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过程控制课后习题答案
1-1试述热电偶的测温原理，工业上常用的测温热电偶有哪几种？什么热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线？
答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不痛，回路中就会出现热电动势，并产生电流。
b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。
c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。
d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。
1-2热电阻测温有什么特点？为什么热电阻要用三线接法？
答：a、在-200到+500摄氏度范围内精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低，存在非线性。
b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。
1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。在什么情况下要做零点迁移？
答：a、结构：其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。
b、工作原理：应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻，热敏电阻集成温度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号。
c、由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处，当冷端温度变化时，利用铜丝电阻随温度变化的特性，向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿。桥路左臂由稳压电压电源Vz（约5v）和高电阻R1（约10K欧）建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu，在Rcu上产生一个电压，此电压与热电动势Et串联相接。当温度补偿升高时，热电动势Et下降，但由于Rcu增值，在Rcu两端的电压增加，只要铜电阻的大小选择适当，便可得到满意的补偿。
d、当变送器输出信号Ymin下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移。

1-5力平衡式压力变换器是怎样工作的？为什么它能不受弹性元件刚度变化的影响？
答：a、被测压力P经波纹管转化为力Fi作用于杠杆左端A点，使杠杆绕支点O做逆时针旋转，稍一偏转，位于杠杆右端的位移检测元件便有感觉，使电子放大器产生一定的输出电流I。此电流通过反馈线圈和变送器的负载，并与永久磁铁作用产生一定的电磁力，使杠杆B点受到反馈力Ff，形成一个使杠杆做顺时针转动的反力矩。由于位移检测放大器极其灵敏，杠杆实际上只要产生极微小的位移，放大器便有足够的输出电流，形成反力矩与作用力矩平衡。b、因为这里的平衡状态不是靠弹性元件的弹性反力来建立的，当位移检测放大器非常灵敏时，杠杆的位移量非常小，若整个弹性系统的刚度设计的很小，那么弹性反力在平衡状态的建立中无足轻重，可以忽略不计。
1-7试述节流式、容积式、涡流式、电磁式、漩涡式流量测量仪表的工作原理，精度范围及使用特点。
答：a、节流式
工作原理：根据流体对节流元件的推力或在节流元件前后形成的压差等可以测定流量的大小。
差压流量计：根据节流元件前后的压差测流量。
精度：正负0.5%到1%
使用特点：保证节流元件前后有足够长直管段
靶式流量计：使用悬在管道中央的靶作为节流元件
精度：2%到3%
使用特点：可用于测量悬浮物，沉淀物的流体流量
转子流量计：以一个可以转动的转子作为节流元件
使用特点：可从转子的平衡位置高低，直接读出流量数值
b、容积式
工作原理：直接安装固定的容积来计量流体。
精度：可达2%较差时亦可保证0.5%~1%
使用特点：适用于高黏度流体的测量
c、涡轮式
工作原理：利用导流器保证流体沿轴向推动涡轮，并且根据磁阻变化产生脉冲的输出。
精度：0.25%~1%
使用特点：只能在一定的雷诺数范围内保证测量精度。由于有转子，易被流体中的颗粒及污物堵住，只能用于清洁流体的流量测量。
d、电磁式
工作原理：以电磁感应定律为基础，在管道两侧安放磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测管内液体的流量。
精度：0.5%~1%
使用特点：只能测导电液体的流量
e、漩涡式
工作原理：根据漩涡产生的频率与流量的关系测定流量
精度：正负0.2%~正负1%
使用特点：量程比达到30:1，可测液体和气体。

