过程装备控制技术习题及参考答案（第二版已经整理）

第一章 控制系统的基本概念

1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？

答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有：

被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；

给定值（或设定值）ys——对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值ym——由检测原件得到的被控变量的实际值；

操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；

干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；

偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=ym - ys 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？

答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？

答：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？

答：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变

量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。定值控制系统要求给定值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反馈系统。

6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。

①试画出该控制系统的方框图；

②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？

③系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大 ）时，该系统如何实现自动控制的？

蒸汽 TC TT 冷物料 热物料 答：如图所示为该控制系统的方框图。

干扰Ts 温度控制执行器 换热器 T 温度测量变送装置

该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值ys，干扰作用f，输出为热物料出口温度T， 当冷物料流量增大 ，则出口温度y减小，TT检测后所得ym减小，偏差信号e=ym-ys<0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。

7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值， （1）试画出该系统的方框图；

（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？

qv1 LT LC qv2 （1）如图所示为该控制系统的方框图；

hs 液位控制器 执行器 f h 贮槽 液位测量变送装置 - （2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：进水流量，大气温度等。

8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？

答：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的，系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态，即系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过度过程。在阶跃干扰作用下，其过度过程曲线有：

①发散振荡过程 ② 等幅振荡过程 ③衰减振荡过程 ④非振荡的单调过程。 其中衰减振荡和非振荡的单调过程属于稳定的过渡过程，能满足自动控制的要求，其它的不能。

9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,n→∞ 时的过度过程曲线？ 答：如图所示：

n<1，发散振荡 n=1，等幅振荡 n〉1，衰减振荡 n→∞，单调过程 10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？ 答：表示衰减振荡过程的控制指标有：

①最大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。

②衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。 ③回复时间（过渡时间）ts——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。

④差e(∞ )——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。

⑤振荡周期T——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。

第二章 过程装备控制基础

1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？

答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ 。 K——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

T——时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或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。时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此是对象的动态参数。 τ——滞后时间 是纯滞后τ0时间 和容量滞后τc 的总和。 输入变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间τ 也是反映对象动态特性的重要参数。

2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？

答：放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数，所以K是被控对象的静态特性参数。时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，所以是动态特性参数。滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。 3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？

答：对一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。

4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？

答：对于不同的通道，对象的特性参数（K，T ，τ ）对控制作用的影响是不同的。对于控制通道：

放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。

在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间 τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间 τ。 对于扰动通道：

放大系数K大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数k小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。 5.试从图2-58某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间。 解：如图所示： k=

H H(?) H(?)?H(0)H(?)?H(0)=

x(?)?x(0)?qv1qv1

Δqv1 t0 T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间， T=t1?t0，?0?0

?c 如图所示，不存在容量滞后， ??c?0

t0 T

t1 6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？ 答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。

常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID。

7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？

答：①位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。最常见的是双位控制。，它们输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。 位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。

②积分控制（P）是指调节器的输出信号变化量 与输入信号变化量e(t)成比例关系： ， --比例放大系数，比例控制的伏点是反应快，控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在，即比例控制不能消除余差，因此只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制。

③积分控制（I）：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比，即： 式中 --积分速度， --积分时间。积分规律的特点是控制缓

慢，但能消除余差。由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。

④微分控制（D）--指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。即。 --微分时间。

微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性；由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。故也不单独使用。 8．什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。

答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之差。

比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调节器有输出，就必须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能消除余差。积分控制其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调节器的输出就不断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有存在偏差身先等于的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。 9．为什么积分控制规律一般不单独使用？

答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律。

10．比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控制质量的影响。

答：①比例——比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

②积分控制——积分时间TI表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间TI的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。

③微分控制——微分时间TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间TD越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

11．试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特征曲线。

e(t) e(t) A A e(t) Δu(t) t KpA KpA KpA t KpA A t KpA t TI t t 12．比例积分微分调节器有什么特点？

答：比例积分微分调节器的特点是：①在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具有良好的调节性能。②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间TI和微分时间TD面改变。

13．在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一个参数时,对调节器的控制作用有什么影响?

答:在PID调节器中,比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较高的控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当 时，PID调节器成为积分微分调节器，当TI积分时间 时，PID调节器成为比例微分控制器，当TD 时，PID调节器成为PI即比例积分控制。

14．调节器参数整定的目的是什么？工程上常用的整定方法有哪些？

答：当一个控制系统设计安装完成后，系统各个环节及其被控对象各通道的特征不能改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度 、积分时间TI、微分时间TD。通过改变这三个参数的大小，就可以改变整个系统的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。调节器参数整定的目的就是按照己定的控制系统求取控制系质量最好的调节器参数，工程上常用的整定方法有：

① 经验试凑法——根据被控变量的性质在己知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的值做为调节器的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡曲线的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。

② 临界比例度法——首先求取比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度 和振荡周期TK，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数

