过程装备控制技术和应用第二版王毅张早校思考题和习题答案解析.docx

1、过程装备控制技术和应用第二版王毅张早校思考题和习题答案解析过程装备控制技术及应用（第二版）王毅、张早校化学工业出版社思考题与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

2、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y 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 - y s 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

3、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 一成品全过 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

4、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？定值控制系统为什么必须是 一个闭环负反馈系统？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。

5、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。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

6、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ym减小， 偏差信号e=yays1,n 时的过度过程曲线？答：如图所示：nx,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

7、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(00 ) 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T。K被控对象重

8、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。T 滞后时间 是纯滞后T 0时间 和容量滞后T c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

9、需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间T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

10、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 ,t ）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

11、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T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T。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 T 0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，贝用使阶跃扰动的影响趋

12、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。qvi解：如图所示： -k二HD-H(0) =H(p-H(0)x()x(0) iqv1 toT如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间，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。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

13、，它们各有什 么特点？答：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）是指调节器的输出信号变化量 与输入信号变化量 e（t）成比例关系：，-比例放大系数，比例控制的伏点是反应快，控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存 在，即比例控制不能消除余差，因此只在对

14、被控变量要求不高的场 合，才单独使用比例控制。3积分控制（I）：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正 比，即： 式中-积分速度，-积分时间。积分规律的特点是控 制缓慢，但能消除余差。由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使 系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。4微分控制（D）-指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速 度成正比。即。-微分时间。微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡， 增加稳定性；由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存 在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。故也不单独使用。8.什么是

15、余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除 余差。答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之 差。比例调节器的输出变化量与输入偏差具有 对应的比例差系，要使调节器有输出，就必须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能 消除余差。积分控制其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小 有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调节器的输出就 不断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有 存在偏差身先等于的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳 定，因此积分控制作用是力图消涂余差。9 .为什么积分控制规律一般不单独使用？答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效

16、地克服扰 动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工 业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律。10.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：比例一一比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参 数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余 差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐 以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。2积分控制 积分时间T表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间 T的减少，会使系统的 稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统

17、的静态准确度，最大偏差减小。3微分控制一一微分时间Td是表示微分控制作用强弱的一个参数。 如微分时间Td越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间 Td,能 克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微 分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。11 .试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器 的输出特征曲线。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： 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。调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间

18、 T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，贝吐匕例控制作用 减少弱，当 时，PID调节器成为积分微分调节器，当 T1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

19、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）范围内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

20、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

21、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

22、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：能迅速克服进入副回路的干扰。 能

23、改善被控对象 的特征，提高了系统克服干扰的能力。 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

24、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。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：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：流量调节器如图所示：冷却水流量若减小，首先由流量检测变送，经流量 调节阀调整冷却水阀门开度，开度增加；同时由于流量减少使聚合 釜由温度T升高。从而使温度稳定在工橄要求范围内。20.什么是前馈控制系统？应用在什么场

25、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： 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；主要干扰是可测不可控的变量； 对象的控制通道滞后大, 反馈控制不即时，控制质量差时，可米用前馈一反馈控制系统，以 提咼控制质量。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

26、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1.写出测量方程式，以及测量三

27、要素，并举例说明。答：测量方程式： 为被测量，x为测量值，u为测量单位。测量过 程三要素为：测量单位，测量方法，测量仪器与设备。举例：如液 柱式温度计测量温度。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：直接测量法一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；间接测量法一通过测量与被 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

28、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

29、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。粗大误差一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： 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

30、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。 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。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：绝对误差一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：一a。相对误差一测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比，即用 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57C，时间温度为60C，贝y：3也=57-60=-3 6 =-汇 100% = -5.0% , 60若实际为30C，测量显示值为27