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过程控制系统试题库 Microsoft Word 文档


过程控制系统试题库

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第一章 绪论

自动化学科

2011 年 6 月 3 日星期五

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1.1.过程控制(英文:Process Control)通常是指连续生产过程的自动控制,是自动化技术最 重要的组成部分之一 1.1-1.过程控制是生产过程自动化的简称,泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能 等工业生产中的连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,是自动化技术的重要组成部分。 1.1-2.连续生产过程的特征是:生产过程中的各种流体,在连续(或间歇)的流动过程中进行 着物理化学反应、物质能量的转换或传递。 1.1-3.从控制的角度,通常将工业生产过程分为三类,即:连续型、离散型和混合型。过程控 制主要是针对连续生产过程采用的控制方法。 1.1-4.过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制——“工业四大参数”是:温 度、压力、流量、物(液)位的自动控制,使其保持恒定或按一定规律变化,在保证产品质量和生产 安全的前提下,使连续生产过程自动地进行下去。 1.1-5.过程控制系统的定义: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 1.1-6.在讨论控制系统工作原理时,为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系, 一般用原理框图来表示控制系统。 1.1-7.过程控制系统的主要任务是:对生产过程中的重要参数(温度、压力、流量、物位、成 分、湿度等)进行控制,使其保持恒定或按一定规律变化。 1.1-8.过程控制的特点: ⑴.控制对象——被控过程复杂、控制要求多样 ⑵.控制方案丰富多彩 ⑶.控制过程大多数属于慢过程与参数控制 ⑷.定值控制是过程控制的主要形式 ⑸.过程控制系统由规范化的、系列化的检测与控制仪表或自动化装置组成 1.2.过程控制的发展概况 1.2-0.过程控制的发展历程,就是过程控制装置(自动化仪表)与系统的发展历程 1.2-1.过程控制装置与系统的发展过程 1.局部自动化阶段(20 世纪 50~60 年代) :自动化仪表安装在现场生产设备上,只具备简单的 测控功能 2.模拟单元仪表控制阶段(20 世纪 60~70 年代) :控制仪表集中在控制室,生产现场各处的参 数通过统一的模拟信号,送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。
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3.集散控制阶段(20 世纪 70 年代中期至今) 1.2-2.过程控制策略与算法发展 1.3.过程控制系统的性能指标 1.3-1.干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别: : 1.3-2.系统阶跃响应的单项性能指标 ⑴.衰减比、衰减率 衰减比: n =

y1 B = ( 1 ) ; n 取整数,习惯上常表示为 n : 1 ,例如 4 : 1 、 10 : 1 y3 B2

衰减率: ? =

y1 ? y3 y 1 = 1? 3 = 1? y1 y1 n

⑵.最大动态偏差、超调量 最大动态偏差: y1 超调量: σ =

y1 × 100% y (∞)

⑶.残余偏差:系统设定值 r 与稳态值 y (∞ ) 的差值,即 e(∞ ) = r ? y (∞ ) ⑷.调节时间、峰值时间、振荡频率 调节时间: t S 峰值时间: t p 振荡频率: ω 1.3-3. 系统阶跃响应的综合性能指标 ⑴.偏差积分 IE(Integral of Error)
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⑵.绝对偏差积分 IAE(Integral Absolute value of Error) ⑶.平方偏差积分 ISE(Integral of Squared Error) ⑷.时间与绝对偏差乘积积分 ITAE(Integral of Time multiplied by the Error) 1.3-4-1.某换热器的温度控制系统,给定值为 200 ℃。在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图 所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。 Absolute value of

解:最大偏差:

A = 230-200 = 30℃;
余差: C= 205-200 = 5℃; 衰减比: n = y1: y3 = 25:5 = 5:1 1.3-4-2.某被控过程工艺设定温度为 900℃,要求控制过程中温度偏离设定值不得超过 80℃。 现设计的定值温度控制系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图,试求最大动态偏差、衰 减比、振荡周期,该系统能否满足工艺要求?

解: 最大动态偏差: A = 950 ? 900 = 50
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衰减比: n =

y1 950 ? 900 50 = = =5 y 3 910 ? 900 10

振荡周期: T = 45 ? 9 = 36 min 50<80!能满足工艺要求。 1.3-4-3.某化学反应器工艺规定的操作温度为(900±10)℃,考虑安全因素,要求控制过程 中温度偏离设定值不得超过 80℃。现设计的定值温度控制系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程 曲线如下图,试求最大动态偏差、衰减比、振荡周期,该系统能否满足工艺要求?

解: 最大动态偏差: A = 950 ? 900 = 50 衰减比: n =

y1 950 ? 908 42 = = = 4.2 y 3 918 ? 908 10

振荡周期: T = 45 ? 5 = 40 min 余差: C = 908 ? 900 = 8 ℃ 50<80!能满足工艺要求。 过渡过程时间:47min 1.3-4-4.某化学反应器工艺规定的操作温度为(800±10)℃,考虑安全因素,要求控制过程 中温度最高值不得超过 850℃。现设计的定值温度控制系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线 如下图,试求最大动态偏差、余差、衰减比、过渡时间(±2%! )和振荡周期,该系统能否满足工艺 要求?

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解: 最大动态偏差: A = 845 ? 800 = 45 ℃ 余差: C = 805 ? 800 = 5 ℃ 衰减比: n =

y1 845 ? 805 40 = = = 4: 1 y 3 815 ? 805 10

过渡过程时间:25min 振荡周期: T = 20 ? 7 = 13 min 5<10!能满足工艺要求。 1.3-4-5.某发酵过程工艺规定的操作温度为(40±2)℃,考虑发酵效果,要求控制过程中温 度偏离给定值最大不得超过 6℃。现设计的定值温度控制系统,在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如 下图,试求最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(±2%! )和振荡周期,该系统能否满足工艺要求?

解: 最大动态偏差: A = 45 ? 40 = 5 ℃ 余差: C = 41 ? 40 = 1 ℃ 衰减比: n =

y1 45 ? 41 4 = = = 4: 1 y 3 42 ? 41 1

过渡过程时间:23min 振荡周期: T = 18 ? 5 = 13 min 5<6!能满足工艺要求。
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补充思考题与实用题 1. (王:1-2)什么过程控制系统 ?典型过程控制系统有哪几部分组成? (厉:P1-1、2)什么是化工自动化?化工自动化主要包括哪些内容? (厉:P1-3)……自动控制系统怎样组成?…… 参考答案: ⑴过程控制(Process Control)是生产过程自动化的简称。泛指石油、化工、电力、冶金、轻

工、纺织、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,是自动化技 术的重要组成部分。 ⑵在化工(生产过程)设备(装置)上,配备一些自动化装置,代替操作人员的部分直接劳动, 是生产在不同程度上自动进行,这种用自动化装置来管理(化工)生产过程的办法,称为(化工)生 产过程自动化。 (化工)生产过程自动化,一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。 自动控制系统主要由两大部分组成:一部分是起控制作用的全套自动化装置,对于使用常规仪表 的的过程控制系统来说,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(受)控对象》 2. (王:1-4)说明过程控制系统的分类方法,通常过程控制系统可以分哪几类? (厉:P1-7)根据设定值的形式,闭环控制系统可以分哪几类? 参考答案: 过程控制系统的分类方法很多,通常使用的“大”类分类方法有两种: ⑴按设定值的形式不同划分,⑵按系统结构的特点分类。 根据设定值的形式,闭环控制系统可以分三类: ⑴定值控制系统、⑵随动控制系统、⑶程序控制系统。 按系统结构的特点分类: ⑴开环系统、⑵反馈控制系统……、⑶前馈控制系统、⑷前馈——反馈复合控制系统。

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第二章 过程检测与变送仪表
2.1 检测仪表的基本技术指标 2.1-1.真值 xt :被测量物理量客观存在的真实数值。许多物理量的真值是按国际公认的方式认 定的,即使用“认定设备”的检测结果作为真值。通常,个个国家或国际组织将其法定计量机构的专 用设备作为“认定设备” 、它的检测精度在这个国家或国际组织内被认为是最高的。用这种方法确定 的所谓“真值”不是真正意义上的真值,而是一种“约定真值” ,一般记为 x a ;实际校验仪表时,用 ,有人称之为“传递真值” xo , 精确度较高的“标准表”所测得的测出值作为“标准值” 2.1-2.绝对误差=在用仪表(或被校验仪表)的测出值—“真值” (或器件铭牌上的标称值) ; 绝对误差的表示:必须有“+”或“—”号、数值的大小、单位(量纲) ! 绝对误差的符号:一般人们使用 ? = x ? xt 、 ? = x ? xo 或 ? = a ? a o 或 ? = a ? A 2.1-3.相对误差:某测量点的

? × 100% A ? 标称相对误差: γ a = × 100% a
实际相对误差: γ A = 引用误差——满度相对误差: 量程——测量范围: S FS = B = x max ? x min 某一个测量点满度相对误差: γ FS =

?i × 100% B

模拟连续输出仪表在测量范围内的最大满度相对误差: γ FSm = 2.1-4.具有连续模拟显示仪表的基本特性

± ? max B

× 100%

基本误差:基本误差是指仪表在“国家”规定的标准条件下使用时出现的误差;通常与最大满度 相对误差密切联系; 精确度——简称精度:国家统一规定了仪表的精度等级系列数值,用 a 表示: 精度等级 a 是将该仪表的最大满度相对误差去掉±号和%号后取接近的标准系列值 例 2-1.某台测温仪表的测量范围为-100~700℃,校验该仪表时测得全量程内的最大绝对误差为 +5℃,要求确定该仪表的精度等级 某仪表的

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解: γ FSm =

+5 × 100% = +0.625% 700 ? (?100)

0.5? 0,625?1.0;
校验仪表时取偏大值,即该仪表的精度等级为 1.0 级。 例 2-2.选择一台测量压力的仪表,测压范围为 0~8MPa,根据工艺要求,测压示值的误差不允许 超过±0.05MPa,要求确定满足工艺要求的仪表的精度等级 解: γ FSm =

± 0.05 × 100% = ±0.625% ; 0.5? 0,625?1.0; 8

选择仪表时取偏小值,即该仪表的精度等级为 0.5 级。 灵敏度:表示指针(模拟量显示)式测量仪表对被测参数变化的敏感程度,常以仪表输出变化量 (如指示装置的直线位移或角位移)与引起此输出变化量(位移)的被测参数变化量之比表示
S= ?Y ?X

灵敏限:表示指针式仪表在量程起点处,能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值 对于数字式仪表,则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限 分辨力:是指仪表能够显示的、最小被测值。 变差:在外界条件不变的情况下,同一仪表对被测量进行往返测量时(正行程和反行程) ,产生 的最大差值与测量范围之比称为变差。 。 2.1-5.——测试题(习题、补充题) 1. (王 2-1)某一标尺为 0~1000℃的温度计,出厂前校验数据如下: 标准表读数/℃ 被校验表读数/℃ 0 0 200 201 400 402 600 604 800 806 1000 1001

求:该表⑴最大绝对误差;⑵仪表的精度;⑶如果工艺要求允许最大误差为±5℃,该表是否能 用? 解: 标准表读数/℃ 被校验表读数/℃ 绝对误差 满度相对误差 ⑴最大绝对误差:+6℃ ⑵仪表的精度:1 级 ⑶如果工艺要求允许最大误差为±5℃,该表 ? max = 0 0 0 200 201 +1 +0。1% 400 402 +2 +0。2% 600 604 +4 +0。4% 800 806 +6 +0。6% 1000 1001 +1 +0。1%

a × S FS 1 × 1000 = = 10 ,不能用 100 100
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2. (厉:例 3-1)某一标尺为 0~1000℃的温度计,出厂前校验数据如下: 被校验表读数/℃ 0 标准表读数/℃ 0 200 201 400 402 600 604 700 706 800 805 900 903 1000 1001

求:该表⑴最大绝对误差;⑵仪表的精度 解: 被校验表读数/℃ 0 标准表读数/℃ 绝对误差 满度相对误差 0 0 0 200 201 -1 -0.1% 400 402 -2 -0.2% 600 604 -4 -0.4% 700 706 -6 -0.6% 800 805 -5 -0.5% 900 903 -3 -0.3% 1000 1001 -1 -0.1%

⑴最大绝对误差:+6℃ ⑵仪表的精度:1 级

γ FSm =

?m ?6 × 100% = × 100% = ?0.6% S FS 1000

3. (王 2-2)一台压力表量程为 0~10MPa,校验数据 标准表读数/MPa 被校验表读数/MPa 正行程 反行程 0 0 0 2 1.98 2.02 4 3.96 4.03 6 5.94 6.06 8 7.97 8.03 10 9.99 10.01

求:⑴变差;⑵基本(最大满度相对)误差;⑶该表是否符合 1 级精度。 解: 标准表读数/MPa 被校验表读数/MPa 正行程 反行程 绝对误差 变差 0 满度相对误差 ⑴变差:0.12% ⑵基本(最大满度相对)误差:±0.6%; ⑶该表的变差为 1.2%,不符合 1 级精度? ※仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度!照这个条件该表不符合 1 级精度! 4. (王 2-5)有两块直流电流表,它们的精度等级和仪表量程分别为:表 1:1.0 级、0~250mA; 表 2:2.5 级、0~75mA。现在测量 50mA 的直流电流,从准确性、经济性考虑,选用哪快表更合适! 解: 正行程 反行程 0 0 正行程 反行程 0 0 0 0 0 2 1.98 2.02 -0.02 +0.02 0.04 0.4% 4 3.96 4.03 -0.04 +0.03 0.07 0.7% 6 5.94 6.06 -0.06 +0.06 0.12 1.2% 8 7.97 8.03 -0.03 +0.03 0.06 0.6% 10 9.99 10.01 -0.01 +0.01 0.02 0.2%

-0.2% -0.4% -0.6% -0.3% -0.1% +0.2% +0.3% +0.6% +0.3% +0.1%

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表 1: ? max =

a × S FS 1 × 250 = = 2 .5 100 100 a × S FS 2.5 × 75 = = 1.875 100 100

表 2: ? max =

从准确性、经济性考虑,选用表 2 更合适! 5. (王 2-13)如果某反应器最大压力为 1。0MPa,允许的最大绝对误差为 0.01MPa,现用一台测 量范围为 0~1.6MPa、精度为 1 级的压力表进行测量,问:能否符合工艺要求?若用一台测量范围为 0~1.0MPa、精度为 1 级的压力表进行测量,问:能否符合要求? 解: 测量范围为 0~1.6MPa、精度为 1 级的压力表的允许的最大绝对误差为:

