控制技术应用

第一章控制系统的基本概念什么叫生产过程自动化？生产过程自动化具啊主要包含哪些内容？答：（1）生产过程自动化是利用自动化装置管理生产过程的方法。（2）自动检测系统，信号连锁系统，自动操作系统和自动控制系统。自动控制系统主要是由哪几个环节组成的？自动控制系统中常用的术语是哪些？答：（1）自动控制系统主要由被控对象，测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。（2）常用术语：被控变量y，给定值七，测量值七，操纵变量m，干扰f，偏差信号e，控制信号u。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：（1）自动控制系统的方框图是系统中每个元件的功能和信号刘翔的图解表示。它用来表示控制系统的组成和作用，能够清楚地表示出空控制系统中各个部分之间的相互影响和信息联系。（2）它与工艺流程的区别在于工艺流程图表示系统物料流向的构成方式。在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？答：（1）干扰作用是指操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用（2）控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号，这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变量，克服干扰作用。（3）两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。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：（1）闭环控制是控制系统的输出信号的改变会返回影响操作变量的控制方式。（2）开环控制系统的输出信号不回影响操纵变量的控制方式。（3）定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统，定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量使出书信号增大，可见定值控制系统满足闭环负反馈系统的要求。在图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入信号个输出信号是什么？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（例如冷物料流量突然增大七）时，该系统是如何实现自动控制的？答：（1）？（2）整个系统的输入信号是热物料设定温度，输出信号是热物料实际温度（3）系统遇到干扰作用后，被控变量热物料温度T发生变化，温度测量变送器TT测量h信号Thm与T比较后得到偏差信号e，e送人温度调节器T得到控制信号，控制阀门开度，调节蒸汽量。作用于被控过程，调节热物料的温度，使其保持在给定值附近。图示为贮槽液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值。（1）试画出系统的方框图（2）指出该系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用是什么？答：（1）？（2）被控对象：贮液槽被控变量：液位h操纵变量：调节阀控制的液体流量q干扰作用：q的变化v2v1什么是自动控制系统的过度过程，在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能？为什么？答：（1）对于任何一个自动控制系统，从被控对象受到干扰作用是被控变量偏离给定时起，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值随近范围内的过程叫系统的过度过程。（2）过度过程中组控变量的变化情况与干扰的形式有关，在阶跃扰动作用下，其过度过程曲线有以下几种形式。a发散振荡过程b非振荡发散过渡c等幅振荡过程d衰减振荡过程e非振荡衰减过程（3）在上述五中过度形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求，但由于衰减过程中被控变量达到新的稳定值的过程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离给定值，所以一般不采用，只有当生产工艺不允许被控变量振荡时考虑采用这种形式的过渡过程。等幅振荡过程，非振荡发散过程和发散振荡过程受到阶跃干扰后不能稳定下来，不符合自动控制的要求。10.表示衰减的振荡过程的控制指标有哪些？答;衰减振荡过程的控制指标主要有：最大偏差A，衰减比门，回复时间七余差e（8），振荡周期T。最大偏差A：是指过度过程中被控变量偏离设定值的最大数值，最大偏差描述了被控变量偏离设定值的程度，最大偏差愈大被控变量偏离设定值就越远，这对工艺条件要求较高的生产过程是十分不利的。衰减比门：是指过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，对于衰减振荡而言门总是大于1的。若门接近与1控制系统的过渡过程曲线接近等幅振荡过程，若门小于1，则为发散振荡过程，根据实际操作经验，通常取门=4到10为宜。