过程控制与自动化仪表第三版课后答案

第 1 章 思考题与习题 1 1．基本练习题．基本练习题 （1）简述过程控制的特点。 答： 1．控制对象复杂、控制要求多样 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的一种主要控制形式 5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 （2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。 答： 过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这 样一些变量的系统。 过程控制系统的一般性框图如图 1-1 所示： r(t)r(t) z(t)z(t) e(t)e(t)u(t)u(t) 控制器执行器 q(t)q(t) f(t)f(t) 被控过程被控过程 y(t)y(t) _ 检测变送装置 图 1-1 过程控制系统的一般性框图 （3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？ 答： 各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。 1）模拟仪表的信号：气动 0.02 ~0.1MPa；电动Ⅲ型：4~20mADC 或 1~5V DC。 2）数字式仪表的信号：无统一标准。 （4）试将图 1-2 加热炉控制系统流程图用方框图表示。 答： 加热炉控制系统流程图的方框图如图 1-3 所示： 烟气 引风机 热油入口 AC AT 热油出口 火嘴 TT PT TC PC 燃油 图 1-2 加热炉过程控制系统流程 干扰干扰2 2 给定值给定值 _ _ TCTC _ _ PCPC阀阀管道管道 燃油压力燃油压力 加热炉加热炉 干扰干扰1 1 热油出口温热油出口温 度度 PTPT TTTT 图 1-3 加热炉过程控制系统流程方框图 （5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？ 答： 1）单项性能指标主要有：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。 2）各自定义为： 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比 n； 超调量：第一个波峰值 y 1 与最终稳态值 y（）之比的百分数：  y1 100% y() 最大动态偏差 A：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度； 静差，也称残余偏差 C： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值 y（）与设定值之间的偏 差 C 称为残余偏差，简称残差； 调节时间ts：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5%（2%）范围内所需要的时间； 振荡频率 n：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒 数称为振荡频率； 上升时间t p ：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间； 峰值时间t p ：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。 （6）误差积分指标有什么缺点？怎样运用才较合理？ 答： 误差积分指标存在的缺点是不能保证控制系统具有合适的衰减率。因此，通常先确定衰减率，然后再 考虑使某种误差积分为最小。 （7）简述过程控制系统的设计步骤。 答： 过程控制系统设计的主要步骤： 1. 确定控制目标； 2．选择被控参数； 3. 选择控制量； 4. 确定控制方案； 5. 选择控制策略； 6. 选择执行器； 7. 设计报警和联锁保护系统； 8. 系统的工程设计； 9．系统投运、调试和整定调节器的参数。 （8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。 答： 过程控制系统按结构不同主要分为三类： 1. 反馈控制系统： 反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小 偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。 2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被 控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。 3. 前馈－反馈控制系统： 前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前 馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的 控制质量。 举例说明：在锅炉汽包水位控制系统中，将蒸汽流量作为前馈信号，汽包水位作为主被控参数，给水 流量作为副被控参数，构成了前馈-反馈串级控制系统。 （9）两个流量控制系统如图 1-4 所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。 图 1-4 两个流量控制回路示意图 答： 系统 1 是前馈控制系统，系统 2 是反馈控制系统。系统框图如图 1-5 如下： 测量变送执行器 被控过程 执行器 被控过程 测量变送 系统 1系统 2 图 1-5 两个流量控制回路方框图 （10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？ 答： 1）不是这样。 2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。 （11）构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？ 答： 1）是的。 2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计成安全火花型。 2 2．综合练习题．综合练习题 （1）简述图 1-6 所示系统的工作原理，画出控制系统的方框图并写明每一方框图的输入/输出变量名 称和所用仪表的名称。 LC Q 1 LT A Q 2 图 1-6 控制系统流程图 答： 1）图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀 组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调 节阀，从而调节 Q1（流量）来实现液位控制的作用。 2）框图如图 1-7 所示： r(t) u(t) Q 1 (t) e(t) 被控对象被控对象 控制器LC调节阀 _ A A 测量变送LT Q 2 (t) h 图 1-7 控制系统框图 3）控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差 e(t )、控制量 u(t )；执行器输入输出分别为：控制 量 u(t )、操作变量 Q1(t ) ；被控对象的输入输出为：操作变量 Q1(t ) 、扰动量 Q2(t ) ，被控量 h ；所用 仪表为：控制器（例如 PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。 （2）什么是仪表的信号制？通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号、控制室内部仪表之间 采用直流电压信号，这是为什么？ 答： 1）仪表的信号制是指在成套系列仪表中，各个仪表的输入/输出信号均采用某种统一的标准形式，使 各个仪表间的任意连接成为可能。 2）通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号：因为直流比交流干扰少、直流信号对负载的要 求简单，而且电流比电压更利于远传信息。 控制室内部仪表之间采用直流电压信号：因为任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的运 行，同时，各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。 （3）某化学反应过程规定操作温度为 80±5℃，最大超调量小于或等于 5％，要求设计的定值控制系 统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图 1-8 所示。要求： 1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间； 2）说明该系统是否满足工艺要求。 T C/ 85 82 81 80 05 1823t/min 图 1-8 设定值干扰的过渡过程曲线示意图 答： 1）由上图可得 y(