《仪表与自动化》解题参考

《仪表与自动化》解题参考

第1章 自动控制系统基本概念

1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？

解 自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。 1-5 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？

解 测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；

控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去

执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。

1-6试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？

解：被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。

被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。

给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。

操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。

操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。

1-8 题1-8图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。

题1-8图 加热器控制流程图

解 PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；

TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；

FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，

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仪表序号为05。

1-11 题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？并说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。

题1-11图 反应器温度控制系统

解 该温度控制系统的方块图

题解1-11图 反应器温度控制系统方块图

其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：冷却水流量。

可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。

若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。所以该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。

1-12 题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控变量影响的？

解：当反应器内的温度超过给定值（即升高）时，温度测量元件测出温度值与给定值比较，温度控制器TC将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来，这样克服干扰作用对被控变量影响。

1-13 按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类？

解：按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类： ?定值控制系统——给定值恒定的控制系统。

?随动控制系统（自动跟踪系统）——给定值随机变化的系统。 ?程序控制系统——给定值按一定时间程序变化的系统。

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1-19 某化学反应器工艺规定操作温度为(900?10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的?1%（即900?（?1%）=?9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？

题1-19图 温度控制系统过渡过程曲线

解 最大偏差A=950?900=50（℃）；

超调量B=950?908=42（℃）； 由于B?=918?908=10（℃），所以，衰减比n=B:B?=42:10=4.2； 余差C=908?900=8℃；

振荡周期T=45?9=36(min)； 过渡时间ts=47min。

因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。 1-20 题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b) 图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、衰减比和余差（提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。

题1-20图 蒸汽加热器温度控制

解 蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。

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题解1-20图 蒸汽加热器温度控制系统方块图

其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。 可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。

该系统的过渡过程品质指标： 最大偏差A=81.5?81=0.5（℃）； 由于B=81.5?80.7=0.8（℃），B?=80.9?80.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:B?=0.8:0.2=4； 余差C=80.7?81= ?0.3（℃）。

第2章 被控对象的数学模型

2-1什么是对象特性？为什么要研究对象特性？ 解 对象特性就是的对象的输出?输入关系。

研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系。当采用 自动化装置组成自动控制系统时，首先也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数(也称控制器参数的工程整定)，使系统正常地运行。被控对象的特性对自动控制系统的控制质量的影响很大，所以必须对其深入研究。

2-2 何为对象的数学模型？静态数学模型与动态数学模型有什么区别？ 解 对象特性的数学描述（方程、曲线、表格等）称为对象的数学模型。

静态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输入量改变以后输出量的变化情况。稳态与动态是事物特性的两个侧面，可以这样说，动态数学模型是在静态数学模型基础上的发展，静态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学模型的一个特例。

2-8 反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？ 解：放大系数K、时间常数T和滞后时间?

放大系数K在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即

输出量的变化量

K?输入量的变化量

对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，

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或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。

时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。

时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大

对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。滞后现象用滞后时间?表示。

对象的滞后时间?，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。

2-11 已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5min，放大系数为10，纯滞后时间为2min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。

解 该对象特性的一阶微分方程为

5dy(t?2)?y(t?2)?10x(t) dt 2-12 如题2-12图所示的RC电路中，已知R＝5k?，C＝2000?F。试画出ei突然由0阶跃变化到5V时的eo变化曲线，并计算出t＝T、t＝2T、t＝3T时的eo值。

题2-12图 RC电路

解 RC电路的微分方程为

T当ei=5V时，微分方程的解为

deo?eo?ei dteo=5(1?e?t/T) = 5(1?e?t/10) (V)

（该系统的时间常数T=RC=5?103?2000?10?6=10s）

当t=T时， eo=5(1?e?T/T)= 5(1?e?1)=3.16V； 当t=2T时，eo=5(1?e?2T/T)= 5(1?e?2)=4.32V； 当t=3T时，eo=5(1?e?3T/T)= 5(1?e?3)=4.75V。