回复时间t^:是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，及整个过渡过程所经历的时间。在实际应用中，规定为只要被控变量进入新稳定值的土5o0的范围内且不再越出是为止所经历的时间，回复时间短，说明系统回复稳定快，即使干扰频繁出现，系统也能适应。一般希望回复时间越短越好。余差e（8）:是指过渡过程终了时，被控变量新的稳定值月设定值只差，余差是一个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，一般希望它为0或在在一预定的允许范围内。振荡周期T：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称为振荡周期，取倒数称为振荡频率，在相同的衰减比条件下，振荡周期与回复时间成正比，一般希望振荡周期短些好。第二章过程装备控制基础4.在控制系统中，对象的放大系统，时间常数，滞后时间对控制有什么影响。答：（1）对象的放大系数对控制的影响对控制通道而言，吐过放大系数K值大，则即使调节器的输出变化不打，对被控对象的影响也会很大，控制很灵敏；反之，即使干扰幅度很大，也不会对被控变量产生很大的影响，若K很大，则当干扰幅度较大而又频繁出现时，系统就很难稳定(2)时间常数岁控制的影响对于控制通道，若时间常数T大，则被控变量的变化比较缓和，一般来讲，这种对象比较稳定，容易控制，但缺点是控制过于缓慢；若时间常数T小，则被控变量的变化速度快，不易控制，对于干扰通道，时间常数大则有明显的好处，此时阶跃干扰系统的影响会变得比较缓和，被控变量的变化平稳，对象容易控制滞后时间对控制的影响对于控制通道，滞后的存在不利于控制，会使控制不够及时，在干扰出现后不能迅速调节，严重影响质量，对于干扰通道，纯滞后只是推迟了干扰作用的时间，因此对控制质量没有影响，因而对控制系统是有利的。5试从图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。答：放大系数：k=△*./吨'v1时间常数：在反应曲线上找到输出量变化至终值63.200时的左边点，它所对应的时刻与输出量开始变化时的时刻I之差就是时间常数。0滞后时间T=0什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答:调节器的调节规律是指调节器的输出信号随输入信号的规律，调节器的基本控制规律有：位式调节规律，比例调节规律，积分调节规律，微分调节规律。什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制？他们什么特点？答：(1)双位控制是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置。双位控制结构简单，成本较低，使用方便，对配用的调节阀无任何特殊要求，一般有上下限发信装置的检测仪表，缺点是呗控制变量总在波动，控制质量不高，但当被控对象纯滞后较大时，被控制变量波动幅度较大不宜在对控制要求较高的场合。(2)比例控制是指调节器输出变化量△"(t)与输入变化量e(t)成比例关系，比例控制系统能较为迅速地克服干扰的影响，使系统很快地稳定下来，比例控制的优点是反应快，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。积分控制是指调节器输出信号的变化量△"(t)与输入偏差的积分成正比，积分控制能够消除余差，但纯积分控制的输出变化总要滞后偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，结果使被控变量的波动加剧，使系统难以稳定下来。微分控制是指调节器输出信号的变化量△"(t)与输入偏差的变化速度成正比，微分控制的特点是偶一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增强稳定性(但微分作用不宜过强)什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差而积分控制能消除余差？答：余差是指过渡终了时，被控变量新的稳定值与设定值之差，艮e(8)=J3)-七，对于单纯的比例控制Au(t)=%.e(t)，则要使调节器有输出，就必须要有余差存在，故单纯的比例控制必须有余差存在，而积分调节器Au(t)=Kj'e(t)dt，只有在余差等于空的情况下，e(t)=0,积分调节器的输出信号才能为零，因此积分控制能消除余差。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？并分别说明那个他们对控制质量的影响。答：比例，积分，微分控制分别用比例度8，积分时间T，微分时间孔来表示其对控制质量的影响。（1）比例度8对控制质量影响比例度8越大，表示比例控制作用越弱；减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应地减少余差，使系统的静态准确度提高。（2）积分时间T对控制质量的影响积分时间的减小，会使系统的稳定性下降。动态性能1变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态的准确度。（3）微分时间孔对控制质量的影响增加微分时间孔能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分时间不能过大，否则有可能引起系统的高频振荡。