? max =

a × S FS 1 × 1.6 = = 0.016 MPa,大于 0.01MPa,不能符合工艺要求 100 100

测量范围为 0~1.0MPa、精度为 1 级的压力表的允许的最大绝对误差为:

? max =

a × S FS 1 × 1.0 = = 0.01 MPa,等于 0.01MPa,从允许的最大绝对误差角度,能符合工 100 100

艺要求,但量程不符合! 6. (厉:例 3-4)如果某反应器最大压力为 0.8MPa,允许的最大绝对误差为 0.01MPa,现用一 台测量范围为 0~1.6MPa、精度为 1 级的压力表进行测量,问:能否符合工艺要求?若用一台测量范 围为 0~1.0MPa、精度为 1 级的压力表进行测量,问:能否符合要求? 解: 测量范围为 0~1.6MPa、精度为 1 级的压力表的允许的最大绝对误差为:

? max =

a × S FS 1 × 1.6 = = 0.016 MPa,大于 0.01MPa,不能符合工艺要求 100 100

测量范围为 0~1.0MPa、精度为 1 级的压力表的允许的最大绝对误差为:

? max =

a × S FS 1 × 1.0 = = 0.01 MPa,等于 0.01MPa,从允许的最大绝对误差角度,能符合工 100 100

艺要求,量程也符合! 7.某一标尺为 0~500℃的温度计,出厂前校验数据: 标准表读数/℃ 被校验表读数/℃
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0 0
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100 103

200 198
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300 303

400 406

500 495
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求:该表⑴最大绝对误差;⑵确定仪表的精度等级;⑶经过一段时间使用后重新校验,仪表的最 大绝对误差为±8℃,问:仪表是否还符合原来的精度等级? 解: 标准表读数/℃ 被校验表读数/℃ 绝对误差 满度相对误差 ⑴最大绝对误差:+6℃ ⑵仪表的精度:1。5 级 ⑶经过一段时间使用后重新校验,仪表的最大绝对误差为±8℃,最大满度相对误差:+1。6%, 仪表已经超过 1。5 级,不符合原来的精度等级。 8. (厉:习题 3-1)一台压力表量程为 0~25MPa,校验数据 被校验表读数/MPa 标准表读数/MPa 正行程 反行程 0 0 0.05 5 4.98 5.01 10 9.90 9.99 15 14.95 15.01 20 19.85 20.00 25 24.95 25.02 0 0 0 100 103 +3 +0。6% 200 198 -2 -0。4% 300 303 +3 +0。6% 400 406 +6 +1。2% 500 495 -5 -1。0%

求:⑴最大误差;⑵变差;⑶该表是否符合 0。5 级精度。 解: 被校验表读数/MPa 标准表读数/MPa 绝对误差 变差 0 满度相对误差 正行程 反行程 ⑴最大误差:0。15MPa ⑵变差:0。15MPa 、 γ FSm = 0 0 正行程 反行程 正行程 反行程 0 0 0.05 0 0 5 4.98 5.01 +0.02 -0.01 0.03 1.2% 10 9.90 9.99 +0.10 +0.01 0.09 0.36% 15 14.95 15.01 +0.05 -0.01 0.06 0.24% 20 19.85 20.00 +0.15 0.00 0.15 0.6% 25 24.95 25.02 +0.05 -0.02 0.07 0.28%

-0.2% -0.4% -0.6% -0.3% -0.1% +0.2% +0.3% +0.6% +0.3% +0.1%

? max 0.15 × 100% = × 100% = 0.6% ; S FS 25

⑶该表的变差为 0.6,不符合 0。5 级精度? ※仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度! 9. (厉:习题 3-2)某温度控制系统,控制温度为 800℃,要求绝对误差不超过±7℃,现选择一 台测量范围为 0~1200℃、精度等级为 1。0 级的仪表,问:是否合适?如果不合适,应如何选择? 解:

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测量范围为 0~1200℃、精度等级为 1。0 级的仪表,其最大误差:

? max =

a × S FS 1 × 1200 = = 12 ℃,12℃大于 7℃,不合适 100 100

应选择测量范围为 0~1200℃、精度等级为 0。5 级的仪表

? max =

a × S FS 0.5 × 1200 = = 6 ℃,6℃小于 7℃,合适 100 100

2.2 温度检测及仪表 2.2-0.温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。 2.2-1.温度检测方法与仪表概述 2.2-2.热电偶 1.热电偶是以热电效应为原理的测温元件,能将温度信号转换成电势信号(mV) 。 特点:结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量 500~1600℃之间的温度。 2.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。 3.热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成,称热电势。由于温差电势很小,热电势 基本由接触电势构成。 4.热电偶的基本定律 均质导体定律:热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。但其几何形状——截面和 长度等不限。 中间导体定律:在热电偶回路中接入另一种中间导体后,只要中间导体两端温度相同,中间导体 的引入对热电偶回路的热电势没有影响。 中间温度定律:一支热电偶在两接点温度为 t 、t0 时的热电势,等于两支同温度特性热电偶在 接点温度为 t 、ta 和 ta、t0 时的热电势之代数和。即

E AB ( t ,to ) = E AB( t , 0 ) - E AB( to , 0 )
据此,只要给出冷端为 0℃时的热电势关系 EAB( t ,0 ) ,便可求出冷端任意温度时的热电势 5.热电偶冷端温度补偿: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。但实际使用的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。 为了节约,工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属,作为热偶丝在低温区
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的替代品来延长热电偶,称为补偿导线。 6.热电偶冷端温度的处理:查表法(计算法) 、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法、半导体 PN 結补偿法。 7.标准热电偶:热电势与温度的关系、允许误差、型号(分度号)按国际标准(IEC)统一规定。 8.热电偶的冷端温度校正:1)查表法、2)电桥补偿法、………… 2.2-3.热电阻 1.对于 500℃以下的中、低温,热电偶输出的热电势很小,容易受到干扰而测不准。一般使用热 电阻温度计来进行中低温度的测量。 2.金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。 3.铂材料容易提纯,其化学、物理性能稳定;测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定 为-259~+630 ℃间的基准器,但线性度稍差,常用于-200~+600 ℃温度测量。 4.铂电阻的电阻温度关系:

Rt = R0 [1 + At + Bt 2 + C (100 ? t )t 3 ] Rt = R0 [1 + At + Bt 2 ]
铂电阻有两种分度号:Pt10 , Pt100

(-200~0℃) ( 0~850℃)

5.铜电阻价格便宜,线性度好,但温度稍高易氧化,常用于-50~+100 ℃温度测量。铜电阻有两 种分度号:Cu50 ,Cu100 。电阻温度关系:

Rt = R0 [1 + α ? t ]

(-50~150℃)

6.热电阻的三线制接法:电阻测温信号通过电桥转换成电压时,热电阻的接线如用两线接法, 接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差,必须用三线接法。 2.2-4.集成温度传感器: 1.集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成,相当于一个测温器件。特 点:体积小、反应快、线性较好、价格便宜,测温范围为-50~150℃。 2.集成温度传感器按输出量形式不同,可分为电压型、电流型和数字型三类。 2.2-5.温度显示与记录方法与仪表 1.动圈式指示仪表:可直接与热电偶、热电阻配套显示温度,是最简单的模拟指示仪表。 2.数字式指示仪表 3.自动记录仪表 4.数字式指示记录仪表
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2.2-6.温度变送器 1.检测信号要进入控制系统,必须传递符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准 的检测信号,如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。 2.现代电控系统:模拟控制系统的信号标准是:Ⅱ 型:0~10mA、0~10V;III 型:4~20mA、1~ 5V。数字控制系统的信号标准有:FF 协议、 HART 协议等。 补充习题、例题、 补充习题、例题、典型题 习题 1. (王 2-7)用分度号 K 的热电偶测量某设备的温度,测得热电动势为 20.3mV,热电偶冷端温度 为 30℃,求设备的温度!如果改用分度号为 S 的热电偶测量该设备的温度,在相同的条件下,测得 热电动势为? 解: 查表计算 分度号为 K 的热电偶:——

E AB (t ,30) = 20.3 E AB (30,0) = 1.203 E AB (t ,0) = E AB (t ,30) + E AB (30,0) = 21.503 t = 520 + 21.503 ? 21.493 × 10 = 520.23 21.919 ? 21.493

改用分度号为 S 的热电偶测量该设备的温度

E AB (520,0) = 4.432 E AB (30,0) = 0.173 E AB (520,30) = 4.259
2. (厉-例?)用分度号 K 的热电偶测量某设备的温度,在没有采用冷端补偿措施的情况下,显 示仪表的指示值为 500℃,而这时冷端温度为 60℃。此时实际温度为多少?如果热端温度保持不变, 设法使冷端温度保持为 20℃,此时显示仪表的指示值为? 解: mV

E (t , t 0 ) ? E (500,0) = 20.640 E (t 0 ,0) = E (60,0) = 2.436 E (t ,0) = E (t , t 0 ) + E (t 0 ,0) = 20.640 + 2.436 = 23.076 t = 550 + 23.076 ? 22.772 × 10 = 557 23.198 ? 22.772

使冷端温度保持为 20℃ 热端温度保持不变:557℃,则
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E (t , t 0 ) = E (557,0) ? E (20,0) = 23.076 ? 0.798 = 22.278 E (t / ,0) = 22.278 22.278 ? 21.919 t / = 530 + × 10 = 538.4 22.346 ? 21.919
3. (厉-例 3-19)用分度号 K 的热电偶测量某设备的温度,测得热电动势为 20mV,热电偶冷端温 度为 25℃,求设备的温度!如果改用分度号为 E 的热电偶测量该设备的温度,在相同的条件下,测 得热电动势为? 解:查表计算 分度号为 K 的热电偶:——

E AB (t ,25) = 20 E AB (25,0) = 1.0 E AB (t ,0) = E AB (t ,25) + E AB (25,0) = 21 t = 500 + 21 ? 20.640 × 10 = 509 21.066 ? 20.640

改用分度号为 S 的热电偶测量该设备的温度

E AB (509,0) = 37.7 E AB (25,0) = 1.5 E AB (509,25) = 36.2
4. (王 2-9) (厉:习题 3-16?) (厉:例题 3-25?)用 Pt100 铂电阻测温,在查表时错用了 Cu100 的分度表,查得温度为 140℃,问:实际温度为多少?{“厉”有错误?Cu100:150℃→164。27Ω; Pt100:164。27Ω→168。7℃} 解: 查 Cu100 的分度表: 140℃→ Rt = 159.96 Ω 查 Pt100 的分度表

Rt = 159.96 Ω→ t = 157.1 ℃。
159.96 ? 157.31 2.65 × 10 = × 10 = 7.1 161.04 ? 157.31 3.73
5. (厉-例 3-?)某温度控制系统,最高温度为 700℃,要求测量的绝对误差不超过±10℃,现 有两台量程分别为 0~1600℃、0~1000℃的 1。0 级温度检测仪表,试问应该选择哪台仪表更合适?如 果两台量程均 0~1000℃,精度等级分别为 1.0 级和 0.5 级,那么又应该选择哪台仪表更合适?
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解: 因为 ? max =

a × S FS 100 a × S FS 1600 = = 16 ; 量程为 0~1000℃的 100 100

⑴同为 1.0 级仪表, 量程为 0~1600℃的仪表, ? max =

仪表, ? max =

a × S FS 1000 = = 10 100 100 a × S FS 1000 = = 10 已经能够满足 100 100

⑵同为量程为 0~1000℃的仪表,精度为 1.0 级的仪表 ? max = 要求;从经济角度考虑,不必选用 0.5 级的仪表。

6. (厉:例 3-20)现用一支镍铬—铜镍热电偶测量某换热器的温度,其冷端温度为 30℃,显示 仪表为动圈仪表、机械零点为 0℃,这时仪表显示值为 400℃,若认为换热器的温度为 430℃,对不 对?正确值是多少? 解: 不对!热电偶的热电势是非线性的 查表: 显示仪表测出的毫伏值 E (t , t 0 ) = E (t ,30) ? E ( 400,0) = 28.943 mV 冷端温度为 30℃, E (t 0 ,0) ? E (30,0) = 1.801 mV 热电偶的热电势 E (t ,0) = E (t ,30) + E (30,0) = 28.943 + 1.801 = 30.744 mV 查表: t = 422 ℃。 7. (厉:习题 3-8)用镍铬—镍硅热电偶测量炉温,其冷端温度为 30℃,测得热电势为 33。29mV, 求被测炉子的实际温度? 解: 查镍铬—镍硅热电偶的分度号为 K 的分度表:

E (30,0) = 1.285 mV E (t ,30) = 33.29 mV E (t ,0) = E (t ,30) + E (30,0) = 33.29 + 1.285 = 34.575 Mv t = 831.55 ℃
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8. (厉:习题 3-9)某台动圈式仪表是与镍铬—镍硅热电偶配套使用的,但错接了铂铑 10—铂热 电偶,仪表指示为 201℃, (冷端温度为 0℃! )问实际温度为多少? 解: 查镍铬—镍硅热电偶的分度号为 K 的分度表:

E (201,0) = 8.177 mV
查铂铑 10—铂热电偶的分度号为 S 的分度表:

E (t ,0) = 8.177;t = 875。 ℃ 8
2.3.压力检测及仪表 2.3-1.压力检测的方法 1.工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为 “压力” 2.工程中压力的表示方式有:表压、负压(真空度) 、差压、绝对压力。 3.国际单位制(SI)定义的压力的单位是“帕斯卡”——1Pa =1N/m 、1MPa =106Pa;过去常用 的压力单位是:1 工程大气压 = 1kgf /cm = 9.80665×10 Pa=0.980665 ×10 Pa≈ 0.1MPa 2.3-2.压力表的选择、安装与校验 1.为了合理、经济使用仪表,仪表的量程不能选得太大,但为了保证测量精度,一般被测压力 的最小值不低于仪表满量程的 1/3 为宜;同时为了延长弹性元件的使用寿命,避免弹性元件因长期受 力过大而永久变形,压力计的上限值应该高于被测量的最大值(量程的 3/4~2/3) ,留有余量 2.仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差Δmax 来确定的。不能认为选用的仪表精度 越高越好,应在满足工艺要求的前提下,尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表 3.例:——某台压缩机的出口压力范围为 25~28MPa,测量绝对误差不得大于 1MPa。工艺上要 求就地观察,并能高低限报警,试正确选用一台压力表,指出型号、精度与测量范围;要求条件为: 被测脉动压力 25~28MPa,测量绝对误差≤1MPa,就地观察、高低限报警。 解: 脉动压力对仪表寿命影响很大,故选择仪表的上限值为: p1 = p max × 2 = 28 × 2 = 56 MPa 若选压力表的测量范围为 0~60MPa 则: 25MPa / 60MPa >1/3
2 4 5 2

