過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用第二版王毅張早校思考題及習(xí)題答案-資料下載頁

　　

【正文】 +其中： u(k)= +12．計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計有哪些基本原則？其設(shè)計步驟是怎樣的答：計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則：1。系統(tǒng)操作性能好——使用方便和維修方便。2。可靠性高。3。通用性好，便于擴充。4。實時性強——表現(xiàn)在時間驅(qū)動和時間驅(qū)動能力上。5。設(shè)計周期短，價格便宜。 設(shè)計步驟：：確定系統(tǒng)整體控制方案；確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式；現(xiàn)場設(shè)備選擇。:。13．如何提高計算機控制系統(tǒng)的可靠性？有哪些方法途徑？答：為了提高計算機控制系統(tǒng)的可靠性和可維護性，常采用提高元器件的可靠性，設(shè)計系統(tǒng)的冗條技術(shù)，采取抗干擾措施，采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)以及軟件可靠性技術(shù)等。常用的冗條系統(tǒng)——并聯(lián)系統(tǒng)，備用系統(tǒng)，表決系統(tǒng)。抗干擾措施——電磁干擾的屏蔽；隔離技術(shù)；共模輸入法；電源系統(tǒng)的干擾抑制；布線的防干擾；接地設(shè)計；軟件的抗干擾措施。14．過程控制系統(tǒng)所處的干擾環(huán)境是極其惡劣的，試闡述它所受的干擾有哪些？答：干擾分為3類：（1）空間感應(yīng)干擾，它以電磁感應(yīng)形式進入系統(tǒng)的任何部件和線路（2）類干擾是通過對通道的感應(yīng)，傳輸結(jié)合，地線聯(lián)系進入通道部分的干擾（3）電網(wǎng)的沖擊波通過變壓器結(jié)合系統(tǒng)進入電源系統(tǒng)而傳到各個部分的。15．共模干擾與串模干擾個有什么特點，它們是如何進入系統(tǒng)造成干擾的？答：在計算機控制系統(tǒng)中，由于對象，通道裝置比較，通道與被測信號之間往往要長線連接，由此造成了被測信號地線和主機地線之間存在一定的電位差，它作為干擾，同時施加在通道的兩個輸入端上，稱為共模干擾。共模干擾的抑制措施：采用高共模抑制比的差動放大器，采用浮地輸入雙層屏蔽放大器，光電隔離，使用隔離放大器。16．長線傳輸干擾為什么不可避免，如何加以抑制？答：在計算機控制系統(tǒng)中，由于對象，通道裝置比較分散，通道與被測信號之間望完要長線連接，由此造成了被測信號地線和主機地線之間存在一定的電位差，它作為干擾，同時施加在通道的兩個輸入端上，稱為共模干擾。共模干擾的抑制措施：采用高共模抑制比的差動放大器，采用浮地輸入雙層屏蔽放大器，光電隔離，使用隔離放大器。17．模擬地與數(shù)字地為何必須嚴(yán)格分開？答：模擬地是作為A/D轉(zhuǎn)換，前置放大器，比較器等模擬信號傳遞電路的零電位；數(shù)字地即邏輯地，主要是指TTL或CMOS印刷電路板的地端，作為數(shù)字邏輯的零位。18．在計算機控制系統(tǒng)中，常用的抗干擾措施有哪些？分析合理接地的重要性。答：抗干擾措施——電磁干擾的屏蔽；隔離技術(shù)；共模輸入法；電源系統(tǒng)的干擾抑制；布線的防干擾；接地設(shè)計；軟件的抗干擾措施。接地問題在計算機實時控制系統(tǒng)抗干擾中有重要地位，接地不當(dāng)，將引入干擾。接地設(shè)計目的在于消除各電路電流流徑一個公共地線阻抗時所產(chǎn)生的噪音電壓，避免受磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路，使屏蔽和濾波有環(huán)路，確保系統(tǒng)安全。19．可偏程序調(diào)節(jié)器與普通模擬儀表相比有哪些異同及優(yōu)點？答：可偏程序調(diào)節(jié)器是一種可以由用戶編制程序，構(gòu)成各種控制方式的數(shù)字化儀表，它以微處理器為運算控制的核心，是單元組各式儀表向微機化發(fā)展和計算機控制向分散化發(fā)展兩者相結(jié)合的方向，具有邏輯控制，計時，計數(shù)，分支以及子程序等順序控制功能，又有數(shù)字運算，數(shù)據(jù)處理，模擬量調(diào)節(jié)，操作顯示以及聯(lián)網(wǎng)通信等各種功能。