過程控制工程基礎習習題及答案

1、西南科技大學成教學院德陽教學點自動化儀表與過程控制練習題及參考答案班級： 姓名： 學號： 成績：一、填空題1、過程控制系統(tǒng)一般由 控制器 、 執(zhí)行器 、 被控過程 和測量變送等環(huán)節(jié)組成。2、儀表的精度等級又稱 準確度級 ，通常用 引用誤差 作為判斷儀表精度等級的尺度。3、過程控制系統(tǒng)動態(tài)質量指標主要有 衰減比n 、 超調量 和過渡過程時間；靜態(tài)質量指標有 穩(wěn)態(tài)誤差e ss 。4、真值是指被測變量本身所具有的真實值，在計算誤差時，一般用 約定真值 或 相對真值 來代替。5、根據使用的能源不同，調節(jié)閥可分為 氣動調節(jié)閥 、 電動調節(jié)閥 和 液動調節(jié)閥 三大類。6、過程數(shù)學模型的求取方法一般有 機理

2、建模 、 試驗建模 和混合建模。7、積分作用的優(yōu)點是可消除 穩(wěn)態(tài)誤差(余差)，但引入積分作用會使系統(tǒng) 穩(wěn)定性 下降。8、在工業(yè)生產中常見的比值控制系統(tǒng)可分為 單閉環(huán)比值控制 、 雙閉環(huán)比值控制 和 變比值控制 三種。9、Smith預估補償原理是預先估計出被控過程的 數(shù)學模型 ，然后將預估器并聯(lián)在被控過程上，使其對過程中的 純滯后 進行補償。10、隨著控制通道的增益K0的增加，控制作用 增強 ，克服干擾的能力 最大 ，系統(tǒng)的余差 減小 ，最大偏差 減小 。11、從理論上講，干擾通道存在純滯后， 不影響 系統(tǒng)的控制質量。12、建立過程對象模型的方法有 機理建模 和 系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計 。13、控制

3、系統(tǒng)對檢測變送環(huán)節(jié)的基本要求是 準確 、 迅速 和 可靠 。14、控制閥的選擇包括 結構材質的選擇、 口徑的選擇 、 流量特性的選擇 和 正反作用的選擇。15、防積分飽和的措施有 對控制器的輸出限幅 、限制控制器積分部分的輸出和 積分切除法。16、如果對象擾動通道增益增加，擾動作用 增強 ，系統(tǒng)的余差 增大 ，最大偏差 增大 。17、在離心泵的控制方案中，機械效率最差的是 通過旁路控制 。二、名詞解釋題1、衰減比答：衰減比定義為：衰減比是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。為保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般取衰減比為4:110:1。2、自衡過程答：當擾動發(fā)生后，無須外加任何控制作用，過程能夠自發(fā)

4、地趨于新的平衡狀態(tài)的性質稱為自衡性。稱該類被控過程為自衡過程。3、分布式控制系統(tǒng)答：分布式控制系統(tǒng)DCS，又稱為集散控制系統(tǒng)，一種操作顯示集中、控制功能分散、采用分級分層體系結構、局部網絡通信的計算機綜合控制系統(tǒng)。DCS的設計思想是“控制分散、管理集中”三、簡答題1、電氣閥門定位器有哪些作用答：改善閥的靜態(tài)特性改善閥的動態(tài)特性改變閥的流量特性用于分程控制用于閥門的反向動作2.簡述串級控制系統(tǒng)的設計原則。答：（1）副回路的選擇必須包括主要擾動，而且應包括盡可能多的擾動；（2）主、副對象的時間常數(shù)應匹配；（3）應考慮工藝上的合理性和實現(xiàn)的可能性；（4）要注意生產上的經濟性。3. 簡單控制系統(tǒng)由哪幾

5、部分組成各部分的作用是什么答：簡單控制系統(tǒng)由一個被控對象，一個檢測元件和變送器，一個調節(jié)閥和一個調節(jié)器組成。檢測元件和變送器用于檢測被控變量，并將檢測到的信號轉換為標準信號，輸出到控制器?？刂破饔糜趯z測變送器的輸出信號與設定值進行比較，得出偏差，并把偏差信號按一定的控制規(guī)律運算，運算結果輸出到執(zhí)行器。執(zhí)行器是控制系統(tǒng)回路中的最終元件，直接用于改變操縱量，以克服干擾，達到控制的目的。4. 前饋控制和反饋控制各有什么特點為什么采用前饋-反饋復合系統(tǒng)將能較大地改善系統(tǒng)的控制品質答:前饋控制的特點是:根據干擾工作;及時;精度不高,實施困難;只對某個干擾 有克服作用.反饋的特點作用依據是偏差;不及時:

6、精度高,實施方便,對所有干擾都有克服作用.由于兩種控制方式優(yōu)缺點互補, 所以前饋-反饋復合系統(tǒng)將能較大地改善系統(tǒng)的控制品質.5、PID調節(jié)器的參數(shù)、對控制性能各有什么影響答：(1)比例增益反映比例作用的強弱，越大，比例作用越強，反之亦然。比例控制克服干擾能力較強、控制及時、過渡時間短，但在過渡過程終了時存在余差；(2)積分時間反映積分作用的強弱，越小，積分作用越強，反之亦然。積分作用會使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，但在過渡過程結束時無余差；(3)微分時間反映積分作用的強弱，越大，積分作用越強，反之亦然。微分作用能產生超前的控制作用，可以減少超調，減少調節(jié)時間；但對噪聲干擾有放大作用。6、與反饋控制系統(tǒng)相比

7、，前饋控制系統(tǒng)有哪些特點答：(1)反饋控制的本質是基于偏差來消除偏差，而前饋控制是基于擾動來消除擾動對被控量的影響；(2)反饋控制是“不及時”的，而前饋控制器可“及時”動作；(3)反饋控制屬閉環(huán)控制，而前饋控制屬開環(huán)控制；(4)反饋控制對閉環(huán)內擾動均有校正作用，而前饋控制具有制定性補償?shù)木窒扌裕?5)反饋控制規(guī)律通常有P、PI、PD、PID等，而前饋控制規(guī)律比較復雜。7、簡述“積分飽和現(xiàn)象”產生的內因和外因。答：造成積分飽和現(xiàn)象的內因是控制器包含積分控制作用，外因是控制器長期存在偏差。在偏差長期存在的條件下，控制器輸出會不斷增加或減小，直到極限值引起積分飽和。8、如圖所示的壓力容器，采用改變氣

8、體排出量以維持 容器內壓力恒定：(1)調節(jié)閥應選擇氣開式還是氣關式請說明原因。(2)壓力控制器(PC)應為正作用還是反作用請說明原因。答：(1)應選擇氣關式。因為在氣源壓力中斷時，調節(jié)閥可以自動打開，以使容器內壓力不至于過高而出事故。(2) 調節(jié)閥應選擇氣關式，則壓力控制器(PC)應為反作用。當檢測到壓力增加時，控制器應減小輸出，則調節(jié)閥開大，使容器內壓力穩(wěn)定?；颍寒敊z測到壓力減小時，控制器應增大輸出，則調節(jié)閥開小，使容器內壓力穩(wěn)定。9、在制藥工業(yè)中，為了增強藥效，需要對某種成分的藥物注入一定量的鎮(zhèn)定劑、緩沖劑，或加入一定量的酸、堿，使藥物呈酸性或堿性。這種注入過程一般都在混合槽中進行。工藝要

9、求生產藥物與注入劑混合后的含量必須符合規(guī)定的比例，同時在混合過程中不允許藥物流量突然發(fā)生變化，以免混合過程產生局部的化學副反應，為此設計如下圖所示的控制系統(tǒng)。 試分析：1圖中停留槽的作用是什么 2圖中有幾個控制系統(tǒng)，分別是什么系統(tǒng)，各系統(tǒng)的作用如何答: 停留槽的作用是穩(wěn)定藥物流量,防止其發(fā)生急劇變化.圖中共有兩個控制系統(tǒng),一個是停留槽液位與出口流量的均勻控制系統(tǒng),是藥物流量緩慢變化;另一個是藥物與添加劑的比值控制系統(tǒng),保持二者的比例關系.四、分析與計算題1、有一臺溫度變送器，量程為400600，輸出為420mA，當溫度從500變化到550時，變送器從多少變?yōu)槎嗌俅穑?00時輸出為：（204）&

10、#215;（500400）/（600400）412mA500時輸出為：（204）×（550400）/（600400）416mA即：當溫度從500變化到550時，變送器從12mA變?yōu)?6mA。2.某儀表的測量范圍為200-600，儀表的精度為級，在600該儀表指示為604，問該儀表是否超差答：某儀表的測量范圍為200-600，儀表的精度為級，在600該儀表指示為604，問該儀表是否超差？（600（200）×=4  該儀表不超差。 3.某測量儀表的測量范圍是+200+500精度等級為為，求當其示值為200和500時,被測點的真實溫度（真值）大約為多少3、答：某測量儀表

11、的測量范圍是+200+500,精度等級為為，求當其示值為200和500時,被測點的真實溫度（真值）大約為多少？max=±%（500-200）=±15示值為200時真值在185和215之間示值為500時真值在485和515之間4、如下圖所示的隔焰式隧道窯燒成帶溫度控制系統(tǒng)，燒成帶溫度是被控變量，燃料流量為操縱變量。試分析：(1)該系統(tǒng)是一個什么類型的控制系統(tǒng)畫出其方框圖；(2)確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式，并說明原因。答：(1)該系統(tǒng)是一個串級控制系統(tǒng)，其方框圖為：(2)當調節(jié)閥氣源出現(xiàn)故障失去氣源時，為保證系統(tǒng)安全，應使閥門處于關閉位置，故調節(jié)閥采用氣開式。5、如下圖所示的液