被测压力的最小值不低于满量程的 1/3,下限值也符合要求。 另外,根据测量误差的要求,可算得对仪表允许误差的要求为:

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? max 1 × 100% = × 100% = 1.67% S FS 60
故选精度等级为 1.5 级的仪表可以满足误差要求。 答: 根据就地观察及能进行高低限报警的要求, 可选用 YX—150 型电接点压力表, 测量范围为 0~ 60MPa,精度等级为 1.5 级。 4. (王-2-12) 习题 工艺要求压力范围为 1.2MPa±0.05MPa, 可选用的弹簧管压力表的精度有 1.0、 1.5、2.0、2.5 和 4.0 五个等级, 可选用的量程规格有 0~1.6MPa、0~2.5MPa、0~4MPa,选用合适的仪 表。 解: 量程选择: 被测压力变化缓慢时:——

1 3 S FS ?1.2? S FS ;则1.6? S FS ?3.6;选择仪表量程为 0~2.5MPa 3 4 1 2 被测压力变化频繁时:—— S FS ?1.2? S FS ;则1.8? S FS ?3.6;选择仪表量程为 0~2.5MPa 3 3
仪表精度选择:

a≤

? max S FS

× 100 =

0.05 × 100 = 2 2 .5

Y-150,量程 0~2.5MPa,精度 2.0 级 5.习题(王-2-13)反应器最大压力为 1.0MPa,允许最大绝对误差为 0.01MPa。现用一台测量范 围为 0~1.6MPa、精度为 1 级的压力表进行测量,能否满足要求?若采用一台测量范围为 0~1.0MPa、 精度为 1 级的压力表进行测量,能否满足要求? 解: 测量范围为 0~1.6MPa、精度为 1 级的压力表:

? max =

a × S FS 1.6 × 1 = = 0.016? 0.01 ;不能满足要求 100 100

测量范围为 0~1.0MPa、精度为 1 级的压力表: 满度值等于被测量值,不能满足要求 6. (王 2-14)某台空压机的缓冲器,其工作压力范围为 1.0~1.6MPa,工艺要求就地观察罐内压 力,并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的±5%。试选择合适的仪表。 解: 被测压力变化缓慢时:
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1 1.0? S FS ;S FS ?3.0 3 3 1.6? S FS ;S FS ? 2.133 4
选择仪表量程为 0~2.5MPa 测量值在 1.0MPa 时的误差不得大于±5%,则

? max × 100%?±5% 1 .0 a × S FS × 100?5 100 5 5 a? = =2 S FS 2.5
查附录 E:只能选择型号为 Y-100T,仪表量程为 0~2.5MPa、精度为 1。5 级的弹簧管压力表。 7. (厉:例 3-9)某台空压机的缓冲器,其工作压力范围为 1.1~1.6MPa,工艺要求就地观察罐内 压力,并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的±5%。试选择合适的仪表。 解: 被测压力比较平稳、变化缓慢:

S FS × S FS

2 ≥ 1.6;S FS ≥ 2。 MPa 4 3 1 × ≤ 1.1;S FS ≤ 3。 MPa 3 3 1 .1 × 5 % × 100% = 2.2% 2 .5

选择仪表量程为 0~2.5MPa 测量值在 1.1MPa 时的误差不得大于±5%,则

? max × 100%?±5% 1 .1 a × S FS × 100?5 1.1 × 100 5 5 × 1 .1 a? = = 2 .2 S FS 2 .5
查附录 E:只能选择型号为 Y-60,仪表量程为 0~2.5MPa、精度为 1。5 级的弹簧管压力表。 8.检定一块 1.5 级、刻度为 0~100MPa 的压力表,发现在 50MPa 处的误差最大,为 1.4MPa,这块 压力表是否合格? 解:该表的最大引用误差为

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γ FSm =

? max 1.4 × 100% = × 100% = 1.4%?1.5% S FS 100 ? 0

这块压力表合格 9.※测量稳定压力时,仪表最大量程应为测定值的 1.5 倍,测量波动压力时,仪表最大量程应 为测定值的 2 倍。 测空气、水、蒸汽、油等介质,用 Y 型压力表,其外壳为黑色。测氨类用 YA 型氨用压力表,其 外壳为黄色。测氧气用 YD 型氧用压力表,其外壳为天蓝色。 2.4.流量检测及仪表 2.4-1.流量指单位时间内流过某一截面的流体数量。★可以是瞬时流量或者是平均流量。 1.流量计的种类繁多,若按测量原理分,流量计可分为: “节流式流量计” 、速度式流量计、容 积式流量计、质量式流量计、电磁式流量计、········· 2.流量的基本概念:瞬时流量(单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量)与累积流量(某 段时间内流过工艺管道某截面的流体总量) ;体积流量、重量流量与质量流量。 3.流量的检测方法 (1)体积流量检测方法:容积法(单位时间内排出流体的固定体积数)和速度法(管道内的平 均流速乘以管道面积) ; (2)质量流量检测法:间接法(体积流量乘以密度)和直接法(仪表直接测得) 。 2.4-2. “差压式流量计” 1.速度式流量计——节流式——(变差压式)——孔板、挡板、文丘里管→孔板流量计: 2.节流现象:流体在流过节流装置时,在节流装置前后的管壁处,流体的静压力产生差异的现 象称为节流现象。 节流装置包括节流件和取压装置。 2.4-3.转子流量计 1.差压式流量计对管径小于 50mm、低雷诺数的流体的测量精度是不高的。而转子流量计则特别 适宜于测量管径 50mm 以下管道的流量,测量的流量可小到每小时几升。 2.转子流量计,是以压降不变、利用节流面积的变化来测量流量的大小,即:转子流量计采用 的是恒压降、变节流面积的流量测量方法 3.生产厂是在工业标准状态下(20℃,0.10133MPa) ,用水或空气进行标度。对液体测量,仪表 示值代表 20℃时水的流量值。对气体测量,则是代表 20℃,0.10133MPa 压力下空气的流量值。实际 使用时,须对指示值进行修正
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例题与参考题 1. (厉:例 3-12)用水刻度的转子流量计,转子由密度为 7900kq/m 的不锈钢制成,用它来测量 密度为 790kq/m 的某液体介质,当仪表读数为 5m /h 时,被测介质的实际流量为多少? 如果转子由密度为 2750kq/m 的铝制成,其他条件不变,被测介质的实际流量为多少? 解: ⑴介质密度修正系数: K J =
3 3 3 3

(ρ Z ? ρ S )ρ J 1 、 QJ = ? Q0 (ρ Z ? ρ J )ρ S KJ
3

用水刻度的转子流量计,当仪表读数为 5m /h 时,被测介质的实际流量为

KJ =
QJ =

(ρ Z ? ρ S )ρ J = (ρ Z ? ρ J )ρ S

(7900 ? 1000) × 790 = 0.876 (7900 ? 790) × 1000

1 1 ? Q0 = × 5 = 5.71 m3/h。 KJ 0.876

⑵更换转子材料

KJ =
QJ =

(ρ Z ? ρ S )ρ J = (ρ Z ? ρ J )ρ S

(2750 ? 1000) × 790 = 0.84 (2750 ? 790) × 1000

1 1 ? Q0 = × 5 = 5.95 m3/h。 KJ 0.84
3

2. (厉:例 3-13)用水刻度的转子流量计,转子由密度为 7900kq/m 的不锈钢制成,测量范围为 0~10L/min,用它来测量密度为 0。831kq/L 的苯的流量,测量范围为多少? 解:

KJ =
QJ =

(ρ Z ? ρ S )ρ J (7290 ? 1000) × 831 = = 0.9 (ρ Z ? ρ J )ρ S (7290 ? 831) × 1000
1 1 ? Q0 = × 10 = 11.1 L/min。 KJ 0 .9

3. (厉:例 3-14)用转子流量计测量气压为 0。65MPa、温度为 40℃的 CO2 气体流量,若流量计的 读数为 50L/s,求 CO2 气体的真实流量。CO2 气体在标准状态时的密度为 1。977 kq/m 。 解:气体流量的修正公式: Q J =
3

ρ0 × ρJ

pJ T × 0 p0 TJ

本题: Q J =

pJ T ρ0 1.293 0.65 293 × × 0 = × × × 50 = 99.1 (NL/min NL/min) NL/min ρJ p0 TJ 1.977 0.10133 313
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2.5.物位检测及仪表 2.5-1.概述 1.物位的含义:包括—— 液位:容器中液体介质的高低 料位:容器中固体物质的堆积高度 界面:两种密度不同液体介质的分界面的高度 2.物位测量仪表可分为下列几种类型。 静压式物位测量:利用液体或物料对某定点产生的压力随液位高度而变化的原理而工作。 浮力式物位测量:利用浮子所受的浮力随液位高度而变化的原理工作。 电气式物位测量:利用敏感元件将物位的变化转换为电量参数的变化,而得知物位。 核辐射式物位测量:利用核辐射线穿透物料时,核辐射线的透射强度随物质层的厚度而变化的原 理进行测量。 声学式物位测量:测量超声波在物质中传播时间的长短,据此可测出物位。 光学式物位测量:利用光波在传播中可被不同的物质界面遮断和反射的原理测量物位。 2.5-2.差压式液位变送器 1. (王:习题 2-25)用差压变送器测量某储罐的液体,差压变送器安装位置如图;导出变送器所 测出的差压值 ?p 与液位高度 H 之间的关系。变送器零点要不要迁移?为什么? 2. (厉:3-17)测量高温液体(指它的蒸汽在常温下要冷凝! )时,经常在负压管上装有冷凝罐, 这时用差压变送器测量储罐液体的液位时,要不要迁移?如果迁移,迁移量?

解: ⑴

p + = p 0 + ρ1 gH + ρ1 gh1; p ? = p 0 + ρ 2 gh2;
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?p = p + ? p ? = ρ1 gH + g(ρ1 h1 ? ρ 2 h2) H = 0时,?p = g(ρ1 h1 ? ρ 2 h2) 0 ≠ !需要零点迁移 H = 0时,?p = g(ρ1 h1 ? ρ 2 h2)0 ? !需要零点正迁移 H = 0时,?p = g(ρ1 h1 ? ρ 2 h2)0 ? !需要零点负迁移
⑵本题 ρ1 =

ρ 2;h1 ? h2;需要负迁移,迁移量?p = ρg(h2 ? h1)

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过程控制 控制仪表 第三章 过程控制仪表
3.0.概述 1.控制仪表又称控制器或调节器。其作用是把被控变量的测量值和给定值进行比较,得出偏差 后,按一定的调节规律进行运算,输出控制信号,以推动执行器动作,对生产过程进行自动调节。 2.控制仪表按工作能源分类有:电动仪表、气动仪表、自力式仪表 3.控制仪表的发展基本上分为三个阶段: 基地式仪表:将检测、控制、显示功能设计在一个整体内,安装在现场设备上或控制室内。 单元式组合仪表:单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元(例变送单元、给定单 元、控制单元、显示单元等) ,每个单元只完成其中的一种功能;其中的控制单元是接受测量与给定 信号,然后根据它们的偏差进行控制运算,运算的结果作为控制信号输出;各个单元之间以统一的标 准信号相互联系。 以微处理器为中心的控制仪表(装置) :内设微处理器,控制功能丰富,很容易构成各种复杂控 制系统。在自动控制系统中广泛应用的有:工业控制计算机(DDS) ;集散控制装置(DCS) ;单回路数 字控制器(SLPC) ;可编程数字控制器(PLC) ;现场总线控制装置(FCS) 3.1.基本控制规律及特点 1.所谓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.控制器的输入信号是变送器送来的测量信号和内部人工设定的或外部输入的设定信号。设定 信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号 e ,它是设定值信号 r 与测量信号 x 之差。 3.控制规律有断续控制和连续控制两类 3.1-1.双位控制 1.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。 如果控制温度,被控温度在 t0 上下振荡,无法稳定。 2.三位控制:控制器有三个输出位值,可以控制两个继电器。温度三位控制效果:温度偏差大 时,升温速度快;温度偏差小时,小幅调整。 3.1-2.比例控制(P) 1.控制器输出 y(t)和偏差信号 e(t)成比例关系;比例控制(P)的传递函数为: : 。

2.比例控制的特点:控制及时、适当。只要有偏差,输出立刻成比例地变化,偏差越大,输出 的控制作用越强;控制结果存在静差 3.在实际的比例控制器中,习惯上使用比例度 P 来表示比例控制作用的强弱。

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4.所谓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,用百分数表 示。 3.1-3.比例积分控制(PI) 1.当要求控制结果无余差时,就需要在比例控制的基础上,加积分控制作用。 2.积分(I)控制:输出变化量 y 与输入偏差 e 的积分成正比 3.积分控制的特点 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。 一值上。 一值上 积分作用具有保持功能,故积分控制可以消除余差。 输出信号随着时间逐渐增强,控制动作缓慢,故积分作用不单独使用 4.若将比例与积分组合起来,既能控制及时,又能消除余差 5.比例积分(PI)控制:时域方程 3.1-4.比例微分控制(PD) 1.对于惯性较大的对象,常常希望能加快控制速度,此时可增加微分作用。 2.理想微分 微分作用能超前控制。在偏差出现或变化的瞬间,微分立即产生强烈的调节作用,使偏差尽快地 消除于萌芽状态之中。 微分对静态偏差毫无控制能力。当偏差存在,但不变化时,微分输出为零,因此不能单独使用。 必须和 P 或 PI 结合,组成 PD 控制或 PID 控制。 3.理想的比例微分控制 4.理想微分作用持续时间太短,执行器来不及响应。一般使用实际的比例微分作用。
? ?t de T 5.理想微分: ?y = TD ;实际微分:在单位阶跃信号作用下 ?y = 1 + ( K D ? 1)e D dt KD

,传递函数



6. (厉例题 5-12)DDZ-Ⅲ控制器,比例度 δ =50%,积分时间 TI =0.2min,微分时间 TD =2min,微 分放大倍数 K D =10。假定输出初始值为 4mA;在 t = 0 时施加 0.5mA 的阶跃信号,试写出在该阶跃信 号作用下比例、积分、微分输出的表达式;计算 t = 12 s 时控制器的输出信号值。 解: 比例输出: ?I P = 积分输出: ?I I =
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+

