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：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：420mADC或15V 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：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：第一个波峰值与最终稳态值y（）之比的百分数：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：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的（）范围内所需要的时间；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；上升时间：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：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： 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（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。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：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。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=8581=4,B2=8281=1稳态误差e() = r y() =80-81= 1衰减比：，最大超调量：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2）被控过程：加热器+汽包；被控参数：汽包水位；控制参数：上水流量；干扰参数：蒸汽流量变化。3设计题（1）举出你所见到的过程控制系统的实例，并指明其被控过程、被控参数、控制参数（或控制介质）、干扰作用，画出其控制流程图和系统方框图。略（2）试举你所见到的前馈-反馈复合控制系统的实例，画出其控制流程图和系统方框图。略第2章 思考题与习题1基本练习题（1）简述过程参数检测在过程控制中的重要意义以及传感器的基本构成。答：1）过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、成分等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量的生产安全，并使生产过程按最优化目标进行。要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则是有检测仪表来完成。检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，系统的控制精度首先取决与检测仪表的精度。检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。2）传感器的基本构成：通常是由敏感元件、转换元件、电源及信号调理/转换电路组成。（2）真值是如何定义的？误差有哪些表现形式？各自的意义是什么？仪表的精度与哪种误差直接有关？答：1） 真值指被测物理量的真实（或客观）取值。2） 误差的各表现形式和意义为：最大绝对误差：绝对误差是指仪表的实测示值与真值的差值，记为，如式（2-1）所示： （2-1）相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为，如式（2-2）所示： （2-2）引用误差：引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，记为，如式（2-3）所示： （2-3）式中，仪表测量范围的上限值；仪表测量范围的下限值。基本误差：基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。附加误差 附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。3) 仪表的精度与最大引用误差直接有关。（3）某台测温仪表测量的上下限为5001000，它的最大绝对误差为±2，试确定该仪表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2则精度等级 所以仪表精度等级为0.4级（4）某台测温仪表测量的上下限为1001000，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：由题可得：仪表精度等级至少为0.001级。 或者0.002（5）有一台DDZ-型两线制差压变送器，已知其量程为20100kPa，当输入信号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少？答：由题可得：变送器输出的分别是8mA和16mA。（6）设有某DDZ-型毫伏输入变送器，其零点迁移值mV DC，量程为12 mV DC。现已知变送器的输出电流为12 mA DC。试问：被测信号为多少毫伏？答：由题可得：被测信号为12毫伏。（7）智能温度变送器有哪些特点？简述TT302温度变送器的工作原理。答：1）智能温度变送器特点为：a）通用性强；b）使用灵活；c）多种补偿校正功能 ；d）控制功能；e）通信功能；f）自诊断功能；2) TT302温度变送器的工作原理：a) 在结构上，它由输入模板、主电路模板和显示器三部分组成。其中，输入模板由多路转换器（MUX）、信号调理电路、A/D转换器和隔离部分组成。主板由微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整和电源等组成，它是变送器的核心部件。显示器为液晶式微功耗数字显示器，可显示四位半数字和五位字母。b）软件分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各部分之间的管理；功能模块提供了各种功能，用户可以通过选择以实现所需要的功能。（8）1151智能式差压变送器有哪些特点？它的硬件构成有哪几部分？答：1）1151智能式差压变送器具有如下特点：a）测量精度高，基本误差仅为±0.1，而且性能稳定、可靠；b）具有温度、静压补偿功能，以保证仪表精度；c）具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通信；