过程装备控制技术及应用.docx
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过程装备控制技术及应用
第一章
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：
①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。
6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。
①试画出该控制系统的方框图；
②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？
整个系统的输入信号和输出信号又是什么？
③系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大）时，该系统如何实现自动控制的？
答：
如图所示为该控制系统的方框图。
该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。
整个系统的输入信号为：
给定值ys，干扰作用f，输出为热物料出口温度T，当冷物料流量增大，则出口温度y减小，TT检测后所得测量值ym减小，偏差信号e=ym-ys<0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。
7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，
（1）试画出该系统的方框图；
（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？
答：
（2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：
进水流量，大气温度等。
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：
①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④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n<1,n=1,n>1,n→∞时的过度过程曲线？
答：
如图所示：
10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？
答：
表示衰减振荡过程的控制指标有：
1大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。
2衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。
3回复时间（过渡时间）ts——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。
4差e（∞）——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。
5振荡周期T——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。
第二章
1.什么是被控对象的特性？
表征被控对象特性的参数有哪些？
它们的物理意义是什么？
答：
所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度）。
描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ。
K——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。
由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
T——时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。
或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。
时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此是对象的动态参数。
τ——滞后时间是纯滞后τ0时间和容量滞后τc的总和。
输入变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。
容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
滞后时间τ也是反映对象动态特性的重要参数。
4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？
答：
对于不同的通道，对象的特性参数（K，T，τ）对控制作用的影响是不同的。
对于控制通道：
放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。
但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。
在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。
时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。
滞后时间τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。
因此，应尽量减小滞后时间τ。
对于扰动通道：
放大系数K大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数k小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。
时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。
纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。
5.试从图2-58某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间
12．比例积分微分调节器有什么特点？
答：
比例积分微分调节器的特点是：
①在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具有良好的调节性能。
②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间TI和微分时间TD面改变。
13．在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?
试说明调下整其中一个参数时,对调节器的控制作用有什么影响?
答:
在PID调节器中,比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较高的控制质量。
如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当时，PID调节器成为积分微分调节器，当TI积分时间时，PID调节器成为比例微分控制器，当TD时，PID调节器成为PI即比例积分控制。
14．调节器参数整定的目的是什么？
工程上常用的整定方法有哪些？
答：
当一个控制系统设计安装完成后，系统各个环节及其被控对象各通道的特征不能改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度、积分时间TI、微分时间TD。
通过改变这三个参数的大小，就可以改变整个系统的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。
调节器参数整定的目的就是按照己定的控制系统求取控制系质量最好的调节器参数，工程上常用的整定方法有：
①经验试凑法——根据被控变量的性质在己知合适的参数（经验参数）围选择一组适当的值做为调节器的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡曲线的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。
②临界比例度法——首先求取比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期TK，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数③衰减曲线法——以在纯比例下获得4：
1衰减振荡曲线为参数整定和依据，方法同临界比例度法，获得4：
1衰减曲线的TS、，然后求解相应的值。
15．调节器控制规律选择的依据是什么？
答：
关于控制规律选取可归纳为以下几点：
1简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控变量，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选取用复杂的控制系统。
2在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对控制通道时间常数较少，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例规律，如贮罐液位，不太重要的压力等参数控制。
3当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。
4当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用，如工艺充许消除余差，可选用比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用PID调节规律，如温度，成分，PH等参数控制。
5如果被控对象传递参数可用近似，则可根据对象的可控比t/T选择哪个调节器的调节规律。
当t/T时，选用P或PI；当时，选PD或PID；当时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，这时应选用复杂控制系统。
16．设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？
答：
设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。
除被控对象的动静态特征外，对于工艺过程，设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行行器，调节器以及调节器控制规律待，最后将调节器的参数整定到最佳值。
19．图2-59是聚合釜温度与流量的串级控制系统。
①说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？
②试述该系统是如何客观实现其控制作用？
解：
①该系统的主对象：
聚合釜
副对象：
冷却水进口管路
主变量：
聚合釜温度
副变量：
冷却水流量
主调节器：
温度调节器副调节器：
流量调节器
第三章
2、测量仪表的主要性能指标有哪些？
传感器的主要特性有哪些？
答：
测量仪表的主要性能指标有技术，经济及使用三方面的指标，
其术方面的有：
误差，精度等级，灵敏度，变差，量程，响应时间，漂移等；
经济方面的有：
使用寿命，功耗，价格等；
使用方面的有：
操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护能的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。
传感器的主要特性有：
准确性，稳定性，灵敏性。
6.检定一只量程为5A的电流表，结果如下：
输入量/A
1
2
3
4
5
示量/A
1.10
1.98
3.01
4.08
5.02
（1）试求仪表各示值的绝对误差，实际相对误差，示值相对误差和引用误差。
（2）确定仪表的精度等级。
答：
所以数值计算列表如下：
9.现有精度等级为1.5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量围分别为0~100℃，-50~550℃和-100~500℃，现需测量500℃左右的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%，选用哪块表合适？
综上所述选用B表即2.0级，量程 的仪表。
20．已知被测压力在围0.7~1MPa波动，要求测量的绝对误差不得超过0.02MPa，试选定弹簧管压力的量程和精度等级。
可供选用的压力计量程系列为：
0～0.6MPa;0~2.5MPa.