题解2-12图 RC电路的阶跃响应曲线

2-13 已知一个简单水槽，其截面积为0.5m2，水槽中的液体由正位移泵抽出，即流出

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4-12 如题4-12图所示热电偶测温系统，热电偶的型号为K，请回答： (1)这是工业上用的哪种温度计？

(2)显示仪表应采用哪种仪表？该仪表的输入信号是多少？应指示多少温度？

题4-12图 热电偶测温系统图

解 （1）这是工业上用的热电偶温度计。

（2）显示仪表应采用XCZ-101型动圈式显示仪表或电子电位差计显示仪表；仪表的输入信号是K型热电偶的热电势E(600，25)，

E(600，25)= E(600，0) ? E(25，0)=24902 ?1000=23902（?V）；

指示温度应为600℃（显示仪表内具有冷端温度自动补偿，能直接显示被测温度）。 4-13 测温系统如题4-13图所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度tx为多少度？（室温为25℃）

题4-13图 测温系统图

解 这是工业上用的热电偶温度计。

当与E型热电偶配套的显示仪表指示为160℃、室温为25℃时，显示仪表的输入信号应为E型热电偶在热端为160℃、冷端为25℃时的热电势EE(160，25)。而显示仪表外实际配用的是K型热电偶，其输入的热电势EE(160，25)，实际应为K型热电偶在热端为tx℃、冷端为25℃时的热电势EK(tx，25)，即EK(tx，25)= EE(160，25)。

EE(160，25)= EE(160，0) ? EE(25，0)

查E型热电偶分度表EE(160，0) = 10501?V，EE(25，0)=1496.5?V，则

EE(160，25)=10501?1496.5=9004.5?V

EK(tx，0) =EK(tx，25)+ EK(25，0)

=9004.5+1000(查K型热电偶分度表) =10004.5（?V）

反查K型热电偶分度表，得tx=246.4℃

4-14 试述电子自动平衡电桥的工作原理？当热电阻短路、断路或电源停电时，指针应指在什么地方？为什么？

解 电子自动平衡电桥的原理电路如下图所示。

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题解4-14图 电子平衡电桥测温原理图

当被测温度为测量下限时，Rt有最小值及Rt0，滑动触点应在RP的左端，此时电桥的平衡条件是

R3（Rt0+RP）=R2R4 （1）

当被测温度升高后，热电阻阻值增加?Rt，滑动触点应右移动才能使电桥平衡，此时电桥的平衡条件是

R3（Rt0+?Rt+RP?r1）=R2(R4+ r1) （2）

用式（1）减式（2），则得

?Rt R3? r1R3= R2r1

即

R3r1??Rt （3）

R2?R3从上式可以看出：滑动触点B的位置就可以反映热电阻阻值的变化，亦即反映了被测温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。

当热电阻短路时，Rt=0，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向左滑动，直至始端；当热电阻断路时，Rt=?，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向右滑动，直至终终端；当电源停电时，指针指在任何位置，电桥输出都为0，（电桥“平衡”）。

4-19 有一分度号为Cul00的热电阻，接在配分度号为Ptl00的自动平衡电桥上，指针读数为143℃，问所测实际温度是多少?

解 温度为143℃时，分度号为Ptl00的热电阻阻值（查Ptl00分度表）为154.70?。而自动平衡电桥上实际接的是分度号为Cul00的热电阻，即Cul00热电阻在实际被测温度下的电阻值与Ptl00热电阻在143℃时的电阻值154.70?相等。利用154.70?查Cul00分度表，得所测实际温度为128℃。

4-20有一配K分度号热电偶的电子电位差计，在测温过程中错配了E分度号的热电偶，此时仪表指示196℃，问所测的实际温度是多少?此时仪表外壳为28℃。

解 电子电位差计指示196℃，输入信号为

EK(196，28)= E(196，0)? E(28，0)=7.977?1.122=6.855(mV)，

而该热电势实际是由E型热电偶提供的。设所测的实际温度为t，则有

EE(t，0)= EE(t，28)? EE(28，0)= EK(196，28)+ EE(28，0)=6.855+1.679=8.534(mV) 查E型热电偶分度表，得所测的实际温度为t=132.2℃

