李敏复习.docx

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李敏复习

第一章控制系统的基本概念

3.什么是自动控制系统的方框图？

它与工艺流程图有什么不同？

答：

自动控制系统的方框图上是由传递方块、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。

其中每一个分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。

而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。

①试画出该控制系统的方框图；

②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？

整个系统的输入信号和输出信号又是什么？

③系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大）时，该系统如何实现自动控制的？

答：

如图所示为该控制系统的方框图。

该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。

整个系统的输入信号为：

给定值ys，干扰作用f，输出为热物料出口温度T，

当冷物料流量增大，则出口温度y减小，TT检测后所得ym减小，偏差信号e=ym-ys<0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。

7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值

（1）试画出该系统的方框图；

（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？

（1）如图所示为该控制系统的方框图；

（2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：

进水流量，大气温度等。

10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？

答：

表示衰减振荡过程的控制指标有：

①最大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。

②衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。

③回复时间（过渡时间）ts——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。

④差e（∞）——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。

⑤振荡周期T——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。

第二章过程装备控制基础

1.什么是被控对象的特性？

表征被控对象特性的参数有哪些？

它们的物理意义是什么？

答：

所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ。

K——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。

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，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

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，因此是对象的动态参数。

τ——滞后时间是纯滞后τ0时间和容量滞后τc的总和。

输入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τ也是反映对象动态特性的重要参数。

4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？

答：

对于不同的通道，对象的特性参数（K，T，τ）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，但过渡过程时间较大；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。

时间常数太大或太小，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τ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τ。

对于扰动通道：

放大系数K大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，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，即使扰动较大，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τ0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。

10．比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？

并分别说明它们对控制质量的影响。

答：

①比例——比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。

比例度越大，表示比例控制作用越弱。

减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

②积分控制——积分时间TI表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。

积分时间TI的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。

③微分控制——微分时间TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。

如微分时间TD越大，表示微分控制作用越强。

增加微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

14．调节器参数整定的目的是什么？

工程上常用的整定方法有哪些？

答：

当一个控制系统设计安装完成后，系统各个环节及其被控对象各通道的特征不能改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度、积分时间TI、微分时间TD。

通过改变这三个参数的大小，就可以改变整个系统的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。

调节器参数整定的目的就是按照己定的控制系统求取控制系质量最好的调节器参数，工程上常用的整定方法有：

① 经验试凑法——根据被控变量的性质在己知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的值做为调节器的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡曲线的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。

② 临界比例度法——首先求取比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期TK，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数

③ 衰减曲线法——以在纯比例下获得4：

1衰减振荡曲线为参数整定和依据，方法同临界比例度法，获得4：

1衰减曲线的TS、，然后求解相应的值。

17．什么是串级控制系统？

它有什么特点？

什么情况下采用串级控制？

答：

串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。

它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。

它的特点有：

①能迅速克服进入副回路的干扰。

②能改善被控对象的特征，提高了系统克服干扰的能力。

③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。

串级控制系统主要就用于：

对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。

20．什么是前馈控制系统？

应用在什么场合？

答：

前馈控制又称扰动补偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。

前馈控制主要用于下列场合：

①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；②主要干扰是可测不可控的变量；③对象的控制通道滞后大，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。

第三章过程检测技术

5.试述绝对误差，相对误差及引用误差的定义，举例说明各自的用途。

答：

绝对误差—仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差，即

，可表示仪表基本误差限：

。

相对误差—测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比，即用

，可表示仪表的基本误差限与绝对误差相比较，相对误差更能说明测量结果的精确程度，如温度升测量显示值为57℃，时间温度为60℃，则：

=57-60=-3,

，

若实际为30℃，测量显示值为27℃，则：

=-3℃，

，显然此时的相对误差比前者大。

引用误差—绝对误差与仪表的量程之比，用引用误差表示的仪表基本误差限为：

，

如温度计的量程为100℃，则其引用误差

，

根据允许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。

9.现有精度等级为1.5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量范围分别为0到100℃,-50到550℃，-100到500℃，现需测量500℃左右的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%，选用哪块表合适？

解：

根据测量范围，选择B，C两块表，A表排除。

B表：

q=2%=0.02=

℃

故B表合适。

C表：

q=2.5%=0.025=

℃

故C表不合适。

综上所述选用B表即2.0级，量程的仪表。

12热点偶有那些特点？

用普通导线和补偿导线作热电偶的延长线，效果有何不同？

试证明补偿导线的补偿作用。

答：

热电偶的特点有：

测量精度教高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换成电信号，便于信号远传和象现多点切换测；测量范围广，可达－200～2000℃，形式多样，适用于各种测量条件。

