过程计算机控制思考题与习题集(完整解答)

第一章 思考题与习题（P9）

1. 简述过程控制发展概况。

答 上个世纪40年代以前，工业生产大多处于手操作阶段，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此劳动生产率很低。

40年代以后，生产过程自动化发展很快。尤其近年来，过程控制技术发展更为迅速。当前，自动化装臵已成为大型设备不可分割的组成部分。可以说，如果不配臵合适的最大控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。纵观过程控制发展的历史，大致精力一下阶段：

第一个阶段。50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。者是过程控制发展的第一个阶段。其主要特点是：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是启动仪表）；过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数；控制的目的是保持这些参数稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；过程控制的理论是以频率法和根轨迹法为主题的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。

第二个阶段。在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二个阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表（包括电动和气动）。为了满足定型、灵活、多功能的要求，又出现了组装仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统要求。与此同时，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC ）和设定值控制（SPC ）。在过程控制系统方面，为了提高控制质量与实现一些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，例如串级、比值和均匀控制的应用，尤其是前馈和选择性控制系统的应用，是复杂控制系统达到一个新的水平。在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际生产过程遇到的问题外，现代控制理论开始应用，控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程遇到的更为复杂的问题。

第三个阶段。70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型计算机的开发应用，使生产过程自动化的发展达到一个新的水平。其主要特点：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。过程控制发展到现代过程控制的新阶段。在新型的自动化技术工具方面，开始采用以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程序调节器）；在测量变送器方面，较为突出的是成分在线检测与数据处理（如气相色普和液相色普与质普等）的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品质增加，可靠性能提高，而且本质安全防爆（电动），适应了各种复杂控制系统要求。70年代中期，DCS 问世，从此工业生产过程自动化进入一个新的时代。在过程控制理论方面，智能控制与优化。 3．什么是过程控制系统？试述其组成。

答 过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及pH 值(氢离子浓度) 等这样一些过程变量时的系统。

其组成为：系统的组成包括测量元件、变送器、调节阀、调节器、被控过程等。

5．乙炔发生器是利用电石和水来生产乙炔气的装臵。为了降低电石消耗量，提高乙炔气的收率，确保生产安全，故设计图1-8所示温度控制系统。生产要求发生器温度控制 80±1℃。试画出温度控制系统的方框图，并指出图中控制对象、被控参数和调节参数。

乙 图1-8温度控制系统 答 温度控制系统的方框图如下图所示：

误差

设定值

-测量值

检测变送

温度调节器

调节阀

乙炔发生器

温度值

控制对象：乙炔发生器 被调参数：乙炔发生器温度 调节参数：冷水流量 10．为什么说系统过渡过程的质量指标是一项单项指标？而偏差性能指标是一种综合指标？

答 系统过渡过程的质量指标由余差(静态偏差) 、衰减比或衰减率、最大偏差、过渡过程时间和峰值时间组成。在上述质量指标中，它们之间是互相制约的。当一个系统的稳态精度要求很高时，可能会引起动态不稳定；解决稳定问题之后，又可能因反应迟钝而失去快速性。所以对于不同的控制系统，这些指标各有其重要性，要高标准地同时满足这些指标的要求是很困难的。因此，系统过程的质量指标是一种单项指标，应根据工艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证先满足主要的质量指标的要求。

一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况，在相同输入量作用下，如偏差越大，而且其持续时间越长，则系统的质量就越差，所以可以把偏差性能指标当成综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。

第二章 思考题与习题（P47）

5．图2—37所示液位过程的输入量为Q 1，流出量为Q 2、Q 3，液h 为被控参数，C 为容量系数，并设R 1, R 2, R 3均为线性液阻。要求： （1） 列出过程的微分方程组； （2） 画出过程的方框图；

（3） 求过程的传递函数W 0(s ) =H(S)/Q 1(s

) .

