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技术与应用课后思考题答案
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：
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。
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？
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：
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→∞时的过度过程曲线？
答：
n<1，发散n=1，等幅n〉1，衰减振荡n→∞，单调过程
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最大偏差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。
第二章过程装备控制基础
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。
2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？
答：
放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数，所以K是被控对象的静态特性参数。
时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，所以是动态特性参数。
滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。
3.什么是被控对象的控制通道？
什么是干扰通道？
答：
对一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。
操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。
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。
6.什么是调节器的控制规律？
调节器有哪几种基本控制规律？
答：
调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。
Δqv1常用的基本调节规律有：
位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID
7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？
答：
①位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。
最常见的是双位控制。
，它们输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。
位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。
但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。
②积分控制（P）是指调节器的输出...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。
7、为什么积分控制规律一般不能单独使用？
答：
纯积分控制的缺点在于，它不向比例控制那样输出△u与输入e保持同步、反应较快，而是其输出变化总要滞后于偏差的变化。
这样就不能及时有效的克服扰动的影响，其结果是加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来。
8、比例、积分、微分控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？
并分别说明它们对控制质量的影响。
答：
比例控制：
比例度与比例放大倍数互为倒数关系。
比例度越大，放大倍数越小，系统再次平衡时的余差就越大，调节器的输出变化越小，过渡过程越平稳，反之比例度越小，系统的余差也随之越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率提高，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。
积分控制：
积分时间表征出积分作用的强弱，积分时间越小，积分速度越大，积分控制作用越强。
随着积分时间的减小，积分作用不断增强，在相同的扰动作用下，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降。
积分时间过小还可能导致系统的不稳定。
微分控制：
微分时间太小，对系统的品质指标影响甚微，随着微分时间的增加，微分作用增强；当微分时间适当时，控制系统的品质指标将得到全面的改善，但若微分作用太强，反而会引起系统振荡
10、比例积分微分调节器有什么特点？
答：
在PID调节器中，比例、积分和微分作用取长补短、互相配合，如果比例度、积分时间、微分时间这三个参数整定适当，就可以获得较高的控制质量。
因此，PID调节器的适应性较强，应用也比较普遍。
11、在比例积分微分调节器中可以调整得参数有哪几个？
试说明调整其中一个参数时，对调节器的控制作用有什么影响？
答：
可以调比例度、积分时间与微分时间。
12、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：
调节器参数整定的目的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量最好的调节器参数。
工程整定方法有：
经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法。
13、调节器控制规律选择的依据是什么？
答：
1.简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象。
2.在一般控制系统中，比例调节是必不可少的。
3.当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差，可选用比例积分调节规律。
4.当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分重要。
14、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，首先要对被控对象做全面的了解，除被控对象的静态特性外，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，最后将调节器的参数整定到最佳值。
1.被控变量的选择，被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。
一作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小；二若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量；三作为被控变量，必须是独立变量。
变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定的；四最为被控变量，必须考虑工艺的合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。
2.操纵变量的选择，考虑工艺的合理性，考虑被控对象特性。
一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；二使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。
3.检测变送环节的影响，传递滞后与测量滞后对控制系统的控制质量的影响很大，特别是当被控对象自身的时间常数和滞后很小时，影响就更为突出，在设计控制系统时必须注意。
4.执行器的影响，从广义对象的角度考虑，执行器可以看做是被控对象的一部分，其动态特性相当于在被空对象中增加一个容量滞后环节。
当执行器的时间常数与被控对象的时间常数接近时，将会使广义对象的容量滞后显著增大，这对控制是非常不利的。
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。
17．什么是串级控制系统？
它有什么特点？
什么情况下采用串级控制？
答：
串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。
它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。
它的特点有：
①能迅速克服进入副回路的干扰。
②能改善被控对象的特征，提高了系统克服干扰的能力。
