过程控制系统与仪表课后答案

①为实现对某个工艺参数的自动控制，由相互联系、制约的一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的一个整体。

②测量变送器、控制器、执行器和被控对象

给定值不变的反馈控制系统、

1-6静态特性—静态时系统各环节的输入输出关系。动态特性—在动态过程中系统各环节的输入输出变化关系。

1-81）衰减比n：相邻两同向波峰（或波谷）之比。2）衰减率ψ：相邻两同向波峰（或波谷）衰减百分比。3）最大动态偏差：系统瞬间偏离给定值的最大程度。4）超调量σ：第一个波振幅与最终稳态值y(∞)之比。5）余差C：过渡过程结束后，被控参数的稳态值y(∞)与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。6）调节时间Ts：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的±5% （或±2%）范围内，就认为过渡过程结束。7）振荡频率ω：相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T ，其倒数称为振荡频率。1-10①最大动态偏差：A=50②衰减比：n=5③振荡周期：T=36④能满足要求

第二章2-1①最大绝对误差=806-800=6②基本误差=6/1000=0.6%；1.0级③不能用，只能用0.5级的仪表

2-4间接导致精度等级下降。例如：量程0~1000的1级仪表用在测量范围在0~100时，精度变成了10级！

2-5①最大误差250*1%=2.5②最大误差750*1%=1.875

2号表精度低，价格相对便宜，但2号仪表的最大误差小，而且被测参数的数值在2号表量程内，所以选择2号表。

2-6①将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。

②

镍铬—镍硅K 0～+1000 40μV/℃

价廉,，可在氧化及中性气氛中使

用

铜—康铜T -200～

+400

50μV/℃

价廉,但铜易氧化,常用于150℃

以下温度测量

③热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。

2-8①金属热电阻测温精度高。②热电阻导线过长时，导线电阻过大，对测量带来较大误差，采用三线制接法，可有效消除线路电阻对测量的影响。

2-9①查阅Cu100电阻分度表，得到140°对应电阻为159.96欧姆②查阅Pt100电阻分度表，得到电阻为159.96欧姆对应157°

2-12①自由端B的位移与输入压力p成正比。通过拉杆、齿轮的传递、放大，带动指针偏转。

②被测压力最大值应在仪表量程的2/3左右，不超过1/2，所以选仪表量程0~2.5的仪表，又因为，所以选择2级足够。

2-13①精度为1级，所以最大误差1.6*0.01=0.016>0.01，不能符合要求②第二个仪表的量程太小，也不符合要求

2-15①电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。

②特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强，测量精度高，可达0.2级。

2-19①流量测量中转子的平衡条件是：压差力=重力，S?6?2P = （ ） g V，可知，?6?2P应为常数。②差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量，流量与节流件前后压差的平方根成正比。

2-21安装时不需要有直管段，对流体的流动状态无要求，特别适用于高粘度介

质的流量测量。测量精度高，最高可达±0.1%。使用温度不能过高。被测流体中不能含有固体颗粒。

2-22①在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流 v 速有关。

②可以测量各种导电液体的流量，如酸、碱、盐溶液，流体可以含有固体颗粒、悬浮物或纤维等。只能用来测量导电液体的流量，要求导电率不小于水的导电率。不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。

2-24特点：超声波流量计属非接触式测量，不会影响被测流体的流动状况。测量液体流量精度可达0.2级，测量气体流量精度可达0.5级。

要求流体清洁，以避免对超声波束的干扰。测量管前后要有足够长的直管段，以保证流速均匀。

2-25Δp = p1-p2 = ( h1ρ1g + Hρ1g + p0 ) －( h2ρ2g + p0 )

H=0时，Δp = h1ρ1g- h2ρ2g，若ρ1=ρ2，则Δp<0，需要负迁移。

2-27利用电容器的极板之间介质变化时，电容量也相应变化的原理测物位。

2-28特别适合强腐蚀性、高压、有毒、高粘度液体，不能有气泡和悬浮物，液面不能又很大波浪，不易测高温

第三章

3-1①控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。

②断续控制——控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。连续控制——控制器输出连续信号，如比例控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。

3-2①双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。

②被控参数在给定值处上下振荡，无法稳定。

3-3公式y = KP e说明：如果被调量偏差为零，调节器的输出也就为零，而实际调节器的输出不可能总为0，所以偏差必然存在。

3-4，由公式可知：当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消失时，输出能保持在某一值上。

3-7①比例度就是指控制器输入偏差的相对变化值与相应的输出相对变化值之比，是放大倍数K P的倒数。②表明比例作用对偏差变化的有效区间，即偏差大于比例带时，比例输出仍然是100%（满量程）。\

3-8①，：微分时间②输出信号持续时间太短，实际微分时间可以惯性延迟。3-10①比例：控制及时、适当，结果存在静差；积分：可以消除余差；

微分：能超前控制，对静态偏差毫无控制能力②积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作缓慢，故不单独使用。对静态偏差毫无控制能力，故不单独使用。

