过程控制系统与仪表-习题答案-王再英

1、过程把握系统与仪表第 1章思考题与习题11过程把握有哪些主要特点?为什么说过程把握多属慢过程参数把握？解答：12. 34定值把握是过5过程把握系统由规范化的过程检测把握仪表组成12什么是过程把握系统？典型过程把握系统由哪几部分组成？过程把握系统：一般是指工业生产过程中自动把握系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统.11。14说明过程把握系统的分类方法，通常过程把握系统可分为哪几类？分类方法说明:按所把握的参数来分，有温度把握系统、压力把握系统、流量把握系统等；按把握系统所处理的信号方式来分,有模拟把握系统与数字把握系统；按把握器类型来分，有常规仪表把握系统与计算机把握系统

2、；按把握 系统的结构和所完成的功能来分，有串级把握系统、均匀把握系统、自适应把握系统等；按其动作规律来分，有比例（P）把握、比例积分（PI）把握，比例、积分、微分（PID)把握系统等;按把握系统组成回路的状况来 通常分类：按设定值的形式不同划分：（1）定值把握系统（2)随动把握系统（3）程序把握系统按系统的结构特点分类：(1)反馈把握系统(2）前馈把握系统（3）前馈反馈复合把握系统 PAGE PAGE 1915什么是定值把握系统？在定值把握系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。1-6什么是被控对象的静态特性?什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系? 被控对象的静态

3、特性:稳态时把握过程被控参数与把握变量之间的关系称为静态特性。被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与把握变量之间的关系即为把握过程的动态特性。二者之间的关系：1-7试说明定值把握系统稳态与动态的含义.为什么在分析过程把握系统得性能时更关注其动态特性？稳态：对于定值把握,当把握系统输入（设定值和扰动)不变时,整个系统若能达到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作,它们的输出信号都处于相对静止状态,这种状态称为稳态（或静态）。动态：从外部扰动消灭、平衡状态遭到破坏、自动把握装置开头动作，到整个系统又建立新的稳态（达到新的平衡）、调整过程结束的这一段时间,整个系统各个环节的状态和参数都

4、处于变化的过程之中，这种状态称为动态。在实际的生产过程中，被控过程经常受到各种振动的影响，不行能始终工作在稳态。只有将把握系统争辩与分析的重点放在各个环节的动态特性,才能设计出良好的把握系统。18评价把握系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么?解答：单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调整时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；过渡过程的最大动态偏差:对于定值把握系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A；超调量:第一个波峰值与最终稳态值y（）之比的百分数；残余偏差C,y(）C 称为残余偏差,简称残差;调整时间：从过渡过程开头到

5、过渡过程结束所需的时间；振荡频率：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；峰值时间：过渡过程开头至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。110 900,80。现设计的温度定值把握系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图14 所示.试求该系统过渡过程的单项性能指标：最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求?解答:错误!最大动态偏差A：错误!衰减比n：错误!振荡周期T：80, n1衰减振荡),所以系统满足工艺要求.第 2章思考题与习题2-30 级.试问此压力表允许的最大确定误差是多少？若5MPa 时,5.08MPa,试问被校压力表在

6、这一点1 级精度,为什么?解答：1）基本误差=最大确定误差max0。01100.1MPa2）5 MPa 时的基本误差：0。8%1,1.0 级表。2-5有两块直流电流表,它们的精度和量程分别为1）1。0 级，0250mA2）2.5 级，075mA50mA 的直流电流,从精确性、经济性考虑哪块表更合适？解答:分析它们的最大误差：1）max25012.5mA；2）max752。51。875mA；2。5 级，075mA 的表。2-11DDZ-2001000420mA10mA 时，对应的被测温度是多少？解答：；T=500。212试简述弹簧管压力计的工作原理.1.20.05MPa，可选用的弹簧管压力计1。

