过程控制与自动化仪表第三版课后答案.doc

''第第 1 章章 思考题与习题思考题与习题1基本练习题基本练习题（1）简述过程控制的特点。答：1控制对象复杂、控制要求多样2控制方案丰富3控制多属慢过程参数控制4定值控制是过程控制的一种主要控制形式5过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成（2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。过程控制系统的一般性框图如图 1-1 所示：控制器r r( (t t) ) 执行器被被控控过过程程检测变送装置y y( (t t) ) _f f( (t t) ) e e( (t t) )u u( (t t) )q q( (t t) )z z( (t t) )图 1-1 过程控制系统的一般性框图（3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。1）模拟仪表的信号：气动 0.02 0.1MPa；电动型：420mADC 或 15V DC。2）数字式仪表的信号：无统一标准。（4）试将图 1-2 加热炉控制系统流程图用方框图表示。答：加热炉控制系统流程图的方框图如图 1-3 所示：ACAT燃油PTPCTCTT引风机烟气冷油入口热油出口火嘴送风机空气图 1-2 加热炉过程控制系统流程T TC CP PC C给给定定值值 阀阀管管道道加加热热炉炉热热油油出出口口温温 度度P PT T燃燃油油压压力力_T TT T_干干扰扰2 2干干扰扰1 1图 1-3 加热炉过程控制系统流程方框图（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？答：1）单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比 n；超调量：第一个波峰值与最终稳态值 y（）之比的百分数：1y1100%( )y y最大动态偏差 A：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；静差，也称残余偏差 C： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值 y（）与设定值之间的偏差 C 称为残余偏差，简称残差；调节时间 ：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的（）范围内所st5%2%需要的时间；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或n工作周期，其倒数称为振荡频率；上升时间：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；pt峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。pt（6）误差积分指标有什么缺点？怎样运用才较合理？答：误差积分指标存在的缺点是不能保证控制系统具有合适的衰减率。因此，通常先确定衰减率，然后再考虑使某种误差积分为最小。（7）简述过程控制系统的设计步骤。答：过程控制系统设计的主要步骤：1. 确定控制目标；2选择被控参数；3. 选择控制量；4. 确定控制方案；5. 选择控制策略；6. 选择执行器；7. 设计报警和联锁保护系统；8. 系统的工程设计；9系统投运、调试和整定调节器的参数。（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。答：过程控制系统按结构不同主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。2前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。3. 前馈反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。举例说明：在锅炉汽包水位控制系统中，将蒸汽流量作为前馈信号，汽包水位作为主被控参数，给水流量作为副被控参数，构成了前馈-反馈串级控制系统。（9）两个流量控制系统如图 1-4 所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。图 1-4 两个流量控制回路示意图答：系统 1 是前馈控制系统，系统 2 是反馈控制系统。系统框图如图 1-5 如下：测量变送被控过程执行器测量变送被控过程执行器系统 1 系统 2图 1-5 两个流量控制回路方框图（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？