答：
28．差压式液位计如何测量液位?
当差压变送器高于或低于最低液位时，应如何处理？
答：
差压式液位计是采用压差计测量气、液两相的压差，压差大小通过气动或电动差压变送器传送，并转化位电信号，最终显示处液位的大小及其变化。
当差压变送器高于或低于最低液位时，可对差压变送器进行零点迁移，由正迁移和负迁移（低于最低液位时，采用正迁移，高于最低液位时，采用负迁移。
）
23．试比较节流装置与转子流量计在工作原理与使用特点上的异同点。
答：
工作原理
使用特点
节流装置
利用节流元件前后的差压与流速之间的关系，获得被测流量的大小
使用已标准化、系列化，使用围：
管径为50～1000mm，测量围1.5~100000m3/h，但使用产生的压力损失大，精度±1～2%
转子流量计
基于力平衡原理，利用锥形管的转子把流体的流速转换成转子的位移，进而获得被测流量的大小。
相同点：
都是测流速然后得流量。
使用已系列化，测量时若介质变化，应修正，可测小流量，结构简单，维修方便，压力损失小。
缺点：
机械传逆信号，仪表性能和准确度难以提高，转子易卡死，测量管径围4~150mm,测量围0.001~3000m3/h,精度±1~2.5%
22．标准节流装置有哪几部分组成，对各部分有哪些要求？
答：
标准节流装置有：
节流元件，取压装置和前、后管道三部分组成。
标准节流装置的设计、加工、安装和使用都有规定的技术要求，规定和数据，可参见GB/T2624
15.用分度号为Cu50的热电阻测得某介质的温度为84℃，但经检定，该电阻R0=50.4Ω,电阻温度系数α=4.28×10-3/℃.试求介质的实际温度。
解：
∵在-50℃～150℃的围，铜电阻与温度是线性关系：
20．已知被测压力在围0.7~1MPa波动，要求测量的绝对误差不得超过0.02MPa，试选定弹簧管压力的量程和精度等级。
可供选用的压力计量程系列为：
0～0.6MPa;0~2.5MPa
答：
14.用分度号为S的热电偶与动圈仪表构成的测温系统,冷端补偿器的平衡点温度在20℃.图3-80中,t=1300℃,t1=80℃,t2=25℃,t0=30℃；动圈仪表的机械零位为0℃,试求：
（1）仪表的示值温度是多少;
（2）如何处理可使示值与实际温度相符;（3）把补偿导线改为铜线时,示值变为多少?
查表12.653mv时对应的温度为t=1258.5℃,即示值变为1258.5℃。
第四章
8．本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？
需要采取哪些措施才能保证整个系统达到防爆要求？
答：
本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的非本质安全电路和防爆安全栅组成。
采取措施以达到防爆要求的方法有：
①本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。
②用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。
③在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。
11．PID调节器是由哪些基本部分组成的？
试分析各部分所完成的功能。
答：
PID调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。
输入电路是检测偏差信号，信号经滤波电路后输出导PID运算电路。
（输入电路包括偏差检测电路，给定稳压电源电路，外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等）。
PID运算电路：
根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调节器实现PID控制规律的关键环节。
输出电路：
将运算电路的输出信号做最后一次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的组后一级，提供调节器的输出信号。
14．试分析DTZ－2100型气刻度指示调节器的工作原理。
它试由哪些部分组成的？
各部分的主要功能试什么？
答：
DT8－2100型气刻度指示调节器的工作原理是：
输入信号经测量指示回路进行连续指示，并输入输入回路与经给定指示电路指示的给定值进行比较得出偏差信号，偏差信号经比例微分，比例积分回路运算后，送入输出回路将1－5VDC电压信号转换成4～20mADC信号，作为调节器的输出信号。
组成：
由指示单元和控制单元两部分组成，其中指示单元由测量指示电路和给定指示，分别实现对测量信号和给定信号进行连锁指示。
控制单元由输入电路——作用是将输入信号与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进行电平移位；
比例微分回路——功能为：
∵回路的输出值大小不仅与输入信号的大小、极性有关，而且与输入信号变化的速度有关，因此对输入信号进行PD运算，对于容量大、惯性大，具有滞后的调节对象有益。
比例积分回路——作用是为调节器引入积分功能，从而使调节器的输出值与偏差对时间的积分成正比例。
输出回路——作用使将PI回路输出的1－5VDC电压信号转换成以电流负端为基准的4～20mADC信号，作为调节器的输出信号。
手动操作回路——在控制回路中实现手动操作。
15．DDZ－III型调节器的输入电路为什么要进行电平移动？
答：
DDZ－III型调节器采用标准信号制，接受来自变送器的或转换器输出的1～5VDC测量信号，输出4～20mADC信号。
其输入电路将丙丁以0伏为基准的输入信号转换成以电平10伏为基准的偏差输出，由于电气受点不是从0开始的，故容易识别断电、断线故障，传输信号标准化。
16．有一电动比例调节器，器输入电流围为4～20mA，输出电压围是1－5V。
试计算当比例度规定在40％时，输入电流变化4mA所引起的输出电压变化量为多少?
