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第1章
什么是过程控制系统?简述其组成及特点;
答:过程控制系统是生产过程自动化的简称,主要由被控过程和自动化仪表(包括计算机)两部分组成,其中自动化仪表负责对被控过程的工艺参数进行自动测量、自动监视和自动控制等。
过程控制系统的指标有哪些?是如何定义的?
答:单项性能指标:衰减比、最大动态偏差和超调量、残余偏差、调节时间、峰值时间和振荡频率。
综合性能指标:偏差绝对值积分、偏差平方积分、偏差绝对值及时间乘机积分、时间乘偏差平方积分。
过程控制有哪些类型的被控量?
答:温度、压力、流量、液位、物位、物性、成分
简述电动单元组合仪表及其控制系统的组成;
答:
图中,被调量一般是非电的工艺参数,必须经过一定的监测元件,将其变换为易于传送和显示的物理量。换能器是工艺参数在监测元件上进行了能量形式的转换,一次仪表是检测元件安装在生产第一线,直接及工艺介质相接触,取得第一次的测量信号。
单元组合式仪表的统一信号是如何规定的?
答:各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。1)模拟仪表的信号:-、电动Ⅲ型:4-20或1-5V 。2)数字式仪表的信号:无统一标准。
举一过程控制的实例,并指出其被控过程、被控参数、控制参数及干扰作用,画出其控制流程图和系统框图。
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答:
图为液位控制系统,由储水箱(被控过程)、液位检测器(测量变送器)、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统,为了达到对水箱液位进行控制的目的,对液位进行检测,经过液位控制器来控制调节阀,从而调节q1(流量)来实现液位控制的作用。
框图:
3)控制器输入输出分别为:设定值及反馈值之差e(t)、控制量u(t);执行器输入输出分别为:控制量u(t)、操作变量q1(t);被控对象的输入输出为:操作变量q1(t)、扰动量q2(t),被控量h;所用仪表为:控制器(例如控制器)、调节阀、液位测量变送器。
某液态冷却器控制系统如图所示。请回答:
该过程控制系统由哪些基本单元组成?请具体说明。
请指出该控制系统的被控变量和控制变量(操纵变量)。
画出该过程控制系统的基本结构框图。
第2章
仪表精度及测量精度之间有什么联系和区别?
答:测量精度就是真实值和测量值之间的差值除以仪表量程,它的值是一个百分比。仪表的精度是国家标准规定的,,,,。
仪表的基本性能指标有哪些?
答:精确度、非线性误差、灵敏度和分辨力、变差、漂移以及动态误差等。
什么是传感器?什么是变送器?
答:传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用的输出限号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
变送器是将输出信号变成统一标准信号的传感器。
请说明热电偶测温的基本原理。
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答:将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路,当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
热电偶的三个基本定律是什么?
答:均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律
热电偶为什么要进行冷端补偿?为什么要采用补偿导线?
答:热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差,为保证输出热电势是被测温度的单值函数,必须使冷端温度保持恒定;热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据,否则会产生误差。因此,常采用一些措施来消除冷锻温度变化所产生的影响,如冷端恒温法、冷端温度校正法、补偿导线法、补偿电桥法。
为了使热电偶冷端温度保持恒定(最好为0℃),可将热电偶做的很长,使冷端远离工作端,并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动比较小的地方。但这种方法使安装使用不方便,而且可能耗费许多贵重的金属材料。因此,一般使用一种称为补偿导线的连接线将热电偶冷端延伸出来。这种导线在一定温度范围内(0~150℃)具有和所连接的热电偶相同的热电性能,若是用廉价金属制成的热电偶,则可用其本身的材料作为补偿导线,将冷端延伸到温度恒定的地方。
请说明热电阻的测温原理。热电阻测温为什么要采用三线制接法?