什么是前馈控制系统？应用在什么场合？答：按扰动变化大小进行控制的系统称他为前馈控制系统场合：（1）干扰副值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（2）主要干扰是可测不可控的变量（3）对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。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合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统，通常为流量比值控制系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系，它有两种类型：定比值控制系统和变比值控制系统，其中定比值控制系统有三类：开环控制系统，单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。选择性控制系统的特点是什么？应用在什么场合？答：一般地说，凡是在控制系统回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统，主要应用在非生产过程的保护性措施中。第三章过程检测技术用热电阻检测温度时，当测点与仪表间的距离较远时，应如何避免引线电阻夹带的误差？答：连接导线误差：热电阻与显示仪表间必须用连接导线（包括热电阻的引线），连续导电阻变化将直接改变显示仪表示值而产生误差，这种误差可通过规定连接导线电阻值和采用三线制或四线制的连接方式来消除。标准节流装置有哪几部分组成，对各部分有哪些要求？节流装置包括节流件，取压装置和符合要求的前，后直管段。标准节流装置是指节流件和取压装置都标准化，节流件前后的测量管道也符合有关规定，它是通过大量实验总结出来的，装置一经设计和加工完毕便可直接投入使用，无需进行单独标定，这意味着，在标准节流装置的设计，加工安装，和使用中必须严格按照规定的技术要求，规定和数据进行，以保证流量测量的精度。对各部分的要求参照国家标准G372624-93。是比较节流装置与转子流量计在工作原理与使用特点上的异同点。答：转子流量几和节流装置都是利用管道面积变化从而产生压差的原理来测量流量的，但转子流量计是一句定压降变节流面积来测量流量的，而节流装置则是依据恒节流面积，变压降来测量流量的。节流装置的特点是：结构简单，无可动不见；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，使用于各种工况下的单相流体，使用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计;装置标准化。其主要缺点是：安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为3：1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难（D<50mm），精确度不够高（±1%-20。）其输出是非线性等。转子流量计结构简单，有可动部件；使用测量小管径，较低雷诺数的中子流量；基本误差约仪表两成的土2。0；量程比可达10：1，压力损失小；其进出口要保证大于（或等于）5D（D为管道直径）的直管径，对直管段长度要求不高，一般采用法兰连接；结构形式是非标准化的，在使用时应垂直安装，不允许有倾斜，被测介质的流向一定要自下而上，转子流量计中流量检测的输出接近为线性。转子流量计和节流装置的测量精度是受被测介质密度，粘度，压力，纯净度，安装质量的影响。25.从电磁流量计的基本额原理分析其结构特点，输出信号方法和使用要求。答：电磁流量计是由变送器和转换器两部分组成，变送器包括磁路部分，电极，外壳和引线等，转换器的作用是将变送器输出的电压信号转换为0到10mA的电流信号。电磁流量计的基本原理是：当有导电的流体通过磁极之间的管道时，流体相当于是一个长度为管道内径的导体在切割磁力线，这时就会产生电动势E，根据恒定磁场的理论，得E=BdV，根据流量q=：d2v得q二Ed当使用交流励磁时，磁场以频率f随时间变化，因此v4v4BE=兰qsin2功=kqv。q与E线性关系，测量E就可以求的流量的大小。用它可以测ndvv量导电导致液体的流量，它不受流体压力，温度，黏性，密度，电导率等的影响，测量范围比较宽，可测量两个不同方向的流量，可测含杂质的液体，同时还可以用于强酸，强碱及盐类等腐蚀性液体，此外它受流动状态的影响小，测量电没有压降，不会对流动造成损失。第四章过程控制装置单杠杆式气动压差变送器是由哪些部分组成的？各部分有何作用？是说明其工作原理。答;单干杆式气动压差变送器由输入转换部分，杠杆系统，放大部分，反馈部分喷嘴一挡板机构及组成，各部分的作用如下：输入转换部分——将被测压差△《转换成作用于主杠杆的输入力F；杠杆系统——利用力矩平衡确定输出信号P放大部分——将气压信号放大为20至到100KPa的输出压力P0反馈部分——将变送器输出信号P转换成反馈力0喷嘴一挡板机构一一把输入的位移信号变换成相应的气压信号输出工作原理：将被测压差△《可i用输入转换部分转换成作用于主杠杆下端的输入力F，从而对杠杆交点产生反馈力「及力矩Mf，从而决定主杠杆运动状况，当两者相等时，主杠杆