2-3 PID调节器中，比例度p，积分时间常数Ti,微分时间常数Td,积分增益Ki,微分增益Kd分别有什么含义？在调节器动作过程中分别产生什么影响？若令Ti取∞，Td取0，分别代表调节器处于什么状态？
答：1在比例积分运算电路中，RI,CI组成输入电路，CM为反馈元件
1）比例度P=Cm/CiX100%表示在只有比例作用的情况下，能使输出量做满量程变化的输入量变化的百分数。
2）积分时间Ti=RICI Ti愈小，由积分作用产生一个比例调节效果的时间愈短，积分作用愈强。Ti越大，积分作用越弱。
3）积分增益Ki=CM/CIXA A 为放大器增益，Ki越大，调节静差越小。
比例微分运算电路中，由Rd Cd及分压器构成无源比例微分电路
4）kd为比例微分调节器输出地最大跳变值与单纯由比例作用产生的输出变化值之比。
5）微分时间Td=KdRdCd
2,Ti取无穷时，调节器处于PD状态。Td取零时 调节器处于PI状态。
2-4 什么是PID调节器的干扰系数
答： 用PI，PD串联运算获得PID调节规律时，在整定参数上存在相互干扰的现象，常用干扰系数F=1+Td/Ti表示
2-5调节器为什么必须有自动/手动切换电路？怎样才能做到自动/手动双向无扰切换？
为了适应工艺过程启动、停车或发生事故等情况，调节器除需要“自动调节”的工作状态外，还需要在特殊情况时能由操作人员切除PID运算电路，直接根据仪表指示做出判断，操纵调节器输出的“手动”工作状态。
在DDZ-III型调节器中 ，自动和手动之间的平滑无扰切换是由比例积分运算器上的开关S1实现的，如下图所示

其中开关接点“A”为自动调节；“M”为软手动操作；“H”为硬手动操作。
切换分析：“A” →“M”为保持，无扰切换。“M” →“A”：S1、2在M，S2把CI接VB，VO2以10V起对CI充 电，但CI右端电位被钳位不变（10V），A3的V-≈V+ =10V，当“M” →“A”，两点电位几乎相等，所以为 无扰切换。 “M” →“H”：断开前，必然先断开S4，M为保持。切换后， 接入“H”，V-与RH的电位相同时，则为无扰切换，所 以切换前应平衡RPH，有条件无扰切换。“H“→”M“：切换后，S41~S44瞬间是断开的，CM和V-为 保持状态，所以为无扰切换。
2-7什么是调节器的正\反作用？调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式？输出电路是怎样将输出电压转换成4-20mA电流的？
（1）测量值增加(偏差信号e减少)，调节器输出增加，则调节器静态放大放大系数为负，KC为负值，称正作用调节器；
反之，测量值增加（偏差减小），调节器输出减小，则调 节器静态放大系数为正，KC为正值，称反作用调节器。
（2）由于所有的仪表都用同一个电源供电，在公共电源地线上难免出现电压降，为了避免这些压降带来误差，输入电路需要采用差动输入方式。
（3）调节器的输出电路是一个电压-电流转换器，它将PID电路在1-5V间变化的输出电压转换为4-20mA的电流，输出电路实际就是一个比例运算器，通过强烈的电流负反馈使输出电流保持在4-20mA，输出电路的电路图如下：
其中经过运算得出