Q 图2-37 液位过程

Q 3

解：(1)由题意得：

∆Q 1-∆Q 2-∆Q 3=C ∆Q 2=∆Q 3=

(2)

d ∆h

.....(1)dt

∆h

............................(2) R 2

∆h

.............................(3)R 3

Q (3)由方程（2）、（3）代入（1）得

∆Q 1-

∆h ∆h d ∆h

-=C

R 2R 3dt

拉氏变换后

Q 1(S ) =CSh (s ) +

传递函数为

h (s ) h (s )

+

R 2R 3

W 0(S ) =

R 2R 3H (S )

=

Q 1(S ) CR 2R 3S +R 2+R 3

6. 已知两只水箱串连工作（如图2—38所示），其输入量Q 1，流出量Q 2、Q 3, h 1，h 2分别为两只水箱的水位，h 2为被控参数，C 1、C 2为容量系数，假设R 1、R 2、R 12、R 3为线性液阻。要求：

（1） 列出过程的微分方程组； （2） 画出过程的方框图； （3） 求过程的传递函数W 0(s ) =

H 2(s )

. Q 1

(s )

3

图2-38 液位过程

解：（1）由题意得： 对水箱C 1列方程：

∆Q 1-∆Q 12-∆Q 2=C 1∆Q 12=∆Q 2=

d ∆h 1

.............(1)dt

∆h 1-∆h 2

...............................(2) R 12∆h 1

.........................................(3)R 2

对水箱C 2列方程：

∆Q 12-∆Q 3=C 2

∆Q 12=

d ∆h 2

......(4)dt

∆h 1-∆h 2

...............(5) R 12∆h 2

........................(6)R 3

∆Q 3=

(2)

Q 1(

s （3）

方程（2）、（3）代入（1）得

∆Q 1=C 1

拉氏变换：

d ∆h 1∆h 1-∆h 2∆h 1

++

dt R 12R 2

Q 1(s ) =C 1Sh 1(s )+h 1(s )(

111

(7) +)-h 2(s )

R 12R 2R 12

式（5）、（6）代入（4）得：

∆h 1-∆h 2∆h 2d ∆h 2

-=C 2

R 12R 3dt

拉氏变换：

h 1(s ) h (s ) h (s )

=C 2Sh 2(s ) +2+2 (8) R 12R 3R 12

将式（7）、（8）消去h 1(s ) 得传递函数

W 0(s ) =H (s ) /Q 1(s ) =

1

R 12C 1C 2S 2+(

112+C 1+C 2+212) S ++12+R 3R 2R 3R 2R 3R 2

=

R 2R 3

C 1C 2R 12R 2R 3S 2+(C 1R 12R 2+C 1R 2R 3+C 2R 2R 3+C 2R 12R 3) S +R 2+R 3+R 12

7. 如图2－39所示，Q 1为过程的流入量，Q 2为流出量，h 为液位高度，C 为容量系数。 若以Q 1为过程输入量，h 为输出量，设R 1, R 2为线性液阻，求过程的传递函数

W 0(s ) =H(S)/Q 1(s ) 。

图2-39 液位过程

解：由题意得：

∆Q 1-∆Q 2=C

d ∆h

....(1)dt

∆h ∆Q 2=....................(2)

R 2

（2）代入（1）拉氏变换得： W 0(s ) =

11、用脉冲响应法求加热炉过程的动态特性，脉冲宽度t 0＝2mm ，幅值为0.2T/h，其实验数据如下：

R 2H (s )

= Q 1(s ) R 2CS +1

试由脉冲响应y *(t ) 求阶跃响应y (t ) ，并求其数学模型。 解一：脉冲响应曲线y *(t ) 由阶跃响应曲线y (t ) 、y (t -a ) 叠加

y *(t ) =y (t ) -y (t -a ) a =t 0=2min

→ y (t ) =y *(t ) +y (t -a )

由题意得：y (0)=0 阶跃响应如下表：

由

试用二阶环节验证： 由

y (t ) t =t 1=0.4y (∞) y (t ) t =t 2=0.8y (∞)

