过程计算机控制思考题与习题集(完整解答).doc

第一章 思考题与习题（P9）
1.简述过程控制发展概况。
答 上个世纪40年代以前，工业生产大多处于手操作阶段，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此劳动生产率很低。
40年代以后，生产过程自动化发展很快。尤其近年来，过程控制技术发展更为迅速。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的组成部分。可以说，如果不配置合适的最大控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。纵观过程控制发展的历史，大致精力一下阶段：
第一个阶段。50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。者是过程控制发展的第一个阶段。其主要特点是：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是启动仪表）；过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数；控制的目的是保持这些参数稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；过程控制的理论是以频率法和根轨迹法为主题的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。
第二个阶段。在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二个阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表（包括电动和气动）。为了满足定型、灵活、多功能的要求，又出现了组装仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统要求。与此同时，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。在过程控制系统方面，为了提高控制质量与实现一些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，例如串级、比值和均匀控制的应用，尤其是前馈和选择性控制系统的应用，是复杂控制系统达到一个新的水平。在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际生产过程遇到的问题外，现代控制理论开始应用，控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程遇到的更为复杂的问题。
第三个阶段。70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型计算机的开发应用，使生产过程自动化的发展达到一个新的水平。其主要特点：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。过程控制发展到现代过程控制的新阶段。在新型的自动化技术工具方面，开始采用以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程序调节器）；在测量变送器方面，较为突出的是成分在线检测与数据处理（如气相色普和液相色普与质普等）的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品质增加，可靠性能提高，而且本质安全防爆（电动），适应了各种复杂控制系统要求。70年代中期，DCS问世，从此工业生产过程自动化进入一个新的时代。在过程控制理论方面，智能控制与优化。
3．什么是过程控制系统？试述其组成。
答 过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及pH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。
其组成为：系统的组成包括测量元件、变送器、调节阀、调节器、被控过程等。
5．乙炔发生器是利用电石和水来生产乙炔气的装置。为了降低电石消耗量，提高乙炔气的收率，确保生产安全，故设计图1-8所示温度控制系统。生产要求发生器温度控制 80±1℃。试画出温度控制系统的方框图，并指出图中控制对象、被控参数和调节参数。
图1-8温度控制系统
答 温度控制系统的方框图如下图所示：

控制对象：乙炔发生器
被调参数：乙炔发生器温度
调节参数：冷水流量

10．为什么说系统过渡过程的质量指标是一项单项指标？而偏差性能指标是一种综合指标？
答 系统过渡过程的质量指标由余差(静态偏差)、衰减比或衰减率、最大偏差、过渡过程时间和峰值时间组成。在上述质量指标中，它们之间是互相制约的。当一个系统的稳态精度要求很高时，可能会引起动态不稳定；解决稳定问题之后，又可能因反应迟钝而失去快速性。所以对于不同的控制系统，这些指标各有其重要性，要高标准地同时满足这些指标的要求是很困难的。因此，系统过程的质量指标是一种单项指标，应根据工艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证先满足主要的质量指标的要求。
一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况，在相同输入量作用下，如偏差越大，而且其持续时间越长，则系统的质量就越差，所以可以把偏差性能指标当成综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。

第二章 思考题与习题（P47）

5．图2—37所示液位过程的输入量为，流出量为、，液h为被控参数，C为容量系数，并设,,均为线性液阻。要求：
（1） 列出过程的微分方程组；
（2） 画出过程的方框图；
（3） 求过程的传递函数=H(S)/.

图2-37 液位过程
解：(1)由题意得：

(2)

(3)由方程（2）、（3）代入（1）得

拉氏变换后

传递函数为

6.已知两只水箱串连工作（如图2—38所示），其输入量，流出量、,，分别为两只水箱的水位，为被控参数，、为容量系数，假设、、、为线性液阻。要求：
（1） 列出过程的微分方程组；
（2） 画出过程的方框图；
（3） 求过程的传递函数.