取Rf=62.5，则当V03=1-5V时，输出电流为4-20mA。

3-2 集散控制系统中，哪些功能是集中的？哪些功能是分散的？这样的设计有何优点？
答：操作监视与管理为集中，控制功能为分散。优点：①开放系统：互操作、可移植等②分级递阶控制：垂直方向和水平方向分级③分散控制：危险分散④自制和协调：相对独立⑤集中管理：管控一体化等
3-6 什么是“现场总线”， 现场总线控制系统与集散控制系统相比，有哪些优点？
答:现场总线（fieldbus）是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路，它是用于工业自动化领域的许多局域网之一。
优点：1.可以在现场构成完整的基本控制系统；2.可以与多个现场智能设备互换信息；3.可以很方便地构成复杂的过程控制系统4与集散控制系统相比，具有控制功能更加分散，智能化与功能自治性更高、系统的构成更加灵活、可扩展性与可互换性更强、可靠性与可维护性更好等诸多优点。
4-3 什么是调节阀的固有流量特性和工作流量特性？为什么流量特性的选择对控制系统的工作至关重要？
答：①在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。
在各种具体的使用条件下，阀芯位移对流量的控制特性，称为工作流量特性。 ②从自动控制的角度看，调节阀一个最重要的特性是他的流量特性，即调节阀阀芯位移与流量之间的关系，值得指出调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响
4-4为什么合理选择调节阀的口径，也就是合理确定调节阀的流通能力C非常重要？
答：在控制系统中，为保证工艺操作的正常进行，必须根据工艺要求，准确计算阀门的流通能力，合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选的太大，将是阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选的太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。
4-5电-气阀门定位器（含电-气转换器和阀门定位器）是怎样工作的？它们起什么作用？
答:①由电动调节器送来的电流I通入线圈，该线圈能在永久磁铁的气隙中自由地上下运动，当输入电流i增大时，线圈与磁铁产生的吸引增大，使杠杆作逆时针方向旋转，并带动安装在杠杆上的挡板靠近喷嘴，改变喷嘴和挡板之间的间隙②使气动执行器能够接收电动调节器的命令，必须把调节器输出的标准电流信号转换为20~100kPa的标准气压信号。
4-8 防爆栅的基本结构是什么？它是怎样实现限压限流的？
分齐纳式和隔离式两种
齐纳式安全栅电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：
1、 安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分的苛刻并在实际工程应用中难以保证。
2、 要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗干扰能力，影响系统稳定性。
3、 齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。
4、 由于齐纳式安全栅的电路原理需要吸收输入回路的能量，所以易造成输出不稳定。
隔离式安全栅
采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：
1.由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。
2.对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。
3.由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个习题可靠性
4.隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。
5.隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。
因此，对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛用途，虽然其价格略高于齐纳式安全栅，但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑，其综合成本可能反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为主要本安防爆仪表，隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用.