③ 衰减曲线法——以在纯比例下获得4：1衰减振荡曲线为参数整定和依据，方法同临界比例度法，获得4：1衰减曲线的TS、 ，然后求解相应的值。

15．调节器控制规律选择的依据是什么？ 答：关于控制规律选取可归纳为以下几点：

① 简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控变量，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选取用复杂的控制系统。

② 在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对控制通道时间常数较少，负荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例规律，如贮罐液位，不太重要的压力等参数控制。 ③ 当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用比例积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。

④ 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用，如工艺充许消除余差，可选用比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用PID调节规律，如温度，成分，PH等参数控制。

⑤ 如果被控对象传递参数可用近似，则可根据对象的可控比t/T选

择哪个调节器的调节规律。当t/T 时，选用P或PI；当 时，选PD或PID；当 时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，这时应选用复杂控制系统。

16．设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？

答：设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特征外，对于工艺过程，设备等也需要比较深入的了解；

在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行行

器，调节器以及调节器控制规律待，最后将调节器的参数整定到最佳值。

17．什么是串级控制系统？它有什么特点？什么情况下采用串级控制？

答：串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。

它的特点有：①能迅速克服进入副回路的干扰。②能改善被控对象的特征，提高了系统克服干扰的能力。③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。串级控制系统主要就用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。

18．串级控制系统中心副回路和主回路各起什么作用？为什么？ 答：在系统结构上，串级控制系统是由两个串联工作的控制器构成的双闭环控制系统。一个闭环系统在里面，称为副环或副回路，在控制系统中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，称为主环或主回路，用来完成“细调”的任务，以保证被控变量满足工艺要求。由于串级控制系统由两套检测变送器、两个调节阀、两个被控对象和一个调节阀组成，其中两个调节阀器串联起来工作，前一个调节器的输出作为后一个调节器的给定值，后一个调节器的输出才送给调节阀。因此一个是粗调，一个是细调。

19．图2-59是聚合釜温度与流量的串级控制系统。

①说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？

②试述该系统是如何客观实现其控制作用？

解：①该系统的主对象：聚合釜 副对象：冷却水进口管路 主变量：聚合釜温度 副变量：冷却水流量 主调节器：温度调节器 副调节器：流量调节器 ②该控制系统的方框图： 给定

检测变送2（流量） 检测变送1（温度） 温度调节器 流量调节器 f2 调节器f1 冷却水 进口管路 聚合釜 T

如图所示：冷却水流量若减小，首先由流量检测变送，经流量调节阀调整冷却水阀门开度，开度增加；同时由于流量减少使聚合釜由温度T升高。从而使温度稳定在工橄要求范围内。 20．什么是前馈控制系统？应用在什么场合？

答：前馈控制又称扰动补偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制主要用于下列场合： ①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；②主要干扰是可测不可控的变量；③对象的控制通道滞后大，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。

21.什么是比值控制系统？它有哪几种类型？

答：实现两个或两个以上的参数符号一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统，它主要有定比值控制系统和变比值控制系统。其中定比值系统有三类：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。

22.选择性控制系统的特点是什么？应用在什么场合？

答：选择性控制系统的特点是使用选择器，可以在两个或多个调节器的输出端，或在几个变送器输出端对信号进行选择，以适应不同的工况，主要应用在对不稳定工况的控制，可以保证生产工艺过程的安全操作，尽量减少开，停车中的不稳定工况。 23.均匀控制的目的和特点是什么？

答：均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样，不是为了使被控变量保持不变可，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。

第三章 过程检测技术

1.写出测量方程式，以及测量三要素，并举例说明。

答：测量方程式： 为被测量，x为测量值，u为测量单位。测量过程三要素为：测量单位，测量方法，测量仪器与设备。举例：如液柱式温度计测量温度。

2.简述直接测量法与间接测量法的定义，指出它们的异同及使用场合？

答：直接测量法—指被测量与单位能直接比较得出比值，或者仪表能直接显示出被测参数值的测量方法；间接测量法—通过测量与被测量有一定函数关系的其他物理量，然后根据函数关系计算出被测量的数值，称为间接测量法。相同之处在于都是对工业生产中一些物理量的测量，都包含测量三要素。不同之处在于直接测量测量过程简单方便，应用广泛；间接测量过程较复杂，只有在误差较大或缺乏直接测量仪表时才采用。

3.测量仪表的主要性能指标有哪些？传感器的主要特性有哪些？ 答：测量仪表的主要性能指标有技术，经济及使用三方面的指标，其中技术方面的有：误差，精度等级，灵敏度，变差，量程，响应时间，漂移等；经济方面的有：使用寿命，功耗，价格等；使用方面的有：操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防