图2-38 液位过程
解：（1）由题意得：
对水箱列方程：

对水箱列方程：

(2)

（3）
方程（2）、（3）代入（1）得

拉氏变换：
(7)
式（5）、（6）代入（4）得：

拉氏变换：
(8)
将式（7）、（8）消去得传递函数

7.如图2－39所示，为过程的流入量，为流出量，h为液位高度，C为容量系数。
若以为过程输入量，h为输出量，设,为线性液阻，求过程的传递函数=H(S)/。

图2-39 液位过程
解：由题意得：

（2）代入（1）拉氏变换得：

11、用脉冲响应法求加热炉过程的动态特性，脉冲宽度＝2mm，幅值为0.2T/h，其实验数据如下：

0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20

0
0.48
0.69
0.56
0.47
0.39
0.33
0.27
0.22
0.18
0.15

22
24
26
28
30
32
34
36
38
40

0.13
0.11
0.09
0.07
0.05
0.03
0.02
0.01
0.01
0

试由脉冲响应求阶跃响应，并求其数学模型。
解一：脉冲响应曲线由阶跃响应曲线、叠加
→
由题意得：
阶跃响应如下表：
t
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
y
0
0.48
1.17
1.73
2.2
2.59
2.92
3.19
3.41
3.59
3.74
t
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40

y
3.87
3.98
4.07
4.14
4.19
4.22
4.24
4.25
4.26
4.26

由y(t)的数据得出,曲线y(t)形状为S形，可能是一阶时延环节或二阶环节。

试用二阶环节验证：
由得
因为，确认此环节为二阶
下面求、、

解之得：

传递函数为：

11.解二：脉冲响应曲线由阶跃响应曲线、叠加
→
由题意得：
阶跃响应如下表：
t
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
y
0
0.48
1.17
1.73
2.2
2.59
2.92
3.19
3.41
3.59
3.74
t
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40

y
3.87
3.98
4.07
4.14
4.19
4.22
4.24
4.25
4.26
4.26

由y(t)的数据得出,曲线y(t)形状得一阶时延环节。
试验证：
由

解之得：

传递函数为：

14.、用响应曲线法辨识某液位被控过程，阶跃扰动的幅值为1（即单位阶跃），阶跃响应的数据如下表所示，试用一阶环节近似法和二阶环节近似法求过程的数学模型。
t(S)
0
20
40
60
80
100
140
180
250
300
400
500
600
(cm)
0
0.2
0.8
2.0
3.6
5.4
8.8
11.8
14.4
16.6
18.4
19.2
19.3
解：
1、一阶时延环节
由得
t(S)
0
20
40
60
80
100
140
(cm)
0
0.10
0.041
0.104
0.187
0.280
0.456
t(S)
180
250
300
400
500
600

