上海大学过控1复习要点和习题答案.doc

课程掌握要点

第一章 绪论
1． 过程控制定义？ 掌握术语DCS，FCS，DDZ，QDZ
2． 常规仪表过程控制系统的组成？
3． 过程控制系统的性能指标。尤其是单项指标。
4． 自动化仪表的分类，信号体制：掌握气动仪表之间的联络信号是什么？电动模拟仪表的联络信号是什么？
5． 掌握单元组合仪表中设置活零点有什么好处？
6． 安全火花防爆系统

第二章 检测仪表
1． 传感器，变送器的作用。检测变送的功能：转化为标准型号：24V DC电源供电，4~20 mA 电流信号，1~5V DC 电压信号. 气动执行器 20~100 KPa
2． 掌握仪表的性能指标（误差，精度，特性曲线，零点，量程），掌握精度计算。
3． 了解变送器与控制室仪表之间的信号四线制、三线制、二线制传输接线方式？
4． 掌握工业常用热电阻类型，热电阻的测温范围，注意事项及热电阻的接线方式。
5． 掌握热电偶测温原理，范围，注意事项及冷端补偿和补偿导线。
6． 掌握DDZ-III热电偶的特点。
7． 了解热电偶变送器的作用，组成结构、各部分功能，实现原理。
8． 掌握压力测量的弹性元件有哪几种？ 各种压力之间的关系。
9． 掌握流量测量方法有那些，分类？节流式流量计测量流量原理，节流元件起什么作用？
10． 了解靶式流量计和其他流量计的工作原理。
11． 掌握转子流量计的工作原理。与差压流量计比较异同！涡街流量计测量原理。
12． 了解液位测量仪表有哪几种？它们如何实现测量的原理？
13． 掌握利用压力或差压变送器来测量液位的原理？ 零点迁移。

课后作业答案：

第一章 P15
1.（10） 错
（11） 对
2. （１）
（用下图代替吧，手头无画图工具）其中控制器为LC，执行器为ＬＶ，检测变送可写为ＬＴ，对象为水槽，被控变量为液位

（２）DDZ-III采用的电模拟信号体制:
采用24V DC电源供电，4~20mA DC 电流信号作为工业现场和控制室之间各仪表之间的联络信号，1～5V DC电压信号作为控制室内各仪表之间的联络信号。
模拟气动信号标准：20KPa～100KPa （0.02MPa~0.1MPa）
（３）（以该题为参考）某化学反应器工艺规定操作温度为400+15℃，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值不得超过60℃。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰下的过渡过程曲线如图所示。试求该过渡过程的最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（按被控变量进入新稳态值的+2%为准）和振荡周期，并说明该调节系统能否满足工艺要求。

第二章P70
1（3）
解： 该仪表的基本误差为：

去掉“±”号与“％”号，其数值为0.4。由于国家规定的精度等级中有0.4级仪表， 故：这台测温仪表的精度等级为0.4级。
（4）解： 根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：

去掉“±”和“％”号后，0.22介于0.2～0.4之间。若选精度为0.4级的仪表，其允许的最大绝对误差为±3.6，超过了工艺允许的数值。若选精度为0.2级的仪表，其允许的最大绝对误差为±1.8， 故： 应选择0.2级的表。

（5）

代入量程：100-20，输出范围20-4，以及对应压力40和80，分别得到输出为8mA ,16mA
(6)

（10）压力之间的关系：

(12)

