（2）什么是過程控制系統？試用方框圖表示其一般組成。答：過程控制系統：一般是指工業生產過程中自動控制系統的變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統。過程控制系統的一般性框圖如圖1-1所示：圖1-1過程控制系統的一般性框圖（3）單元組合式儀表的統一信號是如何規定的？答：各個單元模塊之間用統一的標準信號進行聯絡。1）模擬儀表的信號：氣動0.02~0.1MPa；電動Ⅲ型：4~20mADC或1~5VDC。2）數字式儀表的信號：無統一標準。（4）試將圖1-2加熱爐控制系統流程圖用方框圖表示。答：加熱爐控制系統流程圖的方框圖如圖1-3所示：圖1-2加熱爐過程控制系統流程（5）過程控制系統的單項性能指標有哪些？各自是如何定義的？答：1）單項性能指標主要有：衰減比、超調量與最大動態偏差、靜差、調節時間、振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。2）各自定義為：衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比n；超調量σ：第一個波峰值與最終穩態值y（）之比的百分數：最大動態偏差A：在設定值階躍響應中，系統過渡過程的第一個峰值超出穩態值的幅度；靜差，也稱殘余偏差C：過渡過程結束后，被控參數所達到的新穩態值y（）與設定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；調節時間：系統從受干擾開始到被控量進入新的穩態值的（）范圍內所需要的時間；振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率；上升時間：系統從干擾開始到被控量達到最大值時所需時間；峰值時間：過渡過程開始至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。（9）兩個流量控制系統如圖1-4所示。試分別說明它們是屬于什么系統？并畫出各自的系統框圖。圖1-4兩個流量控制回路示意圖答：系統1是前饋控制系統，系統2是反饋控制系統。系統框圖如圖1-5如下：系統1系統2圖1-5兩個流量控制回路方框圖（10）只要是防爆儀表就可以用于有爆炸危險的場所嗎？為什么？答：1）不是這樣。2）比如對安全火花型防爆儀表，還有安全等級方面的考慮等。（11）構成安全火花型防爆控制系統的儀表都是安全火花型的嗎？為什么？答：1）是的。2）因為安全火花型防爆系統必備條件之一為：現場儀表必須設計成安全火花型。2．綜合練習題（3）某化學反應過程規定操作溫度為80±5℃，最大超調量小于或等于5％，要求設計的定值控制系統，在設定值作最大階躍干擾時的過渡過程曲線如圖1-8所示。要求：1）計算該系統的穩態誤差、衰減比、最大超調量和過渡過程時間；2）說明該系統是否滿足工藝要求。答：1）由上圖可得y(∞)=81℃，設定值r=80℃,B1=85?81=4,B2=82?81=1穩態誤差e(∞)=r?y(∞)=80℃-81℃=?1℃衰減比：，最大超調量：過渡過程時間ts：大概在18min左右。2）雖然該系統最大超調滿足要求，然而在規定操作溫度為80℃，而最后趨于穩定的值卻為81℃，因此不滿足工藝要求。（4）圖1-9所示為一類簡單鍋爐汽泡水位控制流程圖，試畫出該控制系統框圖，并說明其被控過程、被控參數、控制參數和干擾參數各是什么？圖1-9鍋爐汽泡水位控制流程圖答：1）控制系統框圖如圖1-10所示： 圖1-10鍋爐汽泡水位控制框圖2）被控過程：加熱器+汽包；被控參數：汽包水位；控制參數：上水流量；干擾參數：蒸汽流量變化。1．基本練習題（3）某臺測溫儀表測量的上下限為500℃~1000℃，它的最大絕對誤差為±2℃，試確定該儀表的精度等級；答：根據題意可知：最大絕對誤差為±2℃則精度等級所以儀表精度等級為0.4級（4）某臺測溫儀表測量的上下限為100℃~1000℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±2℃，應選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求？