(cm)
0.611
0.746
0.860
0.953
0.995
1.000

注：、值相差比较大

数学模型为：

2、二阶环节
近似得：

解之得：

传递函数为

第三章 思考题与习题（P96）
2.何谓测量过程和测量误差？测量误差通常可以分为哪几类？其含义是什么？
答 所谓测量过程，是利用一个已知的单位量（即标准量）与被测的同类量进行比较的过程。通过比较就可以知道被测量是已知单位量的若干倍。检测仪表（测量仪表）就是实现测量过程的技术工具。
测量误差：由于测量工具的准确性、观察者的主观性、外界环境的变化以及某些偶然因素等的影响，在测量过程中使得测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值，则称之为测量误差。测量误差反映了测量结果的可靠程度。
测量误差的分类如下：
（1）绝对误差与相对误差。绝对误差是指测量结果与被测量的真值之差。通常把检定中高一等级的计量标准所测得的量值作为真值（实际值）。此时，绝对误差是指标准仪表（准确度较高）与被校仪表（准确度较低）同时对同一量进行测量所得的两个测量结果之差。
相对误差是指绝对误差与真值或者测量值的百分比。
实际相对误差，是指绝对误差与被测量的真值（实际值）之百分比。
标称相对误差，是指绝对误差与仪表示值之百分比。
引用相对误差，是指绝对误差与仪表量程之百分比。
（2）系统误差、随机误差和疏忽误差。
系统误差是指测量仪表本身或其他原因（如零点没有调整好等）引起的有规律的误差。
随机误差是指在测量中所出现的没有规律的误差。
疏忽误差是指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的误差。
（3）基本误差、附加误差、和允许误差。
基本误差是指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。如通常在正常工作条件下的示值误差就是基本误差。
附加误差是指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。如仪表的工作温度超过规定的范围时，将引起温度附加误差。
允许误差是指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。它是一个许可的误差界限。
3.什么是检测仪表的精度、变差、灵敏度和灵敏限？
答 仪表精度=绝对误差的最大值/仪表量程
变差=(x1-x2)max/仪表量程×100%
灵敏度=
灵敏限：引起仪表示值发生变化的可测参数的最小变化量。
4.什么是一次测量？什么是一次仪表和二次仪表？
答 在进行检测时，一般由一测量体与被测介质接触，测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，然后再用仪表加以显示，通常把前一过程叫做一次测量，所用的仪表叫做一次仪表，后面的计量仪表叫做二次仪表。
5.在工业生产过程中有哪几种常用的测温方法。试说明其特点。
答 从测量体与被测介质接触与否来分有接触式测量和非接触式测量。
接触式测量：通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度；测温简单可靠，测量精度高。但是由于测温元件需要与被测介质接触进行充分的热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化学反应。另外由于受到耐高温材料的限制，接触式测量不能应用于很高温度的测量。
非接触式测量：通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于测温元件不与被测介质接触，因而其测量范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度也较快，而且可以对运动体进行测量，但是，它受到物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离、烟尘和水汽等其他介质的影响，一般测温误差比较大。
15．什么是变送器的量程调整、零点和零点迁移？为什么要进行量程调整和零点迁移？Ⅲ型温度变送器是怎样进行调零和量程调整的？怎样实现热电偶的冷端温度补偿？
答 量程调整是使变送器的输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值相对应；量程程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率；
零点是指变送器的输出信号的下限值。
零点调整是指使变送器的输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。对于DDZ-III型仪表来说，xmin=0时，而y不为4mADC，则进行零点调整使之为4mADC；xmin≠0时，y≠ymin则需要零点迁移。
零点迁移：把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。当测量起始点由零迁至某一正值，称为正迁移；当测量起始点由零迁至某一负值，称为负迁移；迁移的实质：改变量程的上下限，而不改变量程的大小。若采用零点迁移，再辅以量程压缩，可以提高仪表的测量精确度和灵敏度。
如图15.1所示，W1为调零电位器，W2为调量程电位器，当变送器输入热电势为Vmin时，其输出为4mADC或1VDC，否则调整W1；当变送器输入热电势为Vmax时，其输出为20mADC或5VDC，否则调整W2；在DDZ-III型仪表中，通过调零电位器和调量程电位器就可以进行调零和调量程。

图15.1冷端温度补偿、调零调量程回路
如图15.1所示，冷端补偿电路由稳压电源V0供电，电路支路电流分别为I1，I2，当冷端温度t0>0度时，热电势ET将比冷端在0度时减少ΔET；与此同时，RCU产生一附加电压降来补偿ΔET的变化；
当冷端温度t0=0度时，电流I1流过RCU两端A、B间的电压降
(15-1)
式中，RCU0为0度时铜电阻的阻值。
当t0>0时，A、B间的压降
(15-2)
式中，
将(15-2)- (15-1)可得

当R3>=RCU0时，则上式可写为
（15-3）
在t=0—50度时，适当选择式（15-3）中的RCU0、I1、R3等数值，可使=，实现冷端温度补偿。（对于热电偶的冷端补偿，有很多方法：一、补偿电桥法；二、计算较正法；三、补偿导线法；）

20．为什么说流量、液位等过程参数可以通过压力进行间接测量？
答 对于不可压缩的理想流体来说，若流速为v，重度为g，静压力为p，当流体充满平管道流动时，则其能量方程为式(20-1)为理想流体的伯努利方程，式中第一项表示流体的压力位能,第二项表示流体的动能。差压式流量计是以伯努利方程和连续性方程为理论根据，通过测量流体流动过程中产生的差压来测量流量的；
(20-1)
一般情况下，流量愈大，差压也愈大，流量和差压之间存在一定的关系，所以流量可以用差压间接测量；
对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液位高度；所以液位可以用差压间接测量；在工业生产中，差压变送器得到了广泛的应用。