2(1) 最大误差6

（5）

第三章 调节器
14． 掌握P、PI、PD，PID调节的特点，各调节规律定义公式，其阶跃响应。积分时间的大小相应的积分作用怎样？微分时间的大小其作用怎样？比例度如何求取？了解为什么在实际应用中不用理想的微分作用？
15． 无扰动切换是指什么？
16． 了解微分先行的PID算法主要用于解决什么问题？对什么有微分作用？
17． 了解比例先行的PID算法有什么特点？
18． 掌握PID微分方程及差分方程？ 尤其是PI输出的特点，影响。
19． 掌握调节器的正反作用判断。
执行器
20． 掌握解执行器的作用、类型、由哪两部分组成？各部分的作用是什么？
21． 了解气动执行器和电动执行器各有什么特点？
22． 掌握什么是气开阀，什么是气关阀。按什么原则、如何来选择气开或气关方式？
23． 掌握调节阀流量特性的定义；理想流量特性的定义、分类和特点；
24． 工作流量特性的定义，串联管道中调节阀流量特性的变化
25． S值的大小对流量特性的影响？
26． 掌握选择调节阀的流量特性的三原则？
27． 了解电－气转换器起什么作用？为什么要用阀门定位器？
28． 掌握构成一个安全火花型防爆系统的充要条件是什么？安全火花型防爆系统的组成结构。
29． 了解防爆栅有哪几种类型？
30． 了解危险场所分为哪几类？危险程度最高的是哪一类？第一类危险场所又分为哪几级？
第四章 控制对象的特性测试
1. 掌握利用机理法建立单容/双容对象的数学模型。
2. 掌握什么是具有自衡能力的对象？具有滞后的一阶二阶特性的表示式；什么是无自衡能力的对象？具有滞后的一阶二阶特性的表示式。
3. 掌握什么是飞升曲线？单容对象或多容对象的飞升曲线可用哪些参数来表征？
4. 掌握如何转换飞升曲线和方波响应曲线？转换的原理和方法。
5. 掌握由飞升曲线来确定一阶对象特性参数的方法。
6. 掌握测定对象动特性的方法分类

第五章 系统的设计
1． 掌握什么是调节通道？什么是干扰通道？
2． 掌握调节过程常用的品质指标，定义！
3． 掌握干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后的影响！干扰进入位置的影响。
4． 掌握调节通道对象的放大系数、时间常数及纯滞后的影响！
5． 掌握调节方案设计中控制量被控量的选择原则！
6． 掌握调节规律对系统动特性的影响！P,I,D,PI,PD,PID
7． 掌握参数整定的方法有那些，各自特点。（三种典型）

第三次作业（P108）
1（2）某比例积分调节器的输入，输出范围均为4~20mA DC，若设ó=100%，T1=2MIN，稳态时其输出为6mA，若在某一时刻输入阶跃增加1mA，试求经过4min后调节器的输出。
解： ā=1/Kc=100% =>Kc=1
△U(t)=Kc(e(t)+1/Ti∫e(t)dt)
= e(t)+1/Ti∫e(t)dt
=1+0.5∫1dt
=1+0.5×4=3mA
则4min后调节器的输出为9mA

(5)什么叫无平衡无扰动切换？全刻度指示调节器是这样保证由自动到软手动，由软手动到硬手动，再由硬手动到软手动，由软手动到自动之间的无扰动切换的？
解：当调节器由硬手动切换到软手动是，由于切换后的积分器具有保持特性，即能保持切换前的硬手动输出状态，故由硬手动切向软手动，无需平衡即可做到输出无扰动

（6）调节器的正反作用是如何规定的？
答：随着测量信号的增加，调节器的输出也增加，则为正作用；随着测量信号的增加，调节器的输出减少，则为反作用。

（15）什么是调节阀的流量特性？调节阀的理想流量特性有哪几种？它们各是怎样定义的？调节阀的工作流量特性和阻力系数有关，而阻力系数又是怎样定义的？它的大小对流量特性有何影响？

答：调节阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系。
理想的流量特性有直线流量特性，对数流量特性和快开流量特性。
直线流量特性是指流过调节阀的相对流量和阀门的相对开度成直线关系
对数流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系
快开流量特性是指在小开度时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快达到最大，故称为快开特性。
阻力系数S定义为阀全开时阀前后压差△Pvmin与系统总压差△P的比值。
当S=1时，管道压降为零，调节阀前后压差等于系统总压差，故工作流量特性即为理想流量特性；
当S<1时，由于串联管道阻力的影响，使流量特性产生两个变化：一个是阀全开时流量减少；另一个是使阀在大开度工作时控制灵敏度降低。随着S值减少，直流特性趋向于快开特性，对数特性趋向于直线特性，S值越小，流量特性的变形程度愈大。

2（5）如图所示，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事故状态下，为了保护加热器设备的安全，即耐热材料不被损坏，现在蒸汽管道上有一个气动执行器，试确定其气开，气关形式，并画出由PID调节器构成的控制系统结构框图。
解：为了保护加热设备的安全，应该选择气开阀。

