過程控制系統(tǒng)及儀表張勇課后習題答案

1、第一章緒論1-1什么是過程控制系統(tǒng)？過程控制系統(tǒng)一般指工業(yè)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量是溫度、壓力、流量、液位、 成分等這樣一些變量的系統(tǒng)。1-2典型的過程控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？請舉例說明。典型過程控制系統(tǒng)由被控過程、檢測元件和變送器、控制器和執(zhí)行器組成。如下圖所示的加熱爐溫度控制系統(tǒng)。 加熱爐1-3與其他自動控制系統(tǒng)相比，過程控制有哪些主要特點？過程控制系統(tǒng)主要有如下一些特點：1）過程特性多樣性。2）過程存在滯后：當控制量改變時，輸出量經(jīng)歷一段時間才發(fā)生變化。3）過程特性非線性：當負荷變化時，對象特性（K,T,）發(fā)生變化，或隨時間發(fā)生變化。4）控制系統(tǒng)比較復雜或無法得到傳遞函數(shù)。1-4試說

2、明定值控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)的含義。為什么在分析過程控制系統(tǒng)的性能時更關(guān)注其動態(tài)特性？動態(tài)：被控量隨時間變化的不平衡狀態(tài)，也叫瞬態(tài)。穩(wěn)態(tài)：被控量不隨時間變化的平衡狀態(tài)，也叫靜態(tài)。研究控制系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為系統(tǒng)在過渡過程中，會不斷受到干擾的頻繁作用，系統(tǒng)自身通過控制裝置不斷地調(diào)整控制作用去克服干擾的影響，使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所規(guī)定的技術(shù)指標上。所以在分析過程控制系統(tǒng)的性能時更關(guān)注其動態(tài)特性。1-5評價過程控制系統(tǒng)的常用性能指標有哪些？其中哪些是動態(tài)指標，哪些是靜態(tài)指標？評價過程控制系統(tǒng)的常用性能指標有遞減比（即衰減比）、動態(tài)偏差、調(diào)整時間、靜態(tài)偏差。其中遞減比（即衰減比）、動態(tài)偏差、調(diào)整時

3、間是動態(tài)指標，而靜態(tài)偏差是靜態(tài)指標。1-6試說明過程控制系統(tǒng)的分類方法，按設(shè)定值的形式不同可將過程控制系統(tǒng)分成哪幾類？過程控制系統(tǒng)的分類方法：按控制的參數(shù)分類、按控制系統(tǒng)任務分類、按控制器動作規(guī) 律分類、按控制系統(tǒng)是否構(gòu)成閉合回路分類、按處理信號不同分類、按是否采用計算機分類、按設(shè)定值的形式不同分類。按設(shè)定值的形式不同分：1）定值控制系統(tǒng)：設(shè)定值不變；2）隨動控制系統(tǒng)：設(shè)定值是無規(guī)律變化的；3）程序控制系統(tǒng)：設(shè)定值按生產(chǎn)工藝要求有規(guī)律變化。1-7簡述過程控制系統(tǒng)的發(fā)展簡史及各個階段的主要特點。過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程，按照過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程也

4、可以將過程控制系統(tǒng)的發(fā)展過程分為三個階段：1）局部自動化階段（20世紀5060年代）自動化儀表安裝在現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。適用于小規(guī)模、局部過程控制。2）模擬單元儀表控制階段（20世紀6070年代）自動化儀表劃分成各種標準功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。3）集散控制階段（20世紀70年代中期至今）計算機的出現(xiàn)，大大簡化了控制功能的實現(xiàn)。最初，人們設(shè)想用一臺計算機取代所有回路的控制儀表，實現(xiàn)直接數(shù)字控制（ DDC, Dir

5、ect Digital Control）。但DDC系統(tǒng)的故障 危險高度集中，一旦計算機出現(xiàn)故障，就會造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過程風險加大。因此，DDC系統(tǒng)并未得到廣泛應用。80年代初，隨著計算機性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；诩泄芾恚稚⒖刂啤钡睦砟?，在數(shù)字控制儀表和計算機與網(wǎng)絡技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（DCS , Distributed Control System）。 DCS系統(tǒng)實行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風險分散、管理功能集中。得到廣泛應用。隨著CPU進入檢測儀表和執(zhí)行器，自動化儀表徹底實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)

6、成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS, Field bus Control System）。 FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場， 依靠現(xiàn)場智能儀表便可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而用開放的、標準化的通信網(wǎng)絡 一一現(xiàn)場總線，將分散在現(xiàn)場的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實現(xiàn)信息集中管理。第二章信號的聯(lián)絡、傳輸及轉(zhuǎn)換2-1什么是信號制？信號制即信號標準，是指儀表之間采用的傳輸信號的類型和數(shù)值。2-2電壓信號傳輸和電流信號傳輸各有什么特點？使用在何種場合？ 電壓信號傳輸特點：1）電壓信號傳輸時，儀表并聯(lián)，所以某臺儀表故障時基本不影響其它儀表；2）有公共接地點；3）傳輸過程有電壓損耗，故電壓信號不適宜遠傳。DDZ-I

7、II型儀表屬于電壓信號傳輸方式。電流信號傳輸?shù)奶攸c：1）電流信號傳輸時，儀表串聯(lián)，所以某臺儀表出故障時，影響其他儀表；2）無公共地點。若要實現(xiàn)儀表各自的接地點，則應在儀表輸入、輸出端采取直流隔離措施。3）電流信號適合遠距離傳輸。DDZ-II型儀表屬于電流信號傳輸方式。2-3說明現(xiàn)場儀表與控制儀表之間白M言號傳輸及供電方式。070mA的直流信號能否用于兩線制傳輸方式？為什么？變送器與控制儀表之間的信號傳輸及供電方式有如下兩種：四線制傳輸和兩線制傳輸。070mA的直流信號不能用于兩線制傳輸方式。因為在兩線制方式中，變送器與控制室之間僅用兩根導線連接。兩根導線既是信號線又是電源線。電源供給變送器的功

8、率是通過信號電流提供的。在變送器輸出電流下限0mA時，信號電流過低，不能保證其內(nèi)部的半導體器件正常工作。第三章控制系統(tǒng)防爆措施3-1防爆電氣設(shè)備如何分類？防爆標志ExiaIIAT5和ExdIIBT4是何含義？防爆電氣設(shè)備分為兩大類：I類一一煤礦用電氣設(shè)備；II類一一工廠用電氣設(shè)備。ExiaIIAT5表示本質(zhì)安全型設(shè)備適用于氣體組別不高于II類ia等級A級，氣體引燃溫度不低于T5 （100C）的0區(qū)危險場所。ExdIIBT4表示隔爆型設(shè)備適用于氣體組別不高于II類B級，氣體引燃溫度不低于 T4（135C）的危險場所。3-2安全火花是什么概念？電動儀表怎樣才能用于易燃易爆場所？所謂安全火花是指火花

