知，開環(huán)傳遞函數(shù)中幾個時間常數(shù)值錯開，可提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差等，改善控制質(zhì)量。 6-8 選擇檢測變送裝置時要注意哪些問題？怎樣克服或減小純滯后？ 解答： 1）P184-1、2、3、4 2）合理選擇檢測點。 6-9 調(diào)節(jié)閥口徑選擇不當，過大或過小會帶來什么問題？正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度在什么范圍比較合適？ 解答： 1）調(diào)節(jié)閥口徑選得過大，閥門調(diào)節(jié)靈敏度低，工作特性差，甚至會產(chǎn)生振蕩或調(diào)節(jié)失靈的情況。 調(diào)節(jié)閥口徑選得過小，當系統(tǒng)受到較大的擾動時，調(diào)節(jié)閥工作在全開或全關的飽和狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時處于失控工況，這對擾動偏差的消除不利。 2）正常工況下

43、要求調(diào)節(jié)閥的開度在15%-85%之間。 6-10 選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關方式的首要原則是什么？ 解答：保證人身安全、系統(tǒng)與設備安全是調(diào)節(jié)閥開、關作用方式選擇的首要原則。 6-11 調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇依據(jù)是什么？ 解答：確定原則是整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。 6-12 在蒸氣鍋爐運行過程中，必須滿足汽-水平衡關系，汽包水位是一個十分主要的指標。當液位過低時，汽包中的水易被燒干引發(fā)生產(chǎn)事故，甚至會發(fā)生爆炸，為此設計如圖6-28所示的液位控制系統(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關方式和調(diào)節(jié)閥LC正、反作用；畫出該控制系統(tǒng)的框圖。 解答：見圖2－28 1）調(diào)節(jié)閥：氣關方式。 2）

44、調(diào)節(jié)器：正作用。 3）框圖： 6-13 在如圖6-29所示的化工過程中，化學反應為吸熱反應。為使化學反應持續(xù)進行，必須用熱水通過加熱套加熱反應物料，以保證化學反應在規(guī)定的溫度下進行。如果溫度太低，不但會導致反映停止，還會使物料產(chǎn)生聚合凝固導致設備堵塞，為生產(chǎn)過程再次運行造成麻煩甚至損壞設備。為此設計如圖6-29所示的溫度控制系統(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關方式和調(diào)節(jié)閥的TC正、反作用；畫出該控制系統(tǒng)的框圖。 解答： 1）調(diào)節(jié)閥：氣開式。 2）調(diào)節(jié)器：反作用。 3）框圖： 6-14 簡述比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點。 解答：P193 1）比例控制：是最簡單的

45、調(diào)節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動作用的響應都很迅速。比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，整定簡便。比例調(diào)節(jié)的主要缺點是系統(tǒng)存在靜差。 2）積分控制：積分調(diào)節(jié)的特點是沒有靜差。但它的動態(tài)偏差最大、調(diào)節(jié)時間長，只能用于有自衡特性的簡單對象、很少單獨使用。 3）微分控制：超前調(diào)節(jié)。 6-21 試比較臨界比例度法、衰減曲線法、響應曲線法及經(jīng)驗法的特點。 解答：P201 6-22 如圖6-30所示熱交換器，將進入其中的冷卻物料加熱到設定溫度。工藝要求熱物料溫度的，而且不能發(fā)生過熱情況，以免造成生產(chǎn)事故。試設計一個簡單控制系統(tǒng)，實現(xiàn)熱物料的溫度控制，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關方式，調(diào)節(jié)器的正反作用方式，以及調(diào)節(jié)器

46、的調(diào)節(jié)規(guī)律。 解答： 1）被控參數(shù)選擇：熱交換器出口溫度。 2）控制參數(shù)選擇：載熱介質(zhì)流量。 3）檢測儀表選擇： 溫度傳感器與溫度變送器。 4）調(diào)節(jié)閥選擇： 流量特性選擇：對數(shù)流量特性。 氣開、氣關方式選擇：氣開。 5）調(diào)節(jié)器選擇： 調(diào)節(jié)規(guī)律選擇：PI或PID。 正反作用方式選擇：反作用方式。 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正、負符號判別：被控過程：＋；變送器：＋；調(diào)節(jié)閥：＋； 根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成負反饋條件：各環(huán)節(jié)符號之積必為“－”，則調(diào)節(jié)器為“－”。 6）畫出控制系統(tǒng)流程圖：如圖所示。 7）畫出控制系統(tǒng)方框圖：如圖所示。 8）簡述控制系統(tǒng)工作原理： 第7章 思考

47、題與習題 7-1 與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有哪些主要特點？ 解答：P212—7.1.2 7-2 分析串級系統(tǒng)的工作原理，說明為什么副回路的存在會使系統(tǒng)抑制擾動的能力增強。 解答：P208—7.1.1 7-5 在串級控制系統(tǒng)中當主回路為定值（設定值）控制時，副回路也是定值控制嗎？為什么？ 解答：P212 不是，副回路是隨動控制。 7-8 在某生產(chǎn)過程中，通過加熱爐對冷物料加熱，根據(jù)工藝要求，需對熱物料出口溫度進行嚴格控制。對系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，主要擾動為燃料壓力波動。故設計如圖7-43所示的控制系統(tǒng)。要求： （1）畫出控制系統(tǒng)框圖； （2）為保證設備安全，爐溫