护能的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。

传感器的主要特性有：准确性，稳定性，灵敏性。

4.举例说明系统误差，随机误差和粗大误差的含义及减小误差的方法。

答：系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确，测试人员的分辨能力或固有的读数习惯，测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因产生的测量值与真值的偏差。系统误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。如仪表零位未调整好会引起恒值系统误差。随即误差是由于测量过程中大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响而产生的测量值与真值的偏差，其绝对值和符号以不可预料的方式变化。如气温的变化。粗大误差—是由于测量操作者的粗心，不正确地操作，实验条件的突变或实验状况未达到预想的要求而匆忙实验等原因造成的明显地歪曲测量结果的误差。减小误差的方法：①系统误差：应尽量减少或消除系统误差的来源。首先检查仪表本身的性能是否符号要求；其次仔细检查仪器是否处于正常工作条件，如环境条件及安装位置等是否符合技术要求，零位是否正确；此外还应检查测量系统和测量方法本身是否正确。②随即误差：由于摩擦，间隙，噪声等都会产生随机误差，因此首先从结构，原理上尽量避免采用存在摩擦的可动部分；采用减小噪声的装置，并采用抗干扰能力强的测量仪器。③对于粗大误差应端正科学研究态度，并认真分析数据，剔除坏值。

5.试述绝对误差，相对误差及引用误差的定义，举例说明各自的用途。

答：绝对误差—仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差，即

?x?x?A ，可表示仪表基本误差限： ???a。

?相对误差—测量的绝对误差与被测变量的约定真值（实际值）之比，即用????100%??6%，可表示仪表的基本误差限与绝对误差

x

相比较，相对误差更能说明测量结果的精确程度，如温度升测量显示值为57℃，时间温度为60℃ ，则： ?=57-60=-3,???3?100%??5.0%， 60若实际为30℃，测量显示值为27℃ ，则 ：

?=-3℃，???3?100%??10.0%，显然此时的相对误差比前者大。 30

引用误差—绝对误差与仪表的量程之比，用引用误差表示的仪表基本误差限为：q???100%??d%，

如温度计的量程为100℃，则其引用误差q??3?100%??3%， 100?s根据允许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。 6.检定一只量程为5A的电流表，结果如下： 输入量/A 1 示量/A 1.10 2 1.98 3 3.01 4 4.08 5 5.02 （1） 试求仪表各示值的绝对误差，实际相对误差，示值相对误差和引用误差。

（2） 确定仪表的精度等级。

解： 1-1.10 2-1.98 3-3.01 4.-4.08 5-5.02 绝对误差：?x?x?A0 ；相对误差：??示值相对误差：?'??x， A0

?x?x，引用误差：q? x S所以数值计算列表如下：

A0 1 1.10 0.1 2 1.98 -0.02 3 3.01 0.01 4 4.08 0.08 5 5.02 0.02 X ?x?x?A0 ???'?q??x A0?x x?x S0.1 0.091 0.02 -0.01 -0.0101 0.004 0.0033 0.0033 0.002 0.02 0.0196 0.04 0.004 0.004 0.004 仪表的精度等级 qmax?2% ，故该仪表的精度等级为2。 7.对某物理量经过20次测量，得到如下数据：

324.08 324.03 324.02 324.11 324.14 324.07 324.11 324.14 324.19 324.23 324.18 324.03 324.01 324.12 324.08 324.16 324.12 324.06 324.21 324.14 分别用3 ?准则和肖维耐准则判断有无粗差，并求该测量的计算平均值 x，标准差 ?和极限误差? ，写出测量结果表达式。

1n120解：n=20，平均值x =?xi??xi?324.11，

ni?120i?1

剩余误差：Vi?xi?x ，即： -0.03 -0.08 -0.09 0 0.03 -0.04 0 0.03 0.08 0.12 0.03 0.07 -0.08 -0.1 0.01 -0.03 0.05 0.01 -0.05 0.1 1n2标准差? =?Vi?0.064，标限误差?max?0.12 n?1i?1 （1）3?准则：3?=0.192，Vmax?0.12?3? 因此该组数中无坏值。 （2）肖维耐准则：依表3-1可知n=20时，k??k??0.14336，Vmax?0.12?k??0=2.24 ?，故该组数中无坏值。

极限误差?max?0.12，测量结果：x0?x?324.11

8.用一温度计测量某介质温度，40%的读数误差小于0.5 ，用线性插值法估计该温度升的标准差，并计算误差小于0.75 的概率。

2解：（1）?(z)?p{|?x|?z?}=2??z0e?z22dz?2?e??z?z22dz?1，

z?0.52z?0.53 由此推得0.7时，z?0.5205

0.6985 0.7019 由已知条件知?(z)?0.4， 查概率积分表得：

????e?z22dz?0.7 时z=0.5205，

?z??0.5?0.5205??，得：??0.96?1

（2）z??0.75，得：z?0.781 查表得：z?0.78时，

??(z)=2?0.7823?1=0.5646

即误差小于0.75，概率为0.5646

9.现有精度等级为1.5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量范围分别为0100℃，?50550℃和?100500℃ ，现需测量500 ℃左右的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%，选用哪块表合适？ 解：根据测量范围，选择B，C两块表，A表排除。 B表：q=2%=0.02=