9、的能量不足以對其周圍可燃介質(zhì)構(gòu)成點火源。安全火花電動儀表從電路設(shè)計開始就考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下，從爆炸發(fā)生的根本原因上采取措施解決防爆，這樣才能用于易燃易爆場所。3-3常用的防爆控制儀表有哪幾類？各有什么特點？常用的防爆控制儀表有隔爆型和本質(zhì)安全型兩類儀表。隔爆型儀表具有隔爆外殼，儀表的電路和接線端子全部置于防爆殼體內(nèi)，防爆殼能承受儀表內(nèi)部因故障產(chǎn)生爆炸性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍爆炸性混合物傳播。本質(zhì)安全型儀表的電路中的電壓和電流被限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證儀表在正常工作或發(fā)生短路和元器件損壞等

10、故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應不致引起其周圍爆炸性 氣體混合物爆炸。3-4什么是安全柵？說明常用安全柵的構(gòu)成和特點。安全柵是本安儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備，一方面?zhèn)鬏斝盘?，另一方面控制流入危險場所的能量在 爆炸性氣體或混合物的點火能量以下，以確保系統(tǒng)的防爆性能。安全柵的構(gòu)成形式有多種，有電阻式、齊納式、隔離式等。電阻式安全柵最簡單，通過串聯(lián)電阻來限制電流，但在正常工況下電源電壓受到衰減， 且防爆定額低，使用范圍不大。齊納式安全柵利用齊納式二極管的擊穿特性進行限壓，用電阻進行限流，當電流過大時快速熔斷器動作，熔絲很快熔斷，使危險電壓與現(xiàn)場隔離。齊納式安全柵結(jié)構(gòu)簡單，價格便 宜，防爆定額可以做得比較高，但是對

11、熔斷絲的要求很高，制造上有一定難度，可靠性不理想。隔離式安全柵采用變壓器將輸入、輸出和電源電路進行隔離，以防止危險能量直接進入現(xiàn)場，同時采用晶體管限壓限流電路。這種安全柵線路復雜，體積大，成本較高，但不要求 特殊元件，便于生產(chǎn)，工作可靠，防爆定額較高，應用廣泛。3-5如果一個控制系統(tǒng)在現(xiàn)場全部選用了安全火花防爆儀表，是否就組成了安全火花防爆系統(tǒng)？為什么？一個控制系統(tǒng)在現(xiàn)場全部選用了安全火花防爆儀表，不一定就是安全火花防爆系統(tǒng)。因為對一臺安全火花防爆儀表來說，它只能保證自己內(nèi)部不發(fā)生危險火花，對控制室引來的電源線是否安全是無法保證的。如果從控制室引來的電源線沒有采取限壓限流措施，那么在變送器接線

12、端子上或傳輸途中發(fā)生短路、開路時，完全可能在現(xiàn)場產(chǎn)生危險火花，引起燃燒或爆炸事故。3-6安全防爆系統(tǒng)指構(gòu)成系統(tǒng)的所有設(shè)備都應該是安全防爆的設(shè)備嗎？為什么？安全防爆系統(tǒng)的并不是所有設(shè)備都是安全防爆的設(shè)備，安全防爆系統(tǒng)只需在危險場所采用安全防爆儀表，在危險場所和控制室之間采用安全柵進行隔離即可，而控制室中的控制器和顯示器等設(shè)備不需要是安全防爆的設(shè)備。3-7如何控制系統(tǒng)實現(xiàn)本安防爆的要求？要實現(xiàn)本安防爆要求，需要下面三個條件。1）在危險場所采樣本安防爆儀表。2）在危險場所和控制室之間采用安全柵進行隔離。3）要注意系統(tǒng)的安裝和布線：正確安裝安全柵，并保證接地良好；正確選擇連接電纜的規(guī)格和長度，其分布電

13、容、分布電感應在限制值之內(nèi)；本安電纜和非本安電纜應分槽（管）敷設(shè)，防止本安回路與非本安回路混接。第四章變送器4-1變送器和轉(zhuǎn)換器的作用是什么？變送器和轉(zhuǎn)換器的作用是分別將各種工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位）和電信號（如電壓、電流、頻率、氣壓信號等）轉(zhuǎn)換成相應的統(tǒng)一標準信號，以供顯示、記錄和控制之用。4-2什么是量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移。試舉例說明。量程調(diào)整：使變送器的輸出信號上限值ymax與測量范圍的上限值 Xmax相對應。使變送器的輸出信號下限值ymin與測量范圍的下限值Xmin相對應，在Xmin=0時，稱為零點調(diào)整，在Xmin W0時，稱為零點遷移。4-3差壓變送器的作用是什么？差

14、壓變送器是將液體、氣體或蒸汽的壓力、流量、液位等工藝變量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號，作為指示記錄儀、調(diào)節(jié)器或計算機裝置的輸入信號，以實現(xiàn)對上述變量的顯示、記錄或自動控制。4-4電容式差壓變送器如何實現(xiàn)差壓-位移轉(zhuǎn)換？差壓-位移轉(zhuǎn)換如何滿足高準確度的要求?由感壓膜片將輸入差壓信號轉(zhuǎn)換成位移信號。 測量膜片是平膜片，平膜片形狀簡單，加 工方便，但壓力和位移是非線性的，只有在膜片位移小于膜片厚度的情況下是線性的。 所以 采用了具有預緊應力的平膜片，提高了線性，減小了誤差。調(diào)零和遷移信號4-5試述電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)特點與工作原理。電容位移變化測量部分一+感壓膜片一 差動電容電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)特點：敏

15、感元件的中心感壓膜片是在施加預張力的條件下焊接的，其最大位移量為 0.1mm,既可使感壓膜片的位移與輸入壓差成線性關(guān)系，又可以大大 減小正負壓室法蘭張力和力矩影響而產(chǎn)生的誤差。中心感壓膜片兩側(cè)的固定電極為弧形電 極，可以有效地克服靜壓的影響和更有效地起到單向過電壓的保護作用。電容式差壓變送器的工作原理：輸入差壓信號作用在感壓膜片上會產(chǎn)生位移，兩個固定弧形極板和感壓膜片分別構(gòu)成了兩個可變電容，感壓膜片的位移變化導致了電容極板間距離發(fā)生變化，進而導致了兩個電容的變化，再經(jīng)過電容-電流轉(zhuǎn)換電路，將差動電容轉(zhuǎn)換成了差動電流，再經(jīng)過負反饋電路放大后輸出。輸出電流和輸入壓差信號之間成線性關(guān)系。4-6簡述敞