4-21 有一台数字电压表，其分辨力为100?V／1个字，现与Cul00热电阻配套应用，测量范围为0～100℃，试设计一个标度变换电路，使数字表直接显示温度数。

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解 为了使仪表显示“100”时表示“100”℃，则需使显示仪表的直接输入信号为100?V?100=10000?V=10mV。Cul00热电阻在测量范围为0～100℃时的电阻值为100?~142.8?，实际的标度变换就是要将100?~142.8?变换为0~10mV。

利用下图所示电阻-电压变换电路，其输出电压Uo=I(Rt?R0)=I(?Rt)，即显示仪表的输入信号。这里?Rt=142.8? 100=42.8?，而Uo需要10 mV，因此电流应为

I?根据电路的电流计算公式

Uo10mV??0.234mA ?Rt42.8?EE??I2?I

R?RtR?R0I1?适当调整电路参数E和R（R0=100?）便能使I=0.234mA

图解4-21图 电阻信号的标度变换（R-V变换）

第5章 自动控制仪表

5-1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？

解 控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即

p?f(e)?f(z?x) 控制器的基本控制规律有：位式控制（其中以双位控制比较常用）；比例控制(P)；积分控制(I)；微分控制(D)。

实际控制中常采用组合控制。组合控制规律有：比例积分控制（PI），比例微分控制（PD）；比例积分微分控制（PID）。

5-4 何为比例控制器的比例度？一台DDZ—Ⅱ型液位比例控制器，其液位的测量范围为0~1.2m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例控制器的输出相应从5mA增大到7mA，试求控制器的比例度及放大系数。

解 比例控制器的比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：

????x?x?maxmin?e?p??100% ?pmax?pmin?式中 e ——输入变化量；

p ——相应的输出变化量；

xmax?xmin——输入的最大变化量，即仪表的量程；

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pmax?pmin——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。

根据题给条件，该控制器的比例度为

??0.6?0.27?5?100%?83.3%

1.2?010?0对于单元组合仪表，其放大系数为

KP=1/?=1/83.3%=120%

5-5 一台DDZ—Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0～1000℃，当指示值变化100℃，控制器比例度为80％，求相应的控制器输出将变化多少？

解

??epmax?pmin20?41001.6?????80% pxmax?xminp1000?0p控制器的输出变化量 p=1.6/80%=2(mA)

5-9 一台具有比例积分控制规律的DDZ—Ⅱ型控制器，其比例度?为200％，稳态时输出为5mA。在某瞬间，输入突然变化了0.5mA，经过30s后，输出由5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多少？

解 控制器的放大倍数

KP=1/?=1/200%=0.5

控制器的输入变化量为A=0.5mA；控制器的输出变化量为?p=6?5=1(mA)，经历时间t=30s。由

?p?KPA?得

KPAt TITI?KPAt0.5?0.5?30??10(s)

?p?KPA1?0.5?0.5 5-10 某台DDZ—Ⅲ型比例积分控制器，比例度?为100％，积分时间TI为2min。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将由5mA变化到多少？

解 控制器的放大倍数

KP=1/?=1/100%=1

控制器的积分时间TI=2min，稳态输出p0=5mA；控制器的输入变化量为A=0.2mA。经历时间t=5min。则输出变化量

?p?KPA?KP1At?1?0.2??0.2?5?0.7(mA) TI2所以，经历时间5min后，控制器的输出为

p=p0+?p=5+0.7=5.7(mA)

5-12 试写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。 解 PID控制器的控制规律的数学表达式为

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?1de?? p?KP?e?edt?TD???T1dt??其中，e—输入变化量；p—相应的输出变化量；KP—放大倍数；TI—称为积分时间；TD—

微分时间。

5-13 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。

解 比例控制规律的特点是反应快，控制及时；存在余差(有差控制) 积分控制规律的特点是控制动作缓慢，控制不及时；无余差(无差控制)

