1-1 过程控制有哪些主要特点?为什么说过程控制多属慢过程参数控制?
解答:1.控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3.控制多属慢过程参数控制4.定值控制是过程控制的一种主要
控制形式5.过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 原因:被控过程大多具有大惯性、大滞后的特点。
1-2 什么是过程控制系统?典型过程控制系统由哪几部分组成?
一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成:调节器。执行器。被控过程(对象)。检测变送器
1-4 说明过程控制系统的分类方法,通常过程控制系统可分为哪几类?
分类方法说明:按所控制的参数来分,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等;按控制系统所处理的信号方式来分,有模拟控制系统与数字控制系统;按控制器类型来分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统;按控制系统的结构和所完成的功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分,有比例(P)控制、比例积分(PI)控制,比例、积分、微分(PID)控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统;按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类:1.按设定值的形式不同划分:(1)定值控制系统(2)随动控制系统(3)程序控制系统
2.按系统的结构特点分类:(1)反馈控制系统(2)前馈控制系统(3)前馈—反馈复合控制系统
3-9 试写出比例、积分、微分(PID)三作用控制规律的数学表达式。
1?1de?? y??e??edt?TD??P?T1dt?3-10 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点,积分和微分为什么不单独使用?
1)比例控制及时、反应灵敏,偏差越大,控制力越强;但结果存在余差。2)积分控制可以达到无余差;但动作缓慢,控制不及时,不单独使用。3)微分控制能起到超前调节作用;但输入偏差不变时,控制作用消失,不单独使用。
3-14 PID调节器中,比例度P、积分时间常数TI、微分时间常数TD分别具有什么含义?在调节器动作过程中分别产生什么影响?若将TI取∞、TD取0,分别代表调节器处于什么状态?
比例度P含义:使控制器的输出变化满量程时(也就是控制阀从全关到全开或相反),相应的输入测量值变化占仪表输入量
程的百分比。比例作用的强弱取决于比例度的大小。 积分时间常数TI含义:TI越小,积分作用越强;越大积分作用越弱;若将TI取∞,则积分作用消失。
7-1 与单回路系统相比,串级控制系统有哪些主要特点?
串级控制系统由于引入副回路,使系统控制品质相对于单回路控制系统显著提高。在系统结构上,串级控制系统有两个闭合回路:主回路和副回路,主、副调节器串联工作;主调节器输出作为副调节器的设定值,系统通过副调节器输出控制执行器动作,实现对主参数的定制控制。串级系统的主回路是定制控制系统,副回路是随动控制系统。
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4-9 如图4-24所示的蒸气加热器对物料进行加热。为保证控制系统发生故障时,加热器的耐热材料不被烧坏,试确定蒸气管道
上调节阀的气开、气关形式。
解答:气开式调节阀。 从工艺生产安全考虑,一旦控制系统发生故障、信号中断
时,调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。如果控制信号中 图 断时,阀处于打开位置时危险性小,则应选用气关式调节阀;反之,若阀处于 关闭位置时危险性小,则应选用气开阀。
7-9 简述前馈控制的工作原理,与反馈控制相比,它有什么优点和局限?
1)当系统出现扰动时,立即将其测量出来,通过前馈控制器,根据扰动量的大小来改变控制量,以抵消扰动对被控参数的影响。 2)优点:前馈控制器在扰动出现时立即进行控制,控制及时,对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。 局限:1.实际工业过程中的干扰很多,不可能对每个干扰设计一个独立的监测装置和前馈控制器。2.决定前馈控制器规律的Gf(s),Go1(s)和Gv(s)的精确表达式很难得到,即使得到了,也很难在物理上计算出Gb(s)。 7-18什么是比值控制系统?常用比值控制系统方案有哪些?比较其优点。
实现两个活两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,成为比值系统。 开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。 7-23什么是均值控制?要求和目的。
均值控制是连续生产过程中,各种设备前后紧密联系的情况提出来的一种特殊控制。
目的和要求:均值控制通过对液体和流量两个变量同时兼顾的控制策略,是两个相互矛盾的变量相互协调,满足二者均在小范围内缓慢变化的要求。
7-25什么是分程控制?简述分程控制的特点。怎样实现分程控制?
在工业生产过程中,有事会遇到一个控制器去操控几个阀门,若按输出信号的不同区间操作不同的阀门,这样的控制系统就是分程控制系统。 特点:调节器输出信号分程,调节阀多。 通过阀门定位器来实现。 7-29什么是选择性控制?通过实例简述选择性控制的基本原理。
凡是在控制回路中引入选择器的系统成为选择性控制。 选择器位于调节器的输出端,对调节器的输出信号进行选择的系统:两个调节器共用一个调节阀。选择器位于调节器之前,对变送器的输出信号进行选择的系统:几个变送器合用一个调节器。 9-2 什么是直接数字控制(DDC)系统?它主要包括哪些部分?