16、口容器與密閉容器的安裝方法與工作原理。敞口容器：安裝方法：差壓變送器正壓室接容器下部，負壓室不用接。工作原理：P1=P 氣+PB=P 氣 + p gHP2=P 氣/P=P1-P2= p gH密閉容器：安裝方法：差壓變送器正壓室接容器下部，負壓室接到容器上端。工作原理：P1 P2Pi=Pa+Pb=Pa+ g gHP2=PaAP=Pi-P2= g gH4-7熱電偶測量溫度的基本原理和基本條件是什么？熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體（稱為熱電偶絲材或熱電極） 組成閉合回路，當接合點兩端的溫度不同，存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢 一一熱電動勢，這就是所謂的塞

17、貝克效應。兩種不同成份的均質(zhì)導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端（也稱為測量端），溫度較低的一端為自由端（也稱為補償端）： 自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表； 分度表是自由端溫度在 0c時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。4-8熱電偶的基本定律有哪些？1）均質(zhì)導體定律由同一種均質(zhì)材料（導體或半導體）兩端焊接組成閉合回路，無論導體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。2）中間導體定律在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響，這就是中間

18、導體定律。3）中間溫度定律熱電偶回路兩接點（溫度為T、T0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。 Tn稱中間溫度。4）參考電極定律簡單說明就是：用高純度鉗絲做標準電極，假設(shè)饃銘-饃銘熱電偶的正負極分別和標準電極配對，他們的值相加是等于這支饃銘-饃銘的值。4-9熱電偶參考溫度補償?shù)姆椒ㄓ心男坷涠撕銣胤ǎɡ涠藴囟缺》ǎ撼３⒗涠酥糜诒旌衔镏?，使其溫度保持為恒?的0C。在實驗室條件下，通常把熱電偶的冷端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入 裝滿冰水混合物的保溫容器中，使冷端保持0 C。計算修正法：如果某介質(zhì)的溫度為t,用熱電偶進行測量

19、，其冷端溫度為 to,測得的熱 電勢為Eab （t,t。）。根據(jù)中間溫度定律，有 Eab （t,0） = EAB （t,t。）+ EAB （t。，0）,得出 標準熱電勢Eab （t,0）,再查分度表就可得出被測溫度。電橋補償法：補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而 引起的熱電勢變化值。4-10在熱電偶測溫電路中采用補償導線時，應如何連接？需要注意哪些問題？補償導線是用熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成的導線。根據(jù)中間導體定律，用補償導線將熱電偶的冷端延長至控制室等需要的地方，可以使熱電偶的冷端遠離熱源，從而保證冷端穩(wěn)定，不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測量誤差。補償導

20、線在一定溫度范圍內(nèi) （0150C）具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，若是用廉價金屬制成的熱電偶，則可用其 本身的材料作為補償導線。補償導線在使用中注意事項1）補償導線的選擇：補償導線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場合進行正 確選擇。補償導線只能與相應型號的熱電偶配套使用，可參考國際電工委員會制定的標準。2）接點連接：與熱電偶接線端 2個接點盡可能近一點，盡量保持 2個接點溫度一致。 與儀表接線端連接處盡可能溫度一致， 儀表柜有風扇的地方， 接點處要保護不要使得風扇直 吹到接點。3）使用長度：因為熱電偶的信號很低，為微伏級，如果使用的距離過長，信號的衰減 和環(huán)境中強電的干擾耦合，足可以

21、使熱電偶的信號失真，造成測量和控制溫度不準確，在控制中嚴重時會產(chǎn)生溫度波動。4）布線：補償導線布線一定要遠離動力線和干擾源。在避免不了穿越的地方，也盡可 能采用交叉方式，不要平行。5）屏蔽補償導線：為了提高熱電偶連接線的抗干擾性，可以采用屏蔽補償導線。對于 現(xiàn)場干擾源較多的場合，效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴格接地，否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用，反而增強干擾。4-11與金屬熱電阻相比，熱敏電阻的優(yōu)缺點有哪些？半導體熱敏電阻的主要特點是：1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高。2）電阻率大，體積小，熱慣性小，響應快。3）溫度特性分散，互換性差，穩(wěn)定性不好。4）非線性較嚴重，影響精度。4-12試簡要分析

22、DDZ-III型溫度變送器的主要特點及工作原理。DDZ-III型溫度變送器有如下特點：主放大器為低漂移、高增益的運算放大器，使儀表具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度呈線性關(guān)系，便于指示和記錄。在線路中采用了安全火花防爆措施，故可用于危險場所中的溫度測量，從而擴大了應用領(lǐng)域。DDZ-III型溫度變送器的工作原理：DDZ-III型溫度變送器在線路結(jié)構(gòu)上分為量程單元和放大單元兩部分，二者分別設(shè)置在 兩塊印刷電路板上，用接插件相連接。 其中放大單元是通用的，量程單元隨著測溫范圍和測溫元件的不同而不同。放大單元的工作原理：放大單元將量

23、程單元輸出的直流毫伏信號進行電壓及功率放大， 然后整流輸出統(tǒng)一的 420mA標準電流信號和15V的標準電壓信號。量程單元的工作原理：量程單元根據(jù)輸入信號的不同而實現(xiàn)信號補償、 測量信號線性化、 整機調(diào)零和調(diào)量程等。其中熱電偶溫度變送器實現(xiàn)冷端溫度補償。 熱電阻溫度變送器實現(xiàn)引 線電阻補償。4-13什么是一體化溫度變送器？一體化溫度變送器由測溫元件和變送器模塊兩部分組成，將變送器模塊安裝在測溫元件接線盤或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)， 測溫元件受溫度影響產(chǎn)生熱電阻或熱電勢，變送器模塊將測溫元件輸出信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準信號，主要為 420mA直流電流信號。4-14 一體化溫度變送器對現(xiàn)場環(huán)境的要求是什么？由于一體化

24、溫度變送器直接安裝在現(xiàn)場，在一般情況下變送器模塊內(nèi)部集成電路的正常工作溫度為-2080oC,超過這一范圍，電子元件的性能會發(fā)生變化，變送器將不能正常工作， 因此在使用中應該特別注意變送器模塊所處的環(huán)境溫度不能超過電路的正常工作范圍。4-15試述TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成。TT302智能式溫度變送器的硬件主要由輸入板、主電路板和液晶顯示器組成。輸入板包括多路轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理板、A/D轉(zhuǎn)換器和信號隔離部分，其作用是將輸入信 號轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字信號，再傳送給CPU,并實現(xiàn)輸入板與主電路板的隔離。主電路板包括微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號整形電路、本機調(diào)整部分和電源部分， 它是變送器的核心部件。

