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过程控制系统复习题库
第一章绪论
1.1-1.过程控制（英文：
ProcessControl）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一一“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
1.2-1.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。
3）.集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）
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：
定义为两个相邻的同相波峰值之比,
即n出（B1）;n取整数，习惯上常表示为
y3B2
X°°）
k
匸3
F
电B
\〜
r±5%
/
;V"
1
1
L\J「
■■■■■
r!
/39
_丄*
t
MD-
n:
1,例如4:
1、10:
1
衰减率：
定义为一个周期后波动幅度衰减的程度，即匕一y31竺1—
yiyin
⑵.最大动态偏差、超调量
最大动态偏差：
指在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一峰值超出稳态值的幅度，y1=Bi
超调量：
指最大动态偏差占被控量稳态值的百分比，一丄100%
y（）
⑶.残余偏差：
系统设定值r与稳态值y（）的差值，即e（）ry（）
⑷.调节时间、峰值时间、振荡频率
调节时间ts：
指系统从干扰开始到被控量进入新稳态值的土5%（或土2%范围内所需时间，通常用ts表示。
峰值时间tp：
指系统从干扰开始到被控量达到最大值所需时间，通常用tp表示。
振荡频率：
指两个相邻同向波峰值之间的时间倒数，它与调节时间和峰值相关，通常用表示
1.3-3.系统阶跃响应的综合性能指标
⑴.偏差积分IE（IntegralofError）
⑵.绝对偏差积分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）
⑶.平方偏差积分ISE（IntegralofSquaredError）
⑷.时间与绝对偏差乘积积分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）
1.3-4-1.某换热器的温度控制系统，给定值为200C。
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、振荡周期和过渡过程时间（土
2%。
mra
解：
最大偏差：
A=230-200=30C;
余差：
C=205-200=5°C;
衰减比：
n=y1:
y3=（230-205）:
（210-205）=25:
5=5:
1
振荡周期：
T=20-5=15min
过渡时间：
t=22min
1.3-4-3•某化学反应器工艺规定的操作温度为（900土10）C,考虑安全因素，要求控制过程中温度偏离设定值
不得超过80C。
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，过渡过程时间（土2%该系统能否满足工艺要求?
la帕UU
解：
最大动态偏差：
A
950
900
50C
衰减比：
n
y1
950
908
42
4.2
y3
918
908
10
振荡周期：
T45
5
40min
余差：
C
908
900
8C
过渡过程时间：
47min
因为最大动态偏差50C小于要求的80C，所以该系统能满足工艺要求。
1•3-4-5•某发酵过程工艺规定的操作温度为（40±2）C，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6C。
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（土
2%）和振荡周期，该系统能否满足工艺要求?
12,帕
解：
最大动态偏差：
A45405C
余差：
C41401C
yi45414
衰减比:
n_
y342411
过渡过程时间：
23min
振荡周期：
T18513min
因为最大动态偏差5C小于要求的6C,所以系统能满足工艺要求。
2、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？
它们具体是？
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。
第二章过程参数的检测与变送
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，各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Xa；实际校验仪表时，用精确度较高的“标准表”所测得的测出值作为“标准值”，有人称之为“传递真值”X。
2.1-2•绝对误差=在用仪表（或被校验仪表）的测出值一“真值”（或器件铭牌上的标称值）
绝对误差的表示：
必须有“+”或“一”号、数值的大小、单位（量纲）!
绝对误差的符号：
一般人们使用xxt、xxo或aa。
或aA
2•1-3.相对误差：
某测量点的
实际相对误差：
A—100%
A
标称相对误差：
a—100%
a
引用误差——满度相对误差：
量程一一测量范围：
SfsBXmaxXmin
某一个测量点满度相对误差：
FS
丄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：
FSm——連100%
B
2.1-4•具有连续模拟显示仪表的基本特性
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;
精确度一一简称精度：
国家统一规定了仪表的精度等级系列数值，用a表示：
◎心，
某仪表的精度等级a是将该仪表的最大满度相对误差去掉土号和％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-100~700C,校验该仪表时测得全量程内的最大绝对误差为+5C，要求确定该
仪表的精度等级
解:
FSm
100%
700（100）
0.625%；因为0.50.6251.0;
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土0.05MPa,
要求确定满足工艺要求的仪表的精度等级
解：
FSm—005100%0.625%；因为0.50.6251.0;
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
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•某一标尺为0~1000c的温度计，出厂前校验数据如下:
标准表读数/c
0
200
400
600
800
1000
被校验表读数/c
0
201
402
604
806
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土5C，该表是否能用?