处于平衡状态；不相等时。使杠杆系统产生偏差，从而使挡板发生微小位移s,其变化量再通过放大量转换并放大为20到100KPa的输出压力，即变送器的输出信号。什么是气阻？什么是气容？它们在气路中各起什么作用？答：气体流过节流元件时，会受到一定的阻力，这种节流元件叫做气阻，它在气路中起降压和限流的作用，凡是在气路中能储存或释放出气体的气室称为气容；它在气路中起缓冲，防止振荡的作用。16,有一电动比例调节器，其输出电流范围为4到20mA，输出电压范围为1到5V，试计算当比例度规定在400；时，输入电流变化4mA所引起的输出电压。4(2x1000•-=——=400‘，则ku=2.5v。即引起的输出电0Au0)(5-1)△e答：由&=~maxmin-Au4(2x1000•-=——=400‘，则ku=2.5v。即引起的输出电0Au0)(5-1)气动执行器主要由哪些部分组成的？各部分作用是什么？答：气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成，执行结构是执行器的推动装置，它按调节器输出电压信号（20到100pa）的大小相应的推力，使执行机构推杆产生相应位移，推动调节机构动作，调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被控介质接触，调节流体的流量。试分析说明调节阀的流量特性，理想流量特性及工作流量特性。答：调节阀的流量特性是指被调节介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，表示为：Wi=f（；）；调节阀的理想流量特性是指在调节阀前后压差一定情况下的流量特qLmax性，调节阀的工作流量特性是指在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路或与旁通阀并联导致阀前后的压差总变化，此时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。试分析电——气转换器的工作原理。答：电器转换器按力矩平衡原理工作，当0到10ma或4到20ma直流电流信号输入置于恒定磁场里的测量线圈中时，所产生的磁通与磁钢在空气隙中的磁通相互作用而产生一个向上的电器力（即测量力）。由于线圈固定在杠杆上，使杠杆绕在十字簧片偏转，于是装在杠杆另一端的挡板靠近喷嘴，使其背压升高，经过放大器功率放大后，一方面输出，一方面反馈到正，反波段纹管，建立起与测量力矩相平衡的反馈力矩，因而输出气压信号（0.02到0.1mpa）就与线圈电流信号成——对应关系。第五章计算机控制系统计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分有什么作用？答:计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成的。工业对象即被控对象。工业控制急速啊哈级主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括计算机主机，外部设备，外围设备，工业自动化仪表和操作结合从而实现工业对象的控制作用，其中主机的作用是根据过程输入通道发送来的反映生产过程工况的各种信息和已确定的控制规律，做出相应的控制决策，并通过过程输出通道发出控制命令，达到预定的控制目的；外围设备是在做机和生产过程之间引起信息传递和变换作用的装置，外部设备，是操作员和系统之间的信息交换工具；软件是用来实现控制方案和控制规律的。计算机孔子系统与常规的模拟控制系统相比，有哪些相同和不同点？答：相同点：1.两者的基本结构相同，都是由被控对象，测量元件和变送器，执行器和控制器等组成.2.调节原理和调节过程也是相同的，都是基于检测偏差，纠正偏差的控制原理。在系统的对象，执行元件，检测元件等环节内部的运动规律也是相同的。不同点：1.在算计控制系统中，使用数字控制器代替了模拟控制器，以及为了数字控制器与其它模拟量环节的衔接增加了模拟转换元件和数模转换元件，它的给定值也是以数字量形式输入计算机，而不再是有一个给定线路产生一个连续电信号，在通过硬件连接到比较电路，2.在计算机控制系统中，控制器对控制对象的参数，状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟调节控制系统则是连续的。计算机控制系统按照控制目的不同一般分为那学类型？各有什么特点？答：数据采集和数据处理系统，直接数字控制系统DDC，监督控制系统SCC，分级计算机控制系统，集散型控制系统DCS。（1）数据采集和数据处理系统：对大量的过程状态参数实现巡回检测，数据存储记录，数据处理（计算，统计，整理），进行实时数据分析以及数据越限报警等功能，属于过程控制的低级阶段。（2）直接数字控制系统DDC：分时的对被控对象的状态参数进行检测时，并根据测试的结果与给定值的差值，按照预先预定的控制算法进行数学分析，这算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，是各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。⑶监督控制系统SCC：指计算机根据生产过程的信息（测量值）和其他信息（给定值按照描述生产过程的数学模型，去自动改变（也称重新设定）模拟调节器或DDCI业控制机的给定值，从而使生产过程处于