25、CPU與信號整形之間是通信控制器，通過信號整形產(chǎn)生并輸出滿 足FF （基金會現(xiàn)場總線）標準的數(shù)字信號。顯示板是一個從CPU接收數(shù)據(jù)的微功耗液晶顯示器，用于接收CPU的數(shù)據(jù)并加以顯示。第五章控制器5-1基型調(diào)節(jié)器由幾部分組成？各組成部分的作用如何？基型調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧狠斎腚娐贰D電路、PI電路、輸出電路以及軟手操電路和硬手操電路等。調(diào)節(jié)器在 自動”狀態(tài)下，測量信號與設(shè)定信號通過輸入電路進行比較，由比例微分電路、比例積分電路對其偏差進行 PD和PI運算后，再經(jīng)過輸出電路轉(zhuǎn)換為420mA直流電流，作為調(diào)節(jié)器的輸出信號去控制執(zhí)行器。指示單元：測量信號指示電路、 給定信號指示

26、電路， 用雙指針表顯示測量信號和給定信 號，兩指示值之差為控制器的輸入誤差。5-2基型調(diào)節(jié)器的輸入電路為什么采用差動輸入和電平移動方式？偏差差動電平移動 電路怎樣消除導線電阻引起的運算誤差？輸入電路采用偏差差動輸入方式，是為了消除集中供電引入的誤差。采用電平移動方式，目的是使輸入電路中的運算放大器工作在允許的共模輸入電壓范圍內(nèi)。實際的偏差差動電平移動電路的連接方式，是將輸入信號Ui跨接在運算放大器的同相和反相輸入端上，而將給定信號Us反極性地跨接在這兩端。這樣兩導線電阻的壓降均成為輸入電路的共模電壓信號，由于差動放大器對共模信號有很強的抑制能力，因此這兩個附加電壓不會影響運算電路的精度。5-3

27、什么叫無擾動無平衡切換？全刻度指示調(diào)節(jié)器怎樣實現(xiàn)這種操作的？所謂無平衡切換，是指在兩種工作狀況之間切換時，無需事先調(diào)平衡，即不需要手動消除系統(tǒng)偏差或使手、自動輸出相等就可以隨時切換至所要求的工作狀況而不會引起擾動。所謂無擾動切換，是指在切換瞬間控制器的輸出不發(fā)生變化，對生產(chǎn)過程無擾動。在全刻度指示調(diào)節(jié)器中，自動-軟手操，軟手操-自動，硬手操-軟手操，硬手操-自動的切換都是無平衡無擾動切換。自動-硬手操，軟手操-硬手操切換時，要做到無擾動切換，必須事先平衡。切換前先調(diào)整硬手操電位器的滑動端，使硬手操輸出電流等于自動輸出電流（或軟手操輸出電流）后立即切換，使得切換瞬間控制器輸出不變化，實現(xiàn)了無擾動

28、切10換。5-4什么是硬手動操作和軟手動操作？各用在什么條件下？軟手動操作：可以通過選擇鍵位調(diào)節(jié)器處于“保持”（即它的輸出保持切換前瞬間的數(shù)值）狀態(tài)，或使輸出電流可按快或慢兩種速度線性地增加或減小，以對工藝過程進行手動控制。硬手動操作：調(diào)節(jié)器的輸出與手操電壓成比例，即輸出值與硬手動操作桿的位置一一對應。當需要調(diào)速的場合，如升速、降速，或是多級調(diào)速，可用軟手動操作實現(xiàn)。當測定對象特性時， 可通過硬手動操作實現(xiàn)階躍輸入。當需要緊急停車時， 可通過硬手動操作輸入為0實現(xiàn)。5-5在基型調(diào)節(jié)器的PD電路中，如何保證開關(guān) S從斷位置切至通位置時輸出信號保持 不變？S斷時：即不加微分只有比例作用時，運算放大

29、器同相端電壓Ut= Uoi/n, Uoi通過Ri向Cd充電，穩(wěn)態(tài)時 Cd兩端電壓為：UcD=（n-1） Uoi/nS接通：加入微分時，電容兩端電壓不能突變。所以Ut仍為 Uoi/n。在切換瞬間運算放大器同相端電壓Ut保持不變，使得輸出信號保持不變。5-6試分析基型控制器產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象的原因。若控制器的輸出加以限幅，能否消除這一現(xiàn)象？為什么？怎樣解決？基型控制器產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象的原因：帶有積分作用的控制器對偏差隨時間不斷累積，只要偏差存在，控制器的輸出就不斷累積，最終導致輸出被限制住，從而產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象?？刂破魈幱谑Э貭顟B(tài)，控制品質(zhì)變壞。若控制器的輸出電壓被限幅，不能消除積分飽和現(xiàn)象。因為只

30、要輸入信號不改變極性，積分電容繼續(xù)充電或放電，積分電容兩端的電壓繼續(xù)上升或下降，而控制器的輸出仍然被限制著，無法消除積分飽和。消除積分飽和方法：限制積分電容兩端充電電壓或是切除積分作用。5-7與模擬PID控制器相比，數(shù)字 PID控制器有哪些優(yōu)點？數(shù)字PID控制器和模擬PID控制器比較：對于純滯后控制對象，模擬控制器控制效果不理想。而數(shù)字 PID控制器由于采用軟件實現(xiàn)控制，很容易實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，對純滯 后進行補償，提高了控制性能。而且數(shù)字 PID控制器可在線修改控制方案和PID參數(shù)，從而更好地滿足控制要求。5-8與位置式PID相比，增量式算式具有哪些優(yōu)點？增量式PID算法的優(yōu)點：I）位置式P

31、ID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差。而 增量式PID只需計算增量，計算誤差或精度不足時對控制量的計算影響較小。ii2）控制從手動切換到自動時，位置式PID算法必須先將輸出值置為原始閥門開度時，才能保證無擾動切換。若采用增量算法，與原始值無關(guān)，易于實現(xiàn)手動到自動的無擾動切換。3）采用位置式PID算法，計算機出現(xiàn)故障，輸出量大幅度變化，調(diào)節(jié)閥門突然加大或 減小，可能會給生產(chǎn)造成損失。 采用增量式算法時所用的執(zhí)行器本身都具有保持功能，即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。5-9采樣周期的選擇受哪些因素的影響？選擇采樣周期時的考慮因素：1）根據(jù)香

