1、过程装备控制技术及应用复习题大全 第一章1.简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动(干扰)量、设定(给定)值和偏差的含义? 答:自动控制系统中常用的几个术语其含义是:被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值：被控变量的预定值。偏差：被控变量的设定值与实际值之差。 3.自动控制系统主要由哪些环节组成?各部分的作用是什么?答：自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作
2、用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等;另一部分是受自动化装置控制的被控对象。在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等)。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)发送给执行器。执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出)被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。4。什么是自动控制系统的过渡过程?在阶跃扰动
3、作用下，其过渡过程有哪些基本形式?哪些过渡过程能基本满足控制要求?答:把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渡过程。过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。发散振荡过程如图1-3 (a)所示。它表明当系统受到扰动作用后。被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。非振荡发散过程如图1-3 (b)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一俩作非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。等幅振荡过程如图1-3(c)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控
4、变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。衰减振荡过程如图1-3(d)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。非振荡衰减过程如图1-3(e)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程。能墓本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，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才考虑采用这种形式的过
5、渡过程。5、衰减振荡过程的品质指标有哪些?各自的含义是什么? 答：衰减振荡过程的品质指标主要有:最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。其各自的含义是:最大偏差：是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。衰减比：是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。余差：是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。过渡时间：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。振荡周期(或频率)：是指过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。6，什么是自动控制系统的方块图?它与工艺管道及控制流程图有
6、什么区别?答:自动控制系统的方块图是由传递方块、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。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分，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。而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截
7、然不同。1图1-6所示为一自力式贮槽水位控制系统。(1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么?(2)试画出该系统的方块图。(3)试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的? 解:(1)该系统中贮槽为被控对象;贮槽中水的液位为被控变量;进水流量为操纵变量。 (2)贮槽水位控制系统方块图如图1-7所示。(3)当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量。使水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。2.在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的
8、热量，使裂解气体的温度下降到规定的数值上。图1-8是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（151.5），如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响;如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。(1)指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么?(2)试画出该控制系统的组成方块图。(3)试比较图1-8及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。解：(1)在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器;被控变量为乙烯裂解气的出口温度;操纵变量为气态丙烯的流量。 (2)该系统方块图如图1-9所示。 (3)在图1-
9、8中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。3.图1-10所示是一反应器温度控制系统示意图。A, B两种物料进人反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。图中TT表示温度变送器，TC表示温度控制器。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么? 解：反应器温度控制系统中被控对象为反应器;被控变量为反应器内温度;操作变量为冷却水流量;干扰为A, B物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。反应器的温度控制系统的方块
10、图如图1-11所示。4、某发酵过程工艺规定操作温度为(40士2) C。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6 。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1-12所示.试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(按被控变量进入2%)新稳态值即达到稳定来确定)和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求?解：由反应曲线可知:最大偏差A=45一40=5 C 余差C=41一40=1衰减比 第一个波峰值B =45一41=4 第二个波峰值B = 42一41=12.锅沪是化工，炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位