答：1）不是这样。2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。（11）构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？答：1）是的。2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计成安全火花型。2综合练习题综合练习题（1）简述图 1-6 所示系统的工作原理，画出控制系统的方框图并写明每一方框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。LTLC1Q2QA图 1-6 控制系统流程图答：1）图为液位控制系统，由储水箱（被控过程） 、液位检测器（测量变送器） 、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节 Q1（流量）来实现液位控制的作用。2）框图如图 1-7 所示：控制器LC调节阀被被控控对对象象 A A测量变送LT_2( )Q t ( )1Q t( )r t( )e t( )u th图 1-7 控制系统框图3）控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差 e(t )、控制量 u(t )；执行器输入输出分别为：控制量 u(t )、操作变量 Q1 (t ) ；被控对象的输入输出为：操作变量 Q1 (t ) 、扰动量 Q2 (t ) ，被控量 h ；所用仪表为：控制器（例如 PID 控制器） 、调节阀、液位测量变送器。（2）什么是仪表的信号制？通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号、控制室内部仪表之间采用直流电压信号，这是为什么？答：1）仪表的信号制是指在成套系列仪表中，各个仪表的输入/输出信号均采用某种统一的标准形式，使各个仪表间的任意连接成为可能。2）通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号：因为直流比交流干扰少、直流信号对负载的要求简单，而且电流比电压更利于远传信息。控制室内部仪表之间采用直流电压信号：因为任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的运行，同时，各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。（3）某化学反应过程规定操作温度为 80±5，最大超调量小于或等于 5，要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图 1-8 所示。要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间；2）说明该系统是否满足工艺要求。51823t/min080818285/T C图 1-8 设定值干扰的过渡过程曲线示意图答：1）由上图可得 y() = 81，设定值 r=80, B1=8581=4,B2=8281=1稳态误差 e() = r y() =80-81= 1衰减比：，1244:11BnB最大超调量：( )( )8581100%100%4.938%( )81py tyy过渡过程时间 ts ：大概在 18min 左右。2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为 80，而最后趋于稳定的值却为 81，因此不满足工艺要求。（4）图 1-9 所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？LTLC蒸汽汽包加 热 室 水图 1-9 锅炉汽泡水位控制流程图答：1）控制系统框图如图 1-10 所示：液位控制器上水调节阀汽包液位变送器液位设定 -蒸汽流量变化实际液位图 1-10 锅炉汽泡水位控制框图2）被控过程：加热器+汽包；被控参数：汽包水位；控制参数：上水流量；干扰参数：蒸汽流量变化。3设计题设计题（1）举出你所见到的过程控制系统的实例，并指明其被控过程、被控参数、控制参数（或控制介质） 、干扰作用，画出其控制流程图和系统方框图。略（2）试举你所见到的前馈-反馈复合控制系统的实例，画出其控制流程图和系统方框图。略第第 2 章章 思考题与习题思考题与习题1基本练习题基本练习题（1）简述过程参数检测在过程控制中的重要意义以及传感器的基本构成。答：1）过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、成分等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量的生产安全，并使生产过程按最优化目标进行。