32、農(nóng)采樣定理，采樣頻率達到系統(tǒng)信號最高頻率的兩倍或以上時，可不失真地 復現(xiàn)原來的信號。采樣周期應比對象的時間常數(shù)小得多。2）從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看，如果采樣周期過短，執(zhí)行機構(gòu)來不及響應。所以，采 樣周期不能過短。3）從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。一般擾動信號周期與采樣周期成整數(shù)倍關(guān)系。4）從計算機的工作量和每個調(diào)節(jié)回路的計算來看，一般要求采樣周期大些，保證有足 夠的時間完成必要的計算。5）當系統(tǒng)純滯后占主導地位時，盡可能使純滯后時間接近或等于采樣周期的整數(shù)倍。第六章執(zhí)行器6-1執(zhí)行器在過程控制中起什么作用？常用的電動執(zhí)行器與氣動執(zhí)行器有何特點？執(zhí)行器將控制器輸出的控制信

33、號進行功率放大，并轉(zhuǎn)換成輸出軸相應的轉(zhuǎn)角或直線位 移，連續(xù)或斷續(xù)地去推動各種控制機構(gòu)，如控制閥門、擋板，控制操縱量變化，以完成對各 種被控參量的變化。氣動執(zhí)行器特點：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、價格低廉、維修方便和防火防爆等。電動執(zhí)行器特點：能源取用方便、信號傳輸速度快、便于遠傳、結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴、 安全防爆性能差。6-2執(zhí)行器由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？執(zhí)行器分為兩部分：執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。1）執(zhí)行機構(gòu)一一執(zhí)行器的驅(qū)動部分，按照控制器的輸出信號產(chǎn)生推力或位移；2）調(diào)節(jié)機構(gòu)一一執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，常見有調(diào)節(jié)閥等，在執(zhí)行機構(gòu)操縱下，改變閥芯 和閥座間的流通面積，從而調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量。

34、6-3簡述電動執(zhí)行器的構(gòu)成原理，伺服電動機的轉(zhuǎn)向和位置與輸入信號有什么關(guān)系？伺服放大器將輸入信號Ii和反饋信號If相比較，所得差值信號經(jīng)功率放大后，驅(qū)使兩相伺服電機轉(zhuǎn)動，再經(jīng)減速器減速，帶動輸出軸改變轉(zhuǎn)角0O若差值為正，電機正轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角增大，若差值為負，電機反轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角減小。輸出軸轉(zhuǎn)角經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成反饋電流If,回送到伺服放大器的輸入端，從而構(gòu)成負12反饋系統(tǒng)。最終輸出軸轉(zhuǎn)角。與輸入信號Ii為比例關(guān)系，即0 =K*|O其中K為比例系數(shù)。伺服放大器還可以通過電動操作器實現(xiàn)自動和手動的切換。當切換到手動操作時， 通過手動操作按鈕來控制電機正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)角。6-4伺服放大器如何控制

35、電動機的正反轉(zhuǎn)？輸入信號和反饋信號分別經(jīng)過信號隔離后，再經(jīng)過綜合放大電路放大后，經(jīng)過觸發(fā)電路控制兩個固態(tài)繼電器的導通與關(guān)斷。當輸入信號大于反饋信號，固態(tài)繼電器1導通，伺服電動機正轉(zhuǎn)；當輸入信號小于反饋信號時，固態(tài)繼電器2導通，伺服電動機反轉(zhuǎn)。并且設(shè)置了死區(qū)，當輸入信號和反饋信號之間的偏差小于死區(qū)時，兩個固態(tài)繼電器均不動作，伺服電動機不動作。6-5確定控制閥的氣開、氣關(guān)作用方式有哪些原則？試舉例說明。確定控制閥的氣開、氣關(guān)作用方式原則：氣源中斷、控制器故障無輸出時，應確保設(shè)備安全。如鍋爐供水控制閥，為了保證故障 時不致把鍋爐燒壞，應選擇氣關(guān)閥。從保證產(chǎn)品質(zhì)量考慮。如精微塔回流量控制系統(tǒng)長選用氣關(guān)

36、閥。一旦發(fā)生故障，閥門全開，使生產(chǎn)處于全回流狀態(tài)，這就防止了不合格產(chǎn)品被蒸發(fā)，從而保證了塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。從降低原料和動力的損耗考慮。如精微塔進料的控制閥常采用氣開式。因為一旦故障， 閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，不再給塔投料，從而減少了浪費。6-6直通單座、雙座調(diào)節(jié)閥有何特點，適用于哪些場合？直通單座閥：適用于泄漏量要求較小和閥前后壓降較小的場合。直通雙座閥：適用于泄漏量要求不嚴和閥前后壓降較大的場合。不適用于高黏度或含懸浮顆粒的流體。6-7什么是控制閥的可調(diào)比？串聯(lián)或并聯(lián)管道時會使實際可調(diào)比如何變化？控制閥的可調(diào)比（可控比）：閥所能控制的流量上限與流量下限之比。串聯(lián)或并聯(lián)管道 時會使實際可調(diào)比下降。6-

37、8什么是控制閥的流通能力？確定流通能力的目的是什么？ 流量系數(shù)的大小反映了流過閥的流量，即控制閥的流通能力。確定流通能力的目的是為了計算控制閥的口徑，從而選擇合適的控制閥。6-9什么是控制閥的流量特性？什么是控制閥的理想流量特性和工作流量特性？為什么說流量特性的選擇是非常重要的？控制閥的流量特性，是指控制介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門相對開度（即推桿的相對位移）之間的函數(shù)關(guān)系。理想流量特性：閥前后差壓不變時的流量特性，也叫固有流量特性。工作流量特性：閥裝在管道中，前后差壓變時的流量特性，也叫實際流量特性。控制閥的理想流量特性取決于閥芯曲面的形狀。選擇了控制閥流量特性， 從而確定閥芯13 形式。6

38、-10為什么要使用閥門定位器？它的作用是什么？閥門定位器的作用和應用場合：1）增加執(zhí)行機構(gòu)的推力：提高定位器的氣源壓力增大執(zhí)行機構(gòu)的輸出力。2）加快執(zhí)行機構(gòu)的動作速度：改變了原來調(diào)節(jié)閥的一階滯后特性，使之成為比例特性?？朔盘杺鬟f滯后，加快執(zhí)行速度。3）實現(xiàn)分程控制：用一臺控制儀表去操作兩臺控制閥。使用閥門定位器，使得在信號 的某一區(qū)段完成全行程動作。4）改善控制閥流量特性：改變反饋凸輪的幾何形狀可改變流量特性。第七章被控對象7-1什么是過程建模，為什么研究被控過程的數(shù)學模型？過程建模的目的和要求是什么？過程建模：就是建立描述被控過程特性的數(shù)學模型，用數(shù)學方法對過程特性進行描述、分析。研究被控