5-1.为什么说研究自动控制系统的动态比研究其静态更为重要？
答: 再连续生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能量平衡，在静态条件下，单位时间流图对象的物料或能量等于从系统中流出的物料或能量，然而，对象的动特性是研究参数随时间而变化的规律，在动态条件下，物料平衡和能量平衡的关系是：单位时间内进入系统的物料（或能量）之差等于系统内物料（或能量）储存量的变化率
5-3测定对象动特性飞升曲线的方法及注意要点。
答：飞升特性是指输入为阶越函数时的输出量变化曲线。采用时域方法，输入量作阶越变化，测绘输出量随时间变化曲线就得到飞升特性。实验时，可以让对象在某一稳态下稳定一段时间后，快速的改变它的输入量，是对象达到另一稳定状态。
注意要点：①采取措施防止其他干扰的发生，否则将影响实验结果。
②为克服其他干扰影响，同一飞升曲线应重复测试两三次。
③求出其中合理部分的平均值，据此平均曲线来分析对象的动态特性。
④需特别注意被调量离开起始点状态时的情况，应准确记录加入阶越作用的计时起点，以便计算对象滞后的大小。
5-8为什么要用闭路测定对象的频率特性？
答：因为正弦波方法和频率特性相关测试法都是在开路状态下输入周期信号x(t)，测定其输出y(t)，这种测定方法的缺点是，被调量y(t)的震荡中线――零点的漂移不能消除，误差大，因而不能长期进行试验。另外，它要求输入的振幅不能太大，以免增大非线性的影响，降低测定频率特性的精度。采用闭路系统则可以避免上述缺点。
优点：精度高：①削弱了对象的零漂。②减少了开路测定时的非线性环节所引起的误差。
安全： 调节器串接在系统中，即使突然有干扰加入，也不会产生过大的偏差而发
生事故。
此外，这种方法可以对自衡特性对象进行频率特性的测定，也可以同时测得调节器的动态特性。
6-4.何谓单回路调节系统？单回路调节系统适用于哪些场合？
答：单回路调节系统，一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接收一个测量信号，其输出也只是控制一个执行机构。在一般连续生产过程中，单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，因此它的用量很大。只有在单回路调节系统不能满足生产的更高要求的情况下，才用复杂的调节系统。
6-5.试分析对象的干扰通道和控制通道特性对控制性能的影响？
答：干扰通道的放大系数Kf影响着干扰加在系统上的幅值。若调节系统是有差系统，则干扰通道，控制系统的静差也愈大。
干扰通道时间常数Tf的影响，如果干扰通道是一阶惯性环节，其时间常数为Tf1，则阶跃干扰通过惯性环节，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值减小了，这样一来，使控制过程最大偏差随着Tf1的增大而减小，从而提高了调节质量。
当干扰作用点的位置离测量点近，则动态偏差大；反之，干扰离测量点远，则动态偏差小，调节质量高。
6-6.稳定边界法又称临界比例度法，即在生产工艺容许的情况下，用试验方法找出。当一个比例调节系统的被调量作等幅振荡时，按经验公式求出调节器的整定参数。
反应曲线法，用反应曲线法整定调节器的参数应先测定对象的动特性，即对象输入量作单位阶跃变化时被调量的反应曲线，亦即飞升特性，根据飞升特性曲线定出几个能代表该调节对象动态特性的参数，然后可直接按这个数据定出调节器最佳整定参数。
衰减曲线法，是在总结“稳定边界法”和其他一些方法的基础上，经过反复实验得出来的。
反应曲线法的优点是进行飞升特性实验比其他两种方法的实验容易掌握，做实验所需时间比其他方法短些；缺点是在实际生产中做飞升曲线试验，往往不太容易。这个方法适用于被调量允许变化较大的对象。
稳定边界法的优点是，在稳定边界的条件下，调节器的比例度P较小，动作很快，结果被调量的波动幅度很小，一般生产过程是允许的；缺点是，对于比例度特别小的系统和调节对象τ/T值很大、时间常数T也很大的系统不适用。该方法适用于一般的流量、压力、液面和温度调节系统。
衰减曲线法的优点是，被调量偏离工作点不大，也不需要把调节系统推进到稳定的边界，因而比较安全，且容易掌握，能适用于各种类型的调节系统；缺点是，整个实验很浪费时间。
7-6前馈调节系统有哪些典型的结构形式？什么是静态前馈和动态前馈？
答：典型结构形式1静态前馈2前馈—反馈控制系统3前馈—串级控制系统