微分控制规律的特点是控制响应快，故有超前控制之称；但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制器。

5-26 请写出下面对应的ACMY-S80的STL指令

题5-26图 控制系统梯形图

解 （1）LD 00000 （2）LD 00000 OR 00003 LD 00002 LD NOT 00001 OR 00005 OR NOT 00004 LD 00003 AND LD OR NOT 00006 AND 00002 AND LD OUT -01000 OR LD

AND 00001 OUT 01000

第 6章 执行器

6-1 气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？

解 气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小产生相应的推力F和直线位移l，推动控制机构动作，所以它是将控制信号的大小转换为阀杆位移的装置；控制机构是执行器的控制部分，它直接与操纵介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。

6-4 试分别说明什么叫控制阀的流量特性和理想流量特性？ 常用的控制阀理想流量特性有哪些？

解 控制阀的流量特性是指操纵介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位

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题7-2图 反应器温度控制系统

解 该反应器温度控制系统方块图如下图所示。

题解7-2图 反应器温度控制系统方块图

其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度控制器TC。

根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。

7-13 试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。 （1）题7-13(a) 图为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则容易分解；

（2）题7-13(b) 图为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶。

题7-13图 温度控制系统

解 （1）根据工艺要求，题7-13(a) 图所示加热器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；加热剂流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。

（2）根据工艺要求，题7-13(b) 图所示冷却器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；冷剂流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“正”作用。

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7-14 题7-14图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。 （1）选择流入量Qi为操纵变量；

（2）选择流出量Qo为操纵变量。

题7-14图 液位控制 题7-15图 锅炉气包液位控制系统

解 （1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。

（2）当选择流入量Qo为操纵变量时，为满足贮 槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“反”作用。

7-15 题7-15图所示为一锅炉汽包液位控制系统的示意图，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的方块图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服扰动的？

解 该控制系统的方块图如下图所示。

题解7-15图 锅炉气包液位控制系统方块图

其中：被控对象是锅炉汽包；被控变量是锅炉汽包内液位；操纵变量是冷水流量；控制器是温度控制器LC。

控制阀应为气关型式；被控对象是“正”作用，控制器应为“正”作用。

当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，汽包内液位下降，控制器LC输出信号减小，气关阀开度增大（关小），冷水流量增大。克服汽包内液位降低。 7-16 题7-16图所示为精馏塔温度控制系统的示意图，它通过控制进入再沸器的蒸汽量实现被控变量的稳定。试画出该控制系统的方块图，确定控制阀的气开气、关型式和控制器的正、反作用，并简述由于外界扰动使精馏塔温度升高时该系统的控制过程（此处假定精馏塔的温度不能太高）。

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题7-16图 精馏塔温度控制系统

解 精馏塔温度控制系统的方块图如下图所示。

题解7-16 图精馏塔温度控制系统方块图

控制阀应为气开型式；被控对象是“正”作用，控制器应为“反”作用。

当外界扰动使精馏塔温度升高时，控制器TC输出减小，控制阀开度变小，蒸汽流量降低，精馏塔温度下降。

7-18 某控制系统采用DDZ-Ⅲ型控制器，用临界比例度法整定参数。已测得?k＝30％、Tk＝3min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。

解 PI作用时控制器的比例度?=66%，积分时间TI=2.55min。

PID作用时控制器的比例度?=51%，积分时间TI=1.5min，微分时间TD=0.375min。 7-19 某控制系统用4:1衰减曲线法整定控制器的参数。已测得?s＝50％、Ts＝5min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。

解 PI作用时控制器的比例度?=60%，积分时间TI=2.5min。

PID作用时控制器的比例度?=40%，积分时间TI=1.5min，微分时间TD=0.5 min。

第8章 复杂控制系统

8-1 什么叫串级控制？画出一般串级控制系统的典型方块图。

题解8-1图 串级控制系统的方块图

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解 在控制系统中，设置两个控制器分别接收来自被控对象不同部位的测量信号。其中一个控制器的输出作为另一个控制器的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，这两个控制器是串接工作的，因此，这样的系统称为串级控制系统。