1

δ

? ?I i ?=

1 ? 0.5 = 1 mA 0 .5

1 1 ? δ TI

∫ ?I

i

? dt ?=

1 1 12 ? ? 0 .5 ? = 1 mA 0 .5 0 .2 60
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微分输出:

?I D =

1

δ

[( K D ? 1)e ? ( K D / TD ) t ] ? ?I i ?=

1 × [(10 ? 1)e ?(10 / 2)(12 / 60 ) ] × 0.5 = 9e ?1 = 3.3 mA 0 .5

t = 12 s 时控制器的输出信号值

I O = I 0 + ?I P + ?I T + ?I D = 9.3 mA
7. (厉习题 5-6)DDZ-Ⅲ控制器,比例度 δ =80%,积分时间 TI =0.4min,微分时间 TD =2.4min,微 分放大倍数 K D =10。假定输出初始值为 6mA;在 t = 0 时施加 0.4mA 的阶跃信号,试写出在该阶跃信 号作用下比例、积分、微分输出的表达式;计算 t = 24 s 时控制器的输出信号值。 解: 比例输出: ?I P = 积分输出: ?I I = 微分输出:
+

1

δ

? ?I i ?=

1 ? 0.4 = 0.5 mA 0 .8

1 1 ? δ TI

∫ ?I

i

? dt ?=

1 1 24 ? ? 0 .4 ? = 0.5 mA 0 .8 0 .4 60

?I D =

1

δ

[( K D ? 1)e ? ( K D / TD ) t ] ? ?I i ?=

1 × [(10 ? 1)e ? (10 / 0.4)( 24 / 60) ] × 0.4 = 4.5e ?1 = 1.65 mA 0 .8

t = 12 s 时控制器的输出信号值 I O = I 0 + ?I P + ?I T + ?I D = 7.85 mA
8.比例积分微分(PID)控制 9. (王:习题 3-6)某比例积分控制器输入、输出均为 4~20mA,若将比例度设为 100%,积分时间

TI =2min,稳态时输出为 5mA,某瞬间,输入突然增加了 0.2mA,试问经过 5min 后,输出将由 5mA 变
化到多少? (厉:例题 5-4)某 DDZ-Ⅲ比例积分控制器,若将比例度设为 100%,积分时间 TI =2min,稳态时 输出为 5mA,某瞬间,输入突然增加了 0.2mA,试问经过 5min 后,输出将由 5mA 变化到多少? 解: , 对于比例输入:控制器输入、输出均为 4~20mA,比例度 δ =

1 KP

某瞬间,输入突然增加了 0.2mA,输出增量 ?I O = K P ? ?I i +

KP ? ?I i ? t TI

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?I O = K P ? ?I i +

KP 1 ? ?I i ? t = 1 × 0.2 + × 0.2 × 5 = 0.7 mA TI 2
I O = 5 + 0.7 = 5.7 mA。

试问经过 5min 后,输出将由 5mA 变化到

3.2.模拟式控制器 1.模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。 2.单元组合仪表的发展经历了Ⅰ型(用电子管) 、Ⅱ型(用晶体管)和Ⅲ型(用集成电路) 。 3.2-1.DDZ-Ⅲ型仪表的特点 1.采用统一信号标准:4~20mA DC 和 1~5V DC。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开 始,容易识别断电、断线等故障。同样,因为最小信号电流不为零,可以使现场变送器实现两线制。 2.广泛采用集成电路,仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。 3.可构成安全火花型防爆系统,用于危险现场。 3.3.数字 PID 控制器 1.数字调节器的特点是采样一次、计算一次。必须把连续方程用离散方程表示。第 n 次采样时:

yn =

1 1 [en + P TI

∑ e ?T + T
i =0 i

n

D

en ? e n ?1 ] ?T

综合实用简答题 1.位式控制是怎样的? 答:位式控制是断续控制——控制器输出接点信号,如双位控制、三位控制。 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。被 控温度在 T0 上下振荡,无法稳定。 三位控制控制器有三个输出位值,可以控制两个继电器。温度三位控制效果:温度偏差大时,升 温速度快;温度偏差小时,小幅调整。 2.DDZ-Ⅲ基型调节器有哪几部分组成? 答:DDZ-Ⅲ基型调节器的主要由输入电路、给定电路、PID 运算电路、自动与手动(硬手动和软 手动)切换电路、输出电路及指示电路等组成。 3.DDZ-Ⅲ基型调节器的软手动与硬手动有什么区别?各用在什么场合? 答: 软手动时:调节器的输出是随着时间按一定的速度增加或减少;硬手动时:调节器的输出数值完
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全由硬手动操作杆的位置所决定。 通常情况下,都是用软手动操作扳键进行手动操作的,这样的控制比较平稳、精细; 只有当要求给出恒定不变的操作信号,或者在紧急时刻要一下子就控制到“安全开度”等情况下, 才使用软手动。 3.什么叫控制器的无扰动切换? 答: 基型模拟调节器一般都具备自动与手动两种功能;在进行自动与手动两种功能切换时,在切换瞬 间,应保持控制器的输出不变,这样保证执行器的位置在切换过程中不至于突变、不会对生产过程引 起附加的扰动,着称为“无扰动切换” 。 4.什么是调节器的正作用、反作用? 答: 调节器的正作用: (偏差=测量值—给定值)增加、调节器输出增加; 调节器的反作用: (偏差=给定值—测量值)增加、调节器输出增加。 5.从控制器的发展及结构原理来看,主要有哪几种类型? 答: ⑴.基地式仪表:将检测、显示、控制、乃至记录功能设计在一个整体内。安装简单、使用方便。 但一般通用性差,只适用于小规模、简单控制系统。 ⑵.单元式组合仪表:单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元(例如变送单元、 给定单元、控制单元、显示单元等) ,每个单元只完成其中的一种功能。 其中的控制单元是接受测量与给定信号,然后根据它们的偏差进行控制运算,运算的结果作为控 制信号输出。 各个单元之间以统一的标准信号相互联系。 ⑶.以微处理器为中心的控制仪表(装置) :内设微处理器,控制功能丰富,很容易构成各种复杂 控制系统。在自动控制系统中广泛应用的有: 工业控制计算机(DDS) 集散控制装置(DCS) 单回路数字控制器(SLPC) 可编程数字控制器(PLC) 现场总线控制装置(FCS)

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6.试写出微分控制规律的输入 e 与输出 ?p 的数学表达式。 答: 理想微分控制规律的输入 e 与输出 ?p 的数学表达式

?p = TD

t≠0 ?0 de ;如果输入偏差为一单位阶跃作用,则 ?p = ? ? ? t=0 dt ?∞

实际微分控制规律在单位阶跃作用下的输入 e 与输出 ?p 的数学表达式

?p = 1 + ( K D ? 1)e ? ( K D / TD )t
DDZDDZ-Ⅲ型组合仪表习题择选 1.DDZ-Ⅲ基型调节器,输入信号阶跃变化了 0。5mA 时,其输出信号由 6mA 变化到 7mA,试求调 节器的比例放大系数 K P 与比例度 δ 。 解:DDZ-Ⅲ基型调节器的输入、输出均为 4~20mA,所以:

δ=

0 .5 ?e × 100% = × 100% = 50%; ?p 7?6 1 1 KP = = =2 δ 0。 50

2.一台 DDZ-Ⅲ型温度控制器,测量的全量程为 0~800℃,当温度阶跃变化了 40℃时,控制器的 输出由 6mA 变化到 8mA,试求控制器的比例度 δ 。 解:

δ=

?e /( x max ? x min ) 40 / 800 1 / 20 = = = 0.4 ? 40% ?p /( p max ? p min ) (8 ? 6) /( 20 ? 4) 2 / 16

3.一台 DDZ-Ⅲ型温度控制器,测量的全量程为 0~1000℃,当温度阶跃变化了 40℃时,控制器的 比例度 δ =50%,试求控制器的输出变化。 解:

δ =

? e /( x max ? x min ) ; ? p /( p max ? p min ) ? e ( x max ? x min ) / δ ( p max ? p min ) /

Q δ = 50 %, ? e = 40

?p = =

40 / 1000 = 1。 mA 28 0。 / 16 5
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4.DDZ-Ⅲ比例积分控制器,若将比例度设为 50%,积分时间 TI =2min,稳态时输出为 5mA,某 瞬间,输入突然增加了 0.2mA,试问经过 5min 后,输出将由 5mA 变化到多少? 解: , 对于比例输入:控制器输入、输出均为 4~20mA,比例度 δ =

1 KP

某瞬间,输入突然增加了 0.2mA,输出增量 ?I O = K P ? ?I i +

KP ? ?I i ? t TI

?I O = K P ? ?I i +

KP 1 1 ? ?I i ? t = × 0.2 + × 0.2 × 5 = 1.4 mA TI 0.5 2 × 0.5
I O = 5 + 1.4 = 6.4 mA。

试问经过 5min 后,输出将由 5mA 变化到

5.DDZ-Ⅲ比例积分控制器,若将比例度设为 200%,稳态时输出为 5mA,某瞬间,输入突然增 加了 0.5mA,试问经过 30s 后,输出将由 5mA 变化到 6mA,试问积分时间 TI =多少? 解: , 输出增量 ?I O = K P ? ?I i +

KP ? ?I i ? t TI

TI = K P ? ?I i × t /(?I O ? K P ? ?I i ) = 0.5 × 0.5 × 30 /(1 ? 0.5 × 0.5) = 7.5 / 0.75 = 10 s
6.一台 DDZ-Ⅲ型温度控制器,测量的全量程为 200~1200℃,当温度给定值由 800℃阶跃变化到 了 850℃时,控制器的输出由 12mA 变化到 16mA,试求控制器的比例度及放大倍数;该控制器属于正 作用还是反作用? 解:

δ= δ=

?e /( x max ? x min ) ; ?p /( p max ? p min ) (850 ? 800) (1200 ? 200) / 50 / 1000 × 100% = × 100% = 20% (16 ? 12) (20 ? 4) / 4 / 16

由于 DDZ-Ⅲ型温度控制器的输入与输出都是 4~20mA 的统一信号,所以:

KP =

1

δ

=

1 =5 20%

因为: “调节器的反作用: (偏差=给定值—测量值)增加、调节器输出增加” ,故该控制器为反作 用! 7.一台 DDZ-Ⅱ型液位控制器,其液位的测量范围为 0.5~1.2m,比例度为 40%。 当液位为 0.9m 时, 控制器的输出为 5mA。试问液位变化到 1m 时,控制器的输出为多少?该控制器属于正作用或是反作
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用该怎样? 解: 因为: δ =

?e /( x max ? x min ) ?p /( p max ? p min )
p max ? p min 1 ? x max ? x miN δ 10 ? 0 100 × = 3.57 1.2 ? 0.5 40

?p = ?e ?
所以:

= (1.0 ? 0.9) ×

调节器的正作用: (偏差=测量值—给定值)增加、调节器输出增加; p = p O + ?p = 8.6 mA 调节器的反作用: (偏差=给定值—测量值)增加、调节器输出增加; p = p O ? ?p = 1.4 mA

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第四章 执行器与安全栅
4.1.执行器 1.执行器是自动控制系统中的重要组成部分,它将控制器送来的控制信号转换成执行动作,从 而操纵进入设备的能量,将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。 2.执行器有自动调节阀门、自动电压调节器、自动电流调节器、控制电机等。其中自动调节阀 门是(石油、化工、热工系统)最常见的执行器,种类繁多。 3.自动调节阀按照工作所用能源形式可分为: 电动调节阀:电源配备方便,信号传输快、损失小,可远距离传输;但推力较小。 气动调节阀:结构简单,可靠,维护方便,防火防爆;但气源配备不方便。 液动调节阀:用液压传递动力,推力最大;但安装、维护麻烦,使用不多。 4.1-1.气动调节阀 1.气动调节阀是由气压信号控制的阀门。气动调节阀由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。 执行机构是推动装置,它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。 控制机构是阀门,它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。 2.直行程输出的气动执行机构有薄膜式执行机构、气动活塞式执行机构两类。 薄膜式执行机构:正作用执行机构、反作用执行机构 正作用执行机构:信号压力增大时,阀杆向下移动 3.调节机构就是阀门,是一个局部阻力可以改变的节流元件。根据不同的使用要求,阀门的结 构型式很多。 直通单座阀: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。 直通双座阀:阀体内有两个阀芯和阀座。流体流过时,作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反 且大小相近,可以互相抵消,所以不平衡力小。 阀门中的柱式阀芯可以正装,也可以反装。 正装:阀芯下移时,阀芯与阀座间的流通截面积减小 4.调节阀的流量特性 调节阀的阀芯位移与流量之间的关系,对控制系统的调节品质有很大影响。 流量特性的定义:被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度(相对位移)间的关系称为调 节阀的流量特性。 固有(理想)流量特性: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。它取决
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于阀芯的形状。 常用的调节阀的理想流量特性有四种: (1)直线特性、 (2)等百分比(对数)特性、 (3)快开特性、 (4)抛物线特性 调节阀的工作流量特性:实际使用时,调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随 流量而变化,阀前后压差也是变化的,这时流量特性会发生畸变。 为了表示调节阀两端压差△PT 的变化范围, 以阀权度 s 表示调节阀全开时, 阀前后最小压差△PTmin 与总压力△ P 之比。 5.调节阀的流通能力用流量系数 C 值表示。流量系数 C 的定义:在阀两端压差 100kPa,流体为 。 水(10 Kg/m )的条件下,阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量(m /h) 。 例如,某一阀门全开、阀两端压差为 100kPa 时,流经阀的水流量为 20 m /h,则该调节阀的流 量系数为:C=20。 在调节阀技术手册上,给出了各种阀门的口径和流通能力 C ,供用户查阅。 实际应用中阀门两端压差不一定是 100kPa,流经阀门的流体也不一定是水,因此必须换算。 液体流量系数 C 值的计算: C = Q
3 3 3 3

ρ
10?p

气体、蒸汽 C 值的计算: C = k ? Q 6. (PPT 例) 4.2.安全栅 4.2-1.安全防爆的基本概念

ρ
10?p

1.安全栅(又称防爆栅)是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。 2.不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同,煤矿井下用电气设备属Ⅰ类设备;有爆炸性气 体的工厂用电气设备属Ⅱ类设备;有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。 对于Ⅱ类电气设备,电路电压限制在 30VDC 时,各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。 级 别 ⅡA ⅡB 70< i <120 ⅡC

