過程控制系統(tǒng)與儀表 習(xí)題答案 王再英-

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1、過程控制系統(tǒng)與儀表王再英 劉淮霞 陳毅靜 編著 習(xí)題與思考題解答機械工業(yè)出版社第1章 思考題與習(xí)題1-1 過程控制有哪些主要特點?為什么說過程控制多屬慢過程參數(shù)控制?解答:1控制對象復(fù)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

2、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(yīng)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(shè)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

3、點分類:(1)反饋控制系統(tǒng)(2)前饋控制系統(tǒng)(3)前饋反饋復(fù)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(shè)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(guān)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(guān)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(guān)系即為控制過程的動態(tài)特性。二者之間的關(guān)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(guān)注其動態(tài)特性? 解答: 穩(wěn)態(tài): 對于定值控制,當(dāng)控制系統(tǒng)輸入(設(shè)定值和擾動

4、)不變時,整個系統(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?fàn)顟B(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(shè)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(biāo)有哪些?各自的定義是什么?解答:單項性能指標(biāo)主要有:衰減比、超調(diào)量與最大動態(tài)

5、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(shè)定值的最大值A(chǔ);超調(diào)量:第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比的百分?jǐn)?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(shè)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 某被控過程工藝設(shè)定溫度為900,要求控制過程中溫度偏離

6、設(shè)定值最大不得超過80?,F(xiàn)設(shè)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(biāo):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(yù): 衰減比n:振蕩周期T:A1 (衰減振蕩),所以系統(tǒng)滿足工藝要求。第2章 思考題與習(xí)題2-1 某一標(biāo)尺為01000的溫度計出廠前經(jīng)校驗得到如下數(shù)據(jù):標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/02004006008001000被校表讀數(shù)/02014026048061001求:1)該表最大絕對誤差;2)該表精度;3)如果工藝允許最大測量誤差為5,該表是否能用?2-2 一臺壓力表量程為010MPa,經(jīng)校驗有以下測量結(jié)果:

7、標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/MPa0246810被校表讀數(shù)/MPa正行程01.983.965.947.979.99反行程02.024.036.068.0310.01求:1)變差;2)基本誤差;3)該表是否符合1.0級精度?2-3 某壓力表的測量范圍為010MPa,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(biāo)準(zhǔn)壓力計來校驗該壓力表,在校驗點為5MPa時,標(biāo)準(zhǔn)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max0.01100.1MPa2)校驗點為5 MPa時的基本誤差:0.8 0.01 MPa, 所以不符合要求;2)精度為1級

8、,量程為01.0MPa的表,其最大絕對誤差:1.0max1.010.01 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(yīng) 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1.01.6MPa,工藝要求就地觀察罐內(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1.01.6MPa,允許最大誤差:max1.6(5)0.08 MPa1)量程確定:應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處,即1.6 MPa2/3

9、2.4 MPa可以選量程為02.5 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02.5 MPa,精度等級為2.5級的彈簧壓力表。該表的最大絕對誤差:max2.5(2.5)0.0625 MPa,0.08 MPa所以滿足要求。2-17 什么叫標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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、

10、孔口對管道的面積比m及取壓方式密切相關(guān);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(guān); 流量系數(shù)的大小與流體流動狀態(tài)有關(guān)。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)特點

11、:流量測量與流體的流動狀態(tài)無關(guān),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:P511)原理:利用導(dǎo)電液體通過磁場時在兩固定電極上感應(yīng)出電動是測量流速。2)對被測介質(zhì)的要求:導(dǎo)電液體,被測液體的

12、電導(dǎo)率應(yīng)大于水的電導(dǎo)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。2-25 用差壓變送器測某儲罐的液位,差壓變送器的安裝位置如圖2-75所示。請導(dǎo)出變送器所測差壓與液位之關(guān)系。變送器零點需不需要遷移?為什么?2-26 用法蘭式差壓變送器測液位的優(yōu)點是什么?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(xì)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(xì)管與變送器,以免堵塞??晒?jié)省隔離罐

13、。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(yīng)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(xí)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:是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關(guān)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(fù),控制器的輸出為最大或最小。2)缺點