要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则是有检测仪表来完成。检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，系统的控制精度首先取决与检测仪表的精度。检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。2）传感器的基本构成：通常是由敏感元件、转换元件、电源及信号调理/转换电路组成。（2）真值是如何定义的？误差有哪些表现形式？各自的意义是什么？仪表的精度与哪种误差直接有关？答：1）真值指被测物理量的真实（或客观）取值。2）误差的各表现形式和意义为：最大绝对误差：绝对误差是指仪表的实测示值与真值的差值，记为，如式x ax（2-1）所示：（2-axx1）相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为，如式（2-2）所示：（2-a100%x2）引用误差：引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，记为，如式（2-3）所示：（2-maxmin100%xx3）式中，仪表测量范围的上限值；仪表测量范围的下限值。m axxm i nx基本误差：基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。附加误差 附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。3) 仪表的精度与最大引用误差直接有关。（3）某台测温仪表测量的上下限为 5001000，它的最大绝对误差为±2，试确定该仪表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2则精度等级 %4 . 0%1005002所以仪表精度等级为 0.4 级（4）某台测温仪表测量的上下限为 1001000，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：由题可得：仪表精度等级至少为 0.001 级。 或者 0.002（5）有一台 DDZ-型两线制差压变送器，已知其量程为 20100kPa，当输入信号为40kPa 和 80kPa 时，变送器的输出分别是多少？答：由题可得：变送器输出的分别是 8mA 和 16mA。（6）设有某 DDZ-型毫伏输入变送器，其零点迁移值mV DC，量程为 12 m i n6umV DC。现已知变送器的输出电流为 12 mA DC。试问：被测信号为多少毫伏？答：由题可得：被测信号为 12 毫伏。（7）智能温度变送器有哪些特点？简述 TT302 温度变送器的工作原理。答：1）智能温度变送器特点为：a）通用性强；b）使用灵活；c）多种补偿校正功能 ；d）控制功能；e）通信功能；f）自诊断功能；2) TT302 温度变送器的工作原理：a) 在结构上，它由输入模板、主电路模板和显示器三部分组成。其中，输入模板由多路转换器（MUX） 、信号调理电路、A/D 转换器和隔离部分组成。主板由微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整和电源等组成，它是变送器的核心部件。显示器为液晶式微功耗数字显示器，可显示四位半数字和五位字母。b）软件分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各部分之间的管理；功能模块提供了各种功能，用户可以通过选择以实现所需要的功能。（8）1151 智能式差压变送器有哪些特点？它的硬件构成有哪几部分？答：1）1151 智能式差压变送器具有如下特点：a）测量精度高，基本误差仅为±0.1，而且性能稳定、可靠；b）具有温度、静压补偿功能，以保证仪表精度；c）具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通信；d）具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位换算和有关信息的存储等功能。2）硬件构成分为 6 部分：传感器部分，A/D 转换器，CPU，HART 通信部分，数/模转换及电压调整电路，监控电路。（9）温度变送器接受直流毫伏信号、热电偶信号和热电阻信号时有哪些不同？答：直流毫伏信号与热电偶信号的两点区别是输入信号由直流毫伏信号变为热电偶的热电动势信号，该信号会随热电偶冷端温度的变化而变化，因而需要对其进行矫正，其矫正电压由铜电阻变化的阻值来提供。