一般串级控制系统的典型方块图如题解8-1图所示。 8-7 题8-7图所示为聚合釜温度控制系统。试问：

（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图；

（2）如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式；

（3）确定主、副控制器的正、反作用； （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程；

（5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？

（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。

题8-5图 聚合釜温度控制系统

解 （1）这是一个温度-流量串级控制系统，其方块图如下：

题解8-5图1 温度-流量串级控制系统的方块图

其中：主对象是聚合釜，主变量是聚合釜内的温度，主控制器是温度控制器TC；副对象是冷却水管道，副变量是冷却水流量，副控制器是流量控制器FC；操纵变量是冷却水流量。

（2）如果聚合釜的温度不允许过高，控制阀应为气关型式（“反”作用）。

（3）由于副变量就是操纵变量（冷却水流量）本身，所以副对象是“正”作用，因此副控制器FC为“正”作用。

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当主变量（聚合釜内的温度）增加时，要使主变量减小，要求控制阀关小；副变量（冷却水流量）增加时，要使副变量减小，要求控制阀关大。因此主控制器TC应为“正”作用。

（4）当冷却水压力变化（如压力增大）时，在控制阀开度不变时，其流量增大，聚合釜温度会降低。首先，流量增大，副控制器FC输出信号增大（“正”作用），使气关阀门开度减小，减小冷却水流量；其次，聚合釜温度降低，主控制器TC输出减小（“正”作用），FC给定值减小，FC输出增大，进一步关小控制阀，减小冷却水流量。这样可以有效地控制因冷却水压力增大，导致其流量增大所造成的聚合釜内温度降低的影响。

（5）如果冷却水温度经常波动，则应选择冷却水温度作为副变量，构成温度-温度串级控制系统。如题解8-5图2所示。

题解8-5图2 聚合釜温度-冷却水温度串级控制系统

（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，其原理图如题解8-5图3所示。方块图如前所示，但其中的副对象是聚合釜夹套，副变量是夹套内的水温，副控制器是温度控制器T2C。副控制器T2C为“反”作用，主控制器T1C也为“反”作用。

题解8-5图3 聚合釜温度-夹套水温度串级控制系统 题8-9图 串级均匀控制系统

8-9 题8-9图是串级均匀控制系统示意图，试画出该系统的方块图，并分析这个方案与普通串级控制系统的异同点。如果控制阀选择为气开式，试确定LC和FC控制器的正、反作用。

解 控制系统的方块图（略）。该控制系统的主对象是贮液罐，主变量是贮液罐内的液位，主控制器是液位控制器LC；副对象是排液管管道，副变量是排出液流量，副控制器是流量控制器FC；操纵变量是排出液流量。

该串级控制系统的副变量就是其操纵变量本身。

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当控制阀选择为气开式时，LC应为“正”作用，FC应为“反”作用。 8-12 试简述题8-12图所示单闭环比值控制系统，在Q1和Q2分别有波动时控制系统的控制过程。

题8-12图 单闭环比值控制系统

解 当主流量Q1变化时，经变送器送至主控制器F1C（或其他计算装置）。FlC按预先设置好的比值使输出成比例地变化，也就是成比例地改变副流量控制器F2C的给定值，此时副流量闭环系统为一个随动控制系统，从而Q2跟随Q1变化，使得在新的工况下，流量比值K保持不变。当主流量没有变化而副流量由于自身干扰发生变化时，此副流量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过控制克服干扰，使工艺要求的流量比值仍保持不变。

8-16 在题8-16图所示的控制系统中，被控变量为精馏塔塔底温度，控制手段是改变进入塔底再沸器的热剂流量，该系统采用2℃的气态丙烯作为热剂，在再沸器内释热后呈液态进入冷凝液贮罐。试分析：