7、0、1.5、2。0、2。5 4.0 01.6MPa、02。5MPa 04MPa。请说明选用何种精度和量程（见附录E）的弹簧管压力计最合适？解答：工作原理：:1。20.5MPa，即允许的最大确定误差max0.05错误!分析选用不同量程的表所需的精度等级：01。6 MPa 量程：,2.5 级表;02。5MPa 量程:1.5 2。0 级表；04.0MPa 量程:,1。0 级表.错误!量程选择:被测最大压力1/32/3 量程上限01。6MPa 量程：02。5MPa 量程：04。0MPa 量程:1.5 2。0 级,02。5 MPa 量程的表最合适。3假如某反应器最大压力为，1 级的压力表来进行测量，问能

8、否符合工艺要求？若接受一台测量范围为01.0MPa，精度为1 级的压力表，能符合要求吗？试说明其理由。工艺要求:1。0MPa0。01MPa.分别求出两台仪表的最大允许误差，进行推断。1 01。6MPa 的表，其最大确定误差：11。610。016MPa0.01MPa11 01。0MPa 的表，其最大确定误差：1.010。01MPa，0.01MPa 2/3仪表量程，否则压力波动会使测量值超出仪表量程。所以,该表也不符合要求。2-141.01.6MPa，工艺要求就地观看罐内压力，并要测量结果的误差不得大于罐内压力的5。试选择一块合适的压力表（类型、测量范围、精度等级)，并说明其理由。依据题意知:1。

9、01。6MPa，允许最大误差：1.6(5）0.08MPamax量程确定：2/3 1。6 MPa2/32。4 MPa02.5MPa 的弹簧压力表。精度等级确定：求出基本误差，以确定满足要求的精度等级。,2。5 级.02.5 MPa2。5 级的弹簧压力表。该表的最大确定误差：2。5（2。5）0。0625MPa，0。08 MPa所以满足要求。217什么叫标准节流装置?量有影响？标准节流装置:包括节流件和取压装置。原理:基于液体流淌的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。3)影响因素:P47错误!流量系数的大小与节流装置的形式、孔口对管道的面积比m 及取压方式亲密相关；错误!流

10、量系数的大小与管壁的粗糙度、孔板边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩性相关；错误!流量系数的大小与流体流淌状态有关。219 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? 计转子流量计是定压式流量计（P47）虽然转子流量计也是依据节流原理测量流量的，但它是利用节流元件转变流体的流通面积来保持转子上下的压差恒定.所以是定压式。差压式流量计是变压降式流量计（P45）是基于流体流淌的节流原理，利用流体流经节流装置是产生的压差实现流量测量的。所以是变压降.2-21椭圆齿轮番量计的特点是什么?对被测介质有什么要求？特点：流量测量与流体的流淌状态无关，这是由于椭圆齿轮番量计是依靠被测介质

11、的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。粘度愈大的介质,从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此核测介质的粘皮愈大，泄漏误差愈小,对测量愈有利。椭圆齿轮番量计计量精度高，适用于高粘度介质流量的测量. 2）对被测介质的要求：不适用于含有固体颗粒的流体（)。假如被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。2-22电磁流量计的工作原理是什么?它对被测介质有什么要求？原理：利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。2-24超声波流量计的特点是什么？超声波流量计的非接触式测量方式，不会影响被测流体的流淌状况，被测流体也不会对流量计造成磨损或腐蚀损害，因此适用范围宽敞.用法兰式差压变送

12、器测液位的优点是什么？测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体的液位，在膜盒、毛细管和测量室所组成的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.可节省隔离罐。试述电容式物位计的工作原理。解答：利用电容器的极板之间介质变化时，电容量也相应变化的原理测物位，可测量液位、料位和两种不同液体的分界面.228超声波液位计适用于什么场合?适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体的测量。第 3 章 习题与思考题什么是把握器的把握规律？把握器有哪些基本把握规律?1）把握规律：是指把握器的输出信号与输入偏差信号之间的关系.基本把握规律：位式把握、比例把握、比例积分把握、

13、比例微分把握和比例积分微分把握.双位把握规律是怎样的?有何优缺点？双位把握的输出规律是依据输入偏差的正负，把握器的输出为最大或最小。缺点：在位式把握模式下,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。这是由于双位把握器只有两个特定的输出值，相应的把握阀也只有两个极限位置，总是过量调整所致。优点:偏差在中间区内时，把握机构不动作，可以降低把握机构开关的频繁程度，延长把握器中运动部件的使用寿命。比例把握为什么会产生余差？产生余差的缘由:比例把握器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系：,即其输出要有变化量，而对于比例把握来讲，只有在偏差不为零时,把握器的输出变化量才不为零,这说明

