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过程控制复习题及答案

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过程控制复习题及答案  填空,选择,判断,简答,分析题共9页

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一、填空题 1.被控过程的数学模型,是指 过程在各输入量(包括控制量与扰动量)作用下,其相应输 出量(被控量)变化函数关系的数学模型 。 2.过程的数学模型有两种, 非参数 模型和 参数 模型。 3.过程控制系统通常是指工业生产过程中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 和 pH(酸碱度或氢离子浓度)等这样的一些过程变量的系统。 4.表示过程控制系统控制关系的方框图,两个框之间的带箭头连线表示 其相互关系和信号 传递方向 ,但是不表示 方框之间的物料关系 。 5.一种测量体与被测介质接触,测量体将被测参数成比例转换成另一种便于计量的物理量, 再用仪表加以显示,通常把前一种过程叫做 一次测量 ,所用的仪表称为 一次仪表 ,后 面的计量显示仪表称为 二次仪表 。 6.在热电偶测温回路中接入第三种导体时,只要接入第三种导体的两个接点温度相同,回路 中总电动势值 不变 。 7.DDZ-III 型变送器是一种将被测的各种参数变换成 4~20mA 统一标准信号 的仪表。 8.正作用执行机构是指 当输入气压信号增加时,阀标向下移动 。 反作用执行结构是指 当输入气压信号增加时,阀标向上移动 。 9.流通能力定义为 调节阀全开,阀前后压差为 0.1Mpa、流体密度为 1g/cm3 时,每小时流过 阀门的流体流量(体积(m3)或质量(kg)) 。 10.执行器的流量特性是指 被控介质流过阀门的相对流量 与 阀门的相对开度 之间的关 系。 11.接触式测温时,应保证测温仪表与被测介质 充分接触 ,要求仪表与介质成 逆流 状态, 至少是 正交 ,切勿与介质成 顺流 安装。 12.干扰通道存在纯时间滞后,理论上 不影响 控制质量。 13.扰动通道离被控参数越近,则对被控过程影响 越大 。 14.正作用调节器的测量值增加时,调节器的输出亦 增加 ,其静态放大倍数取 负值 。反 作用调节器的测量值增加时,调节器的输出 减小 ,其静态放大倍数取 正值 。 15.气开式调节阀,其静态放大倍数取 负 ,气关式调节阀,其静态放大倍数取 正 。 16.常见复杂控制系统有 串级控制、补偿控制、比值控制、分程与选择控制 和 多变量解 耦控制 等。 17.串级控制系统与单回路控制系统的区别是其在结构上多了一个 副回路 ,形成了两个 闭环 。 18.一般认为纯滞后时间τ与过程时间常数 T 之比大于 0.3,则称该过程为 大滞后过程 。 19.凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系统,统称为 比值控制系统 。 20.分程控制系统从控制的平滑性来考虑,调节阀应尽量选用 对数 调节阀,可采用 分程信号重叠 法来控制调节阀开度。 21.选择性控制系统的特点是采用了 选择器 。它可以接在两个和多个调节器的输出端,对 控制信号 进行选择,也可以接在几个变送器的输出端,对 测量信号 进行选择。 22.常见 DDZ-III 型温度变送器有 热电偶 温度变送器、 热电阻 温度变送器、 直流毫伏 温度变送器。 23.绝对误差是指 仪表指示值与被测变量的真值之差 。 24.典型的过程控制系统由 检测元件、变送器、调节器、调节阀 和 被控过程 等环节构成。 25.按过程控制系统结构特点来分类可分为 反馈控制系统 、 前馈控制系统 、 前馈-反馈 控制系统 。 26.按过程控制系统给定值来分类可分为 定值控制系统 、 程序控制系统 、 随动控制系 统。 27.被控过程输入量与输出量的信号联系称为 过程通道 。控制作用与被控量之间的信号通 道联系称为 控制通道 。 28.当阶跃扰动发生后,被控过程能达到新的平衡,该过程称为 自衡过程 过程,如果不能 达到新的平衡,则称该过程为 无自衡过程 过程。 1 29.研究建模过程的目的主要有 设计过程控制系统和整定调节器参数 、 指导设计生产 工艺设备 、 进行仿真试验研究 、 培训运行操作人员 。 30.量程调节的目的是 使变送器的输出信号的上限值 ymax(DC 20mA)与测量范围的上限 值 xmax 相对应 。 31.正迁移是指 测量起点由零迁至某一正值 。 负迁移是指 测量起点由零迁至某一负值 。 32.流量是指 单位时间内通过管道某一截面的物料数量,即瞬时流量 。 33.