而热电阻信号由于其他不同：它用三限制接入电路取代了冷端温度补偿电路。对铂电阻测温进行了非线性校正。非线性校正不是采用折线拟合方法而是采用正反馈方法。（10）什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力之间有何关系？答：所谓的压力是指垂直作用与单位面积上的力。表压力是指绝对压力与当地大气压力之差。绝对压力是指相对于绝对真空所测量得到的压力。负压是指绝对压力小于大气压力之时，大气压力与绝对压力之差。（11）体积流量、质量流量、瞬时流量和累积流量的含义各是什么？答：体积流量是以体积表示的瞬时流量。质量流量是以质量表示的瞬时流量。瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用重量或质量表示。瞬时流量：单位时间内流过工艺管道某截面积的流体数量。累积流量：某一段时间内流过工艺管道某截面积的流体总量。（12）某被测温度信号在 4080范围内变化，工艺要求测量误差不超过±1，现有两台测温仪表，精度等级均为 0.5 级，其中一台仪表的测量范围为 0100，另一台仪表的测量范围为 0200，试问：这两台仪表能否满足上述测量要求?答：由题可得：这两台仪表均不能满足上述测量要求。（13）热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采用哪几种？答：1）只有当热电偶的冷端温度恒定时，其热电动势才是单值函数。依据等值替换原理制成的补偿导线，虽然可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，但还不能保持绝对不变。因此，为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可以进行冷端温度校正。2）补偿方法常采用查表校正法和电桥补偿法。（14）热电阻测温电桥电路中的三线制接法为什么能减小环境温度变化对测温精度的影响？答：三线制接法就是在热电阻根部的一端引出一根导线，而在另一端引出两根导线，分别与电桥中的相关元件相接。这种接法可利用电桥平衡原理较好的消除导线电阻的影响，所以这种接法是目前工业过程中最常用的接线方式。2综合练习题综合练习题（1）某一标定为 100600的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下：被校表读数/100150200250300400500600 标准表读数/1021492042562964034956061)试求该仪表的最大绝对误差。2）确定该仪表的精度等级。3）经过一段时间使用后，仪表的最大绝对误差为±7，问此时仪表的精度等级为多少？答：1）仪表的最大绝对误差为：±6。2）根据，可知：仪表的精度等级 1.2 级。6100%1. 2%500 3）此时仪表的精度等级不变，仍然为 1.2 级。（2）用分度号 Pt100 的热电阻测温，却错查了 Cu50 的分度表，得到的温度是 250。问实际温度是多少？答：根据题意可知：实际温度为-120.8。（3）若被测压力的变化范围为 0.51.4MPa，要求测量误差不大于压力示值的±5，可供选用的压力表规格：量程为 01.6MPa，02.5MPa，04MPa，精度等级为1.0、1.5、2.5。试选择合适量程和精度的压力表。答：根据题意可知：最大测量误差为max1.4×（5）0.07 Mpa1）量程确定：应满足工作最大压力小于仪表量程的 2/3 处，即 1.4 MPa×3/22.1 MPa可以选量程为 02.5 MPa 的弹簧压力表。2）精度等级确定：求出基本误差，以确定满足要求的精度等级。，允许的精度等级为 2.5 级。%8 . 2%1005 . 2 07. 0综上分析，选择量程为 02.5 MPa，精度等级为 2.5 级的弹簧压力表。该表的最大绝对误差：max2.5×（2.5）0.0625 MPa，0.02MPa 时，阀由关闭状态逐渐打开；“气关”则相反，即指当前气压信号 p>0.02MPa 时，阀由全开状态逐渐关闭。2）组合如表 3-1 所示：表 3-1 执行器组合表执行机构作用方式阀体作用方式执行器气开、气关形式正正气关正反气开反正气开反反气关3）举例：一般加热器选用“气开”式，这样当控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不会因为温度过高发生事故或危险。又如，锅炉进水的执行器则应选用“气关”式，即当控制信号中断时，执行器处于打开状态，保证有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。