答:热电阻是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值(电压/ 电流),再将电阻值转换成温度值,从而实现温度测量。
热电阻三线制是为了削弱引线电阻阻值及该阻值随环境温度的波动对测量精度的影响
说明变送器的总体构成。它在结构上采用何种方法使输入信号及输出信号之间保持线性关系?
答:1变送器包括测量部分即输入转换部分放大器和反馈部分。 2如果转换系数 C 和反馈系数 F 是常数则变送器的输出及输入将保持良好的线性关系。
何谓量程调整、零点调整和零点迁移,试举例说明。
答:量程调整(即满度调整)的目的是使变送器输出信号的上限值,即统一标准信号的上限值及测量范围的上限值相对应。零点调整使变送器输出信号的下限即统一标准信号的下限值及测量范围的下限值相对应。在0时为零点调整。零点迁移使变送器输出信号的下限即统一标准信号的下限值及测量范围的下限值相对应。在≠0时为零点迁移。
简述力平衡式差压变送器的结构和动作过程,并说明零点调整和量程调整的方法。
答:力平衡式差压变送器的结构包括测量部分、杠杆系统、位移检测放大器、电磁反馈机构等测量部分将被测压差转换成相应的作用力,该力及反馈机构输出的作用力一起作用于杠杆系统,引起档杆上检测片产生微小位移,在经过位移检测放大器将其转换成统一的电流或电压信号。
说明电容式差压变送器的测量原理。
答:电容式差压变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室,作用在敏感元件的两侧隔离膜片上,通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。差压变送器由测量膜片及两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和解调环节,转换成及压力成正比的信号。
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简述扩散硅差压变送器的工作原理。
答:被测介质的压力直接作用于变送器的膜片上,使膜片产生及介质压力成正比的微位移使传感器的电阻值发生变化,和用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
气动仪表的基本元件有哪些?说明喷嘴挡板机构和功率放大器的作用原理。
答:1表的基本元件气阻、气容、弹性元件、喷嘴-挡板机构和功率放大器等。     2 喷嘴挡板机的作用原理把微小的位移转换成相应的压力信号;功率放大器的作用原理将喷嘴挡板的输出压力和流量都放大。
简述电/气转换器的结构和动作过程。
答:1由电流-位移转换部分、位移-气压转换部分、气动功率放大器和反馈部件组成。       2工作过程:输入电流进入动圈时产生的磁通及永久磁钢在空气隙中的磁通相互作用而产生向上的电磁力带动杠杆转动,安装在杠杆右端的挡板靠近喷嘴使其背压升高,经气动放大器放大后输出压力 P。P送给反馈波纹管产生向上的负反馈力同时送正反馈波纹管产生向上的正反馈力以抵消一部分负反馈的影响。
说明流量测量的特点及流量测量仪表的分类;
答:一方面用测量和控制流量来确定物料的配比及消耗,以实现生产过程自动化和最优控制;另一方面,还需要将介质流量作为生产操作和控制其他参数的重要依据。常用的流量测量仪表包括容积式流量计、速度式流量计、直接式质量流量计
说明差压式流量计的组成环节及作用;
答:由节流装置、引压导管、差压变送器组成。当流体刘静管道内的节流件时,流速将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大,产生的压力愈大,这样可依据压差来衡量流量的大小。
常用标准节流装置有哪些?说明它们各自的特点.
答:标准孔板,标准喷嘴,标准文丘里管等。
第3章
什么是开环控制,什么是闭环控制?简述各自特点。
答:如果系统的输出端及输入端之间不存在反馈,也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响,这样的系统称开环控制系统。
闭环控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理,就是根据系统输出变化的信息来进行控制,即通过比较系统行为(输出)及期望行为之间的偏差,并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中,既存在由输入到输出的信号前向通路,也包含从输出端到输入端的信号反馈通路,两者组成一个闭合的回路。因此,反馈控制系统又称为闭环控制系统。
开环控制系统的优点是结构简单,比较经济。缺点是无法消除干扰所带来的误差。
同开环控制系统相比,闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中,不管出于什么原因(外部扰动或系统内部变化),只要被控制量偏离规定值,就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此,它具有抑制干扰的能力,对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性,而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度,在扰动变量可以测量时,也常同时采用按扰动的控制(即前馈控制)作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。
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简述闭环控制系统的组成,并画出闭环控制系统的组成。
答:闭环自动控制系统由被控对象、被控量、干扰量、检测装置、给定量、比较环节和控制器组成。
被控对象、执行器、控制器的正反作用各自是如何规定的?
