2022年技术与应用课后思考题答案 .pdf

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：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统。2. 自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备， 即被控对象。自动控制系统常用的术语有：被控变量 y 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；给定值（或设定值） ys对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值 ym由检测原件得到的被控变量的实际值；操纵变量（或控制变量）m 受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰 f 引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（ e）被控变量的实际值与给定值之差，即 e=ym - ys 控制信号 u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3. 什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系， 以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、 附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。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。 5. 什么是闭环控制？什么是开环控制？什么是闭环负反馈系统？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 22 页答：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。定值控制系统要求给定值恒定不变， 控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反馈系统。8. 什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？答：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的，系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态， 即系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过度过程。在阶跃干扰作用下，其过度过程曲线有：发散振荡过程 等幅振荡过程衰减振荡过程 非振荡的单调过程。 其中衰减振荡和非振荡的单调过程属于稳定的过渡过程，能满足自动控制的要求，其它的不能。9. 试画出衰减比分别为 时的过度过程曲线？答： n B, PID控制动作 ? ? ?0.当 | e(k) | B，无控制输出值 ? 式中 B 为阀值， O-B 的区间称为死区。该控制方式适用于要求控制作用尽可能少变动的场合，如在中间器皿的液面控制。 （2）饱和作用的抑制（A）PID 位置算法的积分饱和作用机器抑制采用遇限削弱积分法和积分分离法。（B ） PID 增量算法的饱和作用及其抑制（C）干扰的抑制四点中的差分法。该控制方式适用于可能出现饱和效应的场合，即控制量因受到执行元件机械和物理性精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 22 页能的约束而限制在有限范围以内， Umax=U=Umax ，控制器执行的控制量不再是计算值。U= Umax. 10在计算机控制系统中，采样周期是如何确定的？为什么执行器响应速度较慢时对采样周期可适当选大一些？答：采样周期的选择主要从以下几个方面来考虑：1。从对控制质量的要求考虑，采样周期小一些，控制效果好。2。从被控制对象的动态特征考虑，若对象的反应速度快，选用较短的采样周期； 如果对象的反应速度慢， 则选用较长的采样周期。3。 从执行机构的要求考虑，有时需要计算机输出的控制信号保持一定的时间宽度，为使执行机构能够按预期的调节规律运作，则采样周期可选长一些。4。从抗干扰的要求看，希望采样周期短些。5。从计算机的工作量和每个控制回路的成本看，希望采样周期大些。综上所述， 必须根据拘役情况和主要的要求作出选择，当执行器相应速度较慢时，采样周期应适当选大些，以保证执行器能够实现预期的调节规律。 