特點：1。編制程序簡單。2。控制系統(tǒng)簡單，通用性強。3。抗干擾能力強，可靠性高。4。體積小，維護方便。5。縮短了設(shè)計，施工，投產(chǎn)調(diào)試周期，應(yīng)用前景廣闊。20．可編程序調(diào)節(jié)器由哪些部分組成的？各部分的主要作用是什么？答：可遍程序調(diào)節(jié)器有四部分組成：1。輸入，輸出部件；是PC與被控設(shè)備連接起來的部件。2。中央處理器，是PC的大腦，處理和運行用戶程序，監(jiān)控中央處理機和輸入輸出部件的狀態(tài)，并作出邏輯判斷。3。電源部件，是將交流電源轉(zhuǎn)換成供PC的微處理器，存儲器等電子電路工作所需要的直流電流，是PC能正常工作。4。編程器，是PC最重要的外圍設(shè)備，PC需要編程器輸入，檢查，修改，調(diào)試用戶程序，也可在線監(jiān)視PC的工作情況。21．試簡述可編程序調(diào)節(jié)器的基本工作過程。答：可編程序調(diào)節(jié)器的工作過程有三部分：①輸入采樣—即讀狀態(tài)信息。②程序執(zhí)行—通過CPU中的運算器對讀入的輸入信號進行邏輯運算。③輸出刷新—當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設(shè)備，使之完成預(yù)定的任務(wù)。第六章典型過程控制系統(tǒng)應(yīng)用方案?答: 壓縮機防喘振的控制方案分為固定極限流量法和可受流量極限流量法,固定極限流量法是控制壓縮機的入口流量不低于某一不受的極限值,運行安全可靠,投資費用少,不宜采用次方案,當(dāng)壓縮機的轉(zhuǎn)速可變時,可變極限流量法就是控制壓縮機的入口流量,使之不低于由計算得到的流量極限值,而且當(dāng)安全操作線的方程不相同時,負(fù)荷需要變動的場合下,使用較可靠較經(jīng)濟.?答:單回路控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象,一個檢測元件及傳感器或變速器,一個控制器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的單閉環(huán)控制系統(tǒng),主要應(yīng)用于控制負(fù)荷變化較小的被控對象,被控對象的動態(tài)特性易于控制工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求不高時,可選用單回路控制系統(tǒng).?怎樣選擇一個可控性良好的量作為控制參數(shù)?答:在生產(chǎn)過程中,有的較易操作,工藝變量能夠控制的比較平穩(wěn),有的卻很難操縱,工藝變量容易產(chǎn)生大幅段波動,容易越出工藝允許的范圍,只有充分了解和熟悉對象特征,才能使工藝生產(chǎn)在最佳狀態(tài)下運行,因此,在控制系統(tǒng)設(shè)計時,首先必須充分了解被控對象的特征,掌握他的內(nèi)在規(guī)律,才能選擇合適的被控變量,操縱變量.被控變量的選擇原則:(1) 信號可直接測得,測量變送環(huán)節(jié)的滯后小.(2) 可選擇與之有單質(zhì)函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)(當(dāng)不能直接獲取時)(3) 獨立變量(4) 考慮工藝合理性及當(dāng)前儀表性能操縱變量的選擇原則:(1).考慮工藝合理性(2)考慮被控對象特征:使被控對象控制通道的放大系數(shù)較大,時間常數(shù)較小,時間常數(shù)越大越好.?答:基本要求有以下幾個方面:①控制指標(biāo)—根據(jù)進行的反映不同,指標(biāo)選擇不同,如反應(yīng)轉(zhuǎn)化率,產(chǎn)品的質(zhì)量,②物料平衡和能量平衡,以使反映能正常進行③約束條件:保證反應(yīng)里能安全正常操作所要求的條件④盡可能將干擾作用排除在反應(yīng)之前,以保證產(chǎn)品質(zhì)量.？對于大多數(shù)反映皿來說,其控制要求是在一定的約束條件和保持物料平衡的情況下,使反映皿的生成物的質(zhì)量指標(biāo)符合一定的要求,化學(xué)反應(yīng)皿的質(zhì)量指標(biāo)一般指反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或反映生成物的規(guī)定濃度,但是轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)物濃度一般不易直接測量,所以要尋找與轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)物濃度有一定關(guān)系的間接質(zhì)量指標(biāo),對于化學(xué)反應(yīng)皿,一般總伴隨有熱效應(yīng),不是吸熱就是放熱,所以溫度量最能夠表征轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)物濃度的間接控制指標(biāo),如果再輔以壓力和處理量等控制系統(tǒng),即可保證反映皿的正常操作.