差压变送器主要用于测量 液体 、 气体 或 蒸汽的压力、差压、流量、液位 等 过程参量,并将其转换成标准统一信号 DC4~20mA 电流输出,以便实现自动检测 或控制。 34.执行器由 执行机构 和 调节机构(阀) 两部分组成。 35.在过程控制系统中,执行器接受 调节器 输出的控制信号,并转换成 直线位移或角位 移 ,来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制 流入或流出被控过程的流体介质的流量 ,从而实现对过程参数的控制。 36.定值控制系统是指 系统被控量的给定值保持在规定值不变,或在小范围附近不变 的 控制系统。 37.在控制系统方块图中,两个方块之间用带箭头的线段相联系来表示 其相互关系和信号 传递方向,但是不表示方框之间的物料联系 。 38.化工检测仪表都可看成由 检测、转换放大、显示 三部分组成。 39.检测元件的作用是 感受工艺变量的变化并转换成特定信号 。 40.在工程上,压力是指 物理学中的压强,即垂直而均匀地作用于单位面积上的力 。 41.常见的弹性元件有 弹簧管、波纹管、单膜片 。 42.瞬时流量是指 单位时间内通过管道某一界面的物料数量 。 43.根据规定,测量稳定压力时,压力表的上限值应为最大工作压力的 4/3 倍;测量波动 较大的压力时,压力表的上限值应为最大工作压力的 3/2 倍;测量高压压力时,压力 表的上限值应为最大工作压力的 4/3 倍;为保证测量值的精确度,被测压力的最小值 应不低于仪表全量程的 1/3 。 44.根据使用能源不同,执行器可分为 气动 执行器、 电动 执行器、 液动 执行器。 45.扰动通道静态放大系数越大,则系统的稳态误差 越大 。控制通道的静态放大系数越 大,表示控制作用越 灵敏 ,克服扰动能力 越强 。 46.根据被控过程特性来选择调节阀的工作流量特性,其目的是使 系统的开环放大系数为 定值 。 47.系统在自动控制作用下,从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为 过渡过 程。 48.对被控过程而言,操纵变量至被控变量的信号联系称为 控制通道 ;扰动至被控过程 的信号联系称为 扰动通道 。 49.描述简单被控过程特性的参数有 温度、压力、流量 。 50.用热电偶测温,焊接的一端插入被测介质中用以感受被测温度,称为 热端 ;另一端 与导线相连,称为 冷端 。 51.在阀前后压差为一定的情况下得到的信号流量特征 称为理想流量特性。 52.在工程测量中,是以 把高一等级的标准仪器所测得的量值 作为被测变量的真实值。 53.调节器的基本控制规律有 比例控制规律(P)、比例积分规律(PI)、比例微分规律(P D)、比例积分微分规律(PID) 等四种类型。 54.瞬时流量是指 单位时间内通过管道某一截面的物料数量 。 2 55.静态放大倍数为正的被控过程,为 正 作用被控过程;静态放大倍数为负的被控过程, 为 负 作用被控过程。 56.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 和 调 节器参数整定 等四个方面的内容。 p141 57.串级控制系统主回路一般是一个 定值控制 系统,副回路一般是一个 随动控制 系统。 二、选择题 1.对于气动执行机构,当信号压力增加,推杆下移的,称该气动执行机构为( C )。 (A)移动式 (B)可调式 (C)正作用式 (D)反作用式 2.控制系统中,下面哪种控制规律具有消除余差的作用( D )。 (A)位式控制 (B)比例控制 (C)微分控制 (D)积分控制 3.在控制系统中,工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等,称为( A )。 (A)被控过程 (B)控制器 (C)反馈 (D)设定值 4.仪表的指示值与被测变量真实值之间的差值称为( B )。 (A)相对误差 (B)绝对误差 (C)仪表误差 (D)变差 5.测量的起始点由零变为某一数值时,称为( C )。 (A)误差 (B)负偏移 (C)正迁移 (D)绝对误差 6.工业上使用的调节器,一般都用( A )来表示比例控制作用的强弱。 (A)放大倍数 (B)比例度 (C)积分系数 (D)时间常数 7.感受工艺变量的变化并将它转换成特定信号的元件称为( D )。 (A)控制器 (B)控制对象 (C)调节器 (D)检测元件 8.反馈信号相对于设定值信号取负值,这种反馈称之为( A )。 (A)负反馈 (B)正反馈 (C)开环 (D)给定值 9.从保证生产安全的角度考虑,控制进入加热炉燃气流量的调节阀,应选用( C )。 (A)气动式 (B)电动式 (C)气开式 (D)气关式 10.测量管道内液体压力时,取压点应在管道的( B )。 (A)下半部 (B)中间 (C)上半部 (D)无限制 按图填空 图 2.1 为典型过程控制系统的框图,请将各环节的名称填入框图中。 图 2.1 3 图 2.1 1.图 2.1 所示串级控制系统中,主被控变量为 炉出口的温度 ,副被控变量为 炉膛温度 。 2.从生产工艺安全出发,燃料油调节阀应选用 气开 式,则调节阀比例系数 KV 为 正 。 当调节阀开度增大,燃料油增加,炉膛温度升高,则副过程比例系数 K02 为 正 。为保证 副回路为负反馈,副调节器 T2C 的放大系数 K2 应取 正 ,即为 反 作用调节器。炉膛温 度升高,则炉出口温度升高,故主过程的放大系数 K01 为 正 。为保证这个回路为负反馈, 则主调节器的放大系数 K1 应为 正 ,即为 反 作用调节器。 判断题( Y-yes N-wrong ) 1.在控制系统中,被控变量是被控制的物理装置或物理过程。(Y) 2.设计串级控制系统时应该把所有干扰包括在副环中。(N) 3. 开环控制是一种没有反馈的简单控制。(Y) 4. 等幅振荡是过渡过程基本形式之一,如果系统出现等幅振荡,则该系统是稳定的。(N) 5. 对于干扰通道,时间常数越大则越有利于调节。(Y) 6. 串级控制系统的整定都是先整定主环再整定副环(N)。 7. 前馈控制是一种开环控制系统(Y)。 8. 机理分析法是被控对象建模的唯一方法(N)。 9. 测温仪表测量温度时,可以与被测介质成顺流安装(N)。 10.热电偶温度计必须作冷端温度补偿(Y)。 简答题 1.闭环控制系统分为几种类型?每种代表什么含义? 答:(1)定值控制系统,就是系统被控量的给定值保持在规定值不变或在小范围附近不变。 (2)程序控制系统,是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作。 (3)随动控制系统,是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。 2.简述被控过程特性的实验测取法。 答:对某些非线性因素,在数学上无法或难以推导,则要通过实验测量并进行关系近似与 4 假设,这种通过试验来获取数学模型的方法称为被控过程的实验测取法。 3.简述热电偶“中间导体”定律。 答: 在热电偶测温回路中接入第三导体时,只要接入第三导体的两个接点温度相同,回路总 电动势值不变。 4.一个单回路控制系统主要由哪几个环节组成?其中检测元件及变送器、调节器、执行 器各起什么作用? 答:一个单回路控制系统主要由测量元件、变送器、调节器、调节阀、和被控过程等环节组 成。 检测元件:感受工艺变量的变化并转换成特定信号。 变送器:作用是把被控变量主 y(t)成比例地转换成测量信号 z(t)作用,这是调节器的,调节 器将输入信号与给定值比较得出偏差值对被控过程进行控制,调节阀作为动作执行者,调节 阀的大小。 调节器:有比例控制,比例积分控制,比例微分控制,比例微分积分控制等类型。 执行器:接受调节器输出的控制信号,并转换成直线位移或角位移,来改变阀芯与阀座间的 流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的流量。 5.为什么热电偶测温时,一般都要采用补偿导线? 答:由热电耦测温原理可知,只有当热电耦温度不变时,热电势才是被测温度的单值函数, 所以在测温过程中必须保持冷端温度恒定。可是热电耦长度有限,其冷端会受到环境温度的 影响而不断变化,为了使热电耦冷端温度保持恒定,则采用补偿导线。 6.什么是气开式调节阀?什么是气关式调节阀?其选择的原则是什么? 答: 气开式:执行器输入压力 p>0.02mpa 时,阀开始打开,也就是说有信号压力时阀打开,无信 号压力时阀关。气关式则反之,有信号压力时阀关 ,无信号压力时阀开。 原则:主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要。 a、考虑事故状态时人身、工艺设备安全。 5 b、考虑事故状态下减少经济损失,保证产 品质量。 c、考虑介质的性质。 分析题 1.说明下图中容器压力控制系统中的调节阀应选用气开式还是气关式。 答:应选用气关式调节阀。 因为假设当发生事故时,阀的 信号压力消失,此时容器内仍 不断有气体充入,若此时阀门 关闭,当容器内气体大到一定 压力就会发生爆炸,所以应该 使阀门在没信号压力时全开, 所以要选择气关式调节阀。 2.下图是调节阀的气开气关组合方式图,根据图示,填写表格以说明(a)、(b)、(c)、(d)四 种调节阀的正反作用及其气开气关组合。 序号 执行机构 (正、反作用) (a) 正作用 阀芯 (正装、反装) 正装 调节阀 (气开、气关) 气关 (b) 正作用 反装 气开 (c) 反作用 (d) 反作用 正装 反装 气开 气关 3.下图为单回路温度自动控制系统。