过程装备控制重点(删减版)

1、过程装备控制技术及应用习题及参考答案 第一章 控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统。2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。自动控制系统常用的术语有：被控变量y被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反

2、应温度；给定值（或设定值）ys对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值ym由检测原件得到的被控变量的实际值；操纵变量（或控制变量）m受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；干扰f引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e）被控变量的实际值与给定值之差，即e=ym - ys控制信号u控制器将偏差按一定规律计算得到的量。3.什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：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分

3、，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。4.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：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克

4、服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。5.什么是闭环控制？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：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递

5、关系上看，未构成闭合回路。定值控制系统要求给定值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反馈系统。6.在图1-11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。试画出该控制系统的方框图； 方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大 ）时，该系统如何实现自动控制的？TCTT冷物料蒸汽热物料答：如图所示为该控制系统的

6、方框图。TsT 干扰作用作用温度控制器执行器换热器温度测量变送装置该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值ys，干扰作用f，输出为热物料出口温度T，当冷物料流量增大 ，则出口温度y减小，TT检测后所得ym减小，偏差信号e=ym-ys<0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，（1）试画出该系统的方框图；（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？LTLCqv1qv2f（1）如图所示为该控制系统的方框图；贮槽hhs液位控制器 执行

7、器液位测量变送装置 -（2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：进水流量，大气温度等。8.什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：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的，系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态，即系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过度过程。在阶跃干扰作用下，其过度过程曲线有：发散振荡过程 等幅振荡过程 衰减振荡过程 非振荡的单调过程。 其中衰减振荡和非振荡

8、的单调过程属于稳定的过渡过程，能满足自动控制的要求，其它的不能。9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,n 时的过度过程曲线？答：如图所示：n，单调过程n<1，发散振荡n1，衰减振荡n=1，等幅振荡10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？答：表示衰减振荡过程的控制指标有： 最大偏差A指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。衰减比n过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。回复时间（过渡时间）ts指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。差e( )指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。振荡周

9、期T过渡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，其倒数称为振荡频率。第二章 过程装备控制基础qv1qv15.试从图2-58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。解：如图所示：k=THH()T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间，T=， 如图所示，不存在容量滞后， 6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID。7.什么是双位控制，比例控

10、制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？答：位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。最常见的是双位控制。，它们输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。积分控制（P）是指调节器的输出信号变化量 与输入信号变化量e(t)成比例关系： ， -比例放大系数，比例控制的伏点是反应快，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，即比例控制不能消除余差，因此

11、只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制。积分控制（I）：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比，即： 式中 -积分速度， -积分时间。积分规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。微分控制（D）-指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。即 。 -微分时间。微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性；由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。故也不单独使用。10比例、积分

12、、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控制质量的影响。答：比例比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。积分控制积分时间TI表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间TI的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。微分控制微分时间TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间TD越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间TD，能克

13、服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。13在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一个参数时,对调节器的控制作用有什么影响?答:在PID调节器中,比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较高的控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当 时，PID调节器成为积分微分调节器，当TI积分时间 时，PID调节器成为比例微分控制器，当TD 时，PID调节器成为PI即比例积分控制。15调节器控制规律选择的依据是什么？答：关于控制规律选取可归纳为以下几点：  简单控制系统适用于控制负荷变化较小

14、的被控变量，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选取用复杂的控制系统。  在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对控制通道时间常数较少，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例规律，如贮罐液位，不太重要的压力等参数控制。  当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。  当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用，如工艺充许消除余差，可选用比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用PID调节规律，如

15、温度，成分，PH等参数控制。  如果被控对象传递参数可用 近似，则可根据对象的可控比t/T选择哪个调节器的调节规律。当t/T 时，选用P或PI；当 时，选PD或PID；当 时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，这时应选用复杂控制系统。16设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？答：设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特征外，对于工艺过程，设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行行器，调节器以及调节器控制规律待，最后将调节器的参数整定到最佳值。1