以溫度作為被控變量,由于溫度較宜測量,且影響溫度的變量教多,給選擇操縱變量提供了方便條件,故較宜構(gòu)成相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng),但有時以溫度作為間接控制指標(biāo),并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定,當(dāng)有干擾作用時,轉(zhuǎn)化率和反映生成物組合等仍會受到影響,特別是在有些反映中,溫度與生成物組合間不完全是單值關(guān)系,這就需要不斷根據(jù)情況去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值,在有催化劑的反映皿中由于催化劑的活性變化,溫度給定值也要隨之改變6．生產(chǎn)過程一般對換熱器控制系統(tǒng)有什么要求？答：生產(chǎn)過程對換熱器控制系統(tǒng)的要求有以下幾點：①. 被控變量要求是冷卻介質(zhì)（被加熱介質(zhì)）的出口溫度；②. 加熱介質(zhì)是廢熱熱源時，為了節(jié)省能量，要求最大限度地加以利用，所以一般不對其流量進行調(diào)節(jié)，而是調(diào)節(jié)被加熱介質(zhì)的流量。③. 對于兩側(cè)均無相變化的換熱器的控制，要穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。可以通過改變載熱體自身流量，改變載熱體旁路流量，改變被加熱介質(zhì)自身流量，改變被加熱介質(zhì)的旁路流量。④. 當(dāng)郵箱便是，如蒸氣冷凝，其控制方案可以通過改變加熱蒸汽流量或改變冷凝水排出量來維持被加熱介質(zhì)出口溫度的穩(wěn)定。補：1. 已知閥的最大流量，可調(diào)范圍R=30。，，并比較不同理想流量特性的控制閥在小開度時的流量變化情況。（1） 直線流量特性；（2） 等百分比流量特性。解：（1）根據(jù)直線流量特性的相對流量與相對行程之間的關(guān)系：分別代入： ，R=30，，，。，，（2）根據(jù)直線流量特性的相對流量與相對行程之間的關(guān)系：代入數(shù)據(jù)得：，，由上述數(shù)據(jù)可得，對于直線流量特性的控制閥，相對行程有10%變化到20%時，流量變化值為：100%=%；相對行程由80%變化到90%時，流量變化的相對值為100%=12%，由此可見，對于直線流量特性的控制閥，在小開度時，行程變化了10%， %，控制作用很強，容易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；在大開度時（80%處）。行程同樣變化了10%，流量只在原有基礎(chǔ)上增加了12%.控制作用很弱，控制不夠及時，有力，這是直線流量特性控制閥的一個缺陷。對于等百分比流量特性的控制閥，相對行程由10%變?yōu)?0%時，流量變化的相對值為100%=40%；相對行程由80%變?yōu)?0%時，流量變化的相對值為100%=40%。故對于等百分特性控制閥，不管時小開度或大開度時，行程同樣變化了10%，流量在原來基礎(chǔ)上變化的相對百分?jǐn)?shù)量相等的。故取名為等百分比流量特性。具有這種特性的控制閥，在同樣的行程變化值下，小開度時，流量變化小，來自比較平穩(wěn)緩和；大開度時，流量變化大，控制靈敏有效，這是它的 優(yōu)點。=30的控制閥，已知其最大流量系數(shù)為，流體密度為1。閥由全關(guān)到全開時，由于串聯(lián)管道的影響，使閥兩端的壓差由100KPa降為60Kpa，如果不考慮閥的泄漏量的影響，試計算系統(tǒng)的阻力比S，并說明串聯(lián)管道對可調(diào)范圍額的影響。（假設(shè)被控流體為非阻塞的液體）解：由于阻力比S等于控制閥全開時閥上壓差與系統(tǒng)總壓差之比，在不考慮閥的泄漏量的影響時。閥全關(guān)時閥兩端的壓差就可視為系統(tǒng)總壓差，故本系統(tǒng)總壓差為100Kpa，閥全開時兩端壓差為60Kpa，使用阻力比S=。