冷物料经换热器与蒸汽换热后流出,通过改变进入 换热器的蒸汽量来保持热物料出口温度为某设定值。当冷物料流量突然增大△Q 后, 6 分析该系统如何实现自动控制? 解:当冷物料流量突然增大时,测量元 件检测到出料口温度降低,于是将测量 值与给定值的差给调节阀,调节阀控制 阀门使蒸汽量加大,从而使出料口的温 度上升,当出料口的温度达到设定值 时,系统再次稳定。 (个人参考答案) 4.画出控制系统的方块图(需著明各方块的名称及主要信号的名称)。 解: 计算及问答题 1.某换热器温度控制系统(设定值为 100℃),在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所 示。分别求出衰减比、最大偏差、余差、过渡时间和振荡周期(按±3%稳态值来确定 过渡时间)。 参考课本 p143 解:衰减比ψ=1  B2 B1 1 (130105) (110105)  0.8 最大偏差 A,即超调量σ= y(t p ) y() y() 100%  130105 105 100%  23.8% 余差 C=│y﹙∞﹚-y﹙0﹚│=105-100=5 7 过渡时间 ts=27min,(计算稳态值的±3%,即 102 或 108,用尺子量后估算出时间) 振荡周期,时间作衰减振荡,所以振荡周期 T=20-8=12min,(两个波峰的时间差) 2.已知某被控过程的数学模型为 U (s)  K E(s) Ts  1 应用前向差分法,求关于 u(k)和 e(k)的差分方程。 参考计算控制课本 p129 u(k+1) = Ke(k) 3.一台仪表的测温范围为 100~550℃,绝对误差的最大值为 2℃,求这台仪表的相对误差。 解:δ= 2 550100 100%  0.44% 4.某一标尺为 0~500℃的温度计出厂前经校验,其刻度标尺各点测量结果值分别为: 被校表读数 0 100 200 300 400 500 标准表读数 0 103 198 303 406 495 (1)求出仪表最大绝对误差值; (2)确定仪表的允许误差及精确度等级; (3)仪表经过一段时间使用后,重新校验时,仪表最大绝对误差为±8℃,问该仪表是否 还符合出厂时的精确度等级。 参考课本 p33 页 解:(1)最大绝对误差值为 6 。 (2)仪表精度δ= 6 5000 100%  1.2%  1.5% 所以允许误差为±1.5%,仪表精度等级为 1.5 级。 (3)使用一段时间后的精度为δ= 8 5000 100%  1.6%  1.5% 所以不符合出厂时的精确度等级。 5.如下图所示液位控制系统中,被控过程物料的输入量和输出量是什么?控制系统的(1) 被控变量、(2)操纵变量、(3)主要扰动、(4)输入信号、(5)输出信号各是什么? 此题需特别注意!! 解:被控过程物料的输入量时水的流 量 Q1,输出量是水的流量 Q2; (1)被控变量是液位 H; (2)操纵变量是流量 Q2;(开关在这 里,控制排水量,而不是入水量) (3)主要扰动是流量 Q1; (4)输入信号是液位的给定值; (5)输出信号是液位 H。 6.图所示液位过程的输入量为 q1,流出量为 q2、q3,液位 h 为被控参数,C 为容量系数, 设 R1、R2、R3 为线性液阻,求: (1)列出液位过程的微分方程组; (2)画出液位过程的框图; (3)求液位过程的传递函数 W0(s)=H(s)/Q1(s) 8 参考课本 p135,作业 2-6 解:(过程略) (1) q2  h R2 q3  h R3 q1  q2  q3  C dh dt (2)参考 p13 R2 R3 (3) W0(s)= CR2 R3s R2  R3 7.用动态特性参数法整定单回路控制系统调节器参数时,测得过程的τ=8s,T=80s,自平 衡率ρ=1,当调节器分别采用 P、PI、PID 控制规律时,求ψ=0.75,调节器整定的参数。 某热交换器图 5.1 所示,用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定的温度,生产工艺要求热水 温度保持定值(t±1℃),试设计一个单回路控制系统,并说明该控制系统的基本工作原理, 系统的被控变量、控制量和主要扰动量是什么及选用的控制算法。 解:(无标准答案) 8.某前馈控制系统框图如图所示,试通过推导分析,前馈控制器 W1(s)、过程扰动通道传递 函数 W2(s)和过程控制通道传递函数 W3(s)满足什么关系时,能够实现对扰动的全补偿? 解:参考计算机控制 p38。 求传递函数 Y(s)/F(s),然 后令分子等于 0,即  Y (s) F(s) W2 W1W3 1 W2  W1W3  0 9

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