选用补偿导线要求其在一定温度范围内与所连接的热电偶具有相

同的热电特性，型号相配，极性连接正确。

补偿导线的作用证明：

如图所示：

回路中电势为：

E＝Eab（t，t1）＋Ecd（t1，t0）

由补偿导线的性质得：

Ecd（t1,t0）=Eab（t1,t0）

∴E＝Eab（t，t1）＋Eab（t1，t0）＝Eab（t，t0）

补：

用普通导线做热电偶得延长线要求引入两端得温度相同热电势不同，故一般接热电偶的冷端，因此冷端温度依然是现场温度。

而用补偿导线却可以将冷端温度现场温度分开，利于测量。

22．标准节流装置有哪几部分组成，对各部分有哪些要求？

答：

标准节流装置有：

节流元件，取压装置和前、后管道三部分组成。

标准节流装置的设计、加工、安装和使用都有规定的技术要求，规定和数据，可参见GB/T2624

23．试比较节流装置与转子流量计在工作原理与使用特点上的异同点。

答：

工作原理

使用特点

节流装置

利用节流元件前后的差压与流速之间的关系，获得被测流量的大小

使用已标准化、系列化，使用范围：

管径为50～1000mm，测量范围1.5~100000m3/h，但使用产生的压力损失大，精度±1～2%

转子流量计

基于力平衡原理，利用锥形管内的转子把流体的流速转换成转子的位移，进而获得被测流量的大小。

相同点：

都是测流速然后得流量。

使用已系列化，测量时若介质变化，应修正，可测小流量，结构简单，维修方便，压力损失小。

缺点：

机械传逆信号，仪表性能和准确度难以提高，转子易卡死，测量管径范围4~150mm,测量范围：

0.001~3000m3/h,精度±1~2.5%

第四章过程控制装置

4．DD8－III型电动差压变送器是按什么原理工作的？

它是由哪几部分组成的？

试简述其工作过程。

答：

DD8－III型电动差压变送器是按力矩平衡原理工作的，由测量部分（杠杆系统）；电磁反馈装置；矢量机构；低额位移检测放大器。

其工作过程如下：

被测差压信号p1,p2分别送入敏感元件两侧的正负压室，敏感元件将其转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，使主杠杆以轴封膜片为支点偏转，并以力F1沿水平方向推动矢量机构，矢量机构将推力分解成F2和F3。

F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带动副杠杆L4以支点M逆时针偏转，使固定在副杠杆上的差动变压器B的衔铁靠近差动变压器，两点之间的距离变化量再通过低频位移检测放大器转换并方大为4～20mA直流电流，作为便送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力Ff，使副杠杆顺时偏转o，当输入力与反馈力对杠杆系统说产生的力矩Mi,Mf达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。

此时低频位移检测放大器的输出电流Io便反映了说测电压Δpi的大小。

8．本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？

需要采取哪些措施才能保证整个系统达到防爆要求？

答：

本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的非本质安全电路和防爆安全栅组成。

采取措施以达到防爆要求的方法有：

1本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。

2用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。

3在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。

20．试分析说明调节阀的流量特性理想流量特性及工作流量特性。

答：

调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：

。

调节阀的理想流量特性是指在调节阀前后压差一定情况下的流量特性，在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此，阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。

23．试分析电—气转换器的工作原理。

答：

电—气转换器按力矩平衡原理工作，当0-10mA

恒定磁场量的测量线圈重视，所产生的磁通与磁钢在空气隙中的磁通相互作用而产生一个向上的电磁力（即测量力）。

由于线圈固定在杠杆上，使杠杆绕十字簧片偏转，于是装在杠杆另一端的挡拆靠近喷嘴，使其背压升高，经过放大器功率放大后，一方面输出，一方面反馈到正负两个波纹管，建立起与测量力矩相平衡的反馈力矩。

因而输出气压信号（0.02

0.1MPa）就与线圈电流信号成一一对应关系。

24.试简述电—气阀门定位器的工作原理。

答：

来自调节器的直流电流信号，经过力矩马达的线圈，使主杠杆磁化并绕其支点反时针方向转动，喷嘴靠近挡板，P背上升，经放大后送入薄膜调节阀，空气压力上升，推动阀杆下移，带动凸轮逆时针旋转。

副杠杆左移，带动反馈弹簧，当从反馈=从力矩马达时。

主杠杆停在新的平衡位置。

因此，阀杆的位移与输入的电流之间有一一对应的关系，而阀杆位移量与开度之间的关系是确定的，所以电流信号就能使阀位确定下来，这就是电—气阀门定位器的工作原理。