由于該閥的，R=30，在理想狀況下，閥兩端壓差維持為100Kpa，流體密度為1，則最大流量 ，最小流量。對于非阻塞流的流體。串聯(lián)管道時，由于壓差由100Kpa降為60Kpa，故這是通過閥的最大流量將不再是，而是=。這時的可調(diào)范圍為。由上可見，串聯(lián)管道時，會使控制閥的流量特性發(fā)生崎變，其可調(diào)范圍會有所降低。如果S值很低，會使可調(diào)范圍大大降低，以至影響控制閥的特性，使之不能發(fā)揮應(yīng)有的可控制作用。當(dāng)然，從節(jié)能的觀點來看，S值大，說明好在閥上的壓降大，能量損失大，這是不利的一面。3試述理想運算放大器的特點。DDZⅢ型控制器是如何利用理想運算放大器來構(gòu)成各種運算電路的？解：理想運算放大器的主要特點是：輸入阻抗，輸出阻抗；開環(huán)電壓增益；頻帶寬度。如圖所示，表示由理想放大器構(gòu)成的反相輸入運算電路。輸入電壓經(jīng)阻抗后由放大器的反相端（“—”端）輸入。輸出電壓經(jīng)反饋阻抗反饋到輸入端，因而構(gòu)成一個閉環(huán)電路。選擇不同的阻抗形式及，可以使該閉環(huán)電路具有不同的運算作用。故又稱為運算電路。DDZⅢ型控制器就是利用這種運算電路實現(xiàn)比例，積分與微分作用的由集成運算放大器電壓增益A的定義可知：由于A=，而受到電源電壓的限制。為一有限值，故有：如果是接地的，由于近似等于，故稱該點為虛地。，故，于是有：考慮到，故有：或………..(1)當(dāng)選擇阻抗和為不同形式時，就與有不同的關(guān)系，亦即構(gòu)成不同的運算電路。當(dāng)和分別為兩個電容和時，寫成阻抗的負(fù)數(shù)形式，有：。式中S為算子將上述二式代入（1）式，得：即輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，為比例運算電路。當(dāng)為一電阻，為一電容時，則有：，=代入（1）式，得：即輸出電壓與輸入電壓的積分成比例，為積分運算電路。當(dāng)為一電阻與電容并聯(lián)，而為一電容時，則有： ， 代入（1）式，得： 將上式反變換：即輸出電壓與輸入電壓成比例積分關(guān)系，為比例積分運算電路。當(dāng)為一電容，為一電阻時，則有：，=代入（1）式，得： 將上式反變換：即：輸入電壓與輸入電壓的變化速度成正比，為微分運算電路。，I，D調(diào)節(jié)器中需引入反饋電路？答：如圖所示：由輸入電路來的偏差信號e和由PID反饋電路來的反饋信號經(jīng)比較后得到，經(jīng)放大器放大并轉(zhuǎn)換為輸出電流。如果沒有PID反饋電路，那么e經(jīng)放大后成為輸出電流，由于放大器的開環(huán)增益很大，所以只要有很小一點偏差e，就會有很大的輸出電流，控制器就接近雙位特性了。因此，引入負(fù)反饋。如果反饋電路是僅由電阻組成的分壓電路，并且會=，那么由于=，經(jīng)整理可得=，由于，因此有==，即合理設(shè)計分壓系數(shù)k，就可以得到輸出電路與輸入偏差e的比例特性。Ⅲ型控制器，其比例度，積分時間=，微分時間=2min，微分放大倍數(shù)=10，假定輸出初始值為4mA，微分的輸出表達(dá)式，并計算t=12s時該控制器的輸出信號值。解：比例輸出為：積分輸出為：微分輸出為 ==在t=12s=，代入上述各式，各計算得：，因此，在t=12s時，控制器的輸出為：？其選擇原則是什么？答：隨著送經(jīng)執(zhí)行器的氣壓信號的增加，閥逐漸打開的稱為氣開式，反之稱為氣關(guān)式。氣開式，氣關(guān)式的選擇主要是由工藝生產(chǎn)上安全條件決定的。一般來講，閥全開時，生產(chǎn)過程或設(shè)備比較危險的選氣開式；閥全關(guān)時，輸出過程或設(shè)備比較危險的應(yīng)選擇氣關(guān)式。7對于一臺現(xiàn)有的氣動薄膜式執(zhí)行器，可以通過那些方法來改變它的氣開，氣關(guān)形式？答：一般可以通過下列三種方法來較方便的改變氣動薄膜式執(zhí)行器的氣開，氣關(guān)形式。如圖所示是直通雙座控制閥與執(zhí)行機構(gòu)的正反作用和控制閥的正裝，反裝組合而定的。其中圖（a）（b）都是氣關(guān)閥，因為隨著氣壓信號的增加，這兩種情況下，閥芯與閥座之間的流通面積都是減小的，故是氣關(guān)型控制閥。（b）（c）都是氣開閥，因為隨著氣壓信號的增加，閥芯與閥座之間的流通面積都是增加的。改變閥芯的正裝，反裝方式，可以改變控制閥的氣開，氣關(guān)形式。例如圖（a）的閥芯是正裝的，為氣關(guān)閥，如果將閥芯反