39、過程的數(shù)學模型，是為了了解和掌握被控過程的特性。過程建模的目的： 設(shè)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)；進行工業(yè)過程優(yōu)化； 進行被控過程仿真研究。過程建模的要求：簡單且準確可靠，在線模型還要求實時性。7-2過程建模的方法有哪些？其適用場合分別是什么？過程建模的方法：機理法建模、實驗法建模、機理法和實驗法相結(jié)合建模。機理法可用于簡單的被控過程。 實驗法可用于當不十分清楚被控過程的內(nèi)部機理，或是被控過程非常復雜時。當采樣單一的機理法或?qū)嶒灧o法建立復雜過程的數(shù)學模型時，可采用機理法和實驗法相結(jié)合的方法建立數(shù)學模型。7-3什么叫過程的自平衡特性和非自平衡特性？什么叫單容過程和多容過程？自平衡特性：過程受

40、到干擾作用后，平衡狀態(tài)被破壞，無需外加任何控制作用，依靠過程本身自動平衡的傾向，逐漸達到新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)，稱為自平衡能力。否則稱為非自平衡特性。有一個儲存容量的過程，稱為單容過程。對象的輸入輸出可以用一階微分方程式來描述。有一個以上儲存容量的過程稱為多容過程。7-4機理法建模與實驗法建模的基本原理分別是什么？機理法建模又稱數(shù)學分析法建模或理論建模，它原則上采用數(shù)理方法， 根據(jù)過程的內(nèi)部機理（運動規(guī)律），運用一些已知的定律、原理，經(jīng)過推演和簡化而得到描述過程動態(tài)特性 的數(shù)學模型。實驗法建模是根據(jù)被控對象輸入 /輸出的實驗測量數(shù)據(jù)， 進行某種數(shù)學處理后得到模型，14此方法又稱為系統(tǒng)辨識。7-5影

41、響控制性能的 主要模型參數(shù) 有哪些，其工作機理分別是什么?W(S)Ts 1響控制性能的主要模型參數(shù)有放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和純滯后時間放大系數(shù)K:過程輸出量變化的新穩(wěn)態(tài)值與輸入量變化值之比，稱為過程的放大系數(shù)。時間常數(shù)T:指被控量保持起始速度不變而達到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)歷的時間。T反映的是過程受到階躍擾動作用后被控量變化的快慢速度。純滯后時間 ：所謂純滯后是一種時間上的延遲，這種延遲是從引起動態(tài)要素變化的時刻到輸出開始變化的時刻這一段時間。7-6試簡要分析溫度、流量、壓力過程模型特性。溫度過程模型特性： 加熱爐是一個典型的溫度過程。該過程是典型的大慣性、含純滯后的控制對象。其傳遞函數(shù)為 W（S） Le

42、 S。慣性可認為是對象儲存能量的能力體現(xiàn)，對 Ts 1加熱爐來說就是對熱能的儲存能力， 加熱爐的熱容量較大， 當增大或減小燃料流量時， 加熱 爐各段爐溫的上升或下降需要較長時間。 對象含有純滯后時，控制信號發(fā)出后，被控物理量 需要經(jīng)過一段時間的延遲才會產(chǎn)生響應。流量過程模型：一階非線性方程。壓力過程模型：對于煉焦過程，集氣管壓力與鼓風機吸力間的耦合比較明顯。7-7如圖所示液位過程的輸入量為qi,輸出量q2, qa,液位h為被控參數(shù)，C為容量系數(shù)，并設(shè)Ri、R2、R3為線性液阻。要求：1）列出過程的微分方程組;2）畫出過程的框圖；1）過程的微分方程組為:15拉氏變換為:qiq2q2q3q3hC

43、d hCdtR2hqi(s) q2(s) q3(s) CsH (s) / H(s) q2(s)R2/ H(s)q3(s)R32)過程框圖為:3)過程的傳遞函數(shù)為:qi(s)甯詈 CsH(s)R2R3Wo(s)H(s)qi(s)CsR2 R3RR3csRR3R2RR2R3R2R37-8如圖所示的單容過程，若其輸入量為Qi、輸出量為 Qo,K1 Ts 1C試列寫其微分方程組。根據(jù)微分方程組畫出框圖并求其數(shù)學模型Wo(s)=Qo(s)/ Qi (s)。161)微分方程組為:拉氏變換為:QiQi j控制閥 - x 小d hQiQo AdtQo - h RQi (s) Qo(s) AsH(s)Qo(s)

44、喈 R2)系統(tǒng)框圖為:3)數(shù)學模型為:11Wo(s)/As &Qi(s)1 _1 1As R1RAs 11Ts 1T RA7-9兩只水箱串聯(lián)工作，各個參數(shù)如圖所示。若過程的輸入量為q、輸出量為q2,并設(shè)液阻R、Ri、心均為線性，試列寫過程的微分方程組；根據(jù)方程組畫出過程的框圖，并求其 數(shù)學*II型 Wo(s)=q2(s)/q (s)。171）微分方程組為:拉氏變換為:rqCihiRi%qiqqiqiq22）系統(tǒng)框圖為:Hi(s) -* Ri3）數(shù)學模型為:Wo(s)Q2(s)Q(s) h2-C2R2q q2qiCid h)dtd h2q2C2dthiRTh2R2Q(s) Qi(s) CiSHi

45、(s)Qi(s) Q2(s) C2sH2(s)Qi(s)Q2(s)i iC1s Ri ,第八章 單回路控制系統(tǒng)Hi(s)H2(s)R2Qi(s)iC2siC2siC2sQ2(s)iR2iR2i(RC1s i) (R2c2s i)r2c8-i何謂控制通道？何謂干擾通道？它們的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量有什么影響?i8i(Tisi)(T2s i)控制通道：被控量與輸入控制作用之間的聯(lián)系被稱為“控制通道”干擾通道：被控量與擾動之間的聯(lián)系被稱為“干擾通道”?？刂仆ǖ缹刂葡到y(tǒng)質(zhì)量的影響：1）控制通道的放大系數(shù)大一點，以加強控制作用。2）控制通道的時間常數(shù)小，控制作用強，克服干擾快，過渡過程時間短。但時間常數(shù)