解:
标准表读数/c
0
200
400
600
800
1000
被校验表读数/c
0
201
402
604
806
1001
绝对误差
0
+1
+2
+4
+6
+1
满度相对误差
+0.1%
+0.2%
+0.4%
+0.6%
+0.1%
⑴最大绝对误差：
+6C
⑵仪表的精度：
1级
⑶如果工艺要求允许最大误差为土
5C，该表
max
aSfs
100
11000
100
10C，不能用
2.一台压力表量程为0~10MPa校验数据
标准表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
被校验表读数/MPa
正行程
0
1.98
3.96
5.94
7.97
9.99
反行程
0
2.02
4.03
6.06
8.03
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
0
2
4
6
8
10
被校验表读数/MPa
正行程
0
1.98
3.96
5.94
7.97
9.99
反行程
0
2.02
4.03
6.06
8.03
10.01
绝对误差
正行程
0
—0.02
—0.04
—0.06
—0.03
—0.01
反行程
0
+0.02
+0.03
+0.06
+0.03
+0.01
变差
0.04
0.07
0.12
0.06
0.02
0
0.4%
0.7%
1.2%
0.6%
0.2%
满度相对误差
正行程
0
—0.2%
—0.4%
—0.6%
—0.3%
—0.1%
反行程
0
+0.2%
+0.3%
+0.6%
+0.3%
+0.1%
⑴变差：
0.12%
⑵基本（最大满度相对）误差：
土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！
3.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
aSfs
100
11.0
100
0.01MPa,等于0.01MPa从允许的最大绝对误差角度，能符合工艺要求，但量程不
aSfs
max
100
116
■0.016MPa大于0.01MPa不能符合工艺要求
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：
符合！
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：
aSfs
max
11.6
0.016MPa大于0.01MPa不能符合工艺要求
测量范围为0~1.OMPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为:
max
aSFS
100
11.0
100
0.01MPa，等于0.01MPa从允许的最大绝对误差角度，能符合工艺要求，量程也符
合!
5.某温度控制系统，控制温度为800C,要求绝对误差不超过土7C,现选择一台测量范围为0~1200C、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：
测量范围为0~1200C、精度等级为1。
0级的仪表，其最大误差：
max
aSFS
100
11200
100
12C,12C大于7C,不合适
应选择测量范围为
0~1200C、精度等级为0。
5级的仪表
max
aSfs
100
0.51200
100
6C,6C小于7C,合适
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。
2.2-2.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500〜1600C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。
第三导体定律：
在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三导体两端温度相同,第三导体的引入对热电偶回路的
热电势没有影响。
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的替代品来延长热
电偶，称为补偿导线。
6.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500S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~+630C间
的基准器，但线性度稍差，常用于-200~+600C温度测量。
4•铂电阻的电阻温度关系：
RtR0[1AtBt2C（100t）t3]（-200~0C）
RtR°[1AtBt2]（0~850C）
铂电阻有两种分度号：
Pt10,Pt100
5•铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50~+100C温度测量。
铜电阻有两种分度号：
Cu50,
Cu100。
电阻温度关系：
RtR°[1t]（-50~150C）
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，蚩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-50~150Co
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•2-6.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：
H型：
0~10mA0〜10V;III型：
4〜20mA1〜5V。
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、典型题
1•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500C,而
这时冷端温度为60C。
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20C，此时显示仪表的
指示值为？
解：
E（t,t。
）
E（tO,O）
E（t,O）
E（500,0）20.640
E（60,0）2.436
E（t,t0）E（tO,O）20.6402.43623.076
t550
23.07622.772
10557
23.19822.772
使冷端温度保持为20C
热端温度保持不变：
557C，则
E（t,t°）
E（t/,0）
E（557,0）E（20,0）23.0760.79822.278
22.278
t/530
22.27821.919“
10538.4
22.34621.919
4.用PtIOO铂电阻测温，在查表时错用了CulOO的分度表，查得温度为140C，问：
实际温度为多少?
解：
查CulOO的分度表：
140—Rt
159.96q
查PtIOO的分度表
Rt159.96Qtt157.1C。
5.某温度控制系统，最高温度为
7OOC,要求测量的绝对误差不超过土
1OC，现有两台量程分别为O~16OOC、
O~1OOOC的1.O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
O~1OOOC，精度等级分别为1.O级
和O.5级，那么又应该选择哪台仪表更合适?
解：
因为
max
aSfs
1OO
⑴同为1.O级仪表，量程为O~16OOC的仪表,
aSfs
max
100
1600
100
16;量程为0~1000C的仪表,
max
aSfs
100
1000
10
100
⑵同为量程为0~1000C的仪表，精度为1.0级的仪表
max
aSfs
100
1000
100
10已经能够满足要求；从经济角度
考虑，不必选用0.5级的仪表。
6•现用一支镍铬一铜镍热电偶测量某换热器的温度，其冷端温度为30C，显示仪表为动圈仪表、机械零点为0C,
这时仪表显示值为400C,若认为换热器的温度为430C，对不对？
正确值是多少？
解：
不对！
热电偶的热电势是非线性的
查表可知：
E（400,0）28.943mV
显示仪表测出的毫伏值E（t,t0）E（t,30）
冷端温度为30C,E（t0,O）E（30,0）1.801mV
热电偶的热电势E（t,0）E（t,30）E（30,0）28.9431.80130.744mV
查表得：
t422Co
7•用镍铬一镍硅热电偶测量炉温，其冷端温度为30C，测得热电势为33.29mV,求被测炉子的实际温度？
解：
查镍铬一镍硅热电偶的分度号为K的分度表：
E（30,0）1.285mV
E（t,30）33.29mV
E（t,0）E（t,30）E（30,0）33.291.28534.575Mv
t831.55C
8•某台动圈式仪表是与镍铬一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201C,（冷端温
度为0C!
）问实际温度为多少？
解：
查镍铬一镍硅热电偶的分度号为K的分度表：
E（201,0）8.177mV
查铂铑10—铂热电偶的分度号为S的分度表：
E（t,0）8.177;t875.8C
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/m2、1MPa=106Pa;过去常用的压力单位是：
1
工程大气压=1kgf/cm2=9.80665x104Pa=0.980665x105Pa~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
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
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牛产上所允许的最大测量误差△max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
习题：
1.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
aSfs
100
1.61
100
0.0160.01;不能满足要求
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
2.检定一块1.5级、刻度为0~100MPa的压力表，发现
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