过程控制系统及仪表王再英等课后答案样本.docx
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过程控制系统及仪表王再英等课后答案样本
第1章思考题与习题
1-1过程控制有哪些重要特点？
为什么说过程控制多属慢过程参数控制？
解答：
1．控制对象复杂、控制规定多样
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一种重要控制形式
5．过程控制系统由规范化过程检测控制仪表构成
1-2什么是过程控制系统？
典型过程控制系统由哪几某些构成？
解答：
过程控制系统：
普通是指工业生产过程中自动控制系统变量是温度、压力、流量、液位、成分等这样某些变量系统。
构成：
参照图1-1。
1-4阐明过程控制系统分类办法，普通过程控制系统可分为哪几类？
解答：
分类办法阐明：
按所控制参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所解决信号方式来分，有模仿控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统构造和所完毕功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统构成回路状况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数数量可分为单变量和多变量控制系统等。
普通分类：
1．按设定值形式不同划分：
（1）定值控制系统
（2）随动控制系统
（3）程序控制系统
2．按系统构造特点分类：
（1）反馈控制系统
（2）前馈控制系统
（3）前馈—反馈复合控制系统
1-5什么是定值控制系统?
解答：
在定值控制系统中设定值是恒定不变，引起系统被控参数变化就是扰动信号。
1-6什么是被控对象静态特性？
什么是被控对象动态特性？
两者之间有什么关系？
解答：
被控对象静态特性：
稳态时控制过程被控参数与控制变量之间关系称为静态特性。
被控对象动态特性：
。
系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间关系即为控制过程动态特性。
两者之间关系：
1-7试阐明定值控制系统稳态与动态含义。
为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？
解答：
稳态：
对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达到一种平衡状态，系统中各个构成环节暂不动作，它们输出信号都处在相对静止状态，这种状态称为稳态（或静态）。
动态：
从外部扰动浮现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统又建立新稳态（达到新平衡）、调节过程结束这一段时间，整个系统各个环节状态和参数都处在变化过程之中，这种状态称为动态。
在实际生产过程中，被控过程经常受到各种振动影响，不也许始终工作在稳态。
只有将控制系统研究与分析重点放在各个环节动态特性，才干设计出良好控制系统。
1-8评价控制系统动态性能惯用单项指标有哪些？
各自定义是什么？
解答：
单项性能指标重要有：
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。
衰减比：
等于两个相邻同向波峰值之比n；
过渡过程最大动态偏差：
对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值最大值A；
超调量：
第一种波峰值
与最后稳态值y（
）之比百分数
；
残存偏差C：
过渡过程结束后，被控参数所达到新稳态值y（
）与设定值之间偏差C称为残存偏差，简称残差；
调节时间：
从过渡过程开始到过渡过程结束所需时间；
振荡频率：
过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；
峰值时间：
过渡过程开始至被控参数到达第一种波峰所需要时间。
1-10某被控过程工艺设定温度为900℃，规定控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃。
现设计温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下过渡过程曲线如图1-4所示。
试求该系统过渡过程单项性能指标：
最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺规定？
解答：
最大动态偏差A：
衰减比n：
振荡周期T：
A<80
，且n>1（衰减振荡），因此系统满足工艺规定。
第2章思考题与习题
2-1①最大绝对误差=806-800=6②基本误差=6/1000=0.6%；1.0级③不能用，只能用0.5级仪表
2-2求：
1）变差；
2）基本误差；
3）该表与否符合1.0级精度？
2-3某压力表测量范畴为0～10MPa，精度级别为1.0级。
试问此压力表容许最大绝对误差是多少？