得

y (t ) t =t 1=0.4*4.26=1.704y (t ) t =t 2=0.8*4.26=3.41

⇒

t 1=6t 2=16

因为0.32

t 16

==0.375

下面求K 0、T 1、T 2

4.26

=21.30.2

6+16t +t

=10.19 ⇒T 1+T 2= T 1+T 2≈12

2.162.16

TT TT t 11212

=1.74*0.375-0.55=0.1≈(1.74-0.55) 2

(T 1+T 2) 2(T 1+T 2) t 2

K 0=

y (∞) -y (0)

x 0

K 0=

解之得：

T 1=1.18T 2=9.01

传递函数为：

W 0(s ) =

21.3

(1.18s +1)(9.01s +1)

11. 解二：脉冲响应曲线y *(t ) 由阶跃响应曲线y (t ) 、y (t -a ) 叠加

y *(t ) =y (t ) -y (t -a ) a =t 0=2min

→ y (t ) =y *(t ) +y (t -a )

由题意得：y (0)=0

由y(t)的数据得出, 曲线y(t)形状得一阶时延环节。 试验证：

y (t 1) =0.33

由

t 1=5

⇒

y (t 2) =0.39y (t 3) =0.632y (t 4) =0.7

t 2=5.9t 3=11t 4=12

K 0=

y (∞) -y (0)

x 0

T 1=2(t 3-t 2)

4.26

=21.30.2

T 1=2(11-5.9) =10.2K 0=

⇒τ1=2*5.9-5=6.8

τ1=2t 2-t 1

T 2=

t 4-t 10.8

1

4

τ2=3t 2-t

12-5

=8.750.83*5-12τ2==1.5

2T 2=

解之得：

T 0=9.475

τ=4.15

传递函数为：

W 0(s ) =

21.3

e -4.15s

(9.475s +1)

14. 、用响应曲线法辨识某液位被控过程，阶跃扰动的幅值为1（即单位阶跃），阶跃响应的

解：

1、一阶时延环节

由y 0(t ) =y (t ) /y (∞) 得

h 0(t 1) =0.33h 0(t 2) =0.39h 0(t 3) =0.632h 0(t 4) =0.7

⇒

t 1=111t 2=125t 3=188t 4=216

T 1=2(t 3-t 2) =126

τ1=2t 2-t 1=139

T =t 4-t 1=1312

0.8

3t -t

τ2=14=58.5

2

注：τ1、τ2值相差比较大

K 0=

y (∞) -y (0)

=19.3

x 0

T 1+T 2

=128.52

τ+τ

τ=12=98.8

2T 0=

数学模型为：

W 0(s ) =

2、二阶环节

K 0-τs 19.3e =e -98.8s T 0s +1128.5s +1h (t ) t =t 1=0.4y (∞) =0.4*19.3=7.72

h (t ) t =t 2=0.8y (∞) =0.8*19.3=15.44 ⇒ 近似得： t 1=124t 2=272 19.3-0=19.31

124+272t +t =183.3 T 1+T 2≈12 ⇒ T 1+T 2= 2.162.16

TT 124TT t 11212=(1.74-0.55) =0.24≈(1.74-0.55) 22(T 1+T 2) 272(T 1+T 2) t 2K 0=y (∞) -y (0)x 0K 0=

解之得：

T 1=110.0

T 2=73.3

传递函数为

W 0(s ) =

K 019.3 =(T 1s +1)(T 2s +1) (110.0s +1)(73.3s +1)

第三章 思考题与习题（P96）

2. 何谓测量过程和测量误差？测量误差通常可以分为哪几类？其含义是什么？

答 所谓测量过程，是利用一个已知的单位量（即标准量）与被测的同类量进行比较的过程。通过比较就可以知道被测量是已知单位量的若干倍。检测仪表（测量仪表）就是实现测量过程的技术工具。

测量误差：由于测量工具的准确性、观察者的主观性、外界环境的变化以及某些偶然因素等的影响，在测量过程中使得测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值，则称之为测量误差。测量误差反映了测量结果的可靠程度。

测量误差的分类如下：

（1）绝对误差与相对误差。绝对误差是指测量结果与被测量的真值之差。通常把检定中高一等级的计量标准所测得的量值作为真值（实际值）。此时，绝对误差是指标准仪表（准确度较高）与被校仪表（准确度较低）同时对同一量进行测量所得的两个测量结果之差。