46、太小時，易引起振蕩。3）控制通道的滯后時間越大，系統(tǒng)動態(tài)性能變差，容易導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。4）控制通道盡可能避免幾個時間常數(shù)相等或相近，系統(tǒng)控制質(zhì)量高。干擾通道對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響：1）干擾通道的放大系數(shù)越小越好，以減小余差，提高控制精度。2）干擾通道的時間常數(shù)大，或者慣性環(huán)節(jié)數(shù)增加時，控制質(zhì)量將提高。3）干擾通道的滯后時間不影響控制系統(tǒng)的質(zhì)量。8-2如何選擇操縱變量？選擇操縱量的一般原則：1）操縱量應具有可控性、工藝操作合理性、經(jīng)濟性；2）干擾通道的時間常數(shù)越大越好?？刂仆ǖ罆r間常數(shù)應適當?shù)男⌒?，純滯后時間越小 越好；3）控制通道的放大系數(shù)應大于干擾通道；4）應盡量使干擾遠離被控量而向執(zhí)行器靠近

47、；5）盡可能避免幾個時間常數(shù)相等或相近，他們越錯開越好。8-3什么是可控性指標？怎樣根據(jù)這個指標來選擇控制參數(shù)？當過程有多個特性相近 的一階環(huán)節(jié)串聯(lián)時，其時間常數(shù)該如何處理？控制系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Km與臨界振蕩頻率 Wk的乘積KmWk被定義為系統(tǒng)的可控性指 標。KmWk越大，系統(tǒng)的控制質(zhì)量越高。當過程有多個特性相近的一階環(huán)節(jié)串聯(lián)時，其時間 常數(shù)越錯開越好。8-4在設(shè)計單回路控制系統(tǒng)時，如何選擇控制器的控制規(guī)律？怎樣確定控制器的正反作 用方式和控制閥的氣開氣關(guān)形式？P控制器的選擇：由于比例控制器的特點是控制器的輸出與偏差成比例，閥門開度與偏差之間有相應關(guān)系。當負荷變化時，抗干擾能力強，過渡過程

48、時間短，但過程終了存在余差。 因此，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)， 如壓縮機儲氣罐的壓力控制、儲液槽的液位控制、串級控制系統(tǒng)的副回路等。PI控制器的選擇：由于比例積分控制器的特點是控制器的輸出與偏差的積分成比例， 積分作用使過渡過程結(jié)束時無余差，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，雖然加大比例度可使穩(wěn)定性提高， 但又使過渡過程時間加長。因此， PI控制器適用于滯后較小、負荷變化不大、被控量不允19 許有余差的控制系統(tǒng)，如流量、壓力和要求較嚴格的液位控制系統(tǒng)。PID控制器的選擇：比例積分微分控制器的特點是微分作用使控制器的輸出與偏差變化 的速度成比例，它對克服對象的容

49、量滯后有顯著的效果，在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用可消除余差。因此 PID控制器適用于負荷變化不大、容量滯后 較大、控制質(zhì)量要求又很高的控制系統(tǒng)，如溫度控制、pH控制等。控制器的正反作用的確定原則是使整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。為了保證能夠成為負反饋，系統(tǒng)開環(huán)總放大倍數(shù)必須為負值，即系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)放大倍數(shù)的乘積為負。因此根據(jù)控制器、控制閥、對象、變送器的放大倍數(shù)的乘積為負，判斷出了控制閥、對象、變送器的放 大倍數(shù)的正負后，即可確定控制器的正反作用。控制閥、 對象、變送器的放大倍數(shù)的正負根 據(jù)各自的輸出和輸入是同向變化則為正，反向變化則為負。確定控制閥的氣開、 氣關(guān)作用方式

50、原則： 主要根據(jù)氣源中斷、 控制器故障無輸出時，應 確保設(shè)備安全。其次從保證產(chǎn)品質(zhì)量，以及降低原料和動力的損耗考慮。當氣源中斷、 控制 器故障無輸出時，控制閥應該關(guān)閉，則選擇氣開閥。反之，當氣源中斷、控制器故障無輸出 時，控制閥應該打開，則選擇氣關(guān)閥。8-5在單回路系統(tǒng)方案設(shè)計正確的前提下，為何還要整定控制器的參數(shù)？常用的工程整定方法有哪幾種？并比較其各自的特點。在單回路系統(tǒng)方案設(shè)計正確的前提下，對象各通道的特性就成定局，這時控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量就只取決于控制器的參數(shù)了，所以要整定控制器的參數(shù)。常用的工程整定方法有：經(jīng)驗湊試法、臨界比例度法、衰減曲線法、響應曲線法四種。經(jīng)驗湊試法：簡單可靠，適用

51、于各種系統(tǒng)。但反復湊試，花時間多。是“看曲線、調(diào)參 數(shù)”的方法，整定質(zhì)量因人而異。經(jīng)驗豐富的人用此法更合適。臨界比例度法：簡單易掌握，整定質(zhì)量較好。對臨界比例度很小或過渡過程不允許出現(xiàn) 等幅振蕩的系統(tǒng)不適用。衰減曲線法：安全、準確、可靠，整定質(zhì)量較高。對于干擾頻繁或由各種原因難于從曲 線上判別遞減比和衰減周期的系統(tǒng)不適用。響應曲線法：整定質(zhì)量高，但要求測響應曲線，比較麻煩。8-6如圖為液位控制系統(tǒng)原理圖。生產(chǎn)工藝要求汽包水位一定且必須穩(wěn)定。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會帶水過多，易導致管壁結(jié)垢并損壞。水位過低，則因汽包內(nèi)的水量較少，而負荷很大，加快水的汽化速度，使汽包內(nèi)的

52、水量變化速度很 快，若不加以控制，將有可能使汽包內(nèi)的水全部汽化。所以，必須對汽包水位進行嚴格的控制。201）畫出控制系統(tǒng)框圖，指出被控過程、被控變量和操縱變量。2）確定控制閥的流量特性 和控制閥的氣開、氣關(guān)形式。3）確定控制器的控制規(guī)律及其正反作用方式。1）控制系統(tǒng)框圖為:被控過程：汽包被控變量：汽包水位操縱變量：控制閥的開度2）控制閥的流量特性：直線流量特性。所以控制為防止汽包水位過高導致管壁結(jié)垢并損壞，當信號中斷時，應該使閥門關(guān)閉，閥應該選擇氣開形式。3）確定控制器的控制規(guī)律及其正反作用方式。由于對液位有嚴格要求，所以控制器應該選擇PI控制規(guī)律?？刂崎y氣開：放大倍數(shù)為正汽包對象：控制閥開度