（12）在过程控制系统中，为什么要使用电-气转换器？试简述其工作原理。答：1）由于气动执行器有一系列优点，绝大多数使用使用电动调节仪表的系统也是用气动执行器，为使气动执行器能够接受电动调节器的控制信号，必须把调节器输出的标准电流信号转换为 20100kPa 的标准气压信号。这个过程由电气转换器完成。2）工作原理：它是按力平衡原理设计和工作的。在其内部有一线圈，当调节器（变送器）的电流信号送入线圈后，由于内部永久磁铁的作用，使线圈和杠杆产生位移，带动挡板接近（或远离）喷嘴，引起喷嘴背压增加（或减少） ，此背压作用在内部的气动功率放大器上，放大后的压力一路作为转换器的输出，另一路馈送到反馈波纹管。输送到反馈波纹管的压力，通过杠杆的力传递作用在铁芯的另一端产生一个反向的位移，此位移与输入信号产生电磁力矩平衡时，输入信号与输出压力成一一对应的比例关系。即输入信号从 4mA.DC 改变到 20mA.DC 时，转换器的输出压力从 0.020.1MPa 变化，实现了将电流信号转换成气动信号的过程。（13）在过程控制系统中，为什么要使用阀门定位器？它的作用是什么？答：1）电气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。2）定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。（14）什么是调节阀的流通能力，确定流通能力的目的是什么？它是怎样计算的？答：1)调节阀的流通能力指: 调节阀全开、阀前后压差为 0.1MPa、流体重度为 1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或 kg） 。2)确定流通能力的目的是其调节阀的容量。3)由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量如式（3-4）所示：（3-V0122gqA(pp )r 4）式中，为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；为调节阀接管截面积；为重力加速度； 为流体重度。0Agr（15）什么是调节阀的流量特性？调节阀的理想流量特性有哪几种？它们各是怎样定义的？调节阀的工作流量特性与阻力系数有关，而阻力系数又是怎样定义的？它的大小对流量特性有何影响？答：1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。2）常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、快开特性。3）直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系。等百分比流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系。快开流量特性是指在小开度时就有较大的流量随着开度的增大， 。流量很快达到最大，故称为快开特性。4）阻力系数 S 定义为阀全开时阀前后压差与系统总压差的比值。 minpVp5)S=1 时，工作流量特性为理想流量特性。当 S f0b）分子阶次不高于分母阶次，这样才能物理上实现。（5）已知系统被控过程的传递函数为21000 0) 15(1)(se sTeKsGss可以求得史密斯预估控制器的传递函数为)1 () 15(1)(10 2s sessG试用 MATLAB 语言编写程序，分别对 PID 控制系统和带有史密斯预估器的控制系统进行仿真，画出其仿真波形，并比较它们的控制性能。答：主程序clcclearG1 = tf(1,conv5 1,5 1);tau1 = 10;np,dp = pade(tau1,2);Gp = tf(np,dp);G = G1*Gp;K T tau = kttau(G);Gc4 Kp Ti Td = cc01(4,K T tau);Gcc4 = feedback(G*Gc4,1);set(GCC4,'Td',tau1);step(Gcc4,'g');hold on;y1 t = step(Gcc4);disp('显示 PID 控制系统的阶跃响应超调量 sigma_1、峰值时间 tp_1、调节时间 ts_1');sigma_1,tp_1,ts_1 = perf(1,y1,t);Gcc5 = feedback(G1*Gc4,1);set(Gcc5,'Td',tau1);step(Gcc5,'b');legend('PID','SMITH PID');显示结果仿真图如图 6-7 所示：图 6-7 系统仿真结果图讨论控制性能：由仿真图可知，带有史密斯预估计 PID 控制系统的阶跃响应曲线控制效果明显比单纯的 PID 控制有明显的改善，超调越小，调节过程加速。