（1）该系统是一个什么类型的控制系统？试画出其方块图；

（2）若贮罐中的液位不能过低，试确定调节阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用型式；

（3）简述系统的控制过程。

题8-16图 精馏塔控制系统

解 该控制系统是温度-流量串级控制与液位简单控制构成的选择性控制系统（串级选择性控制系统）。系统方块图如下图所示。

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题解8-16图 串级选择性控制系统方块图

根据工艺要求，贮罐中的液位不能过低，则调节阀应为气开式。

液位控制器LC应为“正”作用；温度控制器为“反”作用；流量控制器为“反”作用。

正常工况下，为一温度-流量串级控制系统，气态丙烯流量（压力）的波动通过副回路及时得到克服。如塔釜温度升高，则TC输出减少，FC的输出减少，控制阀关小，减少丙烯流量，使温度下降，起到负反馈的作用。

异常工况下，贮罐液位过低，LC输出降低，被LS选中，这时实际上是一个液位的单回路控制系统。串级控制系统的FC被切断，处于开环状态。

8-32 题8-32为一管式加热炉，工艺要求用瓦斯与燃料油加热，使原油出口温度保持恒定。为了节省燃料油，要求尽量采用瓦斯气供热，只有当瓦斯气不足以提供所需热量时，才以燃料油作为补充。请设计出分程控制系统。

题8-32图 原油管式加热炉 题解8-32图 原油管式加热炉分程控制系统

解 设计题解8-32图所示的原油管式加热炉分程控制系统。在该分程控制方案中采用了瓦斯、燃料油两台控制阀(假定根据工艺要求均选择为气开阀)。其中瓦斯阀在控制器输出压力为20～60kPa时，从全关到全开，燃料油阀在控制器输出压力为60~100kPa时由全关到全开。这样在正常情况下，即瓦斯气充足时，燃料油阀处于关闭状态，只通过瓦斯阀开度的变化来进行控制。当瓦斯气不足时，瓦斯阀已全开仍达不到原油出口温度的给定值，于是反作用式的压力控制器TC输出增加，超过了60kPa，使燃料油阀也逐渐打开，以弥补瓦斯气供应量的不足。

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第9章 典型设备控制方案

9-2 为了控制往复泵的出口流量，采用题9-2图所示的方案行吗？为什么？

题9-2图 往复泵的流量控制

解 这种控制方案不行。

往复泵的出口管道上不允许安装控制阀，因为往复泵活塞每往返一次，总有一定体积的流体排出。当在出口管线上节流时，压头H会大幅度增加。在一定的转速下，随着流量的减少压头急剧增加。因此，企图用改变出口管道阻力来改变出口流量，既达不到控制流量的目的，又极易导致泵体损坏。

9-3 试述题9-3图所示的离心式压缩机两种方案的特点，它们在控制目的上有什么不同？

题9-3图 离心式压缩机的控制方案

解 第一种控制方案是控制旁路回流量的大小，其目的是控制出口流量恒定；第二种控制方案控制旁路流量控制进口流量的，其目的是控制入口流量恒定（足够的吸入流量）以防“喘振”。

9-6某换热器，其载热体是工艺中的主要介质，其流量不允许控制。为了使被加热的物料出口温度恒定，采用了载热体旁路的控制方案如图1l—30(a)、(b)所示。试问该两种方案是否合理？为什么？

题9-6图 换热器控制方案

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解 不合理。因为在图11—30(a)中，控制阀与旁路并联，在图(b)中控制阀与换热器并联。这种并联的连接方式使阀的特性变坏，可调范围降低。且因换热器内流路简单，旁路更是如此，因此阻力小，压差小，必须选择大口径的控制阀，使投资增加。

9-7 题9-7图中 (a)、(b)表示蒸汽加热器，(c)、(d)表示氨冷器，都是属于一侧有相变的换热器。试从传热速率方程式来分析，上述各方案是通过什么方法来改变传热量，从而维持物料出口温度恒定的？