（6）现测得三种流量特性的有关数据见表。试分别计算其相对开度在10%，50%，80%各变化10%时的相对流量的变化量，并据此分析它们对控制质量的影响和一些选用原则。
Q/Qmax (%) l/L(％)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
直线流量特性
3.3
13.0
22.7
32.3
42.0
51.7
61.3
71.0
80.6
90.3
100
对数流量特性
3.3
4.67
6.58
9.26
13.0
18.3
25.6
36.2
50.8
71.2
100
快开流量特性
3.3
21.7
38.1
52.6
65.2
75.8
84.5
91.3
96.13
99.03
100
调节阀的相对开度(l/L)(％)和相对流量(Q/Qmax) (%) （R=30）

解：
直线流量特性：
相对开度在10%，50%，80%各变化10%的相对流量变化量为74.6%，18.6%，12%
对数流量特性：
相对开度在10%，50%，80%各变化10%的相对流量变化量为41%，40%，40%
快开流量特性：
相对开度在10%，50%，80%各变化10%的相对流量变化量为76%，11%，3%

由上述数据可知，直线特性的调节阀在开度变化相同的条件下，当流量小时，流量的变化值相对较大，调节作用强，容易产生超调和引起振荡；当流量大时，流量变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。适合于符合稳定的场合。
对数流量特性的调节阀在同样的开度变化值下，当流量小（小开度）时，流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节平稳缓和；流量大（大开度）时，流量的变化也大（调节阀的放大系数大），调节灵敏有效。无论大开度还是小开度，相对流量的变化率都是相等的，表明流量变化的百分比是相同的。适用于符合变化的场合。
快开流量特性的调节阀在开度很小时，就已经将流量放大，随着开度的增加，流量很快就达到最大（饱和）值，以后再增加开度，流量几乎没有什么变化。这种流量特性适合于迅速开闭的切断阀或双位控制系统。

补充作业：
1. 如图所示，用差压变送器测敞口容器液位，其最低液位和最高液位到仪表的距离分别为h1=1m，h2=3m,若被测介质的密度为980kg/m3,求：
1）该变送器的量程为多少？
2）是否需要迁移？迁移量为多少？

2： 某负作用理想PID调节规律， ， Ti=2min,Td=0,在t=t0时刻加入一幅值为1mA的阶跃信号，若调节器的起始工作点为6mA，试画出调节器的输出波形。

3. 某正作用理想PID调节规律， Ti=30s,Td=0,试画出在如图所示输入方波作用下的调节器输出波形（初始工作点6mA）。

4.

在阶跃输入作用下，即
调节器的输出为：
因此，可以从阶跃响应曲线上确定KC，Ti
A=1 ，则t=0, y=Kc=1/P
t=Ti y=2Kc=2/P

(1) P1=1/0.5=2=200%, T1=0.5
P2=1/2=50%, T2=1
(2) P1’=4*200%=800%, T1’=0.25, K1’=0.125
P2’=4* 50%=200%, T2=0.5 , K2’=0.5 (2号线变为1号线 )

(3)比例、积分作用减弱，影响比例的是P，影响积分作用的是P和Ti

5．
某电动比例调节器的测量范围为100~200 ，其输出为0~10mA。当温度从140 变化到160 时，测得温度调节器的输出从3mA变化到7mA，试求该调节器的比例带。

6 图示锅炉生产情况，冷水进入气鼓，经燃烧加热产生蒸汽，在生产过程中，工艺要求气鼓里的水不能烧干，不然将产生事故，甚至发生爆炸。为了保证锅炉的安全生产，试确定冷水进水管道上调节阀的气开，气关形式。
气关阀

7、图示，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热，在事故状态下，为了保护加热器设备的安全，即耐热材料不损坏，现在蒸汽管道上有一只调节阀，确定其气开，气关形式。
气开阀

第四、五章习题
1、水槽如图所示。其中F为槽的横截面积，R1、R2、R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2 、Q3为流出量。要求：
(1) 写出以水位H为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；
（2）写出对象的传递函数，并指出其增益K和时间常数T的数值。