第四章思考题与习题（P151）
1．过程控制仪表可分为那些类型？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表有何特点？它们单元间的标准统一信号怎么样？
答 1)过程控制仪表类型：
(1)按能源来分，有气动仪表、液动仪表、电动仪表。
(2)按结构形式来分，有基地式，单元组合式，组装式与集散控制装置。
(3)按信号类型来分，有模拟式和数字式。
2)气动单元组合仪表与电动单元组合仪表有何特点？
气动组合仪表，简称QDZ仪表。采用140kPa压缩空气为能源，结构简单、价格便宜、工作可靠，具有本质安全防爆的特点，适用于石油、化工等易燃易爆的场合。
电动组合仪表，简称DDZ仪表，现发展有DDS仪表。信号传输、放大、变换、处理比气动仪表方便，便于远传，易于与计算机联用。Ⅲ型仪表采用了安全防爆措施，同样适用于易燃易爆场合。
3)它们单元间的标准统一信号怎么样？
气动单元，信号为0.02～0.1MPa。
电动单元，信号为0～10mADC(DDZ-Ⅱ型)或4～20mADC(DDZ-Ⅲ型)
7．执行器有哪几种？怎么组成？它们在过程控制中起什么作用？常用的气动执行器与电动执行器有何特点？
答 1)执行器有哪几种？
按使用能源分为气动，电动，液动执行器。
2)怎么组成的？
由执行机构和调节机构(调节阀)组成。
3)它们在过程控制中起什么作用？
接受调节器输出的控制信号，转换为直线位移或角位移，来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
4)常用的气动执行器与电动执行器有何特点？
气动：结构简单，维修方便，价格便宜，并具有防火防爆等特点。能与QDZ仪表配用，通过电－气转换器或电－气阀门定位器与DDZ仪表配用。适用于防火防爆等生产过程。
电动：动作迅速，信号便于远传，便于与计算机配合使用，不适用于防火防爆等生产场合。
9．如何利用气动执行机构和调节机构组成气开、气关式调节阀？

序号
执行机构
阀体
气动调节阀
(a)
正
正
(正)气关
(b)
正
反
(反)气开
(c)
反
正
(反)气开
(d)
反
反
(正)气关
对于小口径调节阀，通常采用改变执行机构的正反作用来实现气开和气关；对于大口径调节阀，通常是用改变阀体的正反形式来实现气开和气关。
11．什么叫气开式调节阀和气关式调节阀？选用的原则是什么？并举例说明其选用。
答 气开式：当信号压力p>0.02MPa时，阀开始打开
气关式：相反，信号压力增加时，阀关小。
选用的原则：
从工业生产的安全来考虑：当气源一旦中断时，看阀门的状态，为全开或全关时其能否保证生产上的设备和人身的安全。
例子：
蒸汽加热器采用气开式阀门，锅炉进水的调节阀采用气关式阀门。
12．什么是调节阀的流量特性？什么是调节阀的理想流量特性和工作流量特性？从过程控制的角度来看为什么说调节阀流量特性的选择是十分重要的？
答 调节阀的流量特性：介质通过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即

式中：——相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比；——相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。
调节阀的理想流量特性和工作流量特性：
理想流量特性就是调节阀前后压差一定的情况下(=常数)得到的流量特性。
工作流量特性就是在实际使用时，由于调节阀安装在管道上或与其他设备串联、并联，调节阀前后的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与阀芯的相对位移之间的关系称为工作流量特性。
过程控制的角度来看为什么说调节阀流量特性的选择是十分重要的
从过程控制的角度来看，调节阀最重要的特性是它的流量特性。因为调节阀的特性对整个过程控制系统的品质有很大的影响。不少控制系统工作不正常，往往是由于调节阀的特性选择不合适，或阀芯在使用过程中受到腐蚀、磨损使特性变坏引起的。
最常用的调节阀的流量特性是直线特性和等百分比特性，它的选择直接影响着过程控制系统的控制质量。选择方法有数学分析法和经验法，目前多采用经验法。从下面几个部分来考虑：
(1)过程控制系统的控制质量指标：一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，要使系统保持预定的品质指标，则要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。一般变送器、调节器、执行机构等放大系数基本为一个常数。但是，过程的特性往往是非线性的，若合理地选择调节阀的特性，以补偿过程的非线性，则可提高系统的质量。其选择原则为
=常数
式中：——调节阀的放大系数；——过程的放大系数
(2)配管情况：由于配管状况不同，调节阀的工作特性和理想特性也有差异，因此，首先更具系统的特点来选则工作特性，然后再考虑配管状况来选择相应的理想特性。
(3)负荷变化情况：在符合变化较大的场合，，调节阀经常工作在小开度情况下，选择等百分比为宜。
13．从过程控制的应用看，为什么说调节阀对数(即百分比)流量特性是能适应各种被控过程特性的？直线流量特性怎么样？
答 从过程控制看，利用对数流量特性是有利的，调节阀在小开度时放大系数小，控制缓和平稳，调节阀在大开度时大，控制及时有效。
直线流量特性：指调节阀的相对流量与阀芯的相对位移(开度)成直线关系。直线流量特性调节阀在小开度工作时，其相对流量的变化太大，控制作用太强，易引起超调，产生振荡；而在大开度工作时，其相对流量的变化小，控制作用太弱，会造成控制作用不及时。