18．在DDZ－III型调节器中，什么是软手操状态？
什么是硬手操状态？
如何实现调节器无扰动切换？
答：
软手操状态——软手操回路直接改变调节器的输出信号实现手动操作。
在进行软手时，输出电流以某种速度进行变化。
一停止手操，输出就停止变化。
硬手操状态——硬手操回路也可以直接改变调节器的输出信号实现手动操作。
在进行硬手操回路时输出值大小与硬手操作杆的位置有对应关系。
由于在“自动”与“手动”之间增加了一种过渡状态——保持状态，从而实现无扰动切换。
19.气动执行器主要由哪些部分组成的？
各部分的作用是什么？
答：
气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成。
执行机构是执行器的推动装置，它按调节器输出气压信号（20～100KPa）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生位移，推动调节机构动作。
调节机构是执行器的调节部分，其腔直接与被调介质接触，调节流体的流量。
20．试分析说明调节阀的流量特性理想流量特性及工作流量特性。
答：
调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间
的关系，即：
。
调节阀的理想流量特性是指在调节阀前后压差一定情况下的流量特性，在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此，阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。
23．试分析电—气转换器的工作原理。
答：
电—气转换器按力矩平衡原理工作，当010mA直流电流信号输入置于恒定磁场量的测量线圈重视，所产生的磁通与磁钢在空气隙中的磁通相互作用而产生一个向上的电磁力（即测量力）。
由于线圈固定在杠杆上，使杠杆绕十字簧片偏转，于是装在杠杆另一端的挡拆靠近喷嘴，使其背压升高，经过放大器功率放大后，一方面输出，一方面反馈到正负两个波纹管，建立起与测量力矩相平衡的反馈力矩。
因而输出气压信号（0.020.1MPa）就与线圈电流信号成一一对应关系。
26．气动调节阀的执行机构的正，反作用形式是如何定义的？
在结构上有何不同？
答：
气动调节阀的执行机构的正作用是指：
当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少，称为正作用，或正装；反之，则称为反作用。
只要改变阀杆与阀芯的连接位置就可改作反装。
第五章
1.计算机控制系统是由哪几部分组成的？
各部分有什么作用？
答：
计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成。
工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成。
其中硬件部分主要包括计算机主机，外部设备，外围设备，工业自动化仪表和操作控制台，软件是指计算机系统的程序系统，各部分作用参见课本P234-235。
2.计算机控制系统与常规的模拟控制系统相比，有哪些相同与不同点？
答：
相同点：
控制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程相同，即都是基于“检测偏差，纠正偏差”的控制原理。
在系统的对象，执行元件，检测元件等环节部的运动规律与模拟控制系统是相同的。
不同之处：
在计算机控制系统中，控制里对控制对象的参数，状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的，并使用数字控制控制里代替了模拟控制里，并增加了模数转换元件和数模转换元件，给定值也从数字量形式输入计算机。
5.试自拟一个对象，画出计算机数据采集处理系统的方框图，并说明各部件的名称
解：
工业对象——》多道开关——》A/D——》计算机——》显示/打印/报警
6某被控对象有5个模拟量控制回路和3个模拟量检测监视回路，试为该对象设计一个监督计算机控制系统方框图。
11．已知模拟调节器的传递各数G（S）=（1+0.17S）/0.085S，现在要用数字PID算法来实现，试分别写出相应的位置式和增量式PID算法表达式，设采样周期为To=0.2S.
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：
系统操作性能好——使用方便和维修方便。
可靠性高。
通用性好，便于扩充。
实时性强——表现在时间驱动和时间驱动能力上。
设计周期短，价格便宜。
设计步骤：
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;
.确定控制算法;
.系统硬软件的设计:
.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，设计系统的冗余技术，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。
常用的冗余系统——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。
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。
第六章
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.
5.为什么大多数反应器的主要被控量都是温度？
答：
化学反应器的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。
用这些变量直接作为被控变量，反应要求就直接得到了保证。
但是，这些指标大多数是综合性指标，还无法测量。
目前，在化学反应器的反应过程控制中，温度和上述这些指标关系密切，有容易测量，所以大多用温度作为反应器过程控制中的被控变量。
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：
被控变量要冷却介质（被加热介质）的出口温度；
2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。
3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。
4当便是，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。
第七章
先进控制系统是指针对工业过程本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性的特点，而采用的自适应控制、推断控制、预测控制、模糊控制、非线性控制、智能控制和人工神经网络控制等系统。
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