答:被控对象的正、反作用方向规定为:当操纵变量增加时,被控变量也增加的
对象属于“正作用”的;反之,被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。
执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。气开阀为“正”方向;气关阀为“反”方向。
如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值,那么当偏差增加时,其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器;反之,控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。
在过程控制系统中,哪些仪表属于过程控制仪表?
答:在过程控制中,过程控制仪表:调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。
某比例积分调节器的输入输出范围均为4-20,设,,稳态时,其输出为6;若在某一时刻输入阶跃信号,增加1,试求4后,调节器的输出。
答:
伺服放大器由哪些部分组成?它是如何起放大作用的?
分析减速器中行星齿轮传动机构的原理,它有什么特点?
简述位置发送器的工作原理。
气动执行机构有哪几种?
阀门定位器应用在什么场合?简述气动及电/气阀门定位器的动作过程。
何谓控制阀的流量系数?如何定义和计算?
选择气动执行器作用方式(气开或气关)的依据是什么?
如何选择选择控制阀的流量特性?
说明s值的物理意义和合理的取值范围
如何计算控制阀的口径?
画出用电动单元组合仪表构成一复杂控制系统的流程示意图(或方框图)及仪表接线图,并说明变送器量程及比值器比值系数的计算方法。
第4章
为确定某对象的动态特性,实验测得的相应曲线如图所示。
试判断被控对象有无自衡能力?
根据图中给的数据,试估算该对象的特性参数值。
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答:(1)从图中可以看出,当被控对象受到阶跃扰动时,平衡状态遭到破坏,在没有任何外力作用下,依靠对象自身的能力,对象的输出(被控制量)自发恢复到了新的平衡状态,因此该被控对象有自衡能力。
从图中可见,对象特性可以用一阶惯性环节来描述。拐点处切线及实轴焦点为3,及输出稳态值交点在实轴上的投影为12,
故:,
对象模型为:
某直接蒸汽加热器具有一阶对象特性,当加热器的出口温度从70℃提高到80℃时,需要将注入的蒸汽量在原有的基础上增加10%。当蒸汽量阶跃变化10%后,经过1,℃。试写出相应的微分方程式,并画出输出阶跃响应曲线。
答:设该对象的输出温度为出口温度y(℃),输入为蒸汽量x(%).已知输入的阶跃幅值为10%,输出的最终变化量为℃
参考教材知该对象为一阶惯性环节
则有 (℃)
当 时
输出变化量 ℃=℃
则有:
解得:
由此可以得到对象的动态方程:
该对象的输出阶跃响应曲线如图所示。
图所示为溶解槽溶解系统。料斗中的溶质用皮带输送至加料口。输送带长度为l,输送带速度为v。写出溶液浓度y(t)及加料量x(t)的动态关系。
答:考虑到加入的溶质很少,故流出量等于溶剂的加入量q,由于搅拌均匀,故流出的浓度等于曹彰溶液浓度c,,单位时间进入槽中的溶质量减去单位时间流出槽的溶质量应该等于槽中溶质蓄存量的变化率,因此有:
如果流入流出量q为一常数,且令:
则有:
其中时间常数;
放大系数;
其传递函数为:
解:若在料斗处加大送料量,溶解槽中的溶液浓度要等增加的溶质由料斗送到加料口并落入槽中中才改变,也就是说,溶液浓度的变化比加料量的改变滞后,滞后的时间等于输送带输送的时间,这就是纯滞后现象,纯滞后时间为:
下面推导该系统的传递函数。首先不考虑纯滞后,即假设料斗的溶质直接落入溶解槽,可知溶液浓度y(t)及料斗加料量x(t)的关系为:
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当溶质由输送机输送时,既考虑纯滞后,其微分方程应为
由拉氏变换实数位移定理可导出系统的传递函数:
即:
某温度对象矩形脉冲响应实验数据如下表为
试求其阶跃响应曲线。
第5章
在进行控制系统设计时,通常要选过程通道的放大系数要适当大些,时间常数适当小些,而扰动通道的要尽可能小,要尽可能大。请根据单回路控制系统闭环传递函数给出说明。
答:设单回路控制系统结构如图所示。
其闭环传函为:
若选择适当大的K0和适当小的T0,则,故能较好地实现定值控制。
系统干扰通道的传递函数
在适当大,适当小,而尽可能小,尽可能大的情况下,上式可近似为:
分母大,而分子小,保证了干扰对被控过程的影响尽可能小。
给出比例带的定义,并举例说明其物理意义?
答:比例带是反应比例调节器比例作用强弱的一个参数,在数值上等于输入偏差变化相对值及相应的输出变化相对值之比的百分数。
其物理意义:调节器输出变化满刻度,即控制阀从全开到全关或相反时,相应所需的控制偏差变化量占仪表量程的百分数。
一台里程为0-800的型浮筒式液面计,用水校验。当水柱高度从400增至600时,控制部分输出由6增至14,问比例度多大?
单回路系统框图如图所示。试问,当系统中某组成环节的参数发生变化时,系统质量会有何变化,为什么?若增大;若增大;若增大;若增大;若增大;若增大。
答:系统控制通道的传递函数为
(6)若增大,因被控参数只出现在干扰通道传函的分子上,故只是将系统输出受干扰影响的幅值增大,系统其它动态特性无变化。
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设某比例积分调节器的比例增益,积分时间常数,当调节器的输入信号为图所示波形时,试问调节器的输出波形如何?
相应的输出波形如图所示。
位置式算式和增量式算式有什么区别?增量式算式有何优点?
答:位置式算式为:
增量式算式为:
已知模拟调节器的传递函数,采用数字实现控制。试分别写出相应的位置式和增量式算式,设采用时间。
图示为一锅炉锅筒液位控制系统,要求锅炉不能烧干。试画出系统的框图,判断控制阀的气开、气关形式,确定控制器的正反作用。并简述但加热室温度升高导致蒸汽量增加时,该控制系统如何克服干扰的?
答:由于锅炉不能烧干故选择气关式,增益为负控制器选择正作用。
克服干扰过程:当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时,锅筒液位下降,具有正作用后调节器输出信号减小,使气关型的阀门开度增大,从而使给水流量增大,进而使锅筒液位升高,克服蒸汽流量干扰的影响。
第6章
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。 
第7章
试比较前馈控制及反馈控制的优缺点?
答:前馈控制属于开环控制,反馈控制属于负反馈的闭环控制;前馈控制系统中测量干扰量,反馈控制系统中测量被控变量;前馈控制需要专用调节器,反馈控制一般采用通用调节器;前馈控制只能克服所测量的干扰,反馈控制则可克服所有干扰;前馈控制理论上可以无差,反馈控制必定有差
为什么一般不单独使用前馈控制方案?
答:A、在生产应用中各种环节的特性是随负荷变化的,对象动态特性形式多样性难以精确测量,容易造成过补偿或欠补偿。为了补偿前馈调节的不准确,通常将前馈和反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。
B、工业对象存在多个扰动,若均设置前馈控制器,那设备投资高,工作量大。
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C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。
D、前馈控制受到前馈控制模型精度限制。
E、前馈控制算法,往往做近似处理。