14、比例把握会永久存在余差.34试写出积分把握规律的数学表达式。为什么积分把握能消退余差？1）积分把握作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分: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。因而积分把握器组成把握系统可以到达无余差。3-5什么是积分时间?试述积分时间对把握过程的影响。1）积分时间是把握器消退偏差的调整时间，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.iii2） 在实际的把握器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上,T=1K .明显，T 越小,iii36某比例积分把握器

15、输入、输出范围均为420mA，若将比例度设为100%、积分时间设为2min、稳态5mA,0。2mA5min 后,5mA 变化为多少?由比例积分公式：分析：依题意：，即Kp =1， TI= 2min ,e0.2；稳态时：y05mA，5min 后：比例把握器的比例度对把握过程有什么影响？调整比例度时要留意什么问题？把握器的比例度P,P实现。一表的量程是有限的，超出这个量程的比例输出是不行能的。），避开把握器处于饱和状态。38抱负微分把握规律的数学表达式是什么?为什么常用实际为分把握规律？1)2）,一般加以惯性延迟，3-7 所示，称为实际微分。39试写出比例、积分、微分（PID）三作用把握规律的数学

16、表达式。解答：3-10试分析比例、积分、微分把握规律各自的特点，积分和微分为什么不单独使用？比例把握准时、反应灵敏，偏差越大，把握力越强；但结果存在余差。积分把握可以达到无余差；但动作缓慢,把握不准时,不单独使用。3)微分把握能起到超前调整作用；但输入偏差不变时，把握作用消逝,不单独使用。DDZ型把握器的软手动和硬手动有什么区分？各用在什么条件下？0I0与手动操作的输入信号成积分关系；I硬手动操作是指调整器的输出电流 与手动操作的输入信号成比例关系。I02）软手动操作：系统投运硬手动操作:系统故障DDZ-PID 电路时实行了哪些措施？调整器进行状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲击。M

17、C 、C。P85M314PID P、积分时间常数、微分时间常数分别具有什么含义?在调整器动作过程中分别产生什么影响？若将取0，分别代表调整器处于什么状态？比例度P 含义：使把握器的输出变化满量程时（也就是把握阀从全关到全开或相反变化占仪表输入量程的百分比。比例作用的强弱取决于比例度的大小。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,则积分作用消逝。微分时间常数含义:0，微分作用消逝。3-15什么是调整器的正/反作用？在电路中是如何实现的？正作用：偏差=测量值给定值;反作用：偏差=给定值-测量值。运放输入端的切换开关实现的。316调整器的输入电路为什么要实行差动输入方式？输出

18、电路是怎样将输出电压转换成420mA 电流的？1)接受差动输入方式,可以消退公共地线上的电压降带来的误差.2）P83 下的输出电路.3-18PID PID 算法?解答:1）P91 式（318）2）改进的算法：第 4章思考题与习题41气动调整阀主要由哪两部分组成？各起什么作用？执行机构和调整机构。执行机构的作用：按调整器输出的把握信号，驱动调整机构动作；调整机构的作用:由阀芯在阀体内的移动,转变阀芯与阀座之间的流通面积，从而转变被控介质的流量。42试问调整阀的结构有哪些主要类型？各使用在什么场合？类型：直通单座阀、直通双座阀。直通单座阀使用场合：小口径、低压差的场合；直通双座阀使用场合：大口径、

19、大压差的场合。什么叫调整阀的抱负流量特性和工作流量特性？常用的调整阀抱负流量特性有哪些?工作流量特性：在实际的工艺装置上，调整阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为工作流量特性。常用抱负流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、快开特性什么叫调整阀的可调范围?在串联管道中可调范围为什么会变化?可调范围:反映调整阀可把握的流量范围，用RQ指标就越好。由于串联管道阻力的影响。之比表示.R 越大，调整流量的范围越宽,性能47什么是串联管道中的阀阻比？值的变化为什么会使抱负流量特性发生畸变？阀阻比:用阀阻比表示存在管道阻力的状况下，阀门全开时