?max S ??max?0.02?[550?(?50)]?12℃ ??max?12?0.024?2.4%?2.5% 500 故B表合适。 C表：q=2.5%=0.025=

?max S ??max?0.025?[500?(?100)]?15℃

??max?15?0.03?3%?2.5% 500 故C表不合适。

综上所述选用B表即2.0级，量程 的仪表。

10.检定一台测量范围为 的位移测量仪表，结果如下：

（1）试画出上下行程的输入输出特性曲线； （2）求该仪表的线性度（以上行曲线为例）； (3) 确定该表的回差（迟滞误差） 解：已知数据：

位移/mm 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

上行程示值/mm： 0 0.34 0.69 1.06 1.41 1.77 2.04 2.45 2.81 3.20 3.67 4.07 4.37

下行程示值/mm： 0 0.40 0.77 1.14 1.52 1.90 2.27 2.65 3.02 3.38 3.72 4.06 4.37

54.543.532.521.510.500123456

（1）如图所示，上下行程曲线 （2）LH?（3）?h?

11．概述膨胀式温度计的工作原理与主要特点：

答：膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩的性质来测温的。

?Lmax2.04?0.7199?3???0.01995?100%??2% Ymax6?Hmax2.27?2.04??3.8% Ymax6主要特点：玻璃液体：结构简单，使用方便，测量精度高，价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传。双金属；结构紧凑，牢固，可靠；测量精度较低，量程和使用范围有限。

12热点偶有那些特点？用普通导线和补偿导线作热电偶的延长线，效果有何不同？试证明补偿导线的补偿作用。

答：热电偶的特点有：测量精度教高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换成电信号，便于信号 远传和象现多点切换测；测量范围广，可达－200～2000℃，形式多样，适用于各种测量条件。选用补偿导线要求其在一定温度范围内与所连接的热电偶具有相同的热电

特性，型号相配，极性连接正确。补偿导线的作用证明： 如图所示：回路中电势为： E＝Eab（t，t1）＋Ecd（t1，t0）

由补偿导线的性质得：Ecd（t1,t0）=Eab(t1,t0) ∴E＝Eab（t，t1）＋Eab（t1，t0）＝Eab（t，t0）

补：用普通导线做热电偶得延长线要求引入两端得温度相同热电势不同，故一般接热电偶的冷端，因此冷端温度依然是现场温度。而用补偿导线却可以将冷端温度现场温度分开，利于测量。

13用两只分度号为K的热电偶测量A区与B区的温差，连接方法如图3－79所示。若

（1） tA?220C0 ， tB?20C0

（2）tA?200C0， tB?500C0

试分别求两种情况下的示值误差,并解释为何与实际温差不同. 解:查热电偶分度号表:

K型热电偶:20℃ 200℃ 220℃ 500 E: 0.798mv 8.137mv 8.937mv 20.640mv (1) ΔE=8.938-0.798=8.140mv

反查K热电偶分度号表: 201℃-----8.177mv 内析求得: Δt=200.075℃ (2) ΔE=20.640-8.137=12.503℃

反查K分度号表:307----12.498℃; 308----12.539℃ 内析求得: Δt=307.12℃

分析原因:低温度下热电势与温度线性关系较好,高温时误差较大。

14.用分度号为S的热电偶与动圈仪表构成的测温系统,冷端补偿器的平衡点温度在20℃ .图3-80中,t=1300℃,

t1=80℃ ,t2=25℃,t0=30℃；动圈仪表的机械零位为0℃,试求： (1)仪表的示值温度是多少;

(2)如何处理可使示值与实际温度相符; (3)把补偿导线改为铜线时,示值变为多少?

解:如图所示:

(1)查S型热电偶的分度号表: t/℃ 1300 30 25 E/mv 13.155 0.173 0.142 由E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)

即 E(1300,30)＝E(1300,0)-E(30,0)

=13.155-0.173=12.982mv

查表,12.982mv时对应的温度为t=1286℃, 即仪表显示的温度为1286 ℃ 。

（2）由于补偿电桥是在20℃时平衡的，因此须将仪表的机械零位

t0?t1?80C0预先调到20 处，即可使示值与实际温度相符。

（3）若将补偿导线改为铜线，则 ,

则E(1300,80)=E(1300,0)-E(80,0)=13.155-0.502=12.653mv 查表12.653mv时对应的温度为t=1258.5℃, 即示值变为1258.5℃。

15.用分度号为Cu50的热电阻测得某介质的温度为84℃ ，但经检定，该电阻R0=50.4Ω,电阻温度系数α=4.28×10-3/℃.试求介质的实际温度。

解：∵在-50℃～150℃ 的范围内，铜电阻与温度是线性关系：

Rt?Rt0??1???t?to???