3-14①P：是放大倍数K P的倒数，越小控制作用越强，残差愈小。

T I：越小积分作用越强 T D：越大微分作用越强②变成纯比例调节

第四章4-1执行机构：推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。

调节机构：阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小

4-2（1）直通单座阀：泄漏量小，流体对阀芯的不平衡作用力大。一般用在小口径、低压差的场合。

（2）直通双座阀：不平衡力小，泄漏量较大。一般用在大口径、大压差的场合。（其他了解）

4-4①在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。

实际使用时，阀前后压差也是变化的，这时流量特性会发生畸变叫实际流量特性。直线阀变为快开阀，对数阀变为直线阀

②直线流量特性，等百分比（对数）流量特性，快开特性。

4-5单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系：等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。

4-7阀权度s表示调节阀全开时，阀前后最小压差△PTmin与总压力△ P之比。S=1，管道压力为0，此时调节阀为固有流量特性，S<1，随着阀门开大，阀前后压差变小，使流量发生畸变。

4-8①压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。②当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。

4-9气开式，保证控制信号中断时，切断蒸汽源。

4-11电气转换器：将4～20mA的电流信号转换成20～100KPa的标准气压信号。阀门定位器：引入阀杆位移负反馈。使阀杆能按输入信号精确地确定自己的开度。

4-13电动调节阀接受来自调节器的电流信号，阀门开度连续可调。

电磁阀也接受来自调节器的电流信号，阀门位式调节，只有开和关两个位置。4-15①从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。

②构成安全火花防爆系统的二要素：在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。现场仪表与危险场所之间的电路连接必须经过安全栅（防爆栅）。

4-16用晶体管构成限流电路。VT3（耗尽型）工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在4～20mA范围内VT1处于饱和状态。

由VD1~VD4和F1 ~ F’2组成限压电路。背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。

4-17不能，在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则

完全做到了安全火花防爆。

第五章5-1表示输入变量和输出变量之间动态关系的数学描述。

5-2机理法：根据生产过程的内部机理，列写出有关的平衡方程，从而获取对象的数学模型。

测试法：通过对被动过程的输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。

5-5必须对生产过程的机理有充分的了解，并能准确的用数学语言加以描述。5-6①干扰作用破坏系统平衡后，系统能在没有外部干预的情况下自动恢复平衡状态。

②被控过程的输出对扰动存在负反馈。

5-7①单容：只有一个存储容量的过程。②多容：一个以上存储容量的过程。5-8容量滞后：对于干扰的响应在时间上的这种延迟。纯滞后：由传输延迟引起的滞后特性。

第六章6-1一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成

6-2安全性、稳定性和经济性

6-3方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定

6-41）掌握生产工艺对控制系统的技术要求 2）建立被控过程的数学模型 3）确定控制方案, 包括控制方式和系统组成结构的确定，是过程控制系统设计的关键步骤。 4）控制设备选型 5）实验（或仿真）验证

6-6K0越大，控制作用越强，稳态误差越小，抗干扰能力越强； T0越大，动态偏差越大

τ0越大，控制时间延长、最大偏差增大。 Kf越大，干扰作用越强，稳态误差越大。

Tf越大，干扰对被控变量的影响越缓慢，越有利于控制。

6-8 传感器与变送器合适的测量范围（量程）与精度等级。应尽可能选择时间常数小的传感器、变送器。合理选择检测点，避免测量造成对象纯滞后τ0。6-9口径过小，系统受扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态。

口径过大，阀门长时间工作在小开度状态，控制精度低，工作特性差。

正常工况下，调节阀的开度应在15%～85%区间。

6-10按控制信号中断时，保证生产设备安全的原则确定。

6-11保证系统构成负反馈

6-12气关式，正作用，图略

6-13气关式，正作用，图略

第七章7-1①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；

②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；

③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力

7-2对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：

K02 *<< K02 说明干扰通道的影响力降低；

T02 *<< T02说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。

7-3副回路的引入，提高了系统的工作频率。

7-4①主、副变量有对应关系

②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰

③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振” 的发生

④应注意工艺上的合理性和经济性

7-5副回路是随动控制系统，主回路的输出作为副回路的给定值，而主回路的输出是变化的

7-7常用两步整定法：7-61）容量滞后较大的过程 2）纯滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程

4）非线性严重的过程

系统处于串级工作状态，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。

②气开式

③主回路：反作用，副回路：反作用

7-9

1）按照引起被控参数变化的扰动进行开环控制。

2）前馈控制的特点：

①前馈控制器是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。

②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。

③前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。

④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。

3）前馈控制的局限性

①不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。

②前馈控制器的补偿控制规律很难精确计算，而开环系统对误差无法自我纠正。7-10①补偿控制规律很难精确计算。②开环系统无法保证控制精度。

7-11（第二问改成各自特点）1）静态前馈控制系统结构简单、易于实现。2）动态前馈控制系统理论上控制精确，但常常无法获得补偿控制规律精确表达式。

3）前馈—反馈复合控制系统①既提高了控制速度，又保证了控制精度。②反馈控制回路的存在，简化了前馈控制器的设计和实现。③既可实现高精度

控制，又能保证系统稳定运行。

4）前馈——串级复合控制系统兼有串级控制系统和前馈控制系统的特点7-12 传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。表明反馈控制系统的稳定性不变