12 计算机控制系统的设计有哪些基本原则？其设计步骤是怎样的答：计算机控制系统设计的基本原则：1。系统操作性能好使用方便和维修方便。2。可靠性高。 3。通用性好， 便于扩充。 4。 实时性强表现在时间驱动和时间驱动能力上。5。 设计周期短， 价格便宜。 设计步骤：1. 确定系统整体控制方案：确定系统整体控制方案；确定系统的构成方式；现场设备选择;2. 确定控制算法;3. 系统硬软件的设计 :4. 系统调试。13如何提高计算机控制系统的可靠性？有哪些方法途径？答：为了提高计算机控制系统的可靠性和可维护性，常采用提高元器件的可靠性，设计系统的冗条技术， 采取抗干扰措施， 采用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性技术等。常用的冗条系统 . 并联系统， 备用系统， 表决系统。 抗干扰措施电磁干扰的屏蔽；隔离技术；共模输入法；电源系统的干扰抑制；布线的防干扰；接地设计；软件的抗干扰措施。 14 过程控制系统所处的干扰环境是极其恶劣的，试阐述它所受的干扰有哪些？答：干扰分为 3 类： （1） 空间感应干扰， 它以电磁感应形式进入系统的任何部件和线路（2）类干扰是通过对通道的感应，传输结合，地线联系进入通道部分的干扰（3）电网的冲击波通过变压器结合系统进入电源系统而传到各个部分的。15共模干扰与串模干扰个有什么特点，它们是如何进入系统造成干扰的？答：在计算机控制系统中，由于对象，通道装置比较，通道与被测信号之间往往要长线连接，由此造成了被测信号地线和主机地线之间存在一定的电位差，它作为干扰，同时施加精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 22 页在通道的两个输入端上， 称为共模干扰。共模干扰的抑制措施：采用高共模抑制比的差动放大器，采用浮地输入双层屏蔽放大器，光电隔离，使用隔离放大器。16长线传输干扰为什么不可避免，如何加以抑制？答：在计算机控制系统中，由于对象，通道装置比较分散，通道与被测信号之间望完要长线连接，由此造成了被测信号地线和主机地线之间存在一定的电位差，它作为干扰，同时施加在通道的两个输入端上， 称为共模干扰。共模干扰的抑制措施：采用高共模抑制比的差动放大器，采用浮地输入双层屏蔽放大器，光电隔离，使用隔离放大器。17模拟地与数字地为何必须严格分开？答：模拟地是作为A/D 转换，前置放大器，比较器等模拟信号传递电路的零电位；数字地即逻辑地，主要是指TTL 或 CMOS 印刷电路板的地端，作为数字逻辑的零位。18在计算机控制系统中，常用的抗干扰措施有哪些？分析合理接地的重要性。答：抗干扰措施电磁干扰的屏蔽；隔离技术；共模输入法；电源系统的干扰抑制；布线的防干扰； 接地设计； 软件的抗干扰措施。 接地问题在计算机实时控制系统抗干扰中有重要地位， 接地不当，将引入干扰。 接地设计目的在于消除各电路电流流径一个公共地线阻抗时所产生的噪音电压，避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路，使屏蔽和滤波有环路，确保系统安全。19可偏程序调节器与普通模拟仪表相比有哪些异同及优点？答：可偏程序调节器是一种可以由用户编制程序，构成各种控制方式的数字化仪表，它以微处理器为运算控制的核心，是单元组各式仪表向微机化发展和计算机控制向分散化发展两者相结合的方向，具有逻辑控制，计时，计数，分支以及子程序等顺序控制功能，又有数字运算，数据处理，模拟量调节，操作显示以及联网通信等各种功能。特点： 1。编制程序简单。 2。控制系统简单，通用性强。3。抗干扰能力强，可靠性高。4。体积小，维护方便。 5。缩短了设计，施工，投产调试周期，应用前景广阔。20可编程序调节器由哪些部分组成的？各部分的主要作用是什么？答：可遍程序调节器有四部分组成：1。输入，输出部件；是PC 与被控设备连接起来的部件。 2。中央处理器，是PC的大脑，处理和运行用户程序，监控中央处理机和输入输出部件的状态， 并作出逻辑判断。3。 电源部件， 是将交流电源转换成供PC的微处理器， 存储器等电子电路工作所需要的直流电流，是 PC能正常工作。 4。编程器，是 PC最重要的外围设备， PC需要编程器输入，检查，修改，调试用户程序，也可在线监视PC的工作情况。 21 试简述可编程序调节器的基本工作过程。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 22 页答：可编程序调节器的工作过程有三部分：输入采样即读状态信息。程序执行通过 CPU 中的运算器对读入的输入信号进行逻辑运算。 输出刷新当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，使之完成预定的任务。第六章典型过程控制系统应用方案1. 