相对误差是指绝对误差与真值或者测量值的百分比。

实际相对误差，是指绝对误差与被测量的真值（实际值）之百分比。

标称相对误差，是指绝对误差与仪表示值之百分比。

引用相对误差，是指绝对误差与仪表量程之百分比。

（2）系统误差、随机误差和疏忽误差。

系统误差是指测量仪表本身或其他原因（如零点没有调整好等）引起的有规律的误差。

随机误差是指在测量中所出现的没有规律的误差。

疏忽误差是指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的误差。

（3）基本误差、附加误差、和允许误差。

基本误差是指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。如通常在正常工作条件下的示值误差就是基本误差。

附加误差是指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。如仪表的工作温度超过规定的范围时，将引起温度附加误差。

允许误差是指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。它是一个许可的误差界限。

3. 什么是检测仪表的精度、变差、灵敏度和灵敏限？

答 仪表精度=绝对误差的最大值/仪表量程

变差=(x1-x 2) max /仪表量程×100%

灵敏度=∆α ∆x

灵敏限：引起仪表示值发生变化的可测参数的最小变化量。

4. 什么是一次测量？什么是一次仪表和二次仪表？

答 在进行检测时，一般由一测量体与被测介质接触，测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，然后再用仪表加以显示，通常把前一过程叫做一次测量，所用的仪表叫做一次仪表，后面的计量仪表叫做二次仪表。

5. 在工业生产过程中有哪几种常用的测温方法。试说明其特点。

答 从测量体与被测介质接触与否来分有接触式测量和非接触式测量。

接触式测量：通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度；测温简单可靠，测量精度高。但是由于测温元件需要与被测介质接触进行充分的热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化学反应。另外由于受到耐高温材料的限制，接触式测量不能应用于很高温度的测量。

非接触式测量：通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。由于测温元件不与被测介质接触，因而其测量范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度也较快，而且可以对运动体进行测量，但是，它受到物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离、烟尘和水汽等其他介质的影响，一般测温误差比较大。

15．什么是变送器的量程调整、零点和零点迁移？为什么要进行量程调整和零点迁移？Ⅲ型温度变送器是怎样进行调零和量程调整的？怎样实现热电偶的冷端温度补偿？

答 量程调整是使变送器的输出信号的上限值ymax 与测量范围的上限值相对应；量程程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率；

零点是指变送器的输出信号的下限值。

零点调整是指使变送器的输出信号的下限值y min 与测量范围的下限值x min 相对应。对于DDZ-III 型仪表来说，x min =0时，而y 不为4mADC ，则进行零点调整使之为4mADC ；x min ≠0时，y ≠y min 则需要零点迁移。

零点迁移：把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。当测量起始点由零迁至某一正值，称为正迁移；当测量起始点由零迁至某一负值，称为负迁移；迁移的实质：改变量程的上下限，而不改变量程的大小。若采用零点迁移，再辅以量程压缩，可以提高仪表的测量精确度和灵敏度。

如图15.1所示，W1为调零电位器，W2为调量程电位器，当变送器输入热电势为Vmin 时，其输出为4mADC 或1VDC ，否则调整W1；当变送器输入热电势为Vmax 时，其输出为20mADC 或5VDC ，否则调整W2；在DDZ-III 型仪表中，通过调零电位器和调量程电位器就可以进行调零和调量程。

图15.1冷端温度补偿、调零调量程回路

如图15.1所示，冷端补偿电路由稳压电源V 0供电，电路支路电流分别为I 1，I 2，当冷端温度t 0>0度时，热电势E T 将比冷端在0度时减少ΔE T ；与此同时，R CU 产生一附加电压降来补偿ΔE T 的变化；

当冷端温度t 0=0度时，电流I 1流过R CU 两端A 、B 间的电压降

V 0AB 2R Cu0=I 1 (15-1) R 3+2R Cu 0

式中，R CU0为0度时铜电阻的阻值。

当t 0>0时，A 、B 间的压降

V 0AB 2R Cu =I 1 (15-2) R 3+2R Cu

式中，R Cu =R Cu 0(1+α0t )