7-14①即双冲量水位控制系统，参考教材P319

②蒸汽流量前馈能起到加速调节的作用，即流量变化马上开始调节调节阀。

7-15①是一种定周期的断续PID控制方式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。

②采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果在采样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应。

③保持的时间T与必须大于纯滞后时间τ0。

7-16①设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作。

②对干扰的抑制效果不理想，对过程模型误差敏感

7-17，框图参见P229图7-17

7-18①实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

②开环比值控制系统：结构简单、成本低，但无抗干扰能力。

单闭环比值控制系统：副流量闭环控制，控制精度提高，不适合总物料流量要求控制的场合。

双闭环比值控制系统：两个流量都可控，总流量稳定。

变比值控制系统：物料流量的比值可随第三工艺参数的需要变化。

7-19①工艺规定的流量（或质量）比值K必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数K’后才能进行比值设定。

②流量与测量信号之间成线性关系流量与测量信号之间成非线性关系

7-20①恒定，不恒定②恒定，恒定

7-21①正常操作是两个流量都恒定，所以采用双闭环控制系统②孔板测量的信号需要开方，分两种情况已配开方器，则得到的信号与流量成线性关系，则未配开方器，则得到的信号与流量的平方成线性关系，则

7-22①参见P231图7-21b ②不恒定，改成双闭环比值控制系统

7-25 ①在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调节阀，故取名为分程控制系统。②（特点即定义）③通过调整阀门定位器的输入信号零点和量程，使调节阀在规定的信号区段作全行程动作。

7-26 ①调节阀同向动作的分程控制系统②调节阀异向动作的分程控制系统

7-27 如果两个调节阀都用直线特性，且直线特性差距大时，总流量特性衔接处有突变点。

如果调节阀是对数流量特性，其总流量特性衔接处必有突变点。

7-28 ①画出调节器输出信号分程作用区间图②进料阀气开式，出料阀气关式，调节器反作用（假设是放热反应）

7-29①选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。系统设有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。

②掌握P245图7-35

7-30①流程图参照图7-35 给定1：釜液流量，给定2：裂解气出口温度

②调节阀采用气开式，控制器1:反作用，控制器2：正作用，选择器：低选器第九章9-2直接数字控制系统简称DDC（Direct Digital Control）系统，就是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用于执行器，实现对整个生产过程的控制。

9-3当系统控制要求发生变化时，可通过重新编制程序来适应控制要求的改变，而不必进行大量硬件结构改动。

易于实现各种比较复杂的控制规律及特殊的的控制算法，如串级、前馈、选择大滞后补偿等控制。

9-7现场控制站：实现对生产过程数据的采集与实时控制。相关信息上传到操作站，并接受操作站下传的控制指令。通过通信总线实现现场控制站之间的数据交换。操作站：以系统生成、维护为主的工程功能；以监视、运行、记录为主的操作功能；与现场控制站和上位计算机交换信息的通信功能；运行数据文件的存储、管理功能。高速通信总线：实现现场控制站和操作站及操作站和操作站之间的信息交换

9-9实时响应迅速，适应恶劣的工业环境，可靠性高，具有开放性。

9-11现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。

9-12一个典型的IEC/ISA现场总线通信结构模型仅保持ISO／OIS模型的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层；

优点：结构简单、执行协议直观、价格低廉等，也满足工业现场应用的性能要求，其流量与差错控制在数据链路层中进行，因而与OSI模型不完全一致。

9-13现场总线的全分散、全数字、全开放的特点使控制单元可与测量变送单元及操作执行单元合为一体，在现场构成完整的基本控制系统。

9-15一种总线协议难于满足各种工业控制的要求。

DCS系统中，同一个CPU上可以同时处理几十个控制回路，系统实时性好

第10章

10-9①汽包水位控制系统②过热蒸汽温度控制系统③燃烧控制系统

10-10①蒸气流量和给水流量影响最大②“虚假水位”现象：汽包内部的水、汽变化过程，压力下降而非水量增加（水量实际上在减少）导致汽包水位上升

的现象。

10-11汽包水位信号最为主参数给水流量信号作为副参数蒸汽流量信号作为前馈补偿

10-12①响应惯性常数大

②用能较快地反映扰动和调节作用的过热器入口温度θ2作为副（控）参数构成串级控制系统

10-1 减温水流量

10-15 ①为了保持燃烧的经济性，负荷增加加煤时应先加风，而负荷减少时应先减煤后减风。

②画出图10-26

10-16①炉膛负压过小，会引起炉膛喷火等事故；负压过大，会引起漏风量增大，不利于经济燃烧，同时使引风机电耗量增大。

②采用前反馈控制系统，送风量作为前馈，方框图见图10-28