20、，阀门前后的最小压差占总压力po 的比值.在S1 随着S 值的减小，直线特性渐渐区于快开特性，等百分比特性渐渐趋近于直线特性。48什么叫气动调整阀的气开式与气关式？其选择原则是什么？气开式：无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀门渐渐开大的气动调整阀为气开式。气关式：无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大，阀门渐渐关小的气动调整阀为气关式。选择原则:从工艺生产平安考虑,一旦把握系统发生故障、信号中断时，调整阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的平安。4-9424 所示的蒸气加热器对物料进行加热。为保证把握系统发生故障时，加热器的耐热材料不被烧坏，试确定蒸气管道上调整阀的气开、气关形式。气

21、开式调整阀。试述电/气转换器的用途与工作原理。20100kPa 的标准气压信号。2）原理：在杠杆的最左端安装了一个线圈，该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动，由电动调整器送来得电流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，并带动安杠杆上的挡板靠近喷嘴，转变喷嘴和挡板之间的间隙。喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本的变换和放大环节，能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换为气压信号.20l00kPa p 去推动阀门.试述电/气阀门定位器的基本原理与工作过程。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，力线圈产生的磁场与永久磁铁相作用，使杠杆绕支点O

22、顺时针转动，带动挡板靠近喷嘴，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 电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所?平安火花是什么意思？必需是实行平安防爆措施的仪表,就是限制和隔离仪表电路产生火花的能量.使其不会给现场带来危急。平安火花：电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下416 齐纳式平安栅的基本结构是什么？它是怎样限压、限流的?解答：1）419 所示.2）利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压，用电阻进行限流.第 5章思考题与习题什么是被控过程的数学模型？被控过程的数学模型是描述被控过程在输入(把握输入与扰动输入)作用下,

23、其状态和输出(被控参数)变化的数学表达式.建立被控过程数学模型的目的是什么？过程把握对数学模型有什么要求?目的：错误!设计过程把握系统及整定把握参数；错误!指导生产工艺及其设备的设计与操作；，3 对被控过程进行仿真争辩;错误!培训运行操作人员;5.要求:总的原则一是尽量简洁，二是正确牢靠.阶次一般不高于三阶，大量接受具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式.53建立被控过程数学模型的方法有哪些？各有什么要求和局限性？方法：机理法和测试法。机理法：测试法:什么是流入量？什么是流出量?它们与把握系统的输入、输出信号有什么区分与联系？流入量：把被控过程看作一个独立的隔离体，从外部流入

24、被控过程的物质或能量流量称为流入量。流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。区分与联系：把握系统的输入量：把握变量和扰动变量.把握系统的输出变量:系统的被控参数。55机理法建模一般适用于什么场合？对被控过程的工作机理格外生疏，被控参数与把握变量的变化都与物质和能量的流淌与转换有亲密关.5-6什么是自衡特性？具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点?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的状况下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。2）被控过程输出对扰动存在负反馈。什么是单容过程和多容过程？单容：只有一个储蓄容量。多容：有一个以上储蓄容量.什么是过程的滞后特性？滞后又哪几种

25、?产生的缘由是什么？滞后特性:过程对于扰动的响应在时间上的滞后。容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后。纯滞后：在生产过程中还经常遇到由（物料、能量、信号）传输延迟引起的纯滞后。595-40 所示的液位过程,输入量为,流出量为、，液位为被控参数,水箱截面为,并设、为线性液阻。列写液位过程的微分方程组；画出液位过程的框图；求出传递函数，并写出放大倍数和时间常数的表达式。解答：（1）（2)框图如图：（3)5105-10 串联双容液位过程的微分方程组，并求出传递函数。解答:方程组：传递函数：式中:何为测试法建模？它有什么特点？解答:1）是依据工业过程输入、输出的实测数据进行