最小引爆电流(mA) 4.2-2.安全火花防爆系统

i >120

i ≤70

1.电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆,把电路在短路、开路及误 则此仪表称为安全火花防爆 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,

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仪表。 2.安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花,对其它仪表通过信号线传入的能量 是否安全则无法保证。如果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。 3.构成安全火花防爆系统的二要素: ① 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) 。 ② 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) 。 4.2-3.安全栅 1.安全栅是传递正常信号、阻止危险能量通过的保险器件。如在信号通路上串联一定电阻,起 限流作用,可称作电阻式安全栅。其缺点是正常信号也衰减,且防爆定额低。 2.目前最常用的安全栅是齐纳式安全栅安全栅和变压器隔离式安全栅。 3.隔离式安全栅有两种:检测端安全栅、执行端安全栅。

通用题: 通用题: 1.气动调节阀主要由哪两部分组成?各起什么作用? 简答: 气动调节阀由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。 执行机构是推动装置,它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。 控制机构是阀门,它将阀杆的位移转换为流通面积的大小。 2.什么叫调节阀的理想流量特性和工作流量特性?常用的调节阀的理想流量特性有哪些? 简答: 流量特性的定义:被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度(相对位移)间的关系称为调 节阀的流量特性。
Q l = f( ) Qmax L

固有(理想)流量特性: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。它取决 于阀芯的形状。 调节阀的工作流量特性:实际使用时,调节阀装在具有阻力的管道系统中。管道对流体的阻力随 流量而变化,阀前后压差也是变化的,这时流量特性会发生畸变。 常用的调节阀的理想流量特性有: (1)快开特性, (2)直线特性, (3)抛物线特性, (4)等百分 比(对数)特性。

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3.为什么说百分比特性又叫对数特性?与直线特性比较,它有什么特点? 简答: 等百分比(对数)流量特性:单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对开度成 对数关系:

( -1) Q =R L Qmax

l

等百分比(对数)流量特性曲线斜率(放大系数)随行程的增大而增大。流量小时,流量变化小; 流量大时,流量变化大。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。直 线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的,但其对流量的控制力却是不同的。 4.什么叫调节阀的可调范围?在串联管道中可调范围为什么会变化? 简答: 控制阀的可调范围或可调比 R,为调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。

R = Qmax / Qmin ,其中 Qmin 不是指阀门全关时的泄漏量,而是阀门能平稳控制的最小流量,约
为最大流量的 2~4%。一般阀门的可调比 R=30。 在串联管道中,因为随着流量的增加,管道上的压力损失增加,使得阀全开时的流量 Qmax 降低、 可调范围降低。 5.什么是串联管道中的阀阻比 S?S 值的变化为什么会使理想流量特性发生变化? 简答: 阀阻比 S 表示存在管道阻力的情况下,阀门全开时,阀门前后的最小压差 ?p min 与系统总压差 p 0 之比: S = ?p min / p 0 。 存在管道阻力的情况下, S ?1 ,可调范围减小。随着 S 的减小,直线特性渐渐趋近于快开特性, 等百分比特性渐渐趋近于直线特性。阀阻比 S 的值愈小,流量特性变形的程度愈大。实际使用中,一 般 S 的值不低于 0.3。
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6.什么是控制阀的流量系数 C(KV)?如何选择控制阀的口径? 简答: 控制阀的流量系数 C(KV)的大小直接反映了流体通过控制阀的最大能力! 流量系数 C 的定义:在阀两端压差 100kPa,流体为水(1000Kg/m )的条件下,阀门全开时每小 时能通过调节阀的流体流量(m /h) 。 选择控制阀口径的步骤: ⑴根据生产能力、设备负荷,决定控制阀最大流量 qV max ; ⑵根据所选定的流量特性及系统特点选定 S = ?p min / p 0 的值,然后计算阀门全开时的压差; ⑶根据流通能力计算公式,求得最大流量时的流量系数 Cmax ⑷根据求得的流量系数 Cmax,在所选用的产品型号的标准系列中选用大于 Cmax 并最接近 Cmax 的 C 值,从而选取阀门口径。 ⑸验证控制阀门的开度与可调比; 7.什么叫气动调节阀的气开式与气关式?起选择的原则是什么? 简答: 气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。 无压力信号时阀全开,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 阀门气开气关式的选择原则: 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 8.电动仪表怎样才能用于易燃、易爆场所?安全火花是什么概念? 简答: 电动仪表存在电路打火的可能。如果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 煤矿井下用电气设备属Ⅰ类设备; 有爆炸性气体的工厂用电气设备属Ⅱ类设备; 有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。 对于Ⅱ类电气设备,电路电压限制在 30VDC 时,各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。 30V、70mA
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第五章 被控过程的数学模型
5.0.引言 1.控制系统的控制过程品质主要取决于系统的结构和系统中各组成环节的特性 2.前几章的讨论中,我们已知变送器和执行器的特性是比例关系、控制器的特性由控制规律决 定。本章讨论被控对象的特性 5.1.被控过程数学模型的作用与要求 1.在经典控制理论中,被控对象的特性一般用单输入、单输出的数学模型描述。最常用的是传 递函数。 2.传递函数是指用拉氏变换式表示的对象特性。 5.2.建立被控过程数学模型的基本方法 1.求对象的数学模型有两条途径:机理法、测试(实验)法 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。 3.测试法:通过实验测试,来识别对象的数学模型。 由于影响生产过程的因素较多,单纯用机理法建模较困难,一般用机理法的分析结论,指导测试 结果的辨识。 5.3.机理法建模 5.3-1.机理法建模的基本原理 5.3-2.单容过程建模 1.当对象的输入输出可以用一阶微分方程式来描述时,称为单容过程或一阶特性对象。 大部分 工业对象可以用一阶特性描述。 2.单容过程是指只有一个储蓄容量的被控过程。 3.单容贮液箱液位过程 I

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⑴机理建模步骤: 从水槽的物料平衡关系考虑,找出表征 h 与 Q1 关系的方程式。 写成标准形式 T 进行拉氏变换 传递函数为:

d?h + ?h = K??1 dt

H ( s) K = ?1 ( s ) T ? s + 1

⑵ K = K ?1 ? Rs =

?Q1 ?h ? ;T = A ? Rs ??1 ?Q2

⑶阶跃响应: ?h = K ? ??1 (1 ? e ? t / T ) ⑷对象的特性参数 K、T 反映了对象的物理本质。 容量系数(液容)A——反映对象存储能量的能力;如水槽面积 A,它影响时间常数 T 的大小。 阻力系数(液阻)RS——反映对象对物料或能量传递的阻力;如阀门阻力系数 RS ,它影响放大 系数 K 的大小。 4.被控过程的自衡特性与单容贮液箱液位过程 II ⑴从一阶惯性特性曲线可以看出,对象在扰动作用下,其平衡状态被破坏后,在没有人工干预或 调节器干预(外部干预)下,能自动达到新的平衡状态,这种特性称为“自衡特性”。 ⑵用自衡率ρ表征对象自衡能力的大小 ρ =

??1 1 = ?h(∞) K

⑶并不是所有被控过程都具有自衡特性。 同样的单容水槽如果出水用泵抽出, 则成为无自衡特性。

K ?1 H(s) K ?Q2 = 0; = = ? 1 s) T ? s A ? s (
5. (潘例 4-2) 单容热力过程理论建模: 加热装置采用电能加热, 给容器输入电能加热的热流量 q i , 容器的热容为 C ,容器中液体的比热容为 c p ,流量为 q 的液体以 Ti 的入口温度流入,以 Tc 的出口温 度流出( Tc 同时也是容器中液体的温度)设容器所在的环境温度为 T0 。试求:⑴ Tc 与 q i 之间的关系; ⑵ Ti 与 T0 之间的关系。 解: ⑴ 该过程输入总的热流量为:电能加热的热流量 q i 和流入容器液体所携带的热流量 q ? c p ? Ti ⑵ 该过程输出总的热流量为:流出液体所携带的热流量 q ? c p ? Tc 、容器向四周环境散发的热量
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(容器散热表面积为 A 、保温材料的传热系数为 K r ) K r ? A ? (Tc ? T0 ) ⑶ 根据能量平衡关系:单位时间进入容器的热流量与单位时间进出容器的热流量之差等于容器 内热量存储量的变化率,可得

q i + q ? c p ? Ti ? q ? c p ? Tc ? K r ? A ? (Tc ? T0 ) = C
⑷ 写成增量式:

dTc dt

?q i + q ? c p ? ?Ti ? q ? c p ? ?Tc ? K r ? A ? (?Tc ? ?T0 ) = C
⑸ 设置、整理、消除中间变量: 令: K P = q ? c P 为液体的热量系数 令: K r ? A = 整理:

d?Tc dt

1 , R 为热阻 R

C

d?TC ?T ? ?T0 + K P ? ?TC = ?q i + K P ? ?Ti ? C dt R

若环境温度不变、流入容器的液体温度恒定,则

C

d?TC ?T + K P ? ?TC = ?q i ? C dt R

C

d?TC ?T + K P ? ?TC + C = ?qi dt R d?TC C?R + K P ? R?TC + ?TC = R ? ?qi dt d?TC R R C ? + ?TC = ? ?q i K P ? R + 1 dt KP ? R +1

⑹ 进行拉普拉斯变换

(C

R R ? s + 1) ? TC ( s ) = ? Qi ( s ) KP ? R +1 KP ? R +1

G (s) =

TC ( s ) R /( K P ? R + 1) = Qi ( s ) [ R /( K P ? R + 1)] ? C ? s + 1

⑺ 若容器绝热,流体流量 q 、输入热流量 q i 恒定,则

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G (s) =

TC ( s ) K P ? R /( K P ? R + 1) = Ti ( s ) [ R /( K P ? R + 1)] ? C ? s + 1

5.3-3.多容过程建模 1.有一个以上贮蓄容量的过程称为多容过程。 2.多容液位过程

⑴由两个一阶惯性环节串联起来,操纵变量是Δμ1 ,被控变量是第二个水槽的水位 h2。 ⑵ W ( s) =

H 2 (s) K K = = 2 ?1 ( s ) T1T2 ? s + (T1 + T2 ) ? s + 1 (T1 ? s + 1)(T2 ? s + 1)

⑶式中: T1 = A1 R2;T2 = A2 R3;K = K ?1 ? R3 ⑷当输入量是阶跃增量Δμ1 时,被控变量Δh2 的反应(飞升)曲线呈 S 型。为简化数学模型, 可以用带滞后的单容过程来近似。 3.容量滞后与纯滞后 ⑴容量滞后:在 S 形曲线的拐点上作一切线,若将它与时间轴的交点近似为反应曲线的起点,则 曲线可表达为带滞后的一阶特性: 切线在时间轴上截出的时间段 τ C 为容量滞后。 被控过程的容量系数 C(T0)越大, τ C 越大;容量个数越多(阶数 n 越多) ,也会使 τ C 增大;阶 跃响应曲线上升越慢。 ⑵纯滞后 由信号或能量的传输时间造成的滞后现象,是纯粹的滞后 τ O 。 ⑶有些对象容量滞后与纯滞后同时存在,很难严格区分。常把两者合起来,统称为滞后时间 τ ,

τ = τC +τO 。

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5.4.测试法建模 根据工业过程中某因果变量的实测数据,进行数学处理后得到的数学模型。 测定对象特性的实验方法主要有三种: 时域法——输入阶跃或方波信号,测对象的飞升曲线或方波响应曲线。 频域法——输入正弦波或近似正弦波,测对象的频率特性。 统计相关法——输入随机噪音信号,测对象参数的变化。 5.4-1.阶跃响应曲线法建模 1.在被控过程处于开环、稳态时,将选定的输入量做一阶跃变化(如将阀门开大) ,测试记录 输出量的变化数据,所得到的记录曲线就是被控过程的阶跃响应曲线。 2.有些工艺对象不允许长时间施加较大幅度的扰动,那么施加脉宽为△t 的方波脉冲,得到的响 应曲线称为“方波响应”。 3.由阶跃响应曲线确定被控过程传递函数 大多数工业对象的特性可以用具有纯滞后的一阶或二阶惯性环节来近似描述:

G (s) = W (s) =

K e ?τ ?s T ? s +1

G (s) = W (s ) = y (∞ ) ; x0

K e ?τ ?s (T1 ? s + 1)(T2 ? s + 1)

⑴K =

⑵ T、τ 求取的作图法:S 曲线的拐点做切线 ⑶ T、τ 求取的计算法:
* y * (t1 ) = 0.39、y(t 2) 0.632;T = (t 2 ? t1),τ = 2t1 ? t 2 = 2

5.4-2.测定动态特性的频域法 1.在对象的输入端加特定频率的正弦信号,同时记录输入和输出的稳定波形(幅度与相位) 。在 选定范围的各个频率点上重复上述测试,便可测得该对象的频率特性。 2.画出 Nyquist 图或 Bode 图,进而获得过程的传递函数

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习题与补充题 1. (王 5-9)下图液位过程,输入量为 Q1 ,流出量为 Q2 、 Q3 ,液位 h 为被控参数,水箱截面为 A,并设 R2、R3 为线性液阻。⑴列写液位过程的微分方程组;⑵画出液位过程的框图;⑶求出传递函 数 H ( s ) / Q1 ( s ) ,并写出放大倍数 K 和时间常数 T 的表达式。

解:

Q1 ? Q2 ? Q3 = A ?

dh dt d?h dt

?Q1 ? ?Q2 ? ?Q3 = A ? ?Q2 = ?h ?h 、?Q3 = R3 R2

?Q1 = A ?