3设计题设计题（1）已知的帕德一阶近似式和帕德二阶近似式分别为se1212ss e s和2 22 2122122sss e ss试用上述二式分别讨论史密斯预估控制的实现方案。答：1）帕德一阶史密斯预估控制的实现方案 有已知得：（6- 012( )12s G ss3）由此可得预估器的传递函数式（6-4）( )sG s（6- 012( )( )(1)(1) 12ss ss G sG see s4）史密斯预估控制系统的实施框图如图 6-8 所示。图 6-8 史密斯预估控制系统的实施框图2）帕德二阶史密斯预估控制的实现方案 有已知得：（6- 2 202 2122( )122ss G sss5）由此可得预估器的传递函数为：( )sG s（6- 2 202 2122( )( )(1)(1)122ss sss G sG seess6）史密斯预估控制系统的实施框图同帕德一阶史密斯预估控制框图。（2）某加热器采用夹套式加热的方式来加热物料。物料温度要求严格加以控制。夹套通入的是由加热器加热后的热水，而加热采用的是饱和蒸汽。工艺流程如图 6-9 所示。要求：1）如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？2）如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？3）如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案；为什么？图 6-9 加热物料工艺流程图图 6-10 加热器串级控制系统答：1）如果冷水流量波动是主要干扰，采用前馈-反馈控制；被控变量为物料出料温度，控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。2）如果蒸汽压力波动是主要干扰，采用串级控制；主被控变量为物料出料温度，副被控变量为蒸汽流量或压力，控制变量蒸汽流量。3）如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，采用前馈-串级控制；主被控变量为物料出料温度，副被控变量为蒸汽流量或压力，控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。（3）对于图 6-10 所示加热器串级控制系统，要求：1）画出控制系统的方框图；2）若工艺要求加热器的温度不能过高，试确定调节阀的气开、气关型式；3）确定主、副调节器的正、反作用方式；4）当蒸汽压力或冷物料流量突然增加时，分别简述控制系统的控制过程。答：1）控制系统的方框图如图 6-11 所示：TCFCFT调节阀蒸汽 管道加热容器热物料TT图 6-11 控制系统的方框图2）根据工艺要求：调节阀选用气开。3）由工艺可知，当调节阀开度增大，则容器温度升高，故为正；为保证副回路02K为负反馈，则应为正，即为反作用调节器；当容器温度升高，容器出口热物料温度2cK也随之升高，故也为正；为保证主回路为负反馈，则应为正，即为反作用调节器。01K1cK4）当蒸汽压力突然增加时：副回路控制器及时作用，调节副回路调节阀，使得阀开度减小，从而保证容器出料口温度保持不变。当冷物料流量突然增加时：主回路控制器输出变大，即副回路设定值增大，副回路及时做出反应，使得副回路调节阀开度增大，使得容器出口物料温度得以恒定。（4）图 6-12 所示为污水处理过程示意图，工艺要求清水池水位需稳定在某一高度。其中污水流量经常波动，是诸多干扰中最主要干扰。试设计一个控制系统，要求：1）画出控制系统流程图与方框图；2）为了保证清水的处理质量，试确定调节阀的气开、气关型式；3）确定各调节器的正、反作用。图 6-12 污水处理过程示意图答：1）控制系统流程图如图 6-13 所示：澄澄清清池池污污水水 过过滤滤池池清清水水池池污污水水F FT TF FC CL LT TL LC C图 6-13 控制系统流程图控制系统方框图如图 6-14 所示：LCFCFT调节阀污水 管道清水池LT图 6-14 控制系统方框图2）为了保证清水的处理质量，调节阀选用气关类型。3）由工艺可知，当调节阀开度增大，则清水池水位上升，故为正；为保证副回02K路为负反馈，则应为正，即为反作用调节器；当排放阀开度增大时，清水池水位随2cK之下降，故也为负；为保证主回路为负反馈，则应为负，即为正作用调节器。01K1cK（5）已知系统被控过程的传递函数为) 1)(1()(02010 0sTsTeKsGs试分别用原史密斯预估控制方案和增益自适应预估控制方案对其进行仿真，画出仿真波形，并比较其控制性能。答：原史密斯预估控制方案和增益自适应预估控制仿真模型如图 6-15 所示：图 6-15 控制仿真模型图仿真结果如图 6-16 所示：图 6-16 仿真结果图其中，实线为原型史密斯控制响应曲线，虚线为增益自适应预估控制曲线。