过程控制系统与仪表 习题答案 王再英

简介：
该课程涵盖了过程控制系统和仪表相关的习题解答。它提供了一系列实践问题的答案，旨在帮助学习者深入理解和掌握相关知识点。通过对这些问题的详细解析，可以有效地巩固学习成果，并提升解决实际问题的能力。 过程控制系统指的是在工业生产流程中，对所要调节的控制变量（例如温度、压力、流量、液位以及化学成分等）进行自动化的监控与调节。该系统主要由检测仪表、操纵仪表以及执行机构等关键部件构成，共同作用以确保生产过程的稳定性和效率。 1-1 过程操纵的主要特征有哪些？为什么过程操纵通常被归类为慢进程参数的操控？ 1．用于操作的工具种类繁多，操作请求也呈现出多种多样性。2．涉及的操作计划内容十分丰富。3．其中大部分的操作都属于耗时的参数调整过程。4．将特定值固定为参数，是一种至关重要的进程控制方法。5．进程控制的细分单元由规范化的进程检测控制仪表来构成。 过程操纵本质上是对受控变量的自动化调节，这种控制方法展现出多种多样的调节手段、丰富的调节策略以及能够进行缓慢参数调整的特性。 什么是进程操纵零碎？ 进程操纵零碎指的是在操作系统中，对进程进行精细化的管理和控制。 这种方法通常由几个主要组成部分构成，例如：进程状态的监控、资源分配的调整、以及对进程行为的精确干预。 进程调整细化：通常指的是工业生产过程中对零散变量的干预，这些变量包括温度、压力、流量、液位以及成分等一系列因素的精细控制。构成参考图1-1。 进程操纵零碎是一种用于自动控制的系统，其核心在于对所要调节的参数进行实时监控和调整。该系统通常包含一系列关键部件，包括用于检测参数变化的仪表、负责执行调整操作的仪表，以及能够实际改变参数的执行机构。 阐明流程控制细分的分类方法，日常流程控制可以被划分为哪些主要类别？ 分类方法明确如下：首先，根据所控制的参数进行划分，包括温度控制元件、压力控制元件以及流量控制元件等；其次，按照控制元件所处理的信号方式进行分类，分为模拟控制元件和数字控制元件；再者，依据控制器的类型进行区分，包含传统仪表控制元件和计算机控制元件；此外，根据控制元件的结构及其所实现的应用进行分类，例如串级控制元件、平均控制元件和自适应控制元件等；同时，按照其动作法则进行划分，如比例（P）控制、比例积分（PI）控制以及比例、积分、微分（PID）控制等；最后，根据控制元件构成回路的状况进行分类，分为单回路与多回路控制元件、开环与闭环控制元件；并且按照被控参数的数量可进一步分为单变量和多变量控制器。 进程操纵的细分化能够依照多种分类方式进行划分，例如，根据所控制的参数、指示灯方法、操纵器类型、结构与功能、以及执行策略等进行区分。 1-5 什么是定值操纵零碎？在数值控制的微小范围内，所设定的值保持不变且稳定，这种状态导致被控制的参数受到扰动信号的影响。 保持零碎定值操纵的特性，意味着在这一过程中，设定的数值将始终保持稳定不变。这种稳定性反而导致了对零碎被控参数变化的干扰信号，从而引发了扰动。 1-6 什么是被控工具的静态特征？什么是被控工具的静态特征？二者之间存在怎样的联系？进一步探讨，我们应该如何定义被控工具的静态属性，以及这些属性与被控工具本身的关系是什么？ 详细阐述这些静态特征的构成要素，并分析它们之间的相互关联性，以明确其在整体系统中的作用和意义。 被控工具的静态特性指的是，在稳态条件下，操纵过程与被控参数之间的联系。 这种关联性也被称为静态特性。 进一步阐述，在静态过程中，被控参数与操纵变量之间的关联关系，便是构成操纵过程的静态特征。 值得注意的是，稳态特征和静态特征都旨在描绘被控工具的属性； 然而，两者之间存在着密切的联系：稳态为静态特征提供了基础，而静态特征则体现了稳态的状态。 被控工具的静态属性以及其在稳定状态下的表现，都能够全面地概括和阐述其内在特性，并且这些属性之间存在着密切的相互联系。 请详细阐释定值操纵在零碎稳态和静态状态下的含义。在分析零碎稳态的性能时，为何更侧重于其静态特性？ 定值操纵的稳态状态是指，当对零碎输入（即设定值与扰动）进行稳定控制时，所有零碎都将趋向于一种均衡状态。在此状态下，零碎中的各个组成部分不再主动运作，它们的输入信号保持相对稳定的状态。这种状态被称为稳态，有时也称为静态状态。 另一方面，静态状态则描述了从外部扰动影响、均衡形态被破坏、主动操纵装置启动举措，到所有零碎重新建立新的稳态（或抵达新的均衡），以及调节过程最终完成的这段时间。在此期间，所有零碎的各个环节都处于动态变化的进程中。这种状态被称为静态。 在实际的应用过程中，被控系统经常会受到各种振动的干扰，导致其无法持续维持在稳态状态。因此，为了设计出优秀的控制系统，必须将对各个环节静态特性的研究与分析作为重点。 控制变量的设定能够有效地调整系统的微观稳态和静态属性，这种操作与被控工具的特性描述密切相关。在对这些微观特征进行分析时，通常会更加关注其静态特性，因为静态属性能够充分地体现被控工具所具备的本质特征。 哪些常用的单一指标被用于评估操纵零碎静态功用的效果？这些指标各自的定义是什么？ 单项功用目标包含一系列关键指标，包括：衰减比、超调量与最大静态偏趋势、静差、调整时间、振荡频率、回升时间以及与峰值时间相关的参数。具体而言，衰减比指的是两个连续同向波峰值之间的比率（n）；过渡过程中的最大静态偏趋势则表示，相对于设定值零点，被控参数偏离其设定的最大值A；超调量定义为第一个波峰值y与最终稳态值y之间的百分比关系；剩余偏趋势（残差）是指过渡过程结束后，被控参数达到的新稳态值y与设定值之间的偏差C；调整时间指的是从过渡过程开始到结束所需要的时间；振荡频率是指过渡过程中相邻两个同向波峰（或波谷）之间的时隙距离，其倒数则称为振荡频率；最后，峰值时间表示从过渡过程开始到被控参数首次达到波峰所需的时间。对评估单一指标，该指标涉及操纵零碎静态功用的多种情况，例如衰减比、超调量、静差、调谐时间、振荡频率、回升时间以及峰值时间等。每一个具体目标都对应着明确的定义和相应的计算方法。该被控工艺流程的设定温度为900℃，并要求在操纵过程中，温度偏差最大值不得超过80℃。目前拟定的温度设定控制方案，在最大阶跃扰动影响下的过渡过程曲线如图1-4所示。请计算该过渡过程的单项功能目标，包括最大静态偏向、衰减比和振荡周期，并评估该方案是否满足工艺要求。 该响应显示以下关键参数：最大静态偏向为1A，即A950C900C50C950900；衰减比为2n，其中n的值为5:1910900；振荡周期T为T45936（分钟）；以及A<80C，且n>1（衰减振荡）时，碎片满足工艺要求。 为了满足对温度精度的严格要求，必须确保温度偏差，即实际温度与设定温度之间的差异，不应超过80摄氏度。...