《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案

西南科技大学成教学院德阳教学点《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案班级：姓名：学号：成绩：一、填空题1、过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送等环节组成。2、仪表的精度等级又称准确度级，通常用引用误差作为判断仪表精度等级的尺度。3、过程控制系统动态质量指标主要有衰减比n、超调量σ和过渡过程时间st；静态质量指标有稳态误差ess。4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。5、根据使用的能源不同，调节阀可分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀三大类。6、过程数学模型的求取方法一般有机理建模、试验建模和混合建模。7、积分作用的优点是可消除稳态误差(余差)，但引入积分作用会使系统稳定性下降。8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为单闭环比值控制、双闭环比值控制和变比值控制三种。9、Smith预估补偿原理是预先估计出被控过程的数学模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后进行补偿。10、随着控制通道的增益K0的增加，控制作用增强，克服干扰的能力最大，系统的余差减小，最大偏差减小。11、从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。12、建立过程对象模型的方法有机理建模和系统辨识与参数估计。13、控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速和可靠。14、控制阀的选择包括结构材质的选择、口径的选择、流量特性的选择和正反作用的选择。15、防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。16、如果对象扰动通道增益fK增加，扰动作用增强，系统的余差增大，最大偏差增大。17、在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是通过旁路控制。二、名词解释题1、衰减比答：衰减比n定义为：衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:1～10:1。2、自衡过程答：当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。称该类被控过程为自衡过程。3、分布式控制系统答：分布式控制系统DCS，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。DCS的设计思想是“控制分散、管理集中”三、简答题1、电气阀门定位器有哪些作用答：①改善阀的静态特性②改善阀的动态特性③改变阀的流量特性④用于分程控制⑤用于阀门的反向动作2.简述串级控制系统的设计原则。答：（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注意生产上的经济性。3.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调节器组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。21BBn4.前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补,所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.5、PID调节器的参数pK、IT、DT对控制性能各有什么影响？答：(1)比例增益pK反映比例作用的强弱，pK越大，比例作用越强，反之亦然。比例控制克服干扰能力较强、控制及时、过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差；(2)积分时间IT反映积分作用的强弱，IT越小，积分作用越强，反之亦然。积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；(3)微分时间DT反映积分作用的强弱，DT越大，积分作用越强，反之亦然。微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用。6、与反馈控制系统相比，前馈控制系统有哪些特点？答：(1)反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差，而前馈控制是基于扰动来消除扰动对被控量的影响；(2)反馈控制是“不及时”的，而前馈控制器可“及时”动作；(3)反馈控制属闭环控制，而前馈控制属开环控制；(4)反馈控制对闭环内扰动均有校正作用，而前馈控制具有制定性补偿的局限性；(5)反馈控制规律通常有P、PI、PD、PID等，而前馈控制规律比较复杂。7、简述“积分饱和现象”产生的内因和外因。答：造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值引起积分饱和。8、如图所示的压力容器，采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定：(1)调节阀应选择气开式还是气关式？请说明原因。(2)压力控制器(PC)应为正作用还是反作用？请说明原因。答：(1)应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以使容器内压力不至于过高而出事故。(2)调节阀应选择气关式，则压力控制器(PC)应为反作用。当检测到压力增加时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使容器内压力稳定。或：当检测到压力减小时，控制器应增大输出，则调节阀开小，使容器内压力稳定。9、在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成分的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加入一定量的酸、碱，使药物呈酸性或碱性。这种注入过程一般都在混合槽中进行。工艺要求生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例，同时在混合过程中不允许药物流量突然发生变化，以免混合过程产生局部的化学副反应，为此设计如下图所示的控制系统。试分析：1图中停留槽的作用是什么？2图中有几个控制系统，分别是什么系统，各系统的作用如何？答:停留槽的作用是稳定药物流量,防止其发生急剧变化.图中共有两个控制系统,一个是停留槽液位与出口流量的均匀控制系统,是药物流量缓慢变化;另一个是药物与添加剂的比值控制系统,保持二者的比例关系.四、分析与计算题1、有一台温度变送器，量程为400－600℃，输出为4－20mA，当温度从500℃变化到550℃时，变送器从多少变为多少？答：500℃时输出为：（20－4）×［（500－400）/（600－400）］＋4＝12mA500℃时输出为：（20－4）×［（550－400）/（600－400）］＋4＝16mA即：当温度从500℃变化到550℃时，变送器从12mA变为16mA。2.某仪表的测量范围为—200--600℃，仪表的精度为0.5级，在600℃该仪表指示为604℃，问该仪表是否超差？答：某仪表的测量范围为—200--600℃，仪表的精度为0.5级，在600℃该仪表指示为604，问该仪表是否超差？（600—（—200））×0.5=4℃该仪表不超差。3.某测量仪表的测量范围是+200~+500℃精度等级为为5.0，求当其示值为200℃和500℃时,被测点的真实温度（真值）大约为多少？3、答：某测量仪表的测量范围是+200~+500℃,精度等级为为5.0，求当其示值为200℃和500℃时,被测点的真实温度（真值）大约为多少？△max=±5.0%（500-200）=±15示值为200℃时真值在185和215℃之间示值为500℃时真值在485和515℃之间4、如下图所示的隔焰式隧道窑烧成带温度控制系统，烧成带温度是被控变量，燃料流量为操纵变量。试分析：(1)该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图；(2)确定调节阀的气开、气关形式，并说明原因。答：(1)该系统是一个串级控制系统，其方框图为：(2)当调节阀气源出现故障失去气源时，为保证系统安全，应使阀门处于关闭位置，故调节阀采用气开式。5、如下图所示的液体储罐，设进水口和出水口的体积流量分别是iq和oq，输出变量为液位h，储罐的横截面积为A。试建立该液体储罐的动态数学模型)()(sQsHi。完整解答过程如下（含评分标准）：液位的变化满足动态物料平衡关系：液罐内蓄液量的变化率＝单位时间内液体流入量－单位时间内液体流出量：oiqqdtdhA……………………………………………………………………………(2分)以增量形式表示各变量偏离起始稳态值的程度。即：oiqqdthdA（式1）………………………………………………………………(2分)由重力场中无粘性不可压缩流体定常流动的伯努利方程：2222121122gzvpgzvp…………………………………………………………(2分)得：ghv2故hkghAvAqo2''……………………………………………………………………(2分)对非线性项进行泰勒级数展开，并取线性部分：hhkqqqooo002………………………………………………………………(1分)将上式代入（式1），得：RhqdthdAi整理并省略增量符号，得微分方程：iRqhdtdhRA…………………………………………………………………………(1分)经拉氏变换可得传递函数为：1)()(RAsRsQsHi………………………………………………………………………(2分)