26、某种数学处理后得到数学模型。2）,完全通过外部测试来描述它的特性.应用直接法测定阶跃响应曲线时应留意那些问题？（1)合理地选择阶跃输入信号的幅度（2）试验时被控过程应处于相对稳定的工况(3）要认真记录阶跃曲线的起始部分（4）多次测试,消退非线性第 6章思考题与习题6-1简洁把握系统由几个环节组成？测量变送器、调整器、调整阀、被控过程四个环节组成.6-2简述把握方案设计的基本要求.平安性、稳定性、经济性。简洁归纳把握系统设计的主要内容.解答：把握系统方案设计；工程设计；工程安装和仪表调校；调整器参数整定.64过程把握系统设计包括哪些步骤？（1）生疏和理解生产对把握系统的技术要求与性能指标(2）建

27、立被控过程的数学模型把握方案的确定把握设备选型试验（或仿真）验证选择被控参数应遵循哪些基本原则?什么是直接参数?什么是间接参数？两者有何关系？1）原则：必需依据工艺要求，深化分析、生产过程，找出对产品的产量和质量、生产平安、经济运行、环境爱护、节能降耗等具有打算性作用,能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数.2）直接参数：能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数间接参数：与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量,间接反映产品质量、生产过程的实际状况。4）两者关系：间接参数是直接参数的单值函数。选择把握变量时,为什么要分析被控过程的特性?为什么期望把握通道放大系数要大、时间常

28、数小、纯滞后时间越小越好？而干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大？解答：1）把握变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性亲密相关。2)K0 越大，系统的静态偏差越小,表明把握作用越灵敏，克服扰动的力量越强,把握效果越好。时间常数T0 小，被控参数对把握变量的反应灵敏、把握准时，从而获得良好的把握品质。0 的存在会使系统的稳定性降低。0 值越大，对系统的影响越大。 ,Tf 越大,f（t)y(t)的影响越小，系统的把握品质越好.67当被控过程存在多个时间常数时，为什么应尽量使时间常数错开？,减小过渡过程时间和最大偏差等，改善把握质量。68选择检测变送装置时要留意哪些问题？怎样克服或减小

29、纯滞后？解答：1）P1841、2、3、4合理选择检测点。6-9,调整阀的开度在什么范围比较合适？解答:1）调整阀口径选得过大，阀门调整灵敏度低，工作特性差,甚至会产生振荡或调整失灵的状况。调整阀口径选得过小，当系统受到较大的扰动时，调整阀工作在全开或全关的饱和状态,使系统临时处于失控工况，这对扰动偏差的消退不利。1585%之间。610选择调整阀气开、气关方式的首要原则是什么?解答：保证人身平安、系统与设备平安是调整阀开、关作用方式选择的首要原则。611调整器正、反作用方式的选择依据是什么?解答:确定原则是整个单回路构成负反馈系统。6-12 在蒸气锅炉运行过程中，必需满足汽水平衡关系,汽包水位是

30、一个格外主要的指标。当液位过低时, ,628 LC 正、反作用；画出该把握系统的框图。解答：1）调整阀：气关方式.2)调整器：正作用。框图：613629 所示的化工过程中，化学反应为吸热反应。为使化学反应持续进行，必需用热水通过加热套加热反应物料，以保证化学反应在规定的温度下进行。假如温度太低，不但会导致反映停止，还会使物料产生聚合凝固导致设备堵塞，为生产过程再次运行造成麻烦甚至损坏设备。为此设计如图629 所示的温度TC 正、反作用；画出该把握系统的框图.解答：1）调整阀:气开式。调整器：反作用.框图：6-14简述比例、积分、微分把握规律各自的特点。解答：1）比例把握：是最简洁的调整规律，它对把握作用和扰动作用的响应都很快速.比例调整只有一个参数，整定简便.比例调整的主要缺点是系统存在静差。,只能用于有自衡特性的简洁对象、很少单独使用.微分把握：超前调整。6-22630 所示热交换器，将进入其中的冷却物料加热到设定温度。工艺要求热物料温度的,而且不能发生过热状况,并确定调整阀的气开、气关方式,调整器的正反作用方式，以及调整器的调整规律。解答： 1）被控参数选择：热交换器出口温度。2）把握参数选择:载热介质流量。3)检测仪表选择:温度传感器与温度变送器。4）调整阀选择：1错误! 气开、气关方式选择：气开.5）调整器选择：错误! 调整规律选择:P