答：由題可得：儀表精度等級至少為0.001級。或者0.002（5）有一臺DDZ-Ⅲ型兩線制差壓變送器，已知其量程為20~100kPa，當輸入信號為40kPa和80kPa時，變送器的輸出分別是多少？答：由題可得：變送器輸出的分別是8mA和16mA。答：1）應選用氣開形式，當出現故障導致信號中斷時，執行器處于關閉狀態，保證耐熱材料不被損壞。2）框圖如圖3-8所示：圖3-8系統框圖1．基本練習題（1）什么是被控過程的特性？什么是被控過程的數學模型？為什么要研究過程的數學模型？目前研究過程數學模型的主要方法有哪幾種？答：1）過程控制特性指被控過程輸入量發生變化時，過程輸出量的變化規律。2）被控過程的數學模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態和輸出（被控參數）變化的數學表達式。3）目的：eq\o\ac(○,1)設計過程控制系統及整定控制參數；eq\o\ac(○,2)指導生產工藝及其設備的設計與操作；eq\o\ac(○,3)對被控過程進行仿真研究；eq\o\ac(○,4)培訓運行操作人員；eq\o\ac(○,5)工業過程的故障檢測與診斷。4）機理演繹法和實驗辨識法。2．綜合練習題（1）如圖4-6所示，為過程的流入量，為流出量，為液位高度，C為容量系數。若以為過程的輸入量，為輸出量（被控量），設、為線性液阻，求過程的傳遞函數。答：根據動態物料平衡關系：流入量＝流出量過程的微分方程的增量形式如式（4-7）所示：（4-7）中間變量：（4-8）傳遞函數如式（4-9）所示：（4-9）如果考慮管道長度l，即出現純時延，由于管道流量恒定，所以其傳遞函數如式（4-10）所示：（4-10）1．基本練習題（4）什么叫比例度？它是怎樣定義的？答：比例度表示調節閥開度改變（即從全開到全關）時所需的系統被調量的允許變化范圍。也就是說，只有當被調量處在這個范圍之內時，調節閥的開度變化才與偏差成比例；若超出這個范圍，調節閥則處于全開或全關狀態，調節器將失去其調節作用。（5）比例控制對控制質量有什么影響？答：1）比例調節是一種有差調節，即當調節器采用比例調節規律時，不可避免的會使系統存在穩態誤差。或者說，比例調節器是利用偏差實現控制的，它只能使系統輸出近似跟蹤給定值。2）比例調節系統的穩態誤差隨比例度的增大而增大，若要減小誤差，就需要減小比例度，即需要增大調節器的比例增益。3）比例調節不適用于給定值隨時間變化的系統。4）增大比例調節的增益不僅可以較少系統的穩態誤差，而且還可以加快系統的響應速度。（6）在保持穩定性不變的情況下，比例微分控制系統的殘差為什么比純比例控制的殘差要小？答：因為比例微分控制能提高系統的穩定性、抑制過渡過程的動態偏差，這是由于微分作用總是力圖阻止系統被調量的變化，而使過渡過程的變化速度趨于平緩。（7）在保持穩定性不變的情況下，在比例控制中引入積分作用后，為什么要增大比例度？積分作用的最大優點是什么？答：1）因為采用積分調節時系統的開環增益與積分速度成正比，增大積分速度會增強積分效果，從而導致系統穩定性降低。2）積分作用最大的優點是可以提高系統的無差度，也就是提高系統的穩態控制精度。（8）微分控制規律對純時延有無作用，為什么？答：1）微分調節對于純時延過程是無效的。2）由于在純時延時間里參數的變化率為零，所以微分環節對純滯后是無效的。（9）調節器參數都有哪些工程整定方法，各有什么特點，分別適用于什么場合？答：1）臨界比例度法：是一種閉環整定方法，它是直接在閉環系統中進行，不需要測試過程的動態特性，其方法簡單，使用方便，因而廣泛使用。缺點是對生產工藝過程不能反復做振蕩實驗、對比例調節本質穩定的被控系統并不適用。2）衰減曲線法：該方法與臨界比例度法相類似，所不同的是無需出現等幅振蕩過程。適用于多數過程，最大的缺點是較難準確確定4:1的衰減程度。尤其是對于一些干擾比較頻繁、過程變化較快的控制系統。3）響應曲線法：這是一種開環整定方法，利用系統廣義過程的階躍響應曲線對調節器參數進行整定。這種方法適應性較廣，為調節器參數的最佳整定提供可能。2．綜合練習題（1）試以一階慣性過程為例，試計算并分析比例控制對控制質量（超調量、調節時間、穩態誤差）的影響。答：一階慣性過程傳遞函數是：，若采用比例控制其輸出與偏差的關系為，比例調節中比例系數過小會導致過程出現振蕩情況，增大比例系數，調節速度加快，穩態誤差減少，但過大會是超調量增大，振蕩次數增加，調節時間加長，甚至導致系統不穩定。3．設計題（1）如圖5-8所示的換熱器，用蒸汽將進入其中的冷水加熱到一定溫度。生產工藝要求熱水溫度維持在一定范圍（），試設計一個簡單的溫度控制系統，并指出調節器類型。答：1、被控參數：熱水的溫度。2、控制參數：熱蒸汽的流量（蒸汽管道上的閥門開度）。3、測溫元件及其變送器的選擇：選取熱電阻，并配上相應溫度變送器。