48、不能過高。確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式。 （3）確定兩個調(diào)節(jié)器的正反作用。 解答： （1）控制系統(tǒng)框圖如圖所示。 （2）氣開式。 （3）副調(diào)節(jié)器：反作用； 主調(diào)節(jié)器：反作用。 7-9 簡述前饋控制的工作原理，與反饋控制相比，它有什么優(yōu)點和局限？ 解答： 1）當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小來改變控制量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。P221 2）優(yōu)點：前饋控制器在擾動出現(xiàn)時立即進行控制，控制及時，對特定擾動引起的動、靜態(tài)偏差控制比較有效。 局限：P224—1）、2） 7-10 為什么一般不單獨采用前饋控制方案？ 解答

49、：由于前饋控制的局限性。①補償控制規(guī)律很難精確計算。 ②開環(huán)系統(tǒng)無法保證控制精度。 7-11（第二問改成各自特點）1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。 2）動態(tài)前饋控制系統(tǒng) 理論上控制精確，但常常無法獲得補償控制規(guī)律精確表達式。 3）前饋—反饋復合控制系統(tǒng) ①既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，簡化了前饋控制器的設計和實現(xiàn)。 ③既可實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 4）前饋——串級復合控制系統(tǒng) 兼有串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)的特點 7-12 傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變 7-14①

50、即雙沖量水位控制系統(tǒng)，參考教材P319 ②蒸汽流量前饋能起到加速調(diào)節(jié)的作用，即流量變化馬上開始調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥。 7-15①是一種定周期的斷續(xù)PID控制方式，即控制器按周期T進行采樣控制。在兩次采樣之間，保持該控制信號不變，直到下一個采樣控制信號信號到來。這樣重復動作，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，直至系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。 ②采樣控制是以犧牲速度來獲取穩(wěn)定的控制效果，如果在采樣間隔內(nèi)出現(xiàn)干擾，必須要等到下一次采樣后才能作出反應。 ③保持的時間T與必須大于純滯后時間τ0。 7-16①設計一個模型加入到反饋控制系統(tǒng)，提早估計出對象在擾動作用下的動態(tài)響應，提早進行補償，使控制器提前動作。

51、②對干擾的抑制效果不理想，對過程模型誤差敏感 7-17，框圖參見P229圖7-17 7-18①實現(xiàn)兩個或多個參數(shù)符合一定比例關系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。 ②開環(huán)比值控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但無抗干擾能力。 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：副流量閉環(huán)控制，控制精度提高，不適合總物料流量要求控制的場合。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)：兩個流量都可控，總流量穩(wěn)定。 變比值控制系統(tǒng)：物料流量的比值可隨第三工藝參數(shù)的需要變化。 7-19 物料比值與控制系統(tǒng)比值系數(shù)有何不同？怎樣將物料比值轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)比值系數(shù)？ 解答： 1）是工藝規(guī)定的流量比；是儀表信號之間的比例系數(shù)。 2）用P234式（7-

52、37）和P235式（7-38）進行轉(zhuǎn)換。 7-20 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的主、副流量之比是否恒定？總物料總=是否恒定？雙閉環(huán)比值系統(tǒng)中與總的情況怎樣？ 解答： 1）恒定。 2）不能恒定。 3）都能恒定。 7-22 畫出圖7-45所示比值控制系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)的 總流量是否恒定？如果總流量不恒定，要作什么改動才 能實現(xiàn)總流量恒定？ 解答： 1）系統(tǒng)框圖如圖所示：圖7-21a）。P231 2）是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，總流量不能恒定。 3）采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，如圖所示：圖7-22。 7-25 ①在分程控制系統(tǒng)中，一個控制器的輸出信號被分割成幾個行程段，每一段行程各控制一

53、個調(diào)節(jié)閥，故取名為分程控制系統(tǒng)。 ②（特點即定義） ③通過調(diào)整閥門定位器的輸入信號零點和量程，使調(diào)節(jié)閥在規(guī)定的信號區(qū)段作全行程動作。 7-26 ①調(diào)節(jié)閥同向動作的分程控制系統(tǒng) ②調(diào)節(jié)閥異向動作的分程控制系統(tǒng) 7-27 如果兩個調(diào)節(jié)閥都用直線特性，且直線特性差距大時，總流量特性銜接處有突變點。 如果調(diào)節(jié)閥是對數(shù)流量特性，其總流量特性銜接處必有突變點。 7-28 在某化學反應器內(nèi)進行氣相反應，調(diào)節(jié)閥A、B分別用來控制進料流量和反應生成物的初料流量。為了控制反應器內(nèi)壓力，設計圖7-46所示的分程控制系統(tǒng)。試畫出其框圖，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。 解答： 1）框圖如圖所示： 畫出調(diào)節(jié)器輸出信號分程作用區(qū)間圖 2）調(diào)節(jié)閥：A：氣開；B：氣關。 3）調(diào)節(jié)器：反作用。 7-29①選擇性控制系統(tǒng)就是能根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)自動選擇合適的控制方案的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設有多個控制回路，由選擇器根據(jù)設計的邏輯關系選通某個控制回路。 ②掌握P245圖7-35 7-30①流程圖參照圖7-35 給定1：釜液流量，給定2：裂解氣出口溫度 ②調(diào)節(jié)閥采用氣開式，控制器1:反作用，控制器2：正作用，選擇器：低選器 --------------------------------------------------