若用原则压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa时，原则压力计上读数为5.08MPa，试问被校压力表在这一点上与否符合1级精度，为什么？
解答：
1）基本误差
=
最大绝对误差∆max＝0.01×10＝0.1MPa
2）校验点为5MPa时基本误差：
0.8％<1％，因此符合1.0级表。
2-4间接导致精度级别下降。
例如：
量程0~10001级仪表用在测量范畴在0~100时，精度变成了10级！
2-5有两块直流电流表，它们精度和量程分别为
1）1.0级，0～250mA2）2.5级，0～75mA
现要测量50mA直流电流，从精确性、经济性考虑哪块表更适当？
解答：
分析它们最大误差：
1）∆max＝250×1％＝2.5mA；
2）∆max＝75×2.5％＝1.875mA；
2号表精度低，价格相对便宜，但2号仪表最大误差小，并且被测参数数值在2号表量程内，因此选取2号表。
2-6①将两种不同导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。
此电势称为热电势。
镍铬—镍硅K0～+100040μV/℃价廉,，可在氧化及中性氛围中使用
铜—康铜T-200～+40050μV/℃价廉,但铜易氧化,惯用于150℃如下温度测量
③热电偶热电势大小不但与热端温度关于，还与冷端温度关于。
因此使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。
但热电偶冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。
为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。
2-8①金属热电阻测温精度高。
②热电阻导线过长时，导线电阻过大，对测量带来较大误差，采用三线制接法，可有效消除线路电阻对测量影响。
2-9①查阅Cu100电阻分度表，得到140°相应电阻为159.96欧姆②查阅Pt100电阻分度表，得到电阻为159.96欧姆相应157°
2-11某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃，输出为4～20mA。
当变送器输出电流为10mA时，相应被测温度是多少？
解答：
；T=500
。
2-12试简述弹簧管压力计工作原理。
既有某工艺规定压力范畴为1.2±0.05MPa，可选用弹簧管压力计精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五个级别，可选用量程规格有0～1.6MPa、0～2.5MPa和0～4MPa。
请阐明选用何种精度和量程（见附录E）弹簧管压力计最适当？
解答：
1）工作原理：
2）依照题意：
压力范畴为1.2＋0.5MPa，即容许最大绝对误差∆max＝0.05
分析选用不同量程表所需精度级别：
0～1.6MPa量程：
，可选2.5级表；
0～2.5MPa量程：
，可选1.5或2.0级表；
0～4.0MPa量程：
，可选1.0级表。
量程选取：
被测最大压力＝1/3～2/3量程上限
0～1.6MPa量程：
0～2.5MPa量程：
0～4.0MPa量程：
综合分析，选用1.5级或2.0级，0～2.5MPa量程表最适当。
2-13如果某反映器最大压力为1.0MPa，容许最大绝对误差为0.01MPa。
现用一台测量范畴为0～1.6MPa，精度为1级压力表来进行测量，问能否符合工艺规定？
若采用一台测量范畴为0～1.0MPa，精度为1级压力表，能符合规定吗？
试阐明其理由。
解答：
工艺规定：
最大压力为1.0MPa，容许最大绝对误差为0.01MPa。
分别求出两台仪表最大容许误差，进行判断。
1）精度为1级，量程为0～1.6MPa表，其最大绝对误差：
∆1.6max＝1.6×1％＝0.016MPa，>0.01MPa，因此不符合规定；
2）精度为1级，量程为0～1.0MPa表，其最大绝对误差：
∆1.0max＝1.0×1％＝0.01MPa，＝0.01MPa，因此最大误差符合规定，但是压力表最大测量值应≤2/3仪表量程，否则压力波动会使测量值超过仪表量程。
因此，该表也不符合规定。
2-14某台空压机缓冲器，其工作压力范畴为1.0～1.6MPa，工艺规定就地观测罐内压力，并要测量成果误差不得不不大于罐内压力±5%。
试选取一块适当压力表（类型、测量范畴、精度级别），并阐明其理由。
解答：
依照题意知：
压力范畴1.0～1.6MPa，
容许最大误差：
∆max＝1.6×（＋5％）＝＋0.08MPa
1）量程拟定：
应满足工作最大压力不大于仪表量程2/3处，即1.6MPa×2/3＝2.4MPa
可以选量程为0～2.5MPa弹簧压力表。
2）精度级别拟定：
求出基本误差，以拟定满足规定精度级别。
，容许精度级别为2.5级。
综上分析，选取量程为0～2.5MPa，精度级别为2.5级弹簧压力表。
该表最大绝对误差：
∆max＝2.5×（＋2.5％）＝＋0.0625MPa，<0.08MPa
因此满足规定。
2-15①电容式压力变送器先将压力变化转换为电容量变化，然后用电路测电容。
②特点：
敏捷度高，量程宽，过载能力强，测量精度高，可达0.2级。