R + R3 d?h 1 1 + ?h( + ) ?h(A ? s + 2 = ) dt R2 R3 R2 R3

R R (R2 + R3) / ?h R = 2 3 = R R ?Q1 AR ? s + 1 A 2 3 ? s +1 R2 + R3 H(s) K = Q1 s) T ? s + 1 ( K =R= T = AR
2. (王 5-10)下图液位过程,输入量为 Q1 ,液位 h2 为被控参数,⑴列写液位过程的微分方程组; ⑵求出传递函数 H 2 ( s ) / Q1 ( s ) 。 (厉:例题 2-5)下图液位过程, Q1 的变化量为输入量,液位 h2 的变化量为被控参数,⑴列写 液位过程的微分方程组;⑵求出传递函数 H 2 ( s ) / Q1 ( s ) 。

R2 R3 R2 + R3

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C1

dh1 = q1 ? q 2 dt h ? h2 q2 = 1 R2

C2

dh2 = q 2 ? q3 dt h q3 = 2 R3

R3 H 2 ( s) = 2 Q1( s ) C1 R2 C 2 R3 ? s + (C1 R2 + C 2 R3 + C1 R3 ) ? s + 1
3. (王:习题 5-15,完善课题)某单容液位过程,如下图。贮罐中液位高度 h 为被控参数,流入 贮罐的体积流量为 q1, 过程的输入量可通过阀门 1 的开度来改变; 流出贮罐的体积流量 q2 为过程的干 扰,其大小可以通过阀门 2 的开度来改变。当阶跃 ?? = 20% 时,实验测得响应数据如下

t/s h/c m

0 1 0 0 0

20

40

60

8 0

10 0 6

140

180

250

300

400

500

600

0. 0. 2. 3 2 8 0

5. 11. 14. 16. 18. 19. 19. 4 8 4 6 4 2 6

⑴画出液位阶跃响应曲线 ⑵用一阶惯性环节加滞后近似描述该过程的动态特性,确定 K、T、τ 解: 系统 G ( s ) =
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K ? e ?τ ?s T ? s +1
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K≈

20 = 100;τ = 60 s;T ≈ 300 ? 60 = 240 s 0 .2

第六章 简单控制系统的设计与参数整定
6.1.简单控制系统的结构与组成 1.指由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统。

2.控制系统工艺流程图

3.控制系统原理方框图

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4.过程控制系统施工图 6.2.简单控制系统的设计 6.2-1.过程控制系统方案设计的基本要求、主要内容与设计步骤 1.过程控制系统方案设计的基本要求:生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、 稳定性和经济性三个方面。 2.过程控制系统设计的主要内容:过程控制系统设计包括控制系统方案设计、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。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。 3.过程控制系统设计的步骤 ⑴掌握生产工艺对控制系统的技术要求 ⑵建立被控过程的数学模型 ⑶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。 ⑷控制设备选型 ⑸实验(或仿真)验证 6.2-2.被控参数与控制变量的选择 1.被控变量:生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量;合理选 择被控变量,关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。 2.当不能用直接工艺参数作为被控变量时,应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺 参数作为被控变量。 。 3.控制变量选择: 把用来克服干扰对被控变量的影响,实现控制作用的变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操 纵变量是介质的流量,也有以转速、电压等作为操纵变量的。 过程(通道) : 广义对象 GO ( s ) =

Kf KO ; 调节器为比例调节器:Gc ( s ) = K c ; 扰动通道:G f ( s ) = TO ? s + 1 Tf ? s +1

⑴K0 越大,被调参数对控制作用的反应越灵敏,系统的闭环稳定性越低。

Kf 越大,干扰作用越强,稳态误差越大。 K0 越大,控制作用越强,稳态误差越小;
故应选放大系数大的变量作为控制变量。 ⑵干扰通道的惯性因子(Tf s+1)使干扰作用的影响缓慢。

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Tf 越大,干扰对被控变量的影响越缓慢,越有利于控制。
干扰进入系统的位置离被控变量检测点越远,则 Tf 越大,控制时最大偏差越小。 6.2-3.检测环节、执行器及调节器正负作用选择 1.执行器的选择 ⑴调节阀工作区间的选择:正常工况下,调节阀的开度应在 15%~85%区间。据此原则计算、确定 控制阀的口径尺寸。 ⑵调节阀的流量特性选择:按补偿对象特性的原则选取。 ⑶调节阀的气开、气关作用方式选择:按控制信号中断时,保证生产设备安全的原则确定。 2.调节器正反作用的选择 ⑴负反馈控制系统的控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反,才能使被 控变量值回复到给定值。为了保证负反馈,必须正确选择调节器的正反作用。 ⑵为了说明选择方法,先定义作用方向: 当某个环节的输入增加时,其输出也增加,称该环节为“正作用”;反之,称为“反作用” 。 按此定义: 变送器都是正作用 气开阀是正作用,气关阀是反作用 被控对象有的正作用,有的反作用 控制器作用方向以测量输入与输出的关系定义: 正作用:测量值–给定值——增大、输出增大 反作用:给定值–测量值——增大、输出增大 ⑶调节器正反作用的确定原则:保证系统构成负反馈;简单的判定方法:闭合回路中有奇数个反 作用环节。 6.4.调节器参数的工程整定方法 6.4-0. 1.在控制系统设计或安装完毕后,被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定 了,不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定,来调整控制系统的稳定性和控制质量 2.控制器参数的整定,就是按照已定的控制方案,求取使控制质量最好的控制器参数值。具体 来说,就是确定最合适的控制器的比例度 P或δ 、积分时间 TI 和微分时间 TD 。 3.控制器参数整定的方法很多,主要有两(三?)大类,一类是理论计算的方法,另一类是工

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程整定法(和自整定法! 自整定法! 自整定法 ) 4.工程整定法是在已经投运的实际控制系统中,通过试验或探索,来确定控制器的最佳参数。 这种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。 6.4-1.稳定边界法(临界比例度法) 1.属于闭环整定方法,根据纯比例控制系统所得的临界振荡试验数据:临界比例度 Pm ( δ K )和 ,按经验公式计算从而求出调节器的整定参数。 振荡周期 Tm ( TK ) 2.整定过程、步骤: (1) 置调节器 TI → ∞,TD =0,比例度 P或δ →较大值,将系统投入运行。 (2) 逐渐减小 P或δ ,加干扰观察,直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界比例度 Pm ( δ K ) 和振荡周期 Tm ( TK ) 。 3.稳定边界法整定参数计算表

4.稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用: ⑴控制通道的时间常数很大、临界比例度过小时,调节阀容易游移于全开或全关位置,即接近处 于位式控制状态,对生产工艺不利或不容许。例如,一个用燃料油加热的炉子,如果阀门发生全关状 态就要熄火。 ⑵工艺上的约束条件严格时,等幅振荡将影响生产的安全。 6.4-2.衰减曲线法 1.衰减曲线法属于闭环整定方法,需寻找最佳衰减振荡状态。 2.整定过程、步骤: ⑴ 置调节器 TI → ∞, TD =0,比例度 P或δ →较大值,将系统投入运行。 ⑵在稳定状态下,改变阶跃给定值(通常以 5%左右为宜) ,观察调节过程曲线。 ⑶适当改变比例度,重复上述实验,到出现满意的衰减曲线为止。

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⑷ n = 4: 1 时,记下此时的比例度 PS ( δ S )及周期 TS ; n = 10:时,记下此时的比例度 PS ( δ S ) 1 及上升时间 Tr ( TP )

1 )或按表( n = 10:)计算、求得各种调节规律时的整定参数。 1 ⑸按表( n = 4:

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6.4-3.响应曲线法 1.响应曲线法属于开环整定方法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据,通过经验公式求取 调节器的最佳参数整定值。 2.方法:不加控制作用,作控制通道特性曲线。

3.根据实验所得响应曲线,把广义对象当作有纯滞后的一阶惯性环节:

G0 ( s ) =

Ko Ko 1/ ρ e ?τ o s 另有版本写成: G0 ( s ) = e ?τ o s = e ?τs To ? s + 1 To ? s + 1 To ? s + 1

找出广义对象的特性参数 K 0 、 T0 、 τ 0

Ko = Po =

?y /( y max ? y min ) ?x /( x max ? x min ) 1 Ko

4.响应曲线法整定参数的公式

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6.4-4.经验法 6.4-5.几种整定方法的比较

综合习题、 综合习题、实用题 习题 1.简单控制系统由哪几部分组成? 简答: 简单过程控制系统的结构与组成:指由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器(控制阀)和 一个对象(四个基本环节)所构成的单闭环控制系统。 2.为什么希望控制通道放大系数 K 0 要大、时间常数 T0 小、纯滞后时间 τ 0 越小越好?而干扰通 道的放大系数 K f 尽可能小、时间常数 T f 尽可能大? 简答: 控制通道放大系数 K 0 大,操纵变量的变化对被控变量的影响就大、控制作用对扰动的补偿力强、

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余差也小;但 K 0 太大,会使系统的稳定性下降。 在相同的控制作用下,时间常数 T0 小,被控变量变化快;但时间常数 T0 过大或太小,在控制上都 存在一定困难。 滞后时间 τ 0 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。 干扰通道: 放大系数 K f 大,对控制作用不利,因此尽可能小;时间常数 T f 大,扰动作用比较平缓,被控变 量变化平稳。 3.对某过程控制系统的对象采用衰减曲线法试验时测得 法按衰减比 n = 10 : 1 确定 PID 调节器的参数。 解: 查表 6-3:计算 PID 参数

PS = 30%,Tr = 5s 。试用衰减曲线

P = 0.8 PS/ = 0.8 × 30% = 24%; TI = 1.2Tr = 1.2 × 5 = 6 s; TD = 0.4Tr = 0.4 × 5 = 2 s
4.对某过程控制系统的对象采用衰减曲线法试验时测得 法按衰减比 n = 4 : 1 确定 PID 调节器的参数。 解: 查表 6-3:计算 PID 参数

PS = 50%,TS = 10 s 。试用衰减曲线

P = 0.8 PS = 0.8 × 50% = 40%; TI = 0.3TS = 0.3 × 10 = 3s; TD = 0.1TS = 0.1 × 10 = 1s
5.某控制系统用 n = 4 : 1 衰减曲线法确定调节器的参数,测得 δ S = 50%,TS = 5 min 。试确定 采用 PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。 解: 查表:计算 PI 参数

δ = 1.2δ S = 1.2 × 50% = 60%;
TI = 0.5TS = 0.5 × 5 = 2.5 min
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计算 PID 参数

δ = 0.8δ S = 0.8 × 50% = 40%;
TI = 0.3TS = 0.3 × 5 = 1.5 min ; TD = 0.1TS = 0.1 × 5 = 0.5 min
6.某控制系统用临界比例度法确定调节器的参数,测得 δ K = 50%,TK = 3 min 。试确定采用 PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。 解: 查表:计算 PI 参数

δ = 2.2δ K = 2.2 × 50% = 110%;
TI = 0.85TK = 0.85 × 3 = 2.55 min
计算 PID 参数

δ = 1.7δ K = 1.7 × 50% = 85%;
TI = 0.5TK = 0.5 × 3 = 1.5 min ; TD = 0.125TK = 0.125 × 3 = 0.375 min
7.某控制系统用临界比例度法确定调节器的参数,测得 δ K = 25%,TK = 5 min 。试确定采用 PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。 解: 查表:计算 PI 参数

δ = 2.2δ K = 2.2 × 25% = 55%;
TI = 0.85TK = 0.85 × 5 = 4.25 min
计算 PID 参数

δ = 1.7δ K = 1.7 × 25% = 42.5%;
TI = 0.5TK = 0.5 × 5 = 2.5 min ; TD = 0.125TK = 0.125 × 5 = 0.625 min
8.某控制系统采用 DDZⅢ型控制器,用临界比例度法确定调节器的参数;测得:

δ K = 30%,TK = 3 min 。试确定采用 PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。
解: 查表:计算 PI 参数

δ = 2.2δ K = 2.2 × 30% = 66%;
TI = 0.85TK = 0.85 × 3 = 2.55 min
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计算 PID 参数

δ = 1.7δ K = 1.7 × 30% = 51%;
TI = 0.5TK = 0.5 × 3 = 1.5 min ; TD = 0.125TK = 0.125 × 3 = 0.375 min
9.某控制系统用临界比例度法确定调节器的参数,测得 δ K = 20%,TK = 4 min 。试确定采用 P 作用、PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。 解: 查表: P 作用时的参数

δ = 2δ K = 40%
计算 PI 参数

δ = 2.2δ K = 2.2 × 20% = 44%;
TI = 0.85TK = 0.85 × 4 = 3.4 min
计算 PID 参数

δ = 1.7δ K = 1.7 × 20% = 34%;
TI = 0.5TK = 0.5 × 4 = 2 min ; TD = 0.125TK = 0.125 × 4 = 0.5 min
10.某控制系统用 n = 4 : 1 衰减曲线法确定调节器的参数,测得 δ S = 40%,TS = 6 min 。试确 定采用 P 作用、PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。 解: 查表: 计算 P 作用参数

δ = δ S = 40%
计算 PI 参数

δ = 1.2δ S = 1.2 × 40% = 48%;
TI = 0.5TS = 0.5 × 6 = 3 min
计算 PID 参数

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δ = 0.8δ S = 0.8 × 40% = 32%;
TI = 0.3TS = 0.3 × 6 = 1.8 min ; TD = 0.1TS = 0.1 × 6 = 0.6 min
11.某控制系统用 n = 10 : 1 衰减曲线法确定调节器的参数,测得 δ S = 50%,Tr = 2 min 。试确
'

定采用 PI 作用和 PID 作用时的控制器参数。 解: 查表:计算 PI 参数

δ = 1.2δ S' = 1.2 × 50% = 60%;
TI = 2Tr = 2 × 2 = 4 min
计算 PID 参数

δ = 0.8δ S' = 0.8 × 50% = 40%;
TI = 1.2Tr = 1.2 × 2 = 2.4 min ; TD = 0.4Tr = 0.4 × 2 = 0.8 min