11、过高，会使蒸汽带液。降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-15是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求: （1）画出该控制系统方块图; (2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?(3)当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。答：(1)锅护汽包水位控制系统方块图如图1-23所示。(2)被控对象:锅炉汽包。 被控变量:锅炉汽包水位。 操纵变量:锅炉给水量。 扰动量:冷水温度、压力，蒸汽压力、流量。燃烧状况等。3.图1-16所示为离心泵出口流量控制系统。控制的目
12、的是保持泵流量恒定。(1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量及干扰各是什么?(2)画出流量控制系统方块图;（3）结合本题，试说明该流量控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统 答：(1)被控对象:管道(从检测点到控制阀之间)。 被控变量:泵出口流量。 操纵变量:泵出口流量。 扰动量:管路压力波动、(泵的)原动机转速等。(2)离心泵出口流量控制系统方块图如图1-24所示。5.某炼油厂常减压装置加热护如图1-18所示.工艺要求严格控制加热炉出口温度T，T可以通过改变燃油量来控制。据此设计一个定值温度控制系统，其中被控变量为加热炉出口物料温度，操纵变量为燃料油流量。要求: (1)画出工艺管道及控制
13、流程图;(2)试画出该控制系统的方块图。答：(1)工艺管道及控制流程图如图1-26所示。(2)控制系统的方块图如图1一27所示。6。图1-19为一组在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线。(1指出每种过程曲线的名称;(2)试指出哪些过程曲线能基本满足控制要求?哪些不能?为什么?(3)你认为哪个过渡过程最理想，试说明其理由。答：(1).(a)等幅振荡，（2)衰减振荡;(c)非振荡衰减;(d)发散振荡。 (2).(b).(c)能基本满足控制要求，(a), (d)不能。因为(b)、 (c)对应的过渡过程是稳定的。(3).(b)最理想。略。第二章3、描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?答：描述对象特
14、性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间放大系数K：放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比，即由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系.所纵放大系数是描述对象静态特性的参数。 时间常数T：时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2 %所需时间。 时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数。因此它是对象的一个重要的动态参数。 滞后时间：滞后时间是纯滞后时间和容量滞后的总和。 输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯
15、滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间也是反映对象动态特性的重要参数。4.什么是控制通道和扰动通道干扰通道)?对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、）对控制有什么不同的影响? 答：对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道;扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。 一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数（K, T,)对控制作用的影响是不同的。 对于控制通道: 放大系数K大，操纵变量的变化对被
16、控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小;放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。 在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长;若时间常数I小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或大小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。滞后时间的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间。 对于扰动通通道; 放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出
17、现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大;而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。 时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。纯滞后的存在，相当于将扰动推迟时间才进入系统，并不影响控制系统的品质;而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些。因此，对系统是有利的。1.图2-1所示RC电路，设输入变量为V输出变量为V，试列写出该对象输出与输入变量之间的微分方程。 解:对象的输出变量为V，输人变量为V 根据基尔霍夫定律可得: V. =iR+Vo (1)中间变量为i，因为: (2)消除中间变量，将(2)式代入
18、(1)得: （3）(3)式即为RC电路的微分方程。4.图2-1所示RC 电路，若已知R=5, C=2.(1试绘出V突然由0阶跃变化到5V时，V。的变化曲线。(2)计算出t=T, t=2T, t=3T时的V。解：(1)由题意，描述RC电路特性的方程式为: 方程的解为: 由方程解得到如下数据: 据此，可有如下曲线:5。为了测定某物料干燥简的对象特性，在to时刻突然将加热蒸汽量从25m/h增加到28m/h,物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图2-4所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程(温度变化量作为输出变量，加热蒸汽量的变化量作为输入变量;温度测量仪表的测量范围0-200C;流量测量仪表的测
19、量范围040m/h)。1.已知某化学反应器的特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为4. 15。放大系数为8.5，纯滞后时间为3.5，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。答：y为输出变量，x为输人变量：4.15dy (t+3.5) /dt十y (t+3. 5) =8- 5x (t) 2. RC电路如图2-5所示。Vi为输人量，V。为输出量。在时间t=。时，闭合开关K.电容开始充电。此时，电压V。随时间的变化规律为:答：4.某被控对象用实验方法测取对象特性，现得到如图2-7所示的响应曲线，试从图中求出对象的放大系数K、时间常数T及纯滞后时间r答：第三章2.什么叫仪表的基本误差、测量误差和附加误
20、差?有何区别?答：仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。仪表在制造厂出厂前，都要在规定的条件下进行校验。规定条件一般包括环境温度、相对湿度、大气压力、电源电压、电源频率、安装方式等.仪表的基本误差是仪表本身所固有的，它与仪表的结构原理，元器件质量和装配工艺等因素有关，基本误差的大小常用仪表的精度等级来表示。使用仪表测量参数时，侧量的结果不可能绝对准确。这不仅因为仪表本身有基本误差，而且还因为从开始测量到最后读数，要经过一系列的转换和传递过程，其中受到使用条件、安装条件、周围环境等一系列因索影响，也要产生一定的误差。所以在很多情况下，仪表的显示数值与标准值(真实值)之间存在着一个差值，这个差