2-17什么叫原则节流装置？
试述差压式流量计测量流量原理；并阐明哪些因素对差压式流量计流量测量有影响？
解答：
1）原则节流装置：
涉及节流件和取压装置。
2）原理：
基于液体流动节流原理，运用流体流经节流装置时产生压力差而实现流量测量。
3）影响因素：
P47
流量系数大小与节流装置形式、孔口对管道面积比m及取压方式密切有关；
流量系数大小与管壁粗糙度、孔板边沿尖锐度、流体粘度、温度及可压缩性有关；
流量系数大小与流体流动状态关于。
2-19为什么说转子流量计是定压式流量计？
而差压式流量计是变压降式流量计？
解答：
1）转子流量计是定压式流量计（P47）
虽然转子流量计也是依照节流原理测量流量，但它是运用节流元件变化流体流通面积来保持转子上下压差恒定。
因此是定压式。
2）差压式流量计是变压降式流量计（P45）
是基于流体流动节流原理，运用流体流经节流装置是产生压差实现流量测量。
因此是变压降式。
2-21椭圆齿轮流量计特点是什么？
对被测介质有什么规定？
解答：
1）特点：
流量测量与流体流动状态无关，这是由于椭圆齿轮流量计是依托被测介质压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量。
粘度愈大介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去泄漏量愈小，因而核测介质粘皮愈大，泄漏误差愈小，对测量愈有利。
椭圆齿轮流量计计量精度高，合用于高粘度介质流量测量。
2）对被测介质规定：
不合用于具有固体颗粒流体（固体颗粒会将齿轮卡死，以致无法测量流量）。
如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。
2-22电磁流量计工作原理是什么？
它对被测介质有什么规定？
解答：
P511）原理：
运用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动是测量流速。
2）对被测介质规定：
导电液体，被测液体电导率应不不大于水电导率（
cm），不能测量油类或气体流量。
2-24超声波流量计特点是什么？
解答：
超声波流量计非接触式测量方式，不会影响被测流体流动状况，被测流体也不会对流量计导致磨损或腐蚀伤害，因而合用范畴辽阔。
测量液体流量精度可达0.2级，测量气体流量精度可达0.5级。
2-25Δp=p1-p2=（h1r1g+Hr1g+p0）－（h2r2g+p0）
H=0时，Δp=h1r1g-h2r2g，若r1=r2，则Δp<0，需要负迁移。
2-26用法兰式差压变送器测液位长处是什么？
解答：
P57测量具备腐蚀性或具有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位，在膜盒、毛细管和测量室所构成封闭系统内充有硅油，作为传压介质，使被测介质不进入毛细管与变送器，以免堵塞。
可节约隔离罐。
2-27试述电容式物位计工作原理。
解答：
运用电容器极板之间介质变化时，电容量也相应变化原理测物位，可测量液位、料位和两种不同液体分界面。
2-28超声波液位计合用于什么场合？
解答：
P60适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体测量。
第3章习题与思考题
3-1什么是控制器控制规律？
控制器有哪些基本控制规律？
解答：
1）控制规律：
是指控制器输出信号与输入偏差信号之间关系。
2）基本控制规律：
位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。
3-2双位控制规律是如何？
有何优缺陷？
解答：
1）双位控制输出规律是依照输入偏差正负，控制器输出为最大或最小。
2）缺陷：
在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。
这是由于双位控制器只有两个特定输出值，相应控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。
3）长处：
偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以减少控制机构开关频繁限度，延长控制器中运动部件使用寿命。
3-3比例控制为什么会产生余差？
解答：
产生余差因素：
比例控制器输出信号y与输入偏差e之间成比例关系：
为了克服扰动影响，控制器必要要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器输出变化量才不为零，这阐明比例控制会永远存在余差。
3-4试写出积分控制规律数学表达式。
为什么积分控制能消除余差？
解答：
1）积分控制作用输出变化量y是输入偏差e积分：
2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。
当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
因而积分控制器构成控制系统可以到达无余差。
3-5什么是积分时间？
试述积分时间对控制过程影响。
解答：