查得他t＝84℃时R＝67.97Ω 即：

16.用U型管压力计（封液为水银）测温度管道中水的压力。压力计在管道下面1.5M（至肘管端口）处，压力计同大气一侧肘管内水银

面距口80mm，两管水银面高度h=140mm，求水的表压力（Pa)

解：如图所示：1－1截面压力相等，即：

P水??水g(h1?h2?h3)= Pa??水银gh3

?367.97?50.4??1?4.28?10?t?0????

t?81.5C0

∴表压

P表?P水?Pa??水银gh3??水g?h1?h2?h3??13.6?103?9.8?0.14?1?103?9.8??1.5?0.08?0.14? ?1803.2Pa

17．四个应变片R1，R2（在上面），R3,R4（在下面）如图3－81所示贴于梯形片簧，片簧以悬臂形式固定。

（1）画出应变片接成直流气桥形式的电路图； （2）当片簧受力P的作用时，贴片处产生350με的应变，供桥电压10V，R1?R2?R3?R4?，应变片灵敏系数为2，求电桥输出。 R参考：化工测量及仪表 范玉文主编P31 图3－81

输出电压：

u0?R1R2?R1?R2?R4?R3(???)u 2(R1?R2)R1R2R4R3R1?R2?R3?R4?R

R2?R1??R2??R4??R3u0?()u

4R2R?u?R1??R2??R4??R3() 4R

18.液体式压力计有哪些主要类型？试分析其误差

答：液柱式压力计主要有：U型管压力计，单管压力计和微压力计。

以U型管压力计：误差产生主要有以下几方面：a 读数误差，消除视察。b温度变化产生液体ρ变化，产生测量误差，故须修正。 c 安装误差：当U型管安装不直时会产生安装误差。 d 毛细现象，修正

19．试述弹簧管压力计弹簧管结构特点与测压原理。

答：弹簧管压力计由弹簧管压力感应元件和放大指示机构两部分组成，前者是弯成圆弧状的空心管子，一端固定（作为压力输入端）；另一端自由，作为位移输出端，接放大指示机构。其它是由拉杆，齿轮及指针组成。

测压原理：在弹性范围内，弹簧管自由端的位移与被测压力之间近似线性关系，即通过测量自由端的位移，可直接测得相应的被测压力大小。

20．已知被测压力在范围0.7~1MPa内波动，要求测量的绝对误差不得超过0.02MPa，试选定弹簧管压力的量程和精度等级。可供选用的压力计量程系列为：0～0.6MPa; 0~2.5MPa. 1

3s?Mmin2s31s?0.732s?13s?2.1MPas?1.5MPaMmax?故选用0～1.6MPa 精度等级： ?max?0.02?100%?1.251.6故选用精度等级为1级的量程为0~1.6MPa的仪表。

21．转子流量计显示流量的形式有几种，是如何分度的。

答：转子流量计显示流量的形式有3种，一种是玻璃转子流量计，其锥型管是电玻璃制成，并在管壁标有流量刻度，直接根据转子的高度进行读数；另一类为电运转转子流量计，即将转子的位移信号转变为电信号；另一种为气动运转式转子流量，将转子的位移信号变为压力信号，进行远距离传送。

22．标准节流装置有哪几部分组成，对各部分有哪些要求？ 答：标准节流装置有：节流元件，取压装置和前、后管道三部分组成。标准节流装置的设计、加工、安装和使用都有规定的技术要求，规定和数据，可参见GB/T 2624

23．试比较节流装置与转子流量计在工作原理与使用特点上的异同点。 答： 工作原理 使用特点 使用已标准化、系列化，使用范围：管径为50～1000mm，测量范围1.5~100000m3/h，但使用产生的压力损失大，精度±1～2% 转子基于力平衡原理，利用锥形管内的转流量子把流体的流速转换成转子的位移，计 进而获得被测流量的大小。 使用已系列化，测量时若介质变化，应修正，可测小流量，结节流利用节流元件前后的差压与流速之间装置 的关系，获得被测流量的大小 相同点：都是测流速然后得流量。 构简单，维修方便，压力损失小。缺点：机械传逆信号，仪表性能和准确度难以提高，转子易卡死，测量管径范围4~150mm,测量范围：0.001~3000m3/h, 精度±1~2.5% 24．从涡轮流量计得基本原理分析其结构特点，输出信号方法和使用要求。

答：涡轮流量计得基本原理：流体对置于管内涡轮得作用力，使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管内流体得流速成正比。其结构主要由：涡轮、导流器、磁电转换装置，外壳以及信号放大电路等部分组成。

输出信号方法：将叶轮转动时得转速转换成脉动电信号输出，经进一步放大整形后获得分拨信号，对其进行脉冲计数和单位换算可得到积累流量；通过频率——电流转换单元可得到瞬时流量。使用要求：①仅适用洁净得被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置；②流量计前后需由一定的直管段长度，③流量计的转换系数?一般在常温下用水标定的，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿。