21、值称为测量误差。通常情况下，仪表的侧量误差大于基本误差，因为测量过程还产生一些附加误差。附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。如电源波动附加误差，温度附加误差等。3、什么是仪表的反应时间?用什么方法表示?答：当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总要经过一段时间后才能准确地显示出来。反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快地反应出参数变化的品质指标。反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。反应时间的表示方法有两种。 (1)当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新稳态值。仪表的输出信号(即指示值)由开始变化到新稳态值的63.2%所用
22、的时间，即为反应时间。(2)用变化到新稳态值的95%所用的时间来表示反应时间。11.简述压阻式压力传感器的工作原理及特点。 答：压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。 它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等。更可适应于恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。20、试简述电磁流量计的工作原理及其特点。答：电磁流量计是基于电磁感应定律工作的。它是将流体的流速转换为感应电势的大小来进行测量的。 电磁流量计的特点有; (1)电磁流量计由
23、于没有可动部件和插入管道的阻力件，没有使流体收缩和改变流体的流束，所以压力损失小，也很少堵塞.对测量导电性液体是较为适用的。另外.由于电磁流量计的衬里和电极是防腐的，所以也用来测量腐蚀性介质的流量。(2）电磁流量计流速测量范围很宽(0. 510m/s)，口径从lmm到2m以上，反应快、惰性小。可用于测量脉动流体、双相流体以及灰浆等含固体颗粒的液体流量。25.什么是液位测量时的零点迁移问题?怎样进行迁移?其实质是什么?答:在使用差压变送器测量液位时，一般压差态与液位高度H之间的关系为:P=Hg.这就是一般的“无迁移”的情况。当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。 实际应用中，有时为防止容器
24、内液体和气体进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。如图3-7所示。设被测介质密度为，隔离液密度为，此时正、负压室的压力分别为:正、负压室间的压差为:I=20mA可调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。这里迁移弹簧的作用，其实质就是改变测量范围的上、下限，相当于侧量范围的平移，它不改变量程的大小。26.“正迁移”和“负迁移”有什么不同?如何判断? 答:正、负迁移的区别在于,负迁移时，当H=0时，固定压差正迁移时，当H=0时，固定压差正、负迁移的判断如下:当H=0时，若p0,则为正迁移。3
25、6、热电偶温度计为什么可以用来测量温度？它由哪几部分组成?各部分有何作用?答：热电偶温度计是根据热电效应这一原理来测量温度的。热电偶温度计由三部分组成:热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线。热电偶是系统中的测温元件，测量仪表3是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式仪表或电位差计，导线2用来连接热电偶与测量仪表。为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。38.用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种?答：采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0。而工业上常用的各
26、种热电偶的温度一热电势关系曲线是在冷端温度保持为0的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持为0，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。冷端温度补偿的方法有以下几种:(1）冷端温度保持为0的方法;(2)冷端温度修正方法;（3)校正仪表零点法;(4)补偿电桥法;(5)补偿热电偶法.37.常用的热电偶有哪儿种?所配用的补偿导线是什么?为什么要使用补偿导线?
27、并说明使用补偿导线时要注意哪几点?答：工业上常用的热电偶有如下几种: 铂铑30-铂铑6热电偶(也称双铂铑热电偶); 铂铑10-铂热电偶;镍铬一镍硅(镍铬-镍铝)热电偶;镍铬一康铜（镍铬一铜镍)热电偶。在实践中，人们找到了适合与各种型号的热电偶配用的补偿导线。详见下表; 由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料口解决这一间题的方法是采用一种专用导线，
28、将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过10039.试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表? 输入、输出信号各是什么?答：热电偶温度计包括感温元件热电偶、补偿导线及铜线和测量仪表。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转化为热电势的变化来侧量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是热电势。热电阻温度计包括感温元件热电阻、连接导线和显示仪表。热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是电阻值。 1，什么叫
29、绝对误差、相对误差和引用误差?解：（1）绝对误差 对同一参数进行测量时，仪表指示值x与标准表的指示值之差称为绝对误差 ，即标准表的指示值 x。称作为标准值或真实值。 绝对误差的单位与指示值的单位相同，有正、负之分。符号为“+”时，表示指示值高于标准值;符号为“一”时，表示指示值低于标准值.（2）相对误差 绝对误差的大小并不能完全精确地判断测量的准确程度。原因是，同样的绝对误差，相对于很大的被测量来说是小的，甚至可以忽略不计，但相对较小的被测量来说，则是很大的，应引起足够多的重视，这样就引出了相对误差。说，仪表某点指示值的相对误差就是该点的绝对误差与该点的标准值之比的百分数，可表示为:相对误差没
30、有单位（3）引用误差 即折合误差，又称相对百分误差。它是校验过程中仪表的最大绝对误差相对仪表标尺范围（量程范围）的百分数。5.什么是仪表的精度和精度等级，怎样进行计算?解:仪表的精度是衡量仪表准确程度的一个品质指标。精度是相对百分误差的最大值，去掉百分号(%)可确定仪表的精度等级K。每台仪表都有自己的精度和精度等级，例如某台仪表在说明书中给出精度为士1.5%，相应的在仪表的刻度盘上标出精度等级1. 5o我国仪表精度等级常用的有以下几种:仪表的精度等级愈小侧量精度愈高。它是仪表本身固有的技术指标。知道仪表的精度等级和量程范围就可算出仪表允许的最大绝对误差。反之，知道允许的最大绝对误差和量程范围，
31、就可以求出仪表的精度等级。10.在DDZ- III型仪表中，为什么现场与控制室之间采用420mA电流信号，而控制室内部都采用1-5V电压信号?解:420mA电流信号适宜在现场和控制室之间远距离传输，可以避免传输导线上压降损失引起的误差。15V电压信号适宜于控制室内部短距离联络，仪表之间可以并联连接，便于设计安装和维修。 42.用分度号为K的镍铬一镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。试问:实际温度应为多少?如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20;，此时显示仪表的指示值应为多少?43、用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25 C，求设备的温度?如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少?44.现用一支镍铬一铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30，显示仪表为动圈仪表(即XCZ-101），此仪表