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第七章 复杂控制系统
7.0.前言 1.当对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁时,采用简单控制系统往往控制质量较差,满足不了 工艺上的要求,这时,可考虑采用串级控制系统。 2.前馈控制的原理是:当系统出现扰动时,立即将其测量出来,通过前馈控制器,根据扰动量的 大小改变控制变量,以抵消扰动对被控参数的影响。 3.大滞后过程控制系统:在工业生产中,控制通道往往不同程度地存在着纯滞后。一般将纯滞后 时间 τ 0 与时间常数 T 之比大于 0.3( τ 0 / T>0.3)的过程称之为大滞后过程。 4.比值控制系统:生产过程中,经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如,在锅炉的 燃烧系统中,要保持燃料和空气量的一定比例,以保证燃烧的经济性。 5.均匀控制系统 6.分程控制系统: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。 7.1.串级控制系统 7.1-1.串级控制系统基本结构及工作过程 1.结构特点: ⑴系统有两个闭合回路,形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量,副变量是为了更好地控制 主变量而选用的辅助变量。 ⑵主、副调节器是串联工作的,主调节器的输出作为副调节器的给定值。 7.1-2.串级控制系统特点 1.主环控制通道时间常数缩短,改善了系统的动态性能。 主环控制通道时间常数缩短,改善了系统的动态性能。 主环控制通道时间常数缩短 2.副回路的引入,提高了系统的工作频率,也改善了系统的动态性能。 副回路的引入,提高了系统的工作频率,也改善了系统的动态性能。 副回路的引入 3.串级系统特点总结: ⑴对进入副回路的干扰有很强的克服能力; ⑵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; ⑶对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 7.1-3.串级控制系统的设计与参数整定 7.1-4.串级控制系统的适用范围 1.适用于容量滞后较大的过程:选容量滞后较小的辅助变量,减小时常,提高频率
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2. 适用于纯滞后较大的过程: (图 6-9, ) 工艺要求: 过滤前的压力稳定在 250Pa;特点: 距离长, 纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制 3.适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程: 4.适用于参数互相关联的过程: 5.适用于非线性过程 7.1-5.串级控制系统的主要特点有: 1.对进入副回路的干扰有很强的抑制能力; 2.能改善控制通道的动态特性,提高系统的快速反应能力; 3.对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。 7.1-5.主、副调节器调节规律的选择 1.主调调节器调节规律:定值控制;副调调节器调节规律:随动控制 2.主被控参数要无静差→调节器调节规律为 PI,PID 调节; 3.副被控参数允许有静差→调节器调节规律:P,不引入 PI;为保稳定,P 选大时,可引入积分; 不引入微分。 7.1-6.串级控制系统的参数整定 1.逐步逼近整定法 主开环、副闭环,整定副调的参数 副回路等效成一个环节,闭合主回路,整定主调节器参数 观察过渡过程曲线,满足要求,所求调节器参数即为 否则,再整定副调节器参数, (此时副回路、主回路都已闭合! )记为 反复进行,满意为止 该方法适用于主、副过程时间常数相差不大, 该方法适用于主、副过程时间常数相差不大,主、副回路动态联系密切,需反复进行,费时较多 副回路动态联系密切,需反复进行, 2.两步整定法 主、副闭合,主调为比例,比例度为百分之一百,先用 4 比 1 衰减曲线法整定副调节器的参数,求 得比例度和操作周期; 等效副回路,整定主调参数,求得主回路在 4 比 1 衰减比下的比例度和操作周期;根据两种情况 下的比例度和操作周期,按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间,然后再按先副后主、 先比例后积分再微分的次序投入运行,观察曲线,适当调整,满意为止。 3.一步整定法 思路:先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数,然后一步完成主调节器的参数的整定。理
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论依据:主、副调节器的放大系数在 0? K c1 ? K c 2 ? 0.5 的条件下,主、副过程特性一定时, K c1 ? K c 2 为 条件下, 副过程特性一定时, 条件下 一常数 ⑴ 主、副调节器均置比例控制,根据约束条件或经验确定 K c 2 ⑵ 等效副回路,按衰减曲线法整定主调节器参数; ⑶ 观察曲线,在约束条件下,适当调整主、副调节器的参数,满意为止。 7.1-6*.串级控制系统的参数整定 1.串级控制系统的参数整定有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法 2.逐步逼近法: ⑴断开主回路,整定副回路、取得参数 ⑵整定好的副回路作为主回路的一个环节,整定主回路、取得参数 ⑶主回路、副回路闭环,再次整定副回路、取得参数 ⑷重新整定主回路、取得参数 ⑸依次整定副回路、主回路。并循环进行,逐步接近主、副回路最佳控制状态。 3.两步整定法: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。 4.一步整定法:所谓一步整定法,就是根据经验,先将副调节器参数一次调好,不再变动,然后 按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。

7.1-7.串级控制系统的方案设计 1.副回路设计中,最重要的是选择副回路的被控参数(串级系统的副参数) 。副参数的选择一般 应遵循下面几个原则: ⑴主、副变量有对应关系 ⑵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 ⑶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 ⑷应注意工艺上的合理性和经济性
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2.主、副调节器调节规律的选择:主调节器通常选用 PI 调节,或 PID 调节。控制副参数是为了 提高主参数的控制质量,对副参数的要求一般不严格,允许有静差。因此,副调节器一般选 P 调节就 可以了。 3.主、副调节器正、反作用方式的确定 对串级控制系统来说,主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。 选择时的顺序是: ⑴根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用; ⑵按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用; ⑶依据主回路构成负反馈的原则,确定主调节器的正、反作用。 7.1-8.某串级控制系统采用两步法整定控制器参数,测得 4:1 衰减法的过程参数:

δ 1S = 8%,T1S = 100s;δ 2 S = 40%,T2 S = 10 s; 若已知主控制器选用 PID 控制规律,副控制器
选用 P 控制规律。试求主、副控制器的参数。 解:

δ 1 = 0.8δ 1s = 0.8 × 8% = 6.4%
T1I = 0.3T1S = 0.3 × 100 = 30 s T1D = 0.1T1S = 0.1 × 100 = 10 s

δ 2 = δ 2 S = 40%

7.2.前馈控制系统 7.2-1.前馈控制的工作原理及其特点 1.反馈控制的特点与不足:不论是什么干扰,只要引起被调参数的变化,调节器均可根据偏差 进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节,调节速度难以进一步提高。 2.前馈控制的特点: ⑴前馈控制器是按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。 ⑵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。 ⑶前馈控制器的控制规律不是 PID 控制,是由对象特性决定的。 ⑷前馈控制只对特定的干扰有控制作用,对其它干扰无效。

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7.2-2.前馈控制系统的结构

1.静态前馈控制系统:所谓静态前馈控制,是前馈控制器的补偿控制规律,只考虑静态增益补 偿,不考虑速度补偿。

Y ( s) = G F ( s ) + G B ( s ) ? Go ( s ) ? 0 F ( s) G ( s) G B ( s) = ? F Go ( s )
2.静态前馈系统结构简单、易于实现,前馈控制器就是一个比例放大器。但控制过程中,动态 偏差依然存在。 3.动态前馈控制系统:完全按照补偿控制规律制作控制器。 4.理论上,动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比 较复杂,常常无法获得精确表达式,也难以精确实现。 5.前馈—反馈复合控制系统:为了克服前馈控制的局限性,将前馈控制和反馈控制结合起来, 组成前馈—反馈复合控制系统。 7.2-3.前馈控制的特点及局限性 1.前馈控制的特点 开环控制;比反馈控制及时;补偿器为专用 2.前馈控制的局限性:无法实现对干扰的完全补偿 只能抑制可测干扰; 不能对每个干扰实现补偿; 补偿器难以精确得到,即使得到有时物理上也难以实现 7.2-3.前馈-反馈复合控制

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7.3.大滞后过程控制系统 1.在工业生产中,控制通道往往不同程度地存在着纯滞后。一般将纯滞后时间 τ 0 与时间常数 T 之比大于 0.3 的过程称之为大滞后过程:

τ 0 / T ?0.3 称为一般纯滞后;τ 0 / T ? 0.3 称之为大滞后过程
2.大滞后过程是公认较难控制的过程。其难于控制的主要原因是纯滞后的增加导致开环相频特 性相角滞后增大,使闭环系统的稳定性下降。为了保证稳定裕度,不得不减小调节器的放大系数,造 成控制质量的下降。 3.最早的大滞后过程控制方案是采样控制。 7.3-1.大滞后过程的采样控制 1.所谓采样控制,是一种定周期的断续 PID 控制方式,即控制器按采样周期 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。保持的时间 T 必须大于 纯滞后时间 τ 0 。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。 7.3-2.大滞后过程的 Simth 预估补偿控制:Simth 预估补偿控制是按照对象特性,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,从而降低超调量,并加速调节过程: 史密斯预估控制:预先估计动态模型→预估器使滞后了的被控量提前反馈→调节器提前动作→减 少超调、加速调节过程。

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7.3-3.史密斯预估控制器 系统的闭环传递函数:

GC ( s )Go ( s )e ?τ 0 s Y (s) = X ( s ) 1 + GC ( s )Go ( s )e ?τ 0 s
史密斯预估控制器补偿控制原理

Y ' ( s) = Go ( s )e ?τ 0 s + G smith ( s ) U (s)
期望:

Y ' ( s) = Go ( s )e ?τ 0 s + Gsmith ( s ) = Go ( s ) U (s)
于是,则有

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s )
史密斯预估控制器补偿控制框图

结果:

GC ( s )Go ( s ) Y (s) = ? e ?τ 0 s X ( s ) 1 + GC ( s )Go ( s )
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7.3-4.被控对象的数学模型: G ( s ) = Go ( s )e 器,并用系统框图表示此预估补偿控系统的实现。 解:Smith 预估补偿控制器:

?τ 0 s

=

5 ? e ? 2.5 s ;设计 Smith 预估补偿控制 3 .2 s + 1

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s ) = 5 (1 ? e ? 2.5 s ) 3 .2 s + 1

此系统预估补偿控系统的实现框图

7.3-5.被控对象的数学模型: G ( s ) = Go ( s )e

?τ 0 s

=

1 ? e ?10 s ;设计 Smith 预估补偿控制 2 (5s + 1)

器,并用系统框图表示此预估补偿控系统的实现。 解:Smith 预估补偿控制器:

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s ) = 1 (1 ? e ?10 s ) 2 (5s + 1)

此系统预估补偿控系统的实现框图

7.3-6. 被控对象的数学模型: G ( s ) = Go ( s )e 并用系统框图表示此预估补偿控系统的实现。 解:Smith 预估补偿控制器:

?τ 0 s

=

2 ? e ? 4 s ;设计 Smith 预估补偿控制器, 4s + 1

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s ) = 2 (1 ? e ?4 s ) 4s + 1
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此系统预估补偿控系统的实现框图

7.3-7.被控对象的数学模型: G ( s ) = Go ( s )e 并用系统框图表示此预估补偿控系统的实现。 解:Smith 预估补偿控制器:

?τ 0 s

=

4 ? e ? 20 s ;设计 Smith 预估补偿控制器, 5s + 1

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s ) = 4 (1 ? e ? 20 s ) 5s + 1

此系统预估补偿控系统的实现框图

7.3-8.被控对象的数学模型: G ( s ) = Go ( s )e 并用系统框图表示此预估补偿控系统的实现。 解:Smith 预估补偿控制器:

?τ 0 s

=

1.32 ? e ?9 s ;设计 Smith 预估补偿控制器, 45s + 1

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s ) = 1.32 (1 ? e ?9 s ) 45s + 1

此系统预估补偿控系统的实现框图

7.3-9.被控对象的数学模型: G ( s ) = Go ( s )e 并用系统框图表示此预估补偿控系统的实现。
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?τ 0 s

=

2.14 ? e ?5 s ;设计 Smith 预估补偿控制器, 40 s + 1

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解:Smith 预估补偿控制器:

G smith ( s ) = Go ( s )(1 ? e ?τ 0 s ) = 2.14 (1 ? e ?5 s ) 40 s + 1

此系统预估补偿控系统的实现框图

7.4.比值控制系统 1.比值控制系统:生产过程中,经常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如,在锅炉 的燃烧系统中,要保持燃料和空气量的一定比例,以保证燃烧的经济性。 2.定义: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。 7.4-1.比值控制系统的种类 1.开环比值控制系统

2.单闭环比值控制系统

3.双闭环比值控制系统

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4.变比值控制系统 基于除法器的变比值控制系统

7.4-2.比值控制系统的设计与参数整定 1.控制方案的选择:控制方案选择应根据不同的生产要求确定,同时兼顾经济性原则。 ⑴如果工艺上仅要求两物料流量之比值一定,而对总流量无要求,可用单闭环比值控制方案。 ⑵如果主、副流量的扰动频繁,而工艺要求主、副物料总流量恒定的生产过程,可用双闭环比值 控制方案。 ⑶当生产工艺要求两种物料流量的比值要随着第三参数的需要进行调节时,可用变比值控制方 案。 2.比值控制系统中调节器控制规律的确定 ⑴ 在单闭环比值控制系统中,比值器 K 起比值计算作用,若用调节器实现,则选 P 调节;调节 器F2C 使副流量稳定,为保证控制精度可选 PI 调节。 ⑵ 双闭环比值控制不仅要求两流量保持恒定的比值关系,而且主、副流量均要实现定值控制, 所以两个调节器均应选 PI 调节;比值器选 P 调节。 4-3.比值器参数的计算 比值控制是解决不同物料流量之间的比例关系问题。当使用单元组合仪表时,因输入-输出参数 均为统一标准信号,所以,比值器参数必须由实际物料流量的比值系数折算成仪表的标准统一信号 1.流量与检测信号呈非线性关系 :当物料流量的比值一定、流量与其检测信号呈平方关系时, 比值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈平方关系

K ' = [K ×

q1 max 2 I 2 ? 4 ] = q 2 max I1 ? 4

2.流量与检测信号呈线性关系:当物料流量的比值一定、流量与其测量信号呈线性关系时,比
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值器的参数与物料流量的实际比值和最大值之比的乘积也呈线性关系

K' = K ×

' q1 max I 2 ? 4 = ' q 2 max I 1 ? 4

3.实例计算 已知某流量比值系统采用差压式流量计测量主副流量,其最大量程分别为:

Q1 max = 12.5m 3 / h,Q2 max = 20m 3 / h;工艺要求K =
试计算不加开方器与加开方器后仪表的比值系数 K’。 解: 不加开方器时: K = [ K ×
'

Q2 = 1.4 Q1

q1 max 2 12.5 2 ] = 1 .4 2 ? = 0.766 q 2 max 20 2

加开方器后:

K' = K ×

q1 max 12.5 = 1.4 ? = 0.875 q 2 max 20

4.某生产过程中,要求参与反应的物料 Q1 与物料 Q2 保持恒定比例,当正常操作时,流量

Q1 = 7 m 3 / h,Q2 = 1.75m 3 / h; 两个流量均采用孔板测量并配用差压传感器,测量范围分别为:
0 ~ 10m 3 / h和0 ~ 2m 3 / h ;根据要求设计 Q1 / Q2 的恒定比值控制系统。在采用 DDZ-Ⅲ型仪表组成
的控制系统的情况下,分别计算流量和测量信号呈线性关系(配开方器)和非线性关系(无开方器) 时的比值系数 K ' 解. ⑴ 流量和测量信号呈线性关系(配开方器)

I1 =

Q1 Q1 (20 ? 4) + 4 = ? 16 + 4 Qmax Q1 max

Q1 ? 16 = I 1 ? 4 Q1 max I2 = Q2 ? 16 + 4 Q2 max

Q2 ? 16 = I 2 ? 4 Q2 max

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K=

Q2 1.75 = = 0.25 Q1 7 Q Q2 Q2 max I 2 ? 4 = ? = K ' 2 max Q1 Q1 max I 1 ? 4 Q1 max Q1 max 10 = 0.25 × = 1.25 Q2 max 2
2

K=

K' = K

⑵ 流量和测量信号呈非线性关系(无开方器)

I1 =

Q1 Q2 (20 ? 4) + 4 = 21 ? 16 + 4 Q12max Q1 max

2 Q2 max I 2 = 2 ? 16 + 4 Q2 max
2 Q2 1.75 2 K = 2 =( ) = 0.0625 7 Q1 2

K' = K2

Q12max 10 = 0.0625 × ( ) 2 = 1.5625 2 2 Q2 max

5.某生产过程中,要求参与反应的物料 Q1 与物料 Q2 保持恒定比例,在采用 DDZ-Ⅲ型仪表组成 的控制系统的情况下,当正常操作时,流量 Q1 max = 625m / h,Q2 = 290m / h; 两个流量均采用孔
3 3

板测量并配用差压传感器(无开放器) ,要求 数K' 解.

