过程控制与自动化仪表(第3版) 第1章 思考题与习题.pdf

第第 1 章章 思考题与习题思考题与习题 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 控制器执行器 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 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 第 1 章 绪 论 2 图 1 2 加热炉过程控制系统流程 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 1 y 与最终稳态值 y 之比的百分数 1 100 y 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 第 1 章 绪 论 3 调节时间 s t 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 p t 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 p t 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 第 1 章 绪 论 4 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 被控过程 执行器测量变送 被控过程 执行器 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 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 第 1 章 绪 论 5 1 Q 2 Q 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 控制器LC调节阀 测量变送LT 2 Q t 1 Q t r t e t u 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 第 1 章 绪 论 6 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 81 设定值 r 80 B1 85 81 4 B2 82 81 1 稳态误差 e r y 80 81 1 衰减比 1 2 4 4 1 1 B n B 最大超调量 8581 100 100 4 938 81 p y ty y 过渡过程时间 ts 大概在 18min 左右 2 虽然该系统最大超调满足要求 然而在规定操作温度为 80 而最后趋于稳定的 值却为 81 因此不满足工艺要求 4 图 1 9 所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图 试画出该控制系统框图 并 说明其被控过程 被控参数 控制参数和干扰参数各是什么 图 1 9 锅炉汽泡水位控制流程图 答 1 控制系统框图如图 1 10 所示 图 1 10 锅炉汽泡水位控制框图 第 1 章 绪 论 7 2 被控过程