7—3、 简述串级控制系统的设计原则
答：⑴、主被控参数和主回路的选择主参数：主回路设计与单回路设计基本相同。凡直接或间接反映生产过程的产品质量和产量、并可测量的参数作为主被控参数，所构成的回路为主回路。
⑵、副被控参数的选择和副回路设计串级控制系统的所有优点是该系统具有副回路，因此副回路设计尤为重要。
①副被控参数的选择应使副回路的时间常数、纯滞后小，以保证控制通道短和快速性，副被控参数须对住被控参数有足够的灵敏度，控制参数应对副被控参数影响快。
②副回路必须包括生产过程中变化剧烈、频繁、幅度大的干扰，并且尽可能多的干扰，使得干扰被尽快的消除。
③应使主、副回路的时间常数匹配，一般T01/T02=3~10，既时间常数错开，有利于动态指标。

7—4、串级调节系统的调节器选型及两种参数整定方法。
答：选型：
①主调节器：主被控参数要求严格，选择PI、PID。
②副调节器：保证调节的快速性，可以有误差，所以选择P即可。若选择PD，因副回路包含剧烈扰动，容易使得调节阀动作过大，对调节反而不利。
参数整定方法：
（1） 在通常情况下，副环的对象时间常数较小，而副环以外的那一部分对象特性的时间常数和滞后都较大。主副环的波动频率相当较大，可以按以下方法整定。
整定时先切除主调节器，使主环处于在开路的情况下，按通常的方法整定调节器参数。然后再投入副调节器的情况下，把副环看做弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节参数。
（2） 当由副环分割的两部分对象的时间常数和滞后大致相等，主、副环的频率比较接近时，它们之间的影响就大了。在这种情况下，就需要在主、副环之间反复进行凑试，才能达到最佳整定。此时采用串级调节器的“二步整定法”。
① 在主环闭合的情况下，将主调节器的比例带P1放在100%处，用“衰减曲线法”整定副回路，求出副回路在衰减率Ψ=0.75~0.9时副调节器的比例度P2值。
② 将副调节器置于这一求得的比例度上，把副回路视为调解系统中的一个组成部分，用同样的方法，求出主回路在Ψ=0.75~0.9的衰减过程的主调节器比例度P1s和被调量y1在出现第一个高峰时的时间tr。然后根据P1s、tr按经验公式，求出主调节器的参数。按“先副环后主环”的原则，先放上副调节器参数，后放上主调节器参数。
7-11复合调节系统调节器参数选择的原理是什么？
在选择调节器的整定参数时，假设系统只按被调量的偏差控制，不考虑扰动引入到系统中的附加作用。这样可以用第六章介绍的方法整定调节器参数，同时还可以球的这是闭环系统的共振频率
8-4: 什么叫正耦合和负耦合？
答; 正耦合：在相对增益阵列中所有元素为正时，称之为正耦合
负耦合：在相对增益阵中只要有一元素为负，称之为负耦合
8-6：解耦控制在工程实施过程中需要注意哪些问题？什么叫做部分解耦？它有什么特点？
答： 需要注意的问题：（1）稳定性问题 （2）部分耦合
部分耦合：指在复杂的耦合过程中，只对部分耦合进行解耦，而忽略另一部分耦合。
特点：部分耦合过程的控制性能会优于不解偶过程而比完全解耦过程要差。相应的部分解耦的补偿器也比较简单，实现起来比较容易。因此在相当多的过程中得到有效的应用。
8-7什么是推理控制？推理控制的应用背景是什么？
（1）推断控制是指利用数学模型实现反馈控制或将不可测的由可测输出变量将不可测的被控过程的输出变量推算出来，以扰动推算出来，以实现前馈控制的一种控制系统。
（2）应用背景：前馈控制系统能有效地克服过程可测扰动对输出的影响，但在实际工业生产中，常常存在这样的一些情况，即被控过程的输出变量不能直接测量或难以测量，因而无法实现反馈控制;或者被控过程的扰动也无法测量，也不能实现前馈控制。在这种情况下，提出了推理控制理论，主要思路是通过采用控制辅助输出量的办法间接控制过程的被控输出量。
8-8，推理控制系统有哪些特征？
推理控制具有三个基本特征1．实现了信号分离2．实现了不可测干扰的估计3．可实现输出跟踪实现理想控制。

8-11 什么是预测控制？预测控制主要有哪些基本控制算法？
（1）根据过程的实验模型来预测过程的输出，再用过程实际输出和预测输出之差来校正，校正后的结果作为反馈量，送去与设定值比较，使得由比较结果而产生的控制作用能让过程输出很好的跟踪指定的输出轨迹。
（2）基于非参数模型的动态矩阵控制(DMC),模型算法控制（MAC），基于参数模型的广义预测控制（GPC）,广义预测极点配置控制（GPP）等。
8-12预测控制的优越性表现在哪里？原因是什么？是否必须采用非参数模型？
（1）（2）a 建模方便。预测模型是在过程的实验数据基础上建立的，不需要求的过程参数模型。
b 采用了滚动优化算法。它的优化算法是在线进行的，能根据过程的实际输出，不断地进行优化计算，及时修正控制作用，滚动实施，从而使模型由失配、时变、干扰等引起的不确定性能及时得到补偿，改善了系统的控制效果。
c 采用对预测模型的反馈校正。预测控制算法中，用实际输出与预测输出的偏差作为反馈量，来校正原来的预测模型，使预测输出能跟踪实际输出，克服了过程不确定性的影响，提高了控制算法的鲁棒性。
d 信息冗余量大。 信息量的扩大，有助于辨识和克服过程不确定性和复杂变化的影响，提高控制系统的鲁棒性。
e 易于工业实现。 这些算法不牵扯矩阵运算和线性方程组求解，便于工业实现，受到普遍欢迎。
（3）否

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