③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。
串级控制系统主要就用于：
对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。
18．串级控制系统中心副回路和主回路各起什么作用？
为什么？
答：
在系统结构上，串级控制系统是由两个串联工作的控制器构成的双闭环控制系统。
一个闭环系统在里面，称为副环或副回路，在控制系统中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，称为主环或主回路，用来完成“细调”的任务，以保证被控变量满足工艺要求。
由于串级控制系统由两套检测变送器、两个调节阀、两个被控对象和一个调节阀组成，其中两个调节阀器串联起来工作，前一个调节器的输出作为后一个调节器的给定值，后一个调节器的输出才送给调节阀。
因此一个是粗调，一个是细调。
20．什么是前馈控制系统？
应用在什么场合？
答：
前馈控制又称扰动补偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。
前馈控制主要用于下列场合：
①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；②主要干扰是可测不可控的变量；③对象的控制通道滞后大，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。
21.什么是比值控制系统？
它有哪几种类型？
答：
实现两个或两个以上的参数符号一定比例关系...的控制系统，称为比值控制系统，它主要有定比值控制系统和变比值控制系统。
其中定比值系统有三类：
开环比值控制系统，单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。
22.选择性控制系统的特点是什么？
应用在什么场合？
答：
选择性控制系统的特点是使用选择器，可以在两个或多个调节器的输出端，或在几个变送器输出端对信号进行选择，以适应不同的工况，主要应用在对不稳定工况的控制，可以保证生产工艺过程的安全操作，尽量减少开，停车中的不稳定工况。
23.均匀控制的目的和特点是什么？
答：
均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。
均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样，不是为了使被控变量保持不变可，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。
第三章过程检测技术
2.简述直接测量法与间接测量法的定义，指出它们的异同及使用场合？
答：
直接测量法—指被测量与单位能直接比较得出比值，或者仪表能直接显示出被测参数值的测量方法；间接测量法—通过测量与被测量有一定函数关系的其他物理量，然后根据函数关系计算出被测量的数值，称为间接测量法。
相同之处在于都是对工业生产中一些物理量的测量，都包含测量三要素。
不同之处在于直接测量测量过程简单方便，应用广泛；间接测量过程较复杂，只有在误差较大或缺乏直接测量仪表时才采用。
3.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，其中技术方面的有：
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。
4.举例说明系统误差，随机误差和粗大误差的含义及减小误差的方法。
答：
系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确，测试人员的分辨能力或固有的读数习惯，测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因产生的测量值与真值的偏差。
系统误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。
如仪表零位未调整好会引起恒值系统误差。
随即误差是由于测量过程中大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响而产生的测量值与真值的偏差，其绝对值和符号以不可预料的方式变化。
如气温的变化。
粗大误差—是由于测量操作者的粗心，不正确地操作，实验条件的突变或实验状况未达到预想的要求而匆忙实验等原因造成的明显地歪曲测量结果的误差。
减小误差的方法：
①系统误差：
应尽量减少或消除系统误差的来源。
首先检查仪表本身的性能是否符号要求；其次仔细检查仪器是否处于正常工作条件，如环境条件及安装位置等是否符合技术要求，零位是否正确；此外还应检查测量系统和测量方法本身是否正确。
②随即误差：
由于摩擦，间隙，噪声等都会产生随机误差，因此首先从结构，原理上尽量避免采用存在摩擦的可动部分；采用减小噪声的装置，并采用抗干扰能力强的测量仪器。
③对于粗大误差应端正科学研究态度，并认真分析数据，剔除坏值。
5.试述绝对误差，相对误差及引用误差的定义，举例说明各自的用途。
答：
绝对误差—仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差，即?
x=x?
A，可表示仪表基本误差限：
?
=±a。
相对误差—测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比，即用δ=±×100%=±6%，可表示仪表的基本误差限与绝对误差?
x相比较，相对误差更能说明测量结果的精确程度，如温度升测量显示值为57℃，时间温度为60℃，则：
?
=57-60=-3,δ=?
3×100%=?
5.0%，60若实际为30℃，测量显示值为27℃，则：
?
=-3℃，δ=?
3×100%=?
10.0%，显然此时的相对误差比前者大。
30引用误差—绝对误差与仪表的量程之比，用引用误差表示的仪表基本误差限为：
q=±×100%=±d%，如温度计的量程为100℃，则其引用误差q=?
3×100%=?
3%，100?
s根据允许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。
11．概述膨胀式温度计的工作原理与主要特点
答：
膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩的性质来测温的。
主要特点：
玻璃液体：
结构简单，使用方便，测量精度高，价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传。
双金属；结构紧凑，牢固，可靠；测量精度较低，量程和使用范围有限。
12热点偶有那些特点？
用普通导线和补偿导线作热电偶的延长线，效果有何不同？
试证明补偿导线的补偿作用。
答：
热电偶的特点有：
测量精度教高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换成电信号，便于信号远传和象现多点切换测；测量范围广，可达－200～2000℃，形式多样，适用于各种测量条件。
选用补偿导线要求其在一定温度范围内与所连接的热电偶具有相同的热电特性，型号相配，极性连接正确。
补偿导线的作用证明：
如图所示：
回路中电势为：
E＝Eab（t，t1）＋Ecd（t1，t0）由补偿导线的性质得：
Ecd（t1,t0）=Eab（t1,t0）∴E＝Eab（t，t1）＋Eab（t1，t0）＝Eab（t，t0）补：
用普通导线做热电偶得延长线要求引入两端得温...度相同热电势不同，故一般接热电偶的冷端，因此冷端温度依然是现场温度。
而用补偿导线却可以将冷端温度现场温度分开，利于测量。
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20℃,t=13001300℃的平衡点温度在20℃.图3-80中,t=1300℃,t1=80℃,t2=25℃,t0=30℃试求：
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;
（1）仪表的示值温度是多少;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;
（2）如何处理可使示值与实际温度相符;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?
（3）把补偿导线改为铜线时,示值变为多少?
把补偿导线改为铜线时解:
如图所示:
（1）查S型热电偶的分度号表:
t/℃1300E/mv13.155300.173250.142
由E（t,t0）=E（t,0）-E（t0,0）即E（1300,30）＝E（1300,0）-E（30,0）
=13.155-0.173=12.982mv查表,12.982mv时对应的温度为t=1286℃,即仪表显示的温度为1286℃。
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