通过响应曲线可知：增益自适应预估控制控制性能优于原型史密斯控制。（6）假设过程的传递函数和模型的传递函数为) 120(4)(200sesGs) 120(4)(150sesGs试分别用原史密斯预估控制方案和参数自适应预估控制方案对其进行仿真，画出设定值干扰和负荷干扰下的仿真波形，并比较其控制性能。答：略。第第 7 章章 思考题与习题思考题与习题1基本练习题基本练习题（1）什么叫比值控制系统？它有哪几种类型？画出它们的原理框图。答：1）比值控制系统就是实现副流量与主流量成一定比值关系，满足关系式：2F1F的控制系统。21FKF2）比值控制系统的类型：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。3）结构原理图分别如图 7-1，图 7-2，图 7-3，图 7-4 所示：图 7-1 开环比值控制系统（a）开环比值控制系统原理图 （b）开环比值控制系统方框图图 7-2 单闭环比值控制系统（a）单闭环比值控制系统原理图 （b）单闭环比值控制系统方框图控制器对象控制阀测量变送-F1F2FC（a）原理图（b）方框图KFCF1F2(a) 原理图(b) 方框图测量变送测量变送对象控制器控制阀K -F1F2F1CKF2CF1F2主控制器控制阀副控制器主对象控制阀副对象K测量变送测量变送-F1F2（a）原理图（b）方框图图 7-3 双闭环比值控制系统（a）双闭环比值控制系统原理图 （b）双闭环比值控制系统方框图图 7-4 变比值控制系统（a）变比值控制系统原理图 （b）变比值控制系统方框图（2）比值控制中的比值与比值系数是否是一回事？其关系如何？答：1）工艺要求的比值系数 K，是不同物料之间的体积流量或重量流量之比，而比值器参数 K ，则是仪表的读数。它与实际物料流量的比值 K，一般情况下并不相等。因此，在设计比值控制系统时，必须根据工艺要求的比值系数 K 计算出比值器参数 K 。当使用单元组合仪表时，因输入-输出参数均为统一标准信号，所以比值器参数 K必须由实际物料流量的比值系数 K 折算成仪表的标准统一信号。2）当物料流量的比值 K 一定、流量与其检测信号呈平方关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系。当物料流量的比值 K 一定，流量与其检测信号呈线性关系时，比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系。（3）什么是比值控制中的非线性特性？它对系统的控制品质有何影响？在工程设计中如何解决？F1CXC÷主控制器比值控制器F1F2流量对象控制阀主对象除法器测量变送测量变送主测量变送（a）原理图（b）方框图F1-XF1F2答：1）比值控制系统中的非线性特性是指被控过程的静态放大系数随负荷变化而变化的特性。2）非线性特性使系统的动态特性变差。3）通常用开方器进行补偿，即在差压变送器后串接一个开方器，使流量与测量信号之间呈现线性关系。（4）同单回路控制、串级控制相比，比值控制系统的参数整定有何特点？答：在比值控制系统中，双闭环比值控制系统的主动量回路可按单回路控制系统进行整定；变比值控制系统因结构上属串级控制系统，所以主调节器可按串级控制系统的整定方法进行。这样，比值控制系统的参数整定，主要是讨论单闭环、双闭环以及变比值控制从动量回路的整定问题。由于这些回路本质上都属随动系统，要求从动量快速、准确地跟随主动量变化，而且不宜有超调，所以最好整定在振荡与不振荡的临界状态。（5）什么是均匀控制？常用均匀控制方案有哪几种？试述设置均匀控制的目的与要求。答：1）均匀控制是将两种控制统一在一个控制系统中，从系统内部解决两种工艺参数供求之间的矛盾的控制系统。2）常用的均匀控制方案有：简单均匀控制系统、串级均匀控制系统。3）设置均匀控制的目的是使前后设备的工艺参数相互协调、统筹兼顾，以确保生产的正常进行；要求是完成生产工艺所要求的特殊控制任务。（6）从调节器参数整定来看，怎样区分均匀控制和液位或流量的定值控制？均匀控制参数整定有何特点？答：1）由于均匀控制和定值控制的控制目的不同，所以对控制的动态过程要求就不同，调节器的参数整定也不一样。均匀控制系统在调节器参数整定时，比例作用和积分作用均不能太强，通常需设置较大的比例度（大于 100%）和较长的积分时间，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。2）均匀控制参数整定的特点：参数均应缓慢地变化，参数变化应限制在允许的范围内。（7）什么是均匀控制系统参数整定的停留时间法？参数整定是怎样进行的？