将(15-2)- (15-1)可得

∆V AB 22R Cu R Cu0=I 1(-) R 3+2R Cu R 3+2R Cu 0

当R 3>=RCU0时，则上式可写为

∆V AB 222R Cu (1+α0t ) 2R Cu0R Cu022=I 1(-) =I 1(2α0t +α0t ) （15-3） R 3R 3R 3

在t=0—50度时，适当选择式（15-3）中的R CU0、I 1、R 3等数值，可使∆V AB =∆E T ，实现冷端温度补偿。（对于热电偶的冷端补偿，有很多方法：一、补偿电桥法；二、计算较正法；

三、补偿导线法；）

20．为什么说流量、液位等过程参数可以通过压力进行间接测量？

答 对于不可压缩的理想流体来说，若流速为v ，重度为g ，静压力为p ，当流体充满平管道流动时，则其能量方程为式(20-1)为理想流体的伯努利方程，式中第一项表示流体的压力位能, 第二项表示流体的动能。差压式流量计是以伯努利方程和连续性方程为理论根据，通过测量流体流动过程中产生的差压来测量流量的；

v 2

+=const (20-1) γ2g p

一般情况下，流量愈大，差压也愈大，流量和差压之间存在一定的关系，所以流量可以用差压间接测量；

对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液位高度；所以液位可以用差压间接测量；在工业生产中，差压变送器得到了广泛的应用。

第四章思考题与习题（P151）

1．过程控制仪表可分为那些类型？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表有何特点？它们单元间的标准统一信号怎么样？

答 1)过程控制仪表类型：

(1)按能源来分，有气动仪表、液动仪表、电动仪表。

(2)按结构形式来分，有基地式，单元组合式，组装式与集散控制装臵。

(3)按信号类型来分，有模拟式和数字式。

2) 气动单元组合仪表与电动单元组合仪表有何特点？

气动组合仪表，简称QDZ 仪表。采用140kPa 压缩空气为能源，结构简单、价格便宜、工作可靠，具有本质安全防爆的特点，适用于石油、化工等易燃易爆的场合。

电动组合仪表，简称DDZ 仪表，现发展有DDS 仪表。信号传输、放大、变换、处理比气动仪表方便，便于远传，易于与计算机联用。Ⅲ型仪表采用了安全防爆措施，同样适用于易燃易爆场合。

3) 它们单元间的标准统一信号怎么样？

气动单元，信号为0.02～0.1MPa 。

电动单元，信号为0～10mADC(DDZ-Ⅱ型) 或4～20mADC(DDZ-Ⅲ型)

7．执行器有哪几种？怎么组成？它们在过程控制中起什么作用？常用的气动执行器与电动执行器有何特点？

答 1)执行器有哪几种？

按使用能源分为气动，电动，液动执行器。

2) 怎么组成的？

由执行机构和调节机构(调节阀) 组成。

3) 它们在过程控制中起什么作用？

接受调节器输出的控制信号，转换为直线位移或角位移，来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。

4) 常用的气动执行器与电动执行器有何特点？

气动：结构简单，维修方便，价格便宜，并具有防火防爆等特点。能与QDZ 仪表配用，通过电－气转换器或电－气阀门定位器与DDZ 仪表配用。适用于防火防爆等生产过程。

电动：动作迅速，信号便于远传，便于与计算机配合使用，不适用于防火防爆等生产场合。

9．如何利用气动执行机构和调节机构组成气开、气关式调节阀？

正反正反

(a)(b)(c)(d)

对于大口径调节阀，通常是用改变阀体的正反形式来实现气开和气关。

11．什么叫气开式调节阀和气关式调节阀？选用的原则是什么？并举例说明其选用。

答 气开式：当信号压力p>0.02MPa时，阀开始打开

气关式：相反，信号压力增加时，阀关小。

选用的原则：

从工业生产的安全来考虑：当气源一旦中断时，看阀门的状态，为全开或全关时其能否保证生产上的设备和人身的安全。

例子：

蒸汽加热器采用气开式阀门，锅炉进水的调节阀采用气关式阀门。