1）
积分时间是控制器消除偏差调节时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。
只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
2）在实际控制器中，惯用积分时间Ti来表达积分作用强弱，在数值上，Ti=1／Ki。
显然，Ti越小，Ki就越大，积分作用就越强，反之亦然。
3-6某比例积分控制器输入、输出范畴均为4～20mA，若将比例度设为100%、积分时间设为2min、稳态时输出调为5mA，某时刻，输入阶跃增长0.2mA，试问通过5min后，输出将由5mA变化为多少？
解答：
由比例积分公式：
分析：
依题意：
，即Kp=1，TI=2min，e＝＋0.2；
稳态时：
y0＝5mA，
5min后：
3-7比例控制器比例度对控制过程有什么影响？
调节比例度时要注意什么问题？
解答：
P74
1）控制器比例度P越小，它放大倍数
就越大，它将偏差放大能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用强弱通过调节比例度P实现。
2）比例度不但表达控制器输入输出间放大倍数，还表达符合这个比例关系有效输入区间。
一表量程是有限，超过这个量程比例输出是不也许。
因此，偏差变化使控制器输出可以变化全量程（16mA），避免控制器处在饱和状态。
3-8抱负微分控制规律数学表达式是什么？
为什么惯用实际为分控制规律？
解答：
1）
2）由于抱负微分运算输出信号持续时间太短，往往不能有效推动阀门。
实际应用中，普通加以惯性延迟，如图3-7所示，称为实际微分。
3-9试写出比例、积分、微分（PID）三作用控制规律数学表达式。
解答：
3-10试分析比例、积分、微分控制规律各自特点，积分和微分为什么不单独使用？
解答：
1）比例控制及时、反映敏捷，偏差越大，控制力越强；但成果存在余差。
2）积分控制可以达到无余差；但动作缓慢，控制不及时，不单独使用。
3）微分控制能起到超前调节作用；但输入偏差不变时，控制作用消失，不单独使用。
3-11DDZ-Ⅲ型基型控制器由哪几某些构成？
各构成某些作用如何？
解答：
P79
1）构成如图3-11所示。
2）作用参照P79。
3-12DDZ-Ⅲ型控制器软手动和硬手动有什么区别？
各用在什么条件下？
解答：
1）软手动操作是指调节器输出电流I0与手动操作输入信号成积分关系；
硬手动操作是指调节器输出电流I0与手动操作输入信号成比例关系。
2）软手动操作：
系统投运
硬手动操作：
系统故障
3-13什么叫控制器无扰动切换？
在DDZ-Ⅲ型调节器中为了实现无扰切换，在设计PID电路时采用了哪些办法？
解答：
P84
1）调节器进行状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲击。
2）CM、CI。
P85中。
3-14PID调节器中，比例度P、积分时间常数
、微分时间常数
分别具备什么含义？
在调节器动作过程中分别产生什么影响？
若将
取∞、
取0，分别代表调节器处在什么状态？
解答：
比例度P含义：
使控制器输出变化满量程时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应输入测量值变化占仪表输入量程比例。
比例作用强弱取决于比例度大小。
积分时间常数
含义：
越小，积分作用越强；越大积分作用越弱；若将
取∞，则积分作用消失。
微分时间常数
含义：
越大，微分作用越强；
取0，微分作用消失。
3-15什么是调节器正/反作用？
在电路中是如何实现？
解答：
1）正作用：
偏差=测量值-给定值；
反作用：
偏差=给定值-测量值。
2）运放输入端切换开关实现。
3-16调节器输入电路为什么要采用差动输入方式？
输出电路是如何将输出电压转换成4～20mA电流？
解答：
1）采用差动输入方式，可以消除公共地线上电压降带来误差。
2）参照P83下输出电路。
3-18给出实用PID数字表达式，数字仪表中常有哪些改进型PID算法？
解答：
1）P91式（3-18）2）改进算法：
P91~93
第4章思考题与习题
4-1气动调节阀重要由哪两某些构成？
各起什么作用？
解答：
1）执行机构和调节机构。
2）执行机构作用：
按调节器输出控制信号，驱动调节机构动作；
调节机构作用：
由阀芯在阀体内移动，变化阀芯与阀座之间流通面积，从而变化被控介质流量。
4-2试问调节阀构造有哪些重要类型？
各使用在什么场合？
解答：
1）类型：
直通单座阀、直通双座阀。
2）直通单座阀使用场合：
小口径、低压差场合；
直通双座阀使用场合：
大口径、大压差场合。
4-4什么叫调节阀抱负流量特性和工作流量特性？
惯用调节阀抱负流量特性有哪些？
解答：
1）抱负流量特性：
在调节阀先后压差固定状况下得出流量特性称为固有流量特性，也叫抱负流量特性。
工作流量特性：
在实际工艺装置上，调节阀由于和其她阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端压差随流量变化而变化，这时流量特性称为工作流量特性。
2）惯用抱负流量特性：
直线流量特性、等比例（对数）流量特性、