第五章 思考题与习题（P192）
3. 请简单归纳一下过程控制系统设计的基本方法及其主要内容
答：过程控制系统设计的基本方法：
对数频率特性设计法，根轨迹设计法，系统参数优化的计算机辅助设计等。
根据被控过程特性与技术要求设计过程控制系统时，需要进行大量的调查研究和分析计算，考虑的问题是多方面的。设计工作既要运用控制理论和控制技术，也要重视实践经验，还要配合许多局部和整体的系统仿真。
过程控制系统设计的主要内容：
过程控制系统设计包括系统的方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。
控制方案的设计是系统设计的核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。
工程设计是在控制方案正确设计的基础上进行的。它包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
过程控制系统的正确安装是保证系统正常运行的前提。系统安装主要考虑系统所需仪表的安装的位置、安装时要考虑的周围环境对仪表的影响、以及仪表的工作寿命等方面。
在控制方案设计正确的前提下，调节器参数整定是系统运行在最佳状态的重要保证，是过程控制系统设计的重要环节之一。
14.选择调节控制规律的依据是什么？若已知过程的数学模型，怎样选择PID控制规律？
答：依据：被控过程的特性（容量大小、延迟时间、负荷变化、主要扰动等）； 对系统控制质量的要求。
选择PID规律，假设被控过程的数学模型可近似描述为：

当时，选择比例或比例积分控制；
当时，选择比例积分或比例积分微分控制；
当时，单回路控制已经不能满足控制要求，应采用串级、前馈等复杂控制方式。

23. 一个热交换器（图5-38所示），用蒸汽将进入其中的冷水加热至一定温度，生产工艺要求热水温度应保持定值（），试设计一个单回路控制系统。

图5-38 热交换器
答：如下图所示：控制系统模型和方框图

24. 在某生产过程中，冷物料通知加热炉对其加热。热物料温度必须满足生产工艺要求，故设计图5-39所示温度控制系统流程图。试画出其方框图，并确定调节阀的气开或气关形式和调节器的正反作用方式。

图5-39 温度控制系统
答：系统方框图：

调节阀气开
调节器反作用
25. 在某锅炉运行过程中，必须满足汽－水平衡关系，故汽包液位是一个十分重要的指标。当液位过低时，汽包中的水易被烧干引起生产事故（甚至会产生爆炸的危险），故设计图5-40液位控制系统。试画出该系统的方框图，并确定调节阀的气开或气关形式和调节器的正反作用方式。

图5-40 液位控制系统
答：分析题意可以知道系统方框图如下：

由系统方框图知道：调节阀气关 调节器正作用

第六章思考题与习题（P240）
1.何谓串级控制系统？与单回路控制系统相比，串级控制系统有那些特点？
答 串级控制系统就是由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，前一个调节器的输出作为后一个调节器的给定值的复合控制系统，有两个调节器：主调节器和副调节器，有两个回路：主回路和副回路。特点：
（1）改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量；
（2）能迅速克服进入副回路的二次干扰；
（3）提高了系统的工作频率；
（4）
减小了对象的时间常数，对负荷变化有一定的适应能力。
6．图6－56所示为精流塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统。生产要求一旦发生事故，应立即关闭蒸汽供应。试：
（1）由系统控制流程图画出其方框图；
（2）确定调节阀的气开、气关形式；
（3）选择调节器的正、反作用方式。