答：1）停留时间法是指被控参数在允许变化的范围内、依据控制介质流过被控过程所需要的时间整定调节器参数的方法。停留时间 （单位为 min）的计算公式如式（7-1）所t示：（7-1）Vtq式中， 是正常工况下的介质流量； 是容器的有效容量。qV2）具体整定方法归纳如下：a）副调节器按简单均匀控制系统的方法整定。b）计算停留时间 ，然后根据表 7-1 确定液位调节器的整定参数。c）根据工艺要求，适当调整主、副调节器的参数，直到液位、流量的曲线都符合要求为止。表 7-1 整定参数与停留时间的关系停留时间 /mint40比例度（%）100150150200200250积分时间/miniT51015（8）什么叫分程控制？与前述过程控制方案（如单回路、串级等）相比，有何特点？答：1）根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内全行程动作，这种控制系统被称为分程控制系统。2）特点：在一般的过程控制系统中，通常是调节器的输出只控制一个调节阀。但在分程控制系统中，将调节器的输出信号分段，去分别控制两个或两个以上的调节阀。（9）分程控制系统是怎样进行分类的？可分为哪几类？答：根据调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同。分程控制系统有两种类型：调节阀同向动作、调节阀异向动作。（10）什么叫选择性控制？试述其常用的系统分类及应用。答：1）选择性控制是指将工艺生产过程的限制条件所构成的逻辑关系叠加到正常自动控制系统上而形成的一种控制方法。2）自动选择性控制系统按选择器所选信号不同大致可分为两类。选择调节器的输出信号，应用实例：锅炉燃烧过程压力自动选择性控制系统；选择变送器的输出信号，应用实例：化学反应过程峰值温度选择性控制系统。（11）什么叫积分饱和现象？在选择性系统的设计中怎样防止积分饱和现象？答：积分饱和现象是指由于长时间存在偏差而导致调节器的输出达到最大或最小。为了防止积分饱和现象，通常采用外反馈法、积分切除法、限幅法等措施加以克服。（12）在分程控制系统设计中，分程控制信号是怎样确定的？为什么从一个调节阀向另一调节阀过渡时，其流量变化需要平滑？在工程设计上如何来实现这一要求？答：1）分程控制信号的确定取决于工艺的要求，例如考虑到设备的安全和节能要求。2）因为如果从一个调节阀向另一调节阀过渡时流量变化不平滑，那么两只调节阀组合在一起构成分程控制时，在分程点处的流量变化就会不平滑，这会导致总流量特性的不平滑，这对系统的平稳运行是不利的。3）为了解决这一问题，可采用如下方法：选择流量特性合适的调节阀，如选用两个流通能力相等的线性阀，使两阀的流量特性衔接成直线。使两个阀在分程点附近有一段重叠的调节器输出信号，这样不等到小阀全开，大阀就已开始启动，从而使两阀特性衔接平滑。（13）在分程控制系统中，什么情况下需选用同向动作调节阀？什么情况下需选用反向动作调节阀？答：如果两个调节阀同为气开式或同为气关式，那么选用同向动作调节阀；如果两个调节阀一个为气开式，另一个为气关式，那么选用反向动作调节阀。 （14）某比值控制系统用 DDZ-型乘法器进行比值运算（乘法器输出，其中与分别为乘法器的两个输入信号） ，流量用孔mAmAmAImAII416)4)(4(01 21I0I板配差压变送器来测量，未加开方器，如图 7-5 所示。1）画出该比值控制系统框图；2）如果，应如何设置乘法器的设定值？1:2:21qq0I1q2q图 7-5 题（14）图图 7-7 题（15）图答：1）画出该比值控制系统框图如图 7-6 所示：2）如果12:2 : 1qq（7-21qKq2）（7-'214 4IKI3）将 带入式（7-3）得到'04 16IK所以（7-' 0164IK4）图 7-6 比值控制系统框图（15）图 7-7 为管式加热炉原油出口温度分程控制系统。两分程阀分别设置在天然气和燃料油管线上。工艺要求尽量采用天然气供热，只有当天然气量不足以提供所需热量时，才打开燃料油调节阀和为补充。根据上述要求确定：1）A、B 两调节阀的气关、气开形式及每个阀的工作信号段（假定分程点在0.06MPa 处） ；2）确定调节器的正、反作用形式；3）画出该系统的框图，并简述其工作原理。答：1）A、B 两调节阀同为气开式。每个阀的工作信号段如图 7-8 所示，刚开始的时候，阀 A 开始打开，阀 B 处于全关状态；当信号增大到 0.06MPa 时，阀 A 全开，阀 B 开始打开；当信号增大到一定程度后，阀 B 全开。测量变送测量变送对象控制器控制阀K -I0I2I1压力/Mpa0.06阀开度(100%)AABB10 2(4) (4)416III图 7-8 阀的工作信号段图示2）由于选用的调节阀为气开式，故为正；当给被控过程输入的天然气增加时，出口vK温度升