快开特性
4-5单位相对行程变化所引起相对流量变化与此点相对流量成正比关系：
等比例阀在各流量点放大系数不同，但对流量控制力却是相似。
4-6什么叫调节阀可调范畴？
在串联管道中可调范畴为什么会变化？
解答：
1）可调范畴：
反映调节阀可控制流量范畴，用R＝Qmax/Qmin之比表达。
R越大，调节流量范畴越宽,性能指标就越好。
2）由于串联管道阻力影响。
4-7什么是串联管道中阀阻比
？
值变化为什么会使抱负流量特性发生畸变？
解答：
1）阀阻比：
用阀阻比
表达存在管道阻力状况下，阀门全开时，阀门先后最小压差
占总压力po比值。
2）在S＜1时，由于串联管道阻力影响，使阀门开大时流量达不到预期值，也就是阀可调范畴变小。
随着S值减小，直线特性徐徐区于快开特性，等比例特性徐徐趋近于直线特性。
4-8什么叫气动调节阀气开式与气关式？
其选取原则是什么？
解答：
1）气开式：
无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐开大气动调节阀为气开式。
气关式：
无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小气动调节阀为气关式。
2）选取原则：
从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀开关状态应能保证工艺设备和操作人员安全。
4-9如图4-24所示蒸气加热器对物料进行加热。
为保证控制系统发生故障时，加热器耐热材料不被烧坏，试拟定蒸气管道上调节阀气开、气关形式。
解答：
气开式，保证控制信号中断时，切断蒸汽源。
4-11试述电/气转换器用途与工作原理。
解答：
P113
1）用途：
为了使气动阀可以接受电动调节器输出信号，必要使用电／气转换器把调节器输出原则电流信换为20～100kPa原则气压信号。
2）原理：
在杠杆最左端安装了一种线圈，该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动，由电动调节器送来得电流I通入线圈。
当输入电流I增大时，线圈与磁铁间产生得吸力增大，使杠杆左端下移，并带动安杠杆上挡板接近喷嘴，变化喷嘴和挡板之间间隙。
喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴微小位移敏捷地变换为气压信号。
通过气动功率放大器放大后，输出20～l00kPa气压信号p去推动阀门。
4-12试述电/气阀门定位器基本原理与工作过程。
解答：
P115在杠杆上绕有力线圈，并置于磁场之中。
当输入电流I增大时，力线圈产生磁场与永久磁铁相作用，使杠杆绕支点O顺时针转动，带动挡板接近喷嘴，使其背压增大，经气动功率放大器放大后，推动薄膜执行机构使阀杆移动。
4-14电动仪表如何才干用于易燃易爆场合？
安全火花是什么意思？
解答：
1）必要是采用安全防爆办法仪表，就是限制和隔离仪表电路产生火花能量。
使其不会给现场带来危险。
2）安全火花：
电路在短路、开路及误操作等各种状态下也许发生火花都限制在爆炸性气体点火能量之下。
4-16齐纳式安全栅基本构造是什么？
它是如何限压、限流？
解答：
1）构造：
图4-19所示。
2）运用齐纳二极管反向击穿特性进行限压，用电阻进行限流。
第5章思考题与习题
5-1什么是被控过程数学模型？
解答：
被控过程数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化数学表达式。
5-2建立被控过程数学模型目是什么？
过程控制对数学模型有什么规定？
解答：
1）目：
设计过程控制系统及整定控制参数；
指引生产工艺及其设备设计与操作；
对被控过程进行仿真研究；
培训运营操作人员；
工业过程故障检测与诊断。
2）规定：
总原则一是尽量简朴，二是对的可靠。
阶次普通不高于三阶，大量采用品有纯滞后一阶和二阶模型，最惯用是带纯滞后一阶形式。
5-3建立被控过程数学模型办法有哪些？
各有什么规定和局限性？
解答：
P127
1）办法：
机理法和测试法。
2）机理法：
测试法：
5-4什么是流入量？
什么是流出量？
它们与控制系统输入、输出信号有什么区别与联系？
解答：
1）流入量：
把被控过程看作一种独立隔离体，从外部流入被控过程物质或能量流量称为流入量。
流出量：
从被控过程流出物质或能量流量称为流出量。
2）区别与联系：
控制系统输入量：
控制变量和扰动变量。
控制系统输出变量：
系统被控参数。
5-5机理法建模普通合用于什么场合？
解答：
P128对被控过程工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量变化都与物质和能量流动与转换有密切关系。
5-6什么是自衡特性？
具备自衡特性被控过程系统框图有什么特点？
解答：
1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预状况下自动恢复平衡特性，称为自衡特性。
2）被控过程输出对扰动存在负反馈。
5-7什么是单容过程和多容
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