离心式压缩机防喘振的控制方案有什么特点答: 压缩机防喘振的控制方案分为固定极限流量法和可受流量极限流量法 , 固定极限流量法是控制压缩机的入口流量不低于某一不受的极限值 , 以防止喘振现象的产生. 该方案结构简单 , 运行安全可靠, 投 资费用少 , 但产生喘振现象的流量极限值统统与压缩机的转速有关. 因此当压缩机的转速不是衡值时, 不宜采用次方案, 当压缩机的转速可变时 , 进入喘振区的极限流量也是变化的. 这个极限流量可以根据压缩机的安全操作线经计算得到, 可变极限流量法就是控制压缩机的入口流量 , 使之不低于由计算得到的流量极限值, 以防止喘振现象的发生 . 该方案要根据现场数据来计算流量的极限值. 较麻烦 , 而且当安全操作线的方程不相同时 , 有不同的计算方法和相应的控制方案. 但 这种方案在压缩机的转速不恒定, 负荷需要变动的场合下 , 使用较可靠较经济 . 2. 单回路控制系统的主要应用场合有哪些? 答: 单回路控制系统通常是指由一个被控对象, 一个检测元件及传感器或变速器 , 一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统, 主 要应用于控制负荷变化较小的被控对象, 被控对象的动态特性易于控制工艺对调节质量的要求不高时, 可选用单回路控制系统. 3. 为什么选择控制参数时要从分析过程特性入手?怎样选择一个可控性良好的量作为控制参数? 性良好的量作为控制参数? 答: 在生产过程中, 存在着各种各样的被控对象. 这些对象的特性各不相同 , 有的较易操作,工艺变量能够控制的比较平稳, 有的却很难操纵, 工艺变量容易产生大幅段波动, 容易越出工艺允许的范围, 只有充分了解和熟悉对象特征, 才能使工艺生产在最佳状态下运行, 因此 ,在控制系统设计时, 首先必须充分了解被控对象的特征, 掌握他的内在规律, 才能选择合适的被控变量 , 操纵变量 . 被控变量的选择原则: (1) (2) (3) (4) 信号可直接测得, 测量变送环节的滞后小. 可选择与之有单质函数关系的间接参数( 当不能直接获取时) 独立变量考虑工艺合理性及当前仪表性能操纵变量的选择原则: (1).考虑工艺合理性 (2) 考虑被控对象特征: 使被控对象控制通道的放大系数较大, 时间常数较小 , 纯滞后时间越小越好. 使被控对象干扰通道的放大系数尽可精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 22 页能小 , 时间常数越大越好. 4. 化学反应里对自动控制有什么基本要求? 答: 基本要求有以下几个方面: 控制指标根据进行的反映不同, 指标选择不同, 如反应转化率 , 产品的质量 , 产量等直接指标或 T.P 物料平衡和能量平衡, 以使反映能正常进行约束条件 : 保证反应里能安全正常操作所要求的条件尽可能将干扰作用排除在反应之前, 以保证产品质量. 5. 为什么大多数反应器的主要被控量都是温度？为什么大多数反应器的主要被控量都是温度 对于大多数反映皿来说, 其控制要求是在一定的约束条件和保持物料平衡的情况下, 使反映皿的生成物的质量指标符合一定的要求, 化学反应皿的质量指标一般指反应的转化 . 率或反映生成物的规定浓度, 但 是转化率或产物浓度一般不易直接测量, 所以要寻找与转化率或产物浓度有一定关系的间接质量指标,对于化学反应皿, 一般总伴随有热效应 , 不是吸热就是放热 , 所以温度量最能够表征转化率或产物浓度的间接控制指标, 如果再辅以压力和处理量等控制系统, 即可保证反映皿的正常操作. 以温度作为被控变量, 由于温度较宜测量,且影响温度的变量教多, 给选择操纵变量提供了方便条件, 故较宜构成相应的温度控制系统, 但有时以温度作为间接控制指标, 并不能保证质量稳定, 当有干扰作用时 , 转化率和反映生成物组合等仍会受到影响, 特别是在有些反映中, 温度与生成物组合间不完全是单值关系,这就需要不断根据情况去改变温度控制系统的给定值, 在有催化剂的反映皿中由于催化剂的 活性变化 , 温度给定值也要随之改变6生产过程一般对换热器控制系统有什么要求？答：生产过程对换热器控制系统的要求有以下几点：. . 被控变量要求是冷却介质（被加热介质）的出口温度；加热介质是废热热源时，为了节省能量，要求最大限度地加以利用， 所以一般不对其流量进行调节，而是调节被加热介质的流量。. 对于两侧均无相变化的换热器的控制，要稳定被加热介质的出口温度。可以通过改变载热体自身流量，改变载热体旁路流量，改变被加热介质自身流量，改变被加热介质的旁路流量。. 当邮箱便是，如蒸气冷凝， 其控制方案可以通过改变加热蒸汽流量或改变冷凝水排出量来维持被加热介质出口温度的稳定。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 22 页