16、9图2-59是聚合釜温度与流量的串级控制系统。说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？试述该系统是如何客观实现其控制作用？解：该系统的主对象：聚合釜 副对象：冷却水进口管路 主变量：聚合釜温度 副变量：冷却水流量 主调节器：温度调节器 副调节器：流量调节器T调节器流量调节器温度调节器聚合釜检测变送2（流量）检测变送1（温度）冷却水进口管路给定该控制系统的方框图：如图所示：冷却水流量若减小，首先由流量检测变送，经流量调节阀调整冷却水阀门开度，开度增加；同时由于流量减少使聚合釜由温度T升高。从而使温度稳定在工橄要求范围内。第三章 过程检测技术6.检定一只量程为5A的电流表，结果如

17、下：输入量/A12345示量/A1.101.983.014.085.02（1） 试求仪表各示值的绝对误差，实际相对误差，示值相对误差和引用误差。（2） 确定仪表的精度等级。解： 1-1.10 2-1.98 3-3.01 4.-4.08 5-5.02绝对误差： ；相对误差： ，示值相对误差： ，引用误差：所以数值计算列表如下：12345X1.101.983.014.085.020.1-0.020.010.080.020.1-0.010.00330.020.0040.091-0.01010.00330.01960.0040.020.0040.0020.040.004仪表的精度等级 ，故该仪表的精度

18、等级为2。9.现有精度等级为1.5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量范围分别为，和 ，现需测量500 左右的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%，选用哪块表合适？解：根据测量范围，选择B，C两块表，A表排除。 B表：q=2%=0.02= 故B表合适。 C表：q=2.5%=0.025= 故C表不合适。 综上所述选用B表即2.0级，量程 的仪表。13用两只分度号为K的热电偶测量A区与B区的温差，连接方法如图379所示。若 （1） ， （2）， 试分别求两种情况下的示值误差,并解释为何与实际温差不同.解:查热电偶分度号表:K型热电偶:20 200 220 500E: 0.798mv 8.

19、137mv 8.937mv 20.640mv(1) E=8.938-0.798=8.140mv反查K热电偶分度号表: 201-8.177mv内析求得: t=200.075(2) E=20.640-8.137=12.503 反查K分度号表:307-12.498; 308-12.539 内析求得: t=307.12分析原因:低温度下热电势与温度线性关系较好,高温时误差较大。14.用分度号为S的热电偶与动圈仪表构成的测温系统,冷端补偿器的平衡点温度在20 .图3-80中,t=1300, t1=80 ,t2=25,t0=30；动圈仪表的机械零位为0,试求：(1)仪表的示值温度是多少;(2)如何处理可使

20、示值与实际温度相符;(3)把补偿导线改为铜线时,示值变为多少?解:如图所示:(1)查S型热电偶的分度号表:t/ 1300 30 25E/mv 13.155 0.173 0.142由E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)即 E(1300,30)E(1300,0)-E(30,0)=13.155-0.173=12.982mv查表,12.982mv时对应的温度为t=1286,即仪表显示的温度为1286 。（2）由于补偿电桥是在20时平衡的，因此须将仪表的机械零位预先调到20 处，即可使示值与实际温度相符。（3）若将补偿导线改为铜线，则 ,则E(1300,80)=E(1300,0)-E(80,0)

21、=13.155-0.502=12.653mv查表12.653mv时对应的温度为t=1258.5,即示值变为1258.5。22标准节流装置有哪几部分组成，对各部分有哪些要求？答：标准节流装置有：节流元件，取压装置和前、后管道三部分组成。标准节流装置的设计、加工、安装和使用都有规定的技术要求，规定和数据，可参见GB/T 2624第四章 过程控制装置1单杠杆式气动差压变送器式由哪些部分组成的？各部分由何作用？试说明其工作原理。答：单杠杆式气动差压变送器电气动转换部分和测量部分组成，测量部分的作用是将被测量的压力信号转换成力的形式；气动转换部分的作用，是将被测差压pi转换成为作用于主杠杆下端的输入力F

22、i。其工作原理为：正负压容的输入压力经敏感元件转换成输入力Fi。即 。Fi作用于主杠杆的下端，对支点产生一个顺时针方向的输入力矩Mi，使主杠杆发生顺时针方向的偏转。变送器输出信号P0，引入反馈波纹管中，并产生反馈力矩Ff作用于主杠杆上，使主杠杆对支点产生一个逆时针方向的力矩Mf。当 时，主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离不再改变，若MfMi时，则杠杆系统产生偏角，位移检测片产生微小位移s，其变化量再通过放大器10转换并方大为20100KPa的输出压力，即变送器的输出信号与被测差压pi成正比。4DD8III型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几部分组成的？试简述其工作过程。答：DD8