14、:在位式控制模式下,被控變量持續(xù)地在設(shè)定值上下作等幅振蕩,無法穩(wěn)定在設(shè)定值上。這是由于雙位控制器只有兩個特定的輸出值,相應(yīng)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(guān)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?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(guān)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(yuǎn)存在余差。3-4 試寫出積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。為什么積分控制能

15、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(dāng)有偏差存在時,輸出信號將隨時間增大(或減?。.?dāng)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: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?。?。只有當(dāng)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=1K 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420mA

16、,若將比例度設(shè)為100%、積分時間設(shè)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 , e0.2;穩(wěn)態(tài)時:y05mA,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:P741)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(guān)系的有效輸入?yún)^(qū)間。一表的量程是有限的,超出

17、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(xué)表達式是什么?為什么常用實際為分控制規(guī)律?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(yīng)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(xué)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(yīng)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

18、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-型基型控制器由哪幾部分組成?各組成部分的作用如何?解答:P791)組成如圖3-11所示。2)作用參照P79。3-12 DDZ-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(guān)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(guān)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-型調(diào)節(jié)器中為了實現(xiàn)無擾切換,在設(shè)計PID電路時采取了哪些措施? 解答:P84 1)調(diào)

19、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。 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(guān)到全開或相反),相應(yīng)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

20、?解答:1)正作用: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(guān)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420mA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:第4章 思考題與習(xí)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)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

21、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:在實際的工藝裝置上,調(diào)節(jié)閥由于和其他閥門、設(shè)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)

22、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4-6 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RQmax/Qmin之比表示。R越大,調(diào)節(jié)流量的范圍越寬,性能指標(biāo)就越好。2)由于串聯(lián)管道阻力的影響。4-7 什么是串聯(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S1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(yù)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

23、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(guān)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(guān)式:無壓力信號時閥門全開,隨著壓力信號增大,閥門逐漸關(guān)小的氣動調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)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(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工藝設(shè)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(guān)形式。解答:氣開式調(diào)節(jié)閥。4-11 試述電/氣轉(zhuǎn)換器的用途與工作原理。解答:P1

24、131)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(biāo)準(zhǔn)電流信換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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20l00kPa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:P

25、115在杠桿上繞有力線圈,并置于磁場之中。當(dāng)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,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

26、限壓,用電阻進行限流。第5章 思考題與習(xí)題5-1 什么是被控過程的數(shù)學(xué)模型?解答:被控過程的數(shù)學(xué)模型是描述被控過程在輸入(控制輸入與擾動輸入)作用下,其狀態(tài)和輸出(被控參數(shù))變化的數(shù)學(xué)表達式。5-2 建立被控過程數(shù)學(xué)模型的目的是什么?過程控制對數(shù)學(xué)模型有什么要求?解答:1)目的: 設(shè)計過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù); 指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計與操作; 對被控過程進行仿真研究; 培訓(xùn)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(xué)模型的方法有哪些?

27、各有什么要求和局限性?解答:P1271)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)換有密切關(guān)系。5-6 什么是自衡特性?具有自衡特性被控過程的

28、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(yù)的情況下自動恢復(fù)平衡的特性,稱為自衡特性。2)被控過程輸出對擾動存在負(fù)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(yīng)在時間上的滯后。2)容量滯后:多容過程對于擾動的響應(yīng)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)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

29、為,并設(shè)、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: 3)過程框圖:5-12 何為測試法建模?它有什么特點?解答: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(xué)處理后得到數(shù)學(xué)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(yīng)用直接法測定階躍響應(yīng)曲線時應(yīng)注意那些問題?解答:P139

30、(1)合理地選擇階躍輸入信號的幅度(2)試驗時被控過程應(yīng)處于相對穩(wěn)定的工況(3)要仔細(xì)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(yīng)曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線的方法;矩形脈沖法測定被控過程的階躍響應(yīng)曲線的優(yōu)點是什么?解答:P139P1401)2)5-15 實驗測得某液位過程的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)如下:0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6 當(dāng)階躍擾動為時:(1)畫出液位的階躍響應(yīng)曲線;(2)用一階慣性環(huán)節(jié)