图 6-56 温度－流量串级控制
答 （1）方框图为：

（2）调节阀： 气开式
（3）TC调节器、FC调节器： 反作用
7.在外墙砖、釉面砖的生产过程中，辊道窑是其主要设备，为了保证产品的烧成质量，设计了窑道温度与火道的串级控制系统（见图6－57）。试：
（1）由系统控制流程图画出其方框图；
（2）确定调节阀的气开、气关形式；
（3）选择调节器的正、反作用方式。

图6－57 温度-温度串级控制系统
答 方框图为：
调节阀：气开式
调节器：T1C，T2C 反作用

8．在炼铁生产过程中，需要给高炉输送热风。为了提高生产效率，要求热风应具有一定温度，此外还要求热风具有一定温度和富氧化，为此，在热风中引入蒸汽与一定比例的氧气，试设计了图6－58所示的控制系统。安全生产工艺条件为：一旦发生严重事故，应立即切断蒸汽和氧气，试：
（1）由系统控制流程图画出其方框图；
（2）确定调节阀的气开、气关形式；
（3）选择调节器的正、反作用方式。

图6-58 热风成分控制
(1)方框图如下：

(2)调节阀是气开方式
(3)蒸汽调节器是反作用方式，氧气调节阀是正作用方式
9． 在设计某加热炉温度—温度串级方案中，主调节器采用PID控制规律，副调节器采用P控制规律。为了使系统运行在最佳状态，采用两步整定法整定主、副调节器参数，按4：1衰减曲线法测得：
=42%，=25s
=75%，=11min
试求主、副调节器的整定参数值。
答 副调节器采用P，调节器参数：
主调节器采用PID，调节器参数为：，

10．试比较前馈控制与反馈控制的特点。
答 (1)前馈控制是一种开环控制，反馈控制是一种闭环控制；(2)前馈控制控制根据是可测扰动，闭环控制控制基于反馈，扰动是可测也可随机；
反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进行控制的反馈控制系统，特点是在被控参数出现偏差后，调节器发出控制命令，以补偿扰动对被控参数的影响，最后基本消除偏差。
前馈控制是一种直接根据造成偏差的原因（扰动）进行控制的新方法，即当扰动一出现，调节器即根据扰动的性质和大小进行控制，以补偿扰动的影响，调节器即根据扰动的性质和大小进行控制，以补偿扰动的影响，使被控参数不变或基本不变。
11．在工业生产过程自动化中，为什么通常将前馈控制与反馈控制结合起来使用？试分析前馈—反馈控制系统的特点。
答 通常将前馈控制与反馈控制结合起来使用，虽然前馈控制是减少被控参数动态偏差的一种有效的方法，但是开环前馈控制在工业生产中是无法采用的。因为在实际工业生产过程中，使被控参数产生变化的原因（扰动）是很多的，如果对每一个扰动读设计和应用一套前馈控制，会使控制系统变得十分复杂，实际上是不可能的。同时对于有些扰动是不可测量的，对此就无法实现前馈控制。另外，要实现动态前馈控制其的控制律也是很困难的。当然，过程在不同的工况下其特性是变化的，要得到精确的数学模型、更为困难。所以，在设计和应用前馈控制系统时，若只根据预定的几种扰动，是不能保证被控参数不变的。为了在生产过程自动化中得到满意的控制效果，合理的控制系统应该是把前馈和反馈控制结合起来，即在反馈控制系统的基础上附加一个或几个扰动的前馈，组成前馈－反馈控制系统。这样，利用反馈控制系统在稳态时使被控量等于给定值；动态时，利用前馈控制来有效地减少被控参数的动态偏差，从而提高系统的控制质量。
前馈—反馈控制系统的特点 (1)由于增加了反馈控制回路，降低了前馈控制器的精度要求;(2)利用前馈控制对系统中的主要扰动进行补偿；(3)利用反馈控制克服其余次要的扰动，保证被控量的稳态精度;(4) 前馈控制只能抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响；（5）既可实现高精度控制（反馈），又能及时克服扰动对被控参数，保证系统稳定运行（前馈）。

13．图6－59所示为用蒸汽加热的贮槽加热器。进料量为，其初温为；出料量为，温度为。生产工艺要求贮槽中的物料温度需维持在某一值上，当进料量不变，而初温波动较大时，试设计一过程控制系统。
答 控制系统设计如下：