概念: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。 组成:被控过程、检测仪表、执行器、计算机系统(软件、硬件)。
9-6集散控制系统(DCS)最主要的特点是什么?与传统的仪表控制系统和集中控制系统相比,有什么优点?
特点:集中管理和分散控制。 优点:采用危险分散、控制分散、而操作和管理集中的基本设计思想以及分层、分级和合作
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自治的结构形式,因此,集散控制系统不仅具有极高的可靠性、多功能性;而且人机联系便利,能够完成各类的数据采集和处理,实现各种复杂的高级控制。
5-3 建立被控过程数学模型的方法有哪些?各有什么要求和局限性?
1)方法:机理法和测试法。
2)机理法:要求;要根据生产过程中实际发生的变化机理,写出相关平衡方程式。局限:对生产过程的机理有充分的了解,
能用比较准确的数学语言加以描述,需要充分而可靠的先验知识。
测试法:要求:通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。局限:对被控过程内部机理有一定了解,首先需要设计一个合理的设计方案。
5-9 对图5-40所示的液位过程,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。 (1)列写液位过程的微分方程组;(2)画出液位过程的框图;(3)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。
?Q1??Q2??Q3?A(1)
d?hdt?h ?Q2?R2?Q3??hR3(2)框图如图:
(3)
H(s)R2R3?Q1(s)AR2R3s?R2?R3
2-3 某压力表的测量范围为0~10MPa,精度等级为1.0级。试问此压力表允许的最大绝对误差是多少?若用标准压力计来校验
该压力表,在校验点为5MPa时,标准压力计上读数为5.08MPa,试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度,为什么?
1)基本误差?=
?100% 最大绝对误差?max=0.01×10=0.1MPa
2)校验点为5 MPa时的基本误差:??5.08?5?100%?0.8% 0.8%<1% ,所以符合1.0级表。 102-7 用一支K型热电偶测某设备的温度,测得热电动势为20.3mV,冷端温度为30度,求设备温度?如果改用S型热电偶来测,相同条件下,S型测得热电动势应为多少?
E(t,0)=E(t,to)+E(to,0)=20.3+1.203=21.503(mV) E(t,to)=E(t,0)-E(to,0)=4.432-0.173=4.295(mV) SO 设备温度为520度。(书后查表)
2
5-10 以Q1为输入、h2为输出列写图5-10串联双容液位过程的微分方程组,并求出传递函数H2(s)Q1(s)。
解答:
?Q1??Q2?A1d?h1dt?h?h?Q2?1?2R2R21)方程组:
d?h2?Q2??Q3?Adt?h?Q3?2R3
2)传递函数: 式中:T1?A1R2, 3)过程框图:
H2(s)R3 ?Q11(s)T1T2s2?(T1?T2?T12)s?13T2?A2R3,T12?A1R3
6-22 如图6-30所示热交换器,将进入其中的冷却物料加热到设定温度。工艺要求热物料温度的?T??1?C,而且不能发生过热情况,以免造成生产事故。试设计一个简单控制系统,实现热物料的温度控制,并确定调节阀的气开、气关方式,调节器的正反作用方式,以及调节器的调节规律。
解答: 1)被控参数选择:
热交换器出口温度。
2)控制参数选择:
载热介质流量。
3)检测仪表选择:
温度传感器与温度变送器。 4)调节阀选择:
1 流量特性选择:对数流量特性。 ○
2 气开、气关方式选择:气开。 ○
5)调节器选择:
1 调节规律选择:PI或PID。 ○
2 正反作用方式选择:反作用方式。 ○
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系统各环节正、负符号判别:被控过程:+;变送器:+;调节阀:+; 根据系统构成负反馈条件:各环节符号之积必为“-”,则调节器为“-”。 6)画出控制系统流程图:如图所示。 7)画出控制系统方框图:如图所示。 8)简述控制系统工作原理:
2-13 如果某反应器最大压力为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级的压力表来进行测量,问能否符合工艺要求?若采用一台测量范围为0~1.0MPa,精度为1级的压力表,能符合要求吗?试说明其理由。
工艺要求:最大压力为1.0MPa,允许最大绝对误差为0.01MPa。 分别求出两台仪表的最大允许误差,进行判断。
1)精度为1级,量程为0~1.6MPa的表,其最大绝对误差:?1.6max=1.6×1%=0.016 MPa,> 0.01 MPa, 所以不符合要求; 2)精度为1级,量程为0~1.0MPa的表,其最大绝对误差:?1.0max=1.0×1%=0.01 MPa,= 0.01 MPa, 所以最大误差符合要求,但是压力表的最大测量值应≤ 2/3仪表量程,否则压力波动会使测量值超出仪表量程。 所以,该表也不符合要求。
6-16已知被控过程传递函数G(s)=10/(5s+1)(s+2)(2s+1),试用临界比例度法整定PI调节器参数。 6-20
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