31、加滯后近似描述該過程的動態(tài)特性,確定、。解答:(1)(2)第6章 思考題與習(xí)題6-1 簡單控制系統(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(shè)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(shè)計的主要內(nèi)容。解答:1)控制系統(tǒng)方案設(shè)計;2)工程設(shè)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(shè)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(biāo)(2)建立被控過程的數(shù)學(xué)模型(3)控制方案的確定(4)控制設(shè)備選型(5)實驗(或仿真)驗證6-5 選擇被控參數(shù)應(yīng)遵循哪些基本原則?什么是

32、直接參數(shù)?什么是間接參數(shù)?兩者有何關(guān)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(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)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(guān)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?解答:1)

33、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(guān)。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(yīng)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(dāng)被控過程存在多個時間常數(shù)時,為什么應(yīng)盡量使時間常數(shù)錯開?解答:P182由自控理論知識可知,開環(huán)傳遞函數(shù)中幾個時間常數(shù)值錯開,

34、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、42)合理選擇檢測點。6-9 調(diào)節(jié)閥口徑選擇不當(dāng),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?xí)a(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(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動時,調(diào)節(jié)閥工作在全開或全關(guān)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(guān)方式的首要原則是

35、什么?解答:保證人身安全、系統(tǒng)與設(shè)備安全是調(diào)節(jié)閥開、關(guān)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(fù)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(guān)系,汽包水位是一個十分主要的指標(biāo)。當(dāng)液位過低時,汽包中的水易被燒干引發(fā)生產(chǎn)事故,甚至?xí)l(fā)生爆炸,為此設(shè)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(guān)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2281)調(diào)節(jié)閥:氣關(guān)方式。2)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(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。為使化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進行,必須用熱水通過加熱

36、套加熱反應(yīng)物料,以保證化學(xué)反應(yīng)在規(guī)定的溫度下進行。如果溫度太低,不但會導(dǎo)致反映停止,還會使物料產(chǎn)生聚合凝固導(dǎo)致設(shè)備堵塞,為生產(chǎn)過程再次運行造成麻煩甚至損壞設(shè)備。為此設(shè)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(guān)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:P1931)比例控制:是最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律,它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)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

37、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(yīng)曲線法及經(jīng)驗法的特點。解答:P201臨界比例度法:衰減曲線法:響應(yīng)曲線法:經(jīng)驗法: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(shè)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(shè)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(guān)方式,調(diào)節(jié)器的正反作用方式,以及調(diào)節(jié)器的調(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

38、選擇:對數(shù)流量特性。 氣開、氣關(guān)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(fù)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(fù)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 思考題與習(xí)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:P2127.1.27-2 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:P2087.1.17-5 在串級控制系統(tǒng)中當(dāng)主回路為定值(設(shè)定值)控制時

39、,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(yán)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(shè)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(shè)備安全,爐溫不能過高。確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)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(dāng)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

40、小來改變控制量,以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。P2212)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:P2241)、2)7-10 為什么一般不單獨采用前饋控制方案?解答:由于前饋控制的局限性。7-14 圖7-44為一單回路水位控制系統(tǒng)。如果蒸氣用量經(jīng)常發(fā)生變化,為了改善控制質(zhì)量,將單回路控制系統(tǒng)改為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng),畫出控制系統(tǒng)工藝流程圖和框圖,并對新增回路的功能進行簡單說明。解答:1)控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖所示。控制系統(tǒng)框圖如圖所示。2)新增回路功能說明: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

41、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(7-37)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)。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。7-28 在某化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)進行氣相反應(yīng),調(diào)節(jié)閥A、B分別用來控制進料流量和反應(yīng)生成物的初料流量。為了控制反應(yīng)器內(nèi)壓力,設(shè)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(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。解答:1)框圖如圖所示:2)調(diào)節(jié)閥:A:氣開;B:氣關(guān)。3)調(diào)節(jié)器:反作用。7-30 圖7-47所示的熱交換器用來冷卻裂解氣,冷劑為脫甲烷塔的釜液。正常工況下要求釜液流量恒定,以保持脫甲烷塔工況穩(wěn)定。但裂解氣冷卻后的出口溫度不能低于15,否則裂解氣中的水分會產(chǎn)生水合物堵塞管道。為此要設(shè)計一選擇性控制系統(tǒng),要求:(1)畫出系統(tǒng)流程圖和框圖;(2)確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式,調(diào)節(jié)器的正、反作用及選擇器的類型。 解答:27

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