K = Q1 / Q2 = 0.5 的恒定比值控制系统。计算比值系

流量和测量信号呈非线性关系(无开方器)

I1 =

Q1 Q2 (20 ? 4) + 4 = 21 ? 16 + 4 Q12max Q1 max

2

2 Q2 max I 2 = 2 ? 16 + 4 Q2 max

K2 =

2 Q2 1.75 2 =( ) = 0.0625 2 7 Q1

K' = K2

Q12max 625 2 = 0 .5 2 × ( ) = 1.16 2 290 Q2 max

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6.单闭环比值控制系统,主物料流量 Q A 经差压变送器、开放器后的信号送往除法器,与副流量

QB 经开放器后的信号相除, I =

I2 ' 。系统采用 DDZ-Ⅱ型仪表,计算比值系数 K 。给定条件: I1 Q2 = 0.5 Q1

Q A max = 500m 3 / h;QB max = 400m 3 / h;K =
解: 流量和测量信号呈线性关系(配开方器)

I1 =

Q1 10 Qmax

Q1 ? 10 = I 1 Q1 max I2 = Q2 ? 10 Q2 max

Q2 ? 10 = I 2 Q2 max

K=

Q2 = 0.5 Q1 Q Q2 Q2 max = = K ' 2 max Q1 Q1 max Q1 max Q1 max 500 = 0.5 × = 0.625 Q2 max 400

K=

K' = K

7.单闭环比值控制系统,主物料流量 Q A 经差压变送器、无开放器后的信号送往除法器,与副流 量 Q B (无开放器)的信号相除, I =

I2 。系统采用 DDZ-Ⅲ型仪表,计算比值系数 K ' 。给定条件: I1 Q2 = 0.5 Q1

Q A max = 625m 3 / h;QB max = 290m 3 / h;K =
解: 流量和测量信号呈非线性关系(无开方器)

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I1 =

Q1 Q2 (20 ? 4) + 4 = 21 ? 16 + 4 Q12max Q1 max

2

2 Q2 I 2 = 2 ? 16 + 4 Q2 max
2 Q2 K = 2 = (0.5) 2 = 0.25 Q1 2

K' = K2

Q12max 625 2 = 0.25 × ( ) = 1.16 2 290 Q2 max

7.某生产过程中,要求参与反应的物料 Q1 与物料 Q2 保持恒定比例,当正常操作时,流量

Q1 = 9m 3 / h,Q2 = 2.25m 3 / h; 两个流量均采用孔板测量并配用差压传感器,测量范围分别为:
0 ~ 15m 3 / h和0 ~ 4m 3 / h ;根据要求设计 Q1 / Q2 的恒定比值控制系统。在采用 DDZ-Ⅲ型仪表组成
的控制系统的情况下,分别计算流量和测量信号呈线性关系(配开方器)和非线性关系(无开方器) 时的比值系数 K ' 解. ⑴ 流量和测量信号呈线性关系(配开方器)

I1 =

Q1 Q1 (20 ? 4) + 4 = ? 16 + 4 Qmax Q1 max

Q1 ? 16 = I 1 ? 4 Q1 max I2 = Q2 ? 16 + 4 Q2 max

Q2 ? 16 = I 2 ? 4 Q2 max

K=

Q2 2.25 = = 0.25 Q1 9 Q Q2 Q2 max I 2 ? 4 = ? = K ' 2 max Q1 Q1 max I 1 ? 4 Q1 max Q1 max 15 = 0.25 × = 0.9375 Q2 max 4

K=

K' = K

⑵ 流量和测量信号呈非线性关系(无开方器)

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I1 =

Q1 Q2 (20 ? 4) + 4 = 21 ? 16 + 4 Q12max Q1 max

2

2 Q2 max I 2 = 2 ? 16 + 4 Q2 max
2 Q2 2.25 2 K = 2 =( ) = 0.0625 9 Q1 2

K' = K2

Q12max 15 = 0.0625 × ( ) 2 = 0.8789 2 4 Q2 max

7.5.均匀控制系统 1.在连续生产过程中,有许多装置是前后紧密联系的。前一设备的出料,往往是后一设备的进 料,各设备的操作也互相关联、互相影响;两套控制系统的控制目标存在矛盾? 2.解决办法:⑴设中间贮槽,使前后影响减小,但成本高。⑵用均匀调节方案。 3.为了解决前后工序控制的矛盾,达到前后兼顾、协调操作,使前后工序的控制参数均能符合 要求而设计的控制系统称为均匀控制系统。 4.均匀控制的特点如下: (1)两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。 (2)前后互相联系 又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。 5.均匀控制方案 ⑴简单均匀控制

⑵串级均匀控制

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串级均匀控制方案中,主、副变量都有控制精度要求,二者均在规定的范围内作缓慢的变化,所 以控制手法上与串级控制不同。 主、副控制器一般都采用纯比例作用,而且将比例度整定得较大。 串级均匀控制方案适用于干扰较大的场合。但使用仪表较多,投运、维护较复杂。

7.6.分程控制系统 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。 例如,一个控制器的输出信号分程控制两个调节阀 A 和 B , A 和 B 的输入信号各占一半行程。

2.分程控制系统的类型:按照调节阀的气开、气关形式和分程信号区段不同,可分为以下两种 类型: ⑴调节阀同向动作的分程控制系统

⑵调节阀异向动作的分程控制系统

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7.7.选择性控制系统 1.传统的生产保护措施是硬保护措施。当生产操作达到安全极限时,发出声、光报警。操作工 立即将控制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线路实现自动停车,以排除险情。 2.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。 3.事故状态的保护性措施大致可分成两类: 一种是自动报警,然后由人工进行处理,或采用自动连锁、自动停机的方法进行保护,称为“硬 保护”。 另一种措施称为“软保护”,即所谓选择性控制系统。 7.7-1.选择性控制系统的类型 1.对调节器输出信号进行选择

2.对变送器输出信号进行选择

7.7-2.调节规律的确定及其参数整定 1.在自动选择性控制系统中,若采用两个调节器,其中必有一个为正常调节器,另一个为取代 调节器。对于正常调节器,由于有较高的控制精度而应选用 PI 或 PID 调节规律;对于取代调节器, 由于在正常生产中开环备用,仅在生产将要出现事故时,才迅速动作,以防事故发生,故一般选用 P 调节规律即可。 若选择器为低选,设 P1C ? P2C ,调节器 1 被选中,其输出为 P1C = K 1C {e1 +

1

τ 1I

∫ e dt}
1

因此,调

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节器 1 仍保持调节规律。此时,调节器 2 处于备用状态,其输出为 P2 C = K 2C {e2 + 2.积分切除法

1

τ 1I

∫ e dt} 。
1

所谓积分切除法,是指调节器具有的调节规律,即当调节器被选中时具有 PI 调节规律,一旦处 于开环状态,立即切除积分功能,而仅保留比例功能。这是一种特殊的调节器。若用计算机进行选择 性控制,只要利用计算机的逻辑判断功能,编制出相应的程序即可 3.限幅法 所谓限幅法,是指利用高值或低值限幅器使调节器的输出信号不超过工作信号的最高值或最低 值。至于是用高值限幅器还是用低值限幅器,则要根据具体工艺来决定。若调节器处于备用、开环状 态时,调节器由于积分作用会使输出逐渐增大,则要用高值限幅器。反之,则用低值限幅器 7.7-3.简答题 1.什么是生产过程的软保护措施? 简答:当生产短期内处于不正常情况时,无需像硬保护硬性使设备停车,而是通过一个特定设计 的自动选择性控制系统,以适当改变控制方式、达到自动保护生产的目的。 2.选择性控制系统有哪些类型? 简答:选择性控制系统的分类有多种: ⑴ 开关型选择性控制系统、连续型选择性控制系统和混合型选择性控制系统; ⑵ 对调节器输出信号进行选择的选择性控制系统、对变送器输出信号进行选择的选择性控制系 统。 3.什么是选择性控制? 简答:连续型的选择性控制又称为取代控制系统,一般具有两只控制器,它们的输出通过一只选 择器后,送至执行器。这两只控制器,一只在正常情况下工作,另一只在非正常情况下工作:在生产 处于正常情况时, 系统由 “处于正常工作情况下的正常控制器” 进行控制; 一旦生产出现不正常情况, 用“处于正常工作情况下的取代控制器”取代“处于正常工作情况下的正常控制器”对生产过程进行 安全性控制;直到生产恢复到正常情况,又通过选择器使“处于正常工作情况下的正常控制器”取代 “处于正常工作情况下的取代控制器”重新恢复正常控制。 4.选择性控制系统识别:画出选择性控制系统的典型方框图,并说明其工作原理。

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5.什么是控制器的“积分饱和”现象?产生“积分饱和”现象的条件是什么? 简答: “积分饱和”现象是指具有积分作用的控制器,当输入偏差总不为零时,控制器的输出就要一直 增加到最大或降低到最小! 产生“积分饱和”现象的条件有三个:控制器具有积分作用;控制器处于开环工作状态、其输出 没有送往执行器;控制器的输人偏差信号长期存在。 6.在选择性控制系统,对具有积分作用的调节器有哪几种抗积分饱和的措施? 简答:⑴PI-P 法,⑵积分切除法,⑶限幅法

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第九章计算机控制系统
9.2. 直接数字控制(DDC DDC)系统 DDC 9.2-1. 直接数字控制(DDC)系统的特点: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。 DDC 系统能满足不同生产过程的控制要求。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。 DDC 系统的另一个优点是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。 9.2-2.DDC 系统的组成:典型的过程计算机控制系统结构如下图所示。除了被控过程、检测仪表 和执行器之外,计算机系统(如图中的虚线内部分)可划分为软件和硬件两大部分。 9.2-3.DDC 系统的硬件:硬件是指计算机本身及其外围设备硬件设备,包括 CPU CPU、存储器(RAM RAM、 RAM ROM),各种接口电路,A/D 转换和 D/A 转换构成的模拟量 I/O 通道、数字量 I/O 通道,以及各 A D ROM A O O 种显示、存储设备、运行操作台等。 9.2-4. 系统的软件: 系统的软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序总和。 DDC DDC DDC 系统的软件从功能上可分为系统软件和应用软件两大部分。 系统软件是由计算机制造商、通用系统软件公司、以及过程控制系统制造厂商提供的,用来进行 计算机资源管理的软件,如操作系统、系统开发环境等,用户只需要掌握使用方法,并根据具体需要 加以适当的调整即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的具有专用功能的程序,应用软件的质量直接影响 控制系统的功能和效率。 9.3.集散控制系统 9.3-1.集散控制系统的组成:集散控制系统的基本结构由分散控制装置、集中操作与管理系统 和通信系统三部分组成。 9.4.现场总线控制技术与现场总线控制系统 9.4-1.按照现场总线基金会的定义,所谓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。 9.4-2.以现场总线为基础的全数字控制系统成为21 21世纪自动化控制系统的主流。目前世界发达 21 国家的自动化仪表公司都以巨大的人力和财力投入,全方位地进行技术研究和实际应用。由于现场总 线是以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替4~20mA 4 20mA 20mA的现场仪表,实现全数字化的控制
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系统。 9.4-3.几种主要的现场总线技术 过程现场总线Profibus :Profibus Profibus是一种不依赖于厂家的开放式现场总线标准,可广泛应用于制 Profibus 造加工、过程自动化和建筑自动化领域。采用Profibus Profibus标准的系统,不同厂商所生产的设备无须对其 Profibus 接口进行特别调整就可进行通信。Profibus Profibus用于对时间苛求的高速数据传输,也可用于大范围的复杂 Profibus 通信场合。 HART现场总线:HART Highway Addressable Remote Transducer寻址远程传感器变速通道)的 HART(Highway Transducer HART 特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号传输, 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产 品。因而在过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快发展。

第十章 过程控制系统应用实例
10.1.精馏塔过程控制系统 10.1-1.精馏过程的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同,将各组分进行分离以达到规定的 纯度。 10.2.工业锅炉自动控制系统 10.2-1.蒸汽锅炉的自动控制一般由三个基本调节系统组成:锅炉汽包水位控制系统、过热蒸汽 温度控制系统、锅炉燃烧控制系统。 10.2-2.汽包水位控制 以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种 系统结构简单、设计方便,缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差(虚假水位问题。。。 。)

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将蒸汽流量作为前馈信号,就构成了双冲量控制系统。 。

三冲量串级控制方案:该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量(汽包水位、蒸汽流量、给水 流量)构成。其中,主调节器为水位调节器,副调节器为给水流量调节器,蒸汽流量为前馈信号。 三冲量前馈-反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多 方面都优于前述两种控制系统,是现场广泛采用的汽包水位控制方案

10.3.简答题 10.3-1.什么是多冲量控制系统?
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答:所谓多冲量控制系统,是指在控制系统中,有多个变量信号,经过一定的运算后,共同控制 一个执行器,以使某个被控工艺变量有较高的控制质量。 10.3-2.什么是三冲量控制系统?为什么引入三个冲量? 答:三冲量控制系统主要是指锅炉汽包液位控制系统中,分别引入汽包液位、蒸汽流量和給水流 量三个信号,经过一定的运算后,共同控制一个执行器——调节阀(給水阀). 液位信号是该系统的被控变量 蒸汽流量信号的目的是及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响,并有效地克服由于“假水位” 现象而引起的控制系统的误动作。

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