图6-59 贮槽加热器

17.为什么大时延过程是一种难控制过程？它对系统的控制品质影响如何？
答 在现代工业生产过程中，有不少的过程特性具有较大的纯时延，其特点是当控制作业产生后，在时延范围内，被控参数完全没有反应，因此大时延过程是一种难控制过程。
影响 当控制通道或测量变送环节存在纯时延时，会降低系统的稳定性。另外由控制原理可知，纯时延会导致增大被控参数的最大偏差，系统动态质量下降。

第七章 思考题与习题（P274）
1．什么叫比值控制系统？常用比值控制方案有哪些？并比较其特点。
答 定义：用以实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。

方案与特点：（1）开环比值控制系统，开环系统，无法克服副流量干扰，实际应用较少。
（2）单闭环比值控制系统，能够克服从物料本身干扰对比值的影响，实现主副物料的精确配比，应用较广；缺点：总物料不固定，影响控制质量，甚至造成事故。（3）双闭环比值控制系统，能保证主副物料量恒定，比值恒定；可以由两个单回路流量控制系统替代。（4）变比值控制系统，按照一定工艺指标修正比值系数。

8．同单回路控制、串级控制相比，比值控制系统参数整定有何特点？
答 双闭环比值控制系统的主流量回路可按单回路控制系统进行整定；变比值控制系统因结构上属于串级控制系统，所以，主调节器可按串级系统进行整定。单闭环比值、双闭环比值的副流量回路、变比值的比值回路实质上是一个随动系统，要求副流量能快速、正确的跟随主流量的变化，而且不宜有过调，所以应整定在振荡与不振荡的边界为最佳。

9．图7-43所示为某精镏塔塔顶温度控制系统的流程图。要求：
（1）由流程图画出其方框图。
（2）若回流液中断时，会破坏塔的平稳操作，试确定调节阀的气开、气关形式。
（3）确定有关调节器的正、反作用方式。
答 （1）方框图如图7-43（a）示。

图7-43（a）
（2）调节阀（执行器）： 气关式
（3）F1C:反作用，F2C:正作用，TC:正作用

10．什么是均匀控制？常用均匀控制方案有哪几种？试述设置均匀控制的目的与要求。
答 定义：是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协调的系统。
常用方案：简单均匀控制系统、串级均匀控制系统、双冲量均匀控制系统三种。
目的：使前后两个物理量在扰动作用下，都有一个缓慢而均匀的变化。
要求：表征前后供求关系的两个参数是矛盾的、两个参数应该是缓慢变化的、两个参数只能在允许的范围内波动。

13．什么叫分程控制系统？与前述过程控制方案（如单回路、串级）相比有何特点？
答 一个调节器的输出信号分段，分别控制两个或两个以上的调节阀工作，即每个调节阀在调节器输出的某段信号范围内作全行程动作，这种过程控制系统就叫分程控制系统。
特点是分程控制系统控制信号分程且调节阀多。

19.什么叫选择性控制？试述其常用的系统分类及其应用。
答 选择性控制是把工业生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方式。
分类 (1)选择器位于调节器输出端，对输出信号进行选择的系统;(2)选择器位于调节器前，对变送器输出信号进行选择的系统。
应用 实现软保护、实现产量自动调整、实现加热炉多点平均温度选择、实现反应器节水等。

附录:
一、 名词解释
1．衰减比
2．自平衡过程
3．调节阀的流量特性
4．直接参数
5．比值控制系统
6．控制系统的参数整定
7．闭环控制系统
8．被控对象特性
9．测量过程
10．控制阀的流量特性
11．分程控制系统
12．变送器的量程
13．调节阀的流通能力C

二、 填空题
1、 过程控制的要求可以归纳为三项，即 性、 性、 性。
2、 过程控制系统动态质量指标主要有 、 和 ；静态质量指标有 。
3、 测试对象动态特性的实验方法主要有 、 和 。
4、 执行器可分为三大类，它们是 、 和 。
5、 气动执行机构有正作用和反作用，当信号压力增加时，推杆向下移动的叫 。
6、 调节阀的流量特性有 、 、
、 四种。
7、 单容被控对象的动态特性都是 环节。
8、 常规过程控制系统中调节器的调节规律有 、 、
、 四种。
9、 实验中我们是通过测量 来计算流量传感器的流量的。
10、 比值控制系统的类型有 、 、