2、有一液位对象，其矩形脉冲响应实验结果见下表。
矩形脉冲幅值 阀门开度变化，矩形脉冲宽度 。
(1)试将矩形脉冲响应曲线转换为阶跃响应曲线。
(2)若将它近似为带纯延迟的一阶惯性对象，试用不同的方法确定其特性参数K、T和 的数值。

x（t）= x1（t）+ x2（t）
x2（t）= - x1（t -Δt）
y（t）= y1（t）+ y2（t）
= y1（t）- y1（t-Δt）

t
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
h1
0
0.2
0.8
2.0
3.6
5.4
7.4
9.3
11
12.6
13.6
14.4
15.1
15.8
16.4

300
320
340
360
380
400
17
17.4
17.6
17.8
17.95
18.1

画图并求得

3.求无自平衡能力的双容水槽液位与输入流量的对应关系

解：根据动态平衡关系，列出以下增量方程

进行拉普拉斯变换，整理，得到传递函数、数学模型

为槽1的时间常数
为槽2的时间常数

4.求有自平衡能力的双容水槽液位与输入流量的对应关系

5. 如图所示简单水槽对象，进水流量Qi为20m3/h，液位h稳定在10m处，现在我们人为地将进水流量突然加大到30m3/h，液位h的反应曲线如图所示，试求出该水槽对象的特性参数并写出对象传函。（液位h为输出变量，进水流量Qi为输入变量）

6.

（1）

（2）
干扰通道特性对控制质量的影响, 当干扰是幅值为F的阶跃信号

1. 调节通道特性对控制质量的影响，当给定是幅值为R的阶跃信号

（3）

比例度越大，余差越大。
（4）

7．通常情况下，如图系统阀门气开气关型式
和调节器正反作用应选（ C ）。
A. 气开阀 正作用调节器
B. 气开阀 反作用调节器
C. 气关阀 正作用调节器
D. 气关阀 反作用调节器

8.试设计控制系统（被控参数选择，控制参数选择，调节阀及调节器调节规律，正反作用的选择，画出控制系统框图）
参考书上奶粉加工过程控制系统的设计
第六章 高性能过程控制
1． 掌握串级调节系统的结构特点、优点，会分析！
2． 掌握串级系统设计中主副变量的选择原则，调节器的调节规律的确定原则，调节器的正反作用的确定
第6章：
1．（8） 能
1．（9） 是 （反馈环节视为正时）
1．（11）
1）

T1C
调节阀
副对象
主对象
T1T
T2T

T2C
＋
－
－
＋
T1
T2
给定
干扰

2）气开阀
3）主：反作用 副：反作用
1．（12）
1）
TC
调节阀
副对象
主对象
TT
FT

PC
＋
－
－
＋
T
Q2
给定
干扰

2）气开阀
3）主：反作用 副：反作用
3（3）
1）控制系统框图：
TC
调节阀
副对象
主对象
TT
FT

FC
＋
－
－
＋
T
Q2
给定
干扰

2）当调节阀上的气源中断时，为了防止温度过高，烧坏设备，应关闭阀门，不再通入蒸汽，因此采用气开阀
3）先确定副调节器，因为副对象是正作用对象，调节阀是正作用对象，测量变送视为正作用，为了保证副环为负反馈，副调节器采用反作用
再确定主调节器，把整个副环看成一个正作用环节，主对象为正作用对象（因为当蒸汽流量增加时，出口温度升高），为了保证主环为负反馈，主调节器采用反作用。
4）从副环来看，当蒸汽压力升高时，蒸汽流量增加，由于副调节器是反作用，其输出减少，又由于调节阀是气开阀，故其输出减少，因而蒸汽流量减少，从而很及时地克服了由于蒸汽压力突然增加所引起的流量增加，使蒸汽压力波动几乎不影响到加热器温度。
从主环来看，若副环对蒸汽压力的波动不能完全克服，而使得出口温度也有升高时，这时，主调节器为反作用，其输出减少，即副调节器的给定值减少，相当于副调节器的测量值增加，其输出减少，调节阀开度减少，因而蒸汽流量减少，使温度降低。这样，主环和副环同时作用，及时地克服了由于蒸汽压力的影响。
当冷物料流量突然增加时，物料出口温度会下降，这时，主调节器为反作用，其输出增加，即副调节器的给定值增加，副环控制的蒸汽流量增加，使温度回升。这样，由于物料流量增加所引起的温度下降得以克服，物料出口温度可维持在恒定值上。