25．已知：流体为过热蒸汽，工作压力P＝14MPa，工作温度t＝550℃；管道D20＝221mm, 材料X20CrMoV21无缝管，节流装置为角接标准喷嘴，材料为1Cr18Ni9Ti，d20＝148.74mm；差压0p=100.42 KPa，求：

（1）在假定0p下的蒸汽流量； （2）计算测量时的压力损失。

解：计算参考《过程控制检测技术与仪表》 杜维主编?p81。 查附数据表可得管道材质和孔板材质的热膨胀系数为：

?d?18.20?10?6/C0 ?D?12.30?10?6/C0

则工作状态下管道内径为

D?D20??1??0?t1?20????6?221?1?12.30?10??550?20????

?222.4mm电表2－5查得管道内壁粗糙度k＝0.7 则:

d?d20??1??d?t1?20????6?148.74?1?18.2?10?550?20????

K0.7??0.03125 D22.4?150.17mm??d150.77??0.675 0.44???0.8 2?104?Re?107 D222.461.15?10?C?0.9900?0.2262?4??0.00175?2?0.0033?4.5????R?e??0.9447

在工作压力下P?14MPa?1.4?107Pa,t1?550C0 过热蒸汽?1?1.5kg/m3 ?1?0.5Pa.s

???1??K?1?4K??1????K????2?等熵指数?x?1?1??? 4x???1????????2x12?P100.42?103其中??1??1??0.993 7P1.4?101因为??0.99

A0??4d2??4?150.172?1770.56mm2

qm?CqA01??42?1?P?

?p?1??4?C?21??4?C?2?P?

26.已知：流体为水，工作压力p＝14.71MPa，工作温度t＝215℃；管道D20＝233mm，材料20号无缝钢管；截流装置为法兰标准孔板，材料为1Cr18Ni9Ti。d20＝117.34mm，差压Δp＝156.91KPa. 求：（1）在给定的Δp下的流量qm

（2）测量时的压力损失。

解：?D?12.78?10?6/C0 ?d?17.20?10?6/C0

?6?D?D20?1??t?20?2331?12.78?10??215?20?????D1????

?233.6mm?6?d?d20?1??t?20?117.341?17.20?10??215?20?????d1?????117.7mm??d117.7??0.504 D233.60.762.182.5?10?C?0.5959?0.0312??0.1840??0.0029???R?e???12.28640.85603??1??4???DD液体 ?=1, A0=d2?10874.83mm

4?qm=C?A01??429?P ?1?846.8kg/m3qm=

?p=1-?4?C?21-??C?42.?P

27．当工作压力偏离额定压力时，如何由差压显示的水位值求出真实的水位。

答：当工作压力偏离额定压力时，可通过差压计的正、负迁移，求出迁移量，即利用正负迁移改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，即可求出真实的水位。

28．差压式液位计如何测量液位? 当差压变送器高于或低于最低液位时，应如何处理？

答：差压式液位计是采用压差计测量气、液两相的压差，压差大小通过气动或电动差压变送器传送，并转化位电信号，最终显示处液位的大小及其变化。当差压变送器高于或低于最低液位时，可对差压变送器进行零点迁移，由正迁移和负迁移（低于最低液位时，采用正迁移，高于最低液位时，采用负迁移。）

第四章 过程控制装置

1．单杠杆式气动差压变送器式由哪些部分组成的？各部分由何作用？试说明其工作原理。

答：单杠杆式气动差压变送器电气动转换部分和测量部分组成，测量部分的作用是将被测量的压力信号转换成力的形式；气动转换部

12did分的作用，是将被测差压Δipi转换成为作用于主杠杆下端的输入力

F??P?P?A??PAFi。其工作原理为：①正负压容的输入压力经敏感元件转换成输入

Mf?Mi力Fi。即 。②Fi作用于主杠杆的下端，对支点产生一个顺时针方向的输入力矩Mi，使主杠杆发生顺时针方向的偏转。③变送器输出信号P0，引入反馈波纹管中，并产生反馈力矩Ff作用于主杠杆上，使主杠杆对支点产生一个逆时针方向的力矩Mf。④当 时，主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离不再改变，若Mf≠Mi时，则杠杆系统产生偏角α，位移检测片产生微小位移s，其变化量再通过放大器10转换并方大为20～100

KPa的输出压力，即变送器的输出信号与被测差压Δpi成正比。

2．什么时气阻？什么是气容？它们在气路中各起什么作用？ 答：在气路中安装的节流元件称为气阻，作用是阻碍气体的流动，起着降压（产生压力降）和限流（调节气体流量）的作用。气容是在气路中能储存或释放处气体的气容，在气路中起着缓冲，防止振荡的作用。