53、增大，水位上升，放大倍數(shù)為正。所以控制器放大倍數(shù)應該為負，所以控制器為反作用方式。8-7如圖所示某蒸汽加熱設(shè)備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。試問：1）影響物料出口溫度的 主要因素 有哪些？2）如果要設(shè)計一溫度控制系統(tǒng)，如何選擇被控變量和操縱變量？說明其原因3）如果物料在溫度過低時會凝結(jié)，應如何選擇控制閥的開閉形式及控制器的正反作 用？21攪拌器物料冷凝水1X1出口1）影響物料出口溫度的主要因素有：物料的入口溫度、物料流量、物料壓力；蒸汽的 溫度、流量、壓力。2）如果要設(shè)計一溫度控制系統(tǒng)，被控變量應選擇為物料出口溫度，因為物料出口溫度為表征產(chǎn)品質(zhì)量的變量。操縱變量應選擇為蒸汽流量，主要考

54、慮到蒸汽流量具有可控性、工藝操作合理性、經(jīng)濟性。3）如果物料在溫度過低時會凝結(jié)，應選擇控制閥為氣關(guān)形式，使得故障時蒸汽閥門打 開，防止溫度過低時物料凝結(jié)。4）控制閥氣關(guān)，放大倍數(shù)為負；閥門開度增大，出口溫度升高，所以對象放大倍數(shù)為 正。因此控制器應該為正作用。8-8某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和調(diào)節(jié)時間（給定值為200oC）。參照邵裕森主編2005年機械工業(yè)出版社出版的過程控制系統(tǒng)及儀表。最大偏差表示被控參數(shù)偏離給定值的程度，其定義如下。隨動系統(tǒng)通常采用超調(diào)量指標。即超調(diào)量為：領(lǐng) y（）100% 230 205 1

55、2 2%y（ ）205對于定值系統(tǒng)來說，最大偏差是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差。最大偏差：230-200=30 0c余差：205-200=5 0c衰減比：(230-205) /(210-205)=5:122振蕩周期：20-5=15min調(diào)節(jié)時間：22 min8-9有一如圖所示的加熱器，其正常操作溫度為200 C,溫度控制器的測量范圍是150250 ,當控制器輸出變化 1%時，蒸汽量將改變3%,而蒸汽量增加1%,槽內(nèi)溫度將 上升0.2 C。又在正常操作情況下，若液體流量增加1%,槽內(nèi)溫度將會下降 1 C。假定所采用的是純比例式控制器，其比例度為80%,試求當設(shè)定值由200 C提高到220

56、 C時，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，則1)槽內(nèi)溫度應是多少，余差為多少？2)如何消除余差？4=(220-200)/(250-150)=0.2u=Ae/ 8 =0.2/80%=0.25Zu/Ak=1%/3%=1/3k/ AT=1%/0.2=0.05u/AT=0.25/ AT=(1/3)*0.05AT=15CT=200+AT=200+15=215 Ce=220-215=5 C槽內(nèi)溫度應是 215 C,余差為5 C消除余差：采用PI控制器。8-10某過程控制通道做階躍實驗，輸入信號Au=50,其記錄數(shù)據(jù)見習題表8-1。1)用一階加純時延近似該過程的傳遞函數(shù)，求K0T00的值。2)用動態(tài)響應曲線法整定控制器的PI參

57、數(shù)(取 1,0.75)。t/min00.20.40.60.81.01.2y(t)200.1201.1204.0227.0251.0280.0302.523t/min1.41.6.1.82.02.22.42.6y(t)318.0329.5336.0339.0340.5341.0341.21）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出過程的階躍響應曲線。根據(jù)曲線確定過程特性參數(shù)。y（t）4Tk0 q uTo:拐點做切線，與穩(wěn)態(tài)值相交，切線在時間軸上的投影為時間常數(shù)Too0 A C2）根據(jù)響應曲線法查表確定控制器的PI參數(shù)。一，-“整定參數(shù) 控制后甭8TiTdPK0-0 100 % To一一PI1.1 K0 100 % T

58、03.3 0一PIDK0 0 0.850-0 100%T02 00.5 0PI參數(shù)如下。Kc u比例度：1.1 0-0 100%積分時間：I 3.3用第九章串級控制系統(tǒng)9-1什么是串級控制？串級控制系統(tǒng)是如何構(gòu)成的？試舉例說明它的工作過程。,這些控制器被一個接一個串級控制系統(tǒng)：具有多個控制器和一個執(zhí)行機構(gòu)（控制閥）24地串聯(lián)起來，前一個控制器的輸出就是后一個控制器的設(shè)定值，其執(zhí)行機構(gòu)由最后一個控制器控制，把這樣的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。例如：加熱爐爐膛溫度-原料出口溫度串級控制系統(tǒng)。其工作過程分析如下。當燃料側(cè)擾動作用于系統(tǒng)時，首先使爐膛溫度T2發(fā)生變化，原料出口溫度 T1還沒有變化，此時主控制

59、器 TiC輸出不變，爐膛溫度測量值 T2T發(fā)生變化，按定值控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié) 過程，副回路控制器 T2c改變控制閥的開度，使爐膛溫度測量值T2穩(wěn)定。與此同時，爐膛溫度的變化也會引起管壁溫度的變化，進而影響原料出口溫度Ti的變化，使主控制器 TiC的輸出發(fā)生變化，由于主控制器TiC的輸出直接是副控制器 T2c的給定，因此，副控制器T2c的給定和測量值 T2T同時變化，進一步加速了控制系統(tǒng)克服燃料側(cè)擾動的調(diào)節(jié)過程，使主控制量即原料出口溫度 Ti恢復到設(shè)定值Tiro由于內(nèi)回路的容量滯后小，所以控制作用來 得很快，甚至于 T2的變化尚未導致原料出口溫度Ti有明顯變化之前就已經(jīng)被克服。當負荷側(cè)擾動作用于系統(tǒng)

60、時，主控制器通過外回路及時調(diào)節(jié)副控制器的設(shè)定，使爐膛溫度T2變化，而副控制器 T2c 一方面接受主控制器的輸出信號，同時根據(jù)爐膛溫度測量值的 變化進行調(diào)節(jié)，使爐膛溫度 T2跟蹤設(shè)定值變化，并能根據(jù)原料溫度及時調(diào)整，最終使原料 出口溫度Ti迅速恢復到設(shè)定值 Tiro當燃料側(cè)擾動和負荷側(cè)擾動同時作用于系統(tǒng)時，分析方法與此類似。9-2試分析串級控制系統(tǒng)的基本組成。二次干擾一次干擾串級控制系統(tǒng)由兩個或兩個以上控制器串聯(lián)而成，還有相應數(shù)量的檢測變送器和一個執(zhí)行器。一個控制器的輸出是另一個控制器的設(shè)定。9-3與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有哪些主要特點？串級控制系統(tǒng)的四大特點：254)等效時間常數(shù)減小5)