12、體儲罐，設進水口和出水口的體積流量分別是 和 ，輸出變量為液位，儲罐的橫截面積為 。試建立該液體儲罐的動態(tài)數(shù)學模型 。完整解答過程如下（含評分標準）：液位的變化滿足動態(tài)物料平衡關系：液罐內蓄液量的變化率單位時間內液體流入量單位時間內液體流出量： (2分)以增量形式表示各變量偏離起始穩(wěn)態(tài)值的程度。即： （式1）(2分)由重力場中無粘性不可壓縮流體定常流動的伯努利方程：(2分)得：故 (2分)對非線性項進行泰勒級數(shù)展開，并取線性部分：(1分)將上式代入（式1），得：整理并省略增量符號，得微分方程：(1分)經拉氏變換可得傳遞函數(shù)為： (2分)什么是過程控制過程控制是生產過程自動化的簡稱。過程控制的特

13、點1，系統(tǒng)由被控過程與系類化生產的自動化儀表組成2，被控過程復雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設計3，控制方案豐富多彩，控制要求越來越高4,控制過程大多屬于慢變過程與參量控制5，定值控制是過程控制的主要形式過程參數(shù)檢測儀表通常由傳感器和變松器組成。測溫儀表的選用原則1，儀表精度等級應符合工藝參數(shù)的誤差要求2，選用的儀表應能操作方便、運行可靠、經濟、合理，在同一工程中應盡量減少一起的品種和規(guī)格3，儀表的量程應大于工藝要求的實際測溫范圍，但也不能太大。4，熱電偶是測溫儀表的首選檢測元件，但當在低溫測量時還是選用熱電阻元件合適5，對裝有保護套管的測溫元件，保護套管的耐壓等級應不低于所在管線或設備的耐壓等級，

14、其材料根據最高使用溫度及被測戒指的特性確定壓力是指作用于單位面積上的力，即物理上的壓強流量單位時間內流過工藝管道某截面的流體數(shù)量稱為瞬時流量，而把某一段時間內流過工藝管道某截面的流體總量稱為累計流量調節(jié)器的功能1，偏差顯示2，輸出顯示3，內外給定的選擇4，正反作用的選擇5，手動切換操作6，其他功能執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構兩部分組成。執(zhí)行器的氣開，是指當氣壓信號p> 時，閥門由關閉逐漸打開；氣關相反調節(jié)閥的流量特性是指控制介質流過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關系理想流量特性是指 當調節(jié)閥前后壓差一定是獲得的流量特性理想流量特性主要有三種，直線流量特性，對數(shù)（等百分比）流量特性，快開

15、流量特性直線流量特性是指流過調節(jié)閥的相對流量與閥門的相對開度成直線關系，即閥桿單位行程變化所引起的流量變化是常數(shù)。適用于中等開度，且負荷變化不大的過程對數(shù)流量特性是指單位行程變化所引起的相對流量變化與該點的相對流量成正比關系，適用于負荷變化打的過程快開流量特性是指小開度時就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快達到最大流量特性的選擇必須保證系統(tǒng)總的放大系數(shù)在整個操作范圍內保持不變。有自衡特性當原來處于平衡狀態(tài)的過程出現(xiàn)干擾時，其輸出量在無人或無控制裝置的干預下，能夠自動回復到原來或新的平衡狀態(tài)單容過程。只有一個儲存容積的過程M序列的產生方法通常有兩種，一是用移位寄存器產生，二是用軟件實現(xiàn)。簡單

16、控制系統(tǒng)控制參數(shù)的確定原則1，選擇結果應使控制通道的靜態(tài)增益K0盡可能大，時間常數(shù)，選擇恰當。，控制通道的純滯后時間應盡可能的小，一般與的比值小于，干擾通道的靜態(tài)增益應盡可能的小；時間常數(shù)應盡可能的大，其個數(shù)盡可能的多；擾動進入系統(tǒng)的位置應盡可能遠離被控參數(shù)而靠近調節(jié)閥。，當廣義被控過程有幾個一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時，應盡可能的設法使幾個時間常數(shù)中的最大與最小的比值盡可能的大，一邊盡可能提高系統(tǒng)的可控性。調節(jié)規(guī)律的選擇原則調節(jié)器的正反作用方式選擇串級控制將兩個調節(jié)器串聯(lián)在一起工作、各自完成不同任務的系統(tǒng)結構，就稱為串級控制結構串級控制系統(tǒng)的控制效果，能迅速客服進入副回路的干擾，能改善控制通道的動態(tài)特性，提高工作頻率，能適應負荷和操作條件的劇烈變化串級控制系統(tǒng)的特點，對進入副回路的干擾有很強的一致能力。，能改善控制通道的動態(tài)特性、提高系統(tǒng)的快速反應能力。，對非線性情況下的負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。串級控制系統(tǒng)的適用范圍，容量滯后較大的過程，純滯后較大的過程，干擾變化劇烈、幅度大的過程，參數(shù)互相關聯(lián)的過程