4、調節閥的選擇：根據實際生產需要與安全角度考慮，選擇氣開閥。

調節器選PID或PD類型的調節器，由于調節閥為氣開式（無信號時關閉），故為正，當被控過程輸入的蒸汽增加時，水溫升高，故為正，正作用過程，測量變送為正，為使整個系統中各環節靜態放大系數乘積為正，調節器應為正，所以選用反作用調節器。1．基本練習題（1）與單回路控制系統相比，串級控制系統有什么結構特點？答：串級控制系統在結構上增加了一個測量變送器和一個調節器，形成了兩個閉合回路，其中一個稱為副回路，一個稱為主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了顯著的改善。（2）前饋控制與反饋控制各有什么特點？為什么采用前饋-反饋控制系統能改善控制品質？答：前饋控制的特點：開環控制、比反饋控制及時、可以作為專用調節器。反饋控制的特點：屬于閉環控制、可以抑制干擾對被控對象的影響、能夠使被控參數穩定在設定值上保證系統的較高控制質量。采用前饋－反饋控制系統能改善控制品質是因為該復合控制系統一方面利用前饋控制制及時有效的減少干擾對被控參數的影響；另一方面則利用反饋控制使參數穩定在設定值上，從而保證系統有較高的控制質量。（9）串級控制系統主調節器正、反作用的確定是否只取決于主被控過程放大系數的符號而與其他環節無關？為什么？答:1）不對。2）主、副調節器的正反作用方式選擇的方法是：首先根據工藝要求決定調節閥的氣開、氣關形式，并決定負調節器的正、反作用；然后根據主、副過程的正、反形式最終確定主調節器的正反作用形式。（11）在圖6-1所示加熱爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統中，工藝要求一旦發生重大事故，應立即切斷燃料油的供應。要求：1）畫出控制系統的框圖；2）確定調節閥的氣開、氣關型式；3）確定主、副調節器的正、反作用方式答：1）串級系統方框圖如圖6-2所示：副回路選擇加熱爐爐膛溫度控制，消除F1（S）干擾。圖6-1加熱爐溫度串級控制系統圖6-2加熱爐溫度串級控制系統方框圖2）由于發生重大事故時立即切斷燃料油的供應，從工藝的安全性考慮，調節閥選擇氣開式，保證無氣時調節閥關閉。3）主調節器選擇PI（或PID）控制規律，副調節器選擇P調節規律。由于燃料增加加熱爐溫度必然增加，所以過程為正。調節閥氣開式為正，主副調節器都選擇反作用方式。（12）圖6-3所示為精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統。生產工藝要求一旦發生事故應立即停止蒸汽的供應。要求：1）畫出控制系統的框圖；2）確定調節閥的氣開、氣關型式；3）確定主、副調節器的正、反作用方式。1）控制系統的框圖如圖6-4所示：圖6-3溫度、流量串級控制系統圖6-4溫度、流量串級控制系統框圖調節閥：氣開形式；這是因為當控制系統一旦出現故障，調節閥必須關閉，以使切斷整齊的供應，確保設備的安全。（3）主調節器：反作用方式；負調節器：反作用方式。1．基本練習題（1）什么叫比值控制系統？它有哪幾種類型？畫出它們的原理框圖。答：1）比值控制系統就是實現副流量QUOTE與主流量QUOTE成一定比值關系，滿足關系式：QUOTE的控制系統。2）比值控制系統的類型：開環比值控制系統、單閉環比值控制系統、雙閉環比值控制系統、變比值控制系統。3）結構原理圖分別如圖7-1，圖7-2，圖7-3，圖7-4所示：圖7-1開環比值控制系統（a）開環比值控制系統原理圖（b）開環比值控制系統方框圖圖7-2單閉環比值控制系統單閉環比值控制系統原理圖（b）單閉環比值控制系統方框圖圖7-3雙閉環比值控制系統（a）雙閉環比值控制系統原理圖（