题9-7图 出口物料温度控制

解 题9-7图中(a)、(d)是通过改变冷热两流体的传热温差，来达到控制物料出口温度的目的。

题9-7图中(b)、(c)是通过改变传热面积的方法，来达到控制物料出口温度的目的。

9-8 题9-8图所示蒸汽加热器，工艺要求出口物料温度稳定在(90?1)℃。已知主要干

扰为进口物料流量的波动。

(1) 确定被控变量，并选择相应的测量元件；

(2) 制定合理的控制方案，以获得较好的控制质量；

(3) 若物料温度不允许过低，否则易结晶，试确定控制阀的气开、气关型式；

(4) 画出控制系统的原理图与方块图； (5) 确定温度控制器的正、反作用。

题9-8图 蒸汽加热器

解 (1) 被控变量是出口物料的温度。测量元件应为热电阻体，可选Ptl00、Cu50或Cul00；也可选K型或E型热电偶测温元件。

(2) 应设计前馈-反馈控制系统。 (3) 控制阀应为气关型。

(4) 控制系统原理图如题解9-8图1所示，

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题解9-8图1 前馈-反馈控制系统原理图

控制系统方块图如题解9-8图2所示。

题解9-6图2 前馈-反馈控制系统方块图

图中TC为反馈控制器，FC为前馈控制器(或前馈补偿装置)。 (5) TC应为正作用。

9-9 题9-9图所示的列管式换热器，工艺要求出口物料温度稳定，无余差，超调量小。已知主要干扰为载热体（蒸汽）压力不稳定。试确定控制方案，画出该自动控制系统原理图与方块图；若工艺要求换热器内不允许温度过高，试确定控制阀的气开、气关型式，并确定所选控制器的控制规律及正、反作用。

如果主要干扰是入口介质流量不稳定，又如何设计控制方案？

题9-9图 列管式换热器

解 根据工艺要求，可以设计如下图所示的前馈-反馈控制系统，

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题解9-9图1 列管式换热器的前馈-反馈控制系统

其方块图如下图所示，

题解9-9图2 列管式换热器的前馈-反馈控制系统方块图

其中，被控对象是列管式换热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量；主要干扰是蒸汽压力不稳定；前馈控制器是压力控制器PC；反馈控制器是温度控制器TC。

由于工艺要求换热器内温度不宜过高，则控制阀应确定为气开型，控制器TC应为“反”作用，PC应为“反”作用；

（如果工艺要求换热器内温度不宜过底，则控制阀应确定为气关型，控制器TC应为“正”作用，PC应为“正”作用。）

温度控制器TC一般为比例积分控制规律；压力控制器PC一般为比例控制规律。 还可以设计温度-压力串级控制系统。

如果主要干扰是入口介质流量不稳定，可以设计如下图所示的温度与流量的前馈-反馈控制系统

题解9-9图3 列管式换热器的温度与流量的前馈-反馈控制系统

也可以设计成温度-流量串级控制系统。

9-20某原油加热炉系统如题9-20图所示，工艺要求原油出口温度稳定，无余差，已知燃料入口的压力波动频繁，是该控制系统的主要干扰。试根据上述要求设计一个温度控制系统，画出控制系统原理图和方块图，确定调节阀的作用形式，并选择合适的控制规律

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和控制器的正、反作用。（加热器内不允许温度过高）

如果原油的流量波动频繁，如何设计使原油出口温度稳定的控制系统？

题9-20图 原加热炉的温度控制

解 根据工艺要求，可以设计如下图所示的温度-压力串级控制系统，

题解9-20图1 加热炉温度-压力串级控制系统

控制系统的方块图如下图所示，

题解9-20图2 加热炉温度-流量串级控制系统方块图

其中，主对象是加热炉，主变量是出料温度，主控制器是温度控制器TC；副对象是加热燃料管道，副变量燃料压力，副控制器是压力控制器PC。

工艺要求加热器内不允许温度过高，则控制阀应确定为气开型，主控制器TC应为“反”作用，副控制器PC应为“反”作用。主控制器TC一般为比例积分控制规律，副控制器PC一般为比例控制规律。

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