3．喷嘴挡板机构由哪些气动元件组成？它们的作用是什么？ 答：喷嘴-挡板机构是由喷嘴和挡板构成的变气阻，一个恒气阻和一个气容串联而成的节流通室，作用是将输入的微小位移信号（即挡板相对于喷嘴的距离）转换成相应的气压信号输出。

4．DD8－III型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几部分组成的？试简述其工作过程。

答：DD8－III型电动差压变送器是按力矩平衡原理工作的，由测量部分（杠杆系统）；电磁反馈装置；矢量机构；低额位移检测放大器。其工作过程如下：

被测差压信号p1,p2分别送入敏感元件两侧的正负压室，敏感元件将其转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi，使主杠杆以轴封膜片为支点偏转，并以力F1沿水平方向推动矢量机构，矢量机构将推力分解成F2和F3。F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带动副杠杆L4以支点M逆时针偏转，使固定在副杠杆上的差动变压器B的衔铁靠近差动变压器，两点之间的距离变化量再通过低频位移检测放大器转换并方大为4～20mA直流电流，作为便送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力Ff，使副杠杆顺时偏转o，当输入力与反馈力对杠杆系统说产生的力矩Mi, Mf达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流Io便反映了说测电压Δpi的大小。

5．DD8－III型温度变送器为什么要采用线性化措施？热电偶温度变送器时怎样实现线性化的。

答：热电偶温度变送器要求的输出电压信号与相应的变送器输入的温度信号成线性关系，而热电偶是非线性关系的，温度变送器放大回路是线性的，若将热电偶的热电势直接接到变送器的放大回路，则温度t℃与变送器的输出电压Usc之间的关系是非线性的。因此需要采用线性化措施，措施是:采用反馈电路非线性，使放大回路具有线性，依据输入输出关系，当放大系数k很大时，要使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特性曲线与热电偶的特性曲线相同，从而实现线性化。

6．试分析电动差压变送器如何实现量程迁移（零点迁移）的。 答：电动差压变送器的输入与输出间的关系：I0?Ad?tg??1?3??Pi ?2?fkf式中Ad，I1，I2，I3，I3是固定不变的，故输出电流与输入差压之间的比例关系通过调整tgθ和kf来改变，即改变变送器的量程，θ↑，Io↑，量程变小，j，kf，的改变是通过改变反馈线圈的匝速w实现的，w↑，kf↑，量程↑。

7．试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。

答：电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种：四线制和两线制，四线制中，供电电源通过两根导线接入，另两根导线与负载电阻R2相连，输出0～10mA DC信号。这种连线方式中，同变送器连接的导线共有4根，成为四线制，如图（a）所示。如图b中所示，同变送器连接的导线只有两根，同时传送变送器所需的电源电压和4～20mA DC输出电流，称为两线制。

-220V 现场变送器 010mA

现场变送器 （a）

（b）

8．本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？需要采取哪些措施才能保证整个系统达到防爆要求？

答：本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的非本质安全电路和防爆安全栅组成。 采取措施以达到防爆要求的方法有：

① 本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。 ② 用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。

③ 在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。

9．试分析气动调节仪表与电动调节仪表各自具有什么特点。 答：气动调节仪表线路简单，直观，容易被使用者掌握，使用压缩空气作为气源，是天然防爆仪表，信号范围为20～100KPa，电动调节仪表采用统一标准的电信号，4～20mA DC传输信号，并采用线路集成电路，使可靠性提高，维修工作量减少，结构合理，功能多样，整套仪表可构成安全火花型防爆系统，而且可与计算机连用。

10．简述膜片式PI调节器的工作原理。

答：膜片式PI调节器是根据力矩平衡原理工作的，由比较部分，比例部分，积分部分，放大部分，开关部分等组成。其中比较部分由

测量气室，给定气容，和比较部分芯杆所联系起来的膜片组，比例部分使输出?P入。积分部分用积分气容和跟踪气室串联在积分出?KpP正反馈回路里，?P出?KpTi?t0入Pdt，开关部分用以控制调节器输出的

通断。输入回路作用是将输入信号与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进行电平移动。

11．PID调节器是由哪些基本部分组成的？试分析各部分所完成的功能。

答：PID调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。输入电路是检测偏差信号，信号经滤波电路后输出导PID运算电路。（输入电路包括偏差检测电路，内给定稳压电源电路，内外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等）。

PID运算电路：根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调节器实现PID控制规律的关键环节。 输出电路：将运算电路的输出信号做最后一次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的组后一级，提供调节器的输出信号。

12．何为基型调节器？它具有哪些主要特点？

答：基型调节器是一种具有PID运算功能，并能对被调参数，给定值及阀门位置进行显示的调节器。

特点：①采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高万仪表的精度，稳定性和可靠性，降低了能耗。

②有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间由于有保持状态而使调节器输出能够长期保持，因而在互相切换时具有双向无平衡无抗扰特性，提高了操作性能。