23、III型电动差压变送器是按力矩平衡原理工作的，由测量部分（杠杆系统）；电磁反馈装置；矢量机构；低额位移检测放大器。其工作过程如下：被测差压信号p1,p2分别送入敏感元件两侧的正负压室，敏感元件将其转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，使主杠杆以轴封膜片为支点偏转，并以力F1沿水平方向推动矢量机构，矢量机构将推力分解成F2和F3。F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带动副杠杆L4以支点M逆时针偏转，使固定在副杠杆上的差动变压器B的衔铁靠近差动变压器，两点之间的距离变化量再通过低频位移检测放大器转换并方大为420mA直流电流，作为便送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生

24、电磁反馈力Ff，使副杠杆顺时偏转o，当输入力与反馈力对杠杆系统说产生的力矩Mi, Mf达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流Io便反映了说测电压pi的大小。5DD8III型温度变送器为什么要采用线性化措施？热电偶温度变送器时怎样实现线性化的。答：热电偶温度变送器要求的输出电压信号与相应的变送器输入的温度信号成线性关系，而热电偶是非线性关系的，温度变送器放大回路是线性的，若将热电偶的热电势直接接到变送器的放大回路，则温度t与变送器的输出电压Usc之间的关系是非线性的。因此需要采用线性化措施，措施是:采用反馈电路非线性，使放大回路具有线性，依据输入输出关系，当放

25、大系数k很大时，要使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同，从而实现线性化。6试分析电动差压变送器如何实现量程迁移（零点迁移）的。答：电动差压变送器的输入与输出间的关系：式中Ad，I1，I2，I3，I3是固定不变的，故输出电流与输入差压之间的比例关系通过调整tg和kf来改变，即改变变送器的量程，Io，量程变小，j，kf，的改变是通过改变反馈线圈的匝速w实现的，w，kf，量程。8本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？需要采取哪些措施才能保证整个系统达到防爆要求？答：本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的非本质安全电路和防

26、爆安全栅组成。采取措施以达到防爆要求的方法有： 本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。 用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。 在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。19.气动执行器主要由哪些部分组成的？各部分的作用是什么？答：气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按调节器输出气压信号（20100KPa）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生位移，推动调节机构动作。调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被调介质接触，调节流体的流量。20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

27、性是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：。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性，在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此，阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。21.何为阻塞流？他有什么意义？答：阻塞流是指当阀入口压力P1保持恒定，并逐步降低出口压力P2时，流过阀的流量会增加到一个最大值，此时若继续降低出口压力，流量不再增加，此极限流量称为阻塞流。意义：在阻塞流条件下，流经阀的流量不随阀后压力的降低而增加，因此在计算流量系数时，首先要确定调节阀是否处于阻塞流状态。22.流量叙述的定义是什么？试写出不可压

28、缩流体系数计算的基本公式。答：我国规定的流量系数定义为：在给定行程下，阀两端的压差为0.1Mpa，流体密度为1000kg/m3时流经调节阀的流量数(m3/h),以C表示，它表示流体通过调节阀的流通能力，不可压缩流体：24.试简述电气阀门定位器的工作原理。答：来自调节器的直流电流信号，经过力矩马达的线圈，使主杠杆磁化并绕其支点反时针方向转动，喷嘴靠近挡板，P背上升，经放大后送入薄膜调节阀，空气压力上升，推动阀杆下移，带动凸轮逆时针旋转。副杠杆左移，带动反馈弹簧，当从反馈=从力矩马达时。主杠杆停在新的平衡位置。因此，阀杆的位移与输入的电流之间有一一对应的关系，而阀杆位移量与开度之间的关系是确定的，所以电流信号就能使阀位确定下来 ，这就是电气阀门定位器的工作原理。26气动调节阀的执行机构的正，反作用形式是如何定义的？在结构上有何不同？答：气动调节阀的执行机构的正作用是指：当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少，称为正作用，或正装；反之，则称为反作用。只要改变阀杆与阀芯的连接位置就可改作反装。第五节 计算机控制系统1.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。工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成。其中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控制台，软件是指计算机系统的