③采用集成电路便于各种功能的扩展。

④ 采用标准信号制，接受1－5V DC测量信号，输出4～20mA DC信号，由于空气受点不是从零点开始的，故容易识别断电、断线等故障

⑤ 能与计算机联用。

13．试说明基型调节器产生积分饱和现象的原因。

答：∵在基型调节器的PI电路中，接有运算放大器，对于理想的比例积分电路，只要输入信号Usc2存在，积分作用就不会终止，直到输出电压被限制在运算放大器的最大或最小允许输出为止，即产生积分饱和现象，一般称输出电压未被限制为正常工作状态，输出电压被限制后称为饱和工作状态。

14．试分析DTZ－2100型气刻度指示调节器的工作原理。它试由哪些部分组成的？各部分的主要功能试什么？

答：DT8－2100型气刻度指示调节器的工作原理是：输入信号经测量指示回路进行连续指示，并输入输入回路与经给定指示电路指示的给定值进行比较得出偏差信号，偏差信号经比例微分，比例积分回路运算后，送入输出回路将1－5V DC电压信号转换成4～20mA DC信号，作为调节器的输出信号。

组成：由指示单元和控制单元两部分组成，其中指示单元由测量指示电路和给定指示，分别实现对测量信号和给定信号进行连锁指示。控制单元由输入电路——作用是将输入信号与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进行电平移位；比例微分回路——功能为：∵回路的输出值大小不仅与输入信号的大小、极性有关，而且与输

入信号变化的速度有关，因此对输入信号进行PD运算，对于容量大、惯性大，具有滞后的调节对象有益。比例积分回路——作用是为调节器引入积分功能，从而使调节器的输出值与偏差对时间的积分成正比例。输出回路——作用使将PI回路输出的1－5V DC电压信号转换成以电流负端为基准的4～20mA DC信号，作为调节器的输出信号。手动操作回路——在控制回路中实现手动操作。 15．DDZ－III型调节器的输入电路为什么要进行电平移动？ 答：DDZ－III型调节器采用标准信号制，接受来自变送器的或转换器输出的1～5V DC测量信号，输出4～20mA DC信号。其输入电路将丙丁以0伏为基准的输入信号转换成以电平10伏为基准的偏差输出，由于电气受点不是从0开始的，故容易识别断电、断线故障，传输信号标准化。

16．有一电动比例调节器，器输入电流范围为4～20mA，输出电压范围是1－5V。 试计算当比例度规定在40％时，输入电流变化4mA所引起的输出电压变化量为多少?

xmaxpmaxe?xmin?0.4 p?pmin解：∵??4即 20?4?0.4

?u5?1?u?2.5V

即：输出电压变化量为2.5V

17．全刻度指示调节器与偏差指示调节器有哪些主要区别？

答：全刻度指示调节器与偏差指示调节器基本电路相同，只是指示电路有差异，全刻度指示调节器能对被调整参数（即调节器输入信号）做0～100％全刻度范围显示，显示值与给定值之差即为偏差值。偏差指示调节器则没有输入信号的全刻度指示，而是直接指示偏差大小。

18．在DDZ－III型调节器中，什么是软手操状态？什么是硬手操状态？如何实现调节器无扰动切换？

答：软手操状态——软手操回路直接改变调节器的输出信号实现手动操作。在进行软手时，输出电流以某种速度进行变化。一停止手操，输出就停止变化。硬手操状态——硬手操回路也可以直接改变调节器的输出信号实现手动操作。在进行硬手操回路时输出值大小与硬手操作杆的位置有对应关系。由于在“自动”与“手动”之间增加了一种过渡状态——保持状态，从而实现无扰动切换。

19.气动执行器主要由哪些部分组成的？各部分的作用是什么？ 答：气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按调节器输出气压信号（20～100KPa）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生位移，推动调节机构动作。调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被调介质接触，调节流体的流量。

20．试分析说明调节阀的流量特性理想流量特性及工作流量特性。 答：调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：

qvqvmaxl?f()。调节阀的理想流量特性是指

L

在调节阀前后压差一定情况下的流量特性，在实际使用调节阀时，由于调节阀串联在管路中或与旁路阀并联，因此，阀前后的压差总在变化，这时的流量特性称为调节阀的工作流量特性。 21.何为阻塞流？他有什么意义？

答：阻塞流是指当阀入口压力P1保持恒定，并逐步降低出口压力P2时，流过阀的流量会增加到一个最大值，此时若继续降低出口压力，流量不再增加，此极限流量称为阻塞流。

意义：在阻塞流条件下，流经阀的流量不随阀后压力的降低而增加，因此在计算流量系数时，首先要确定调节阀是否处于阻塞流状态。

22.流量叙述的定义是什么？试写出不可压缩流体系数计算的基本公式。

答：我国规定的流量系数定义为：在给定行程下，阀两端的压差为0.1Mpa，流体密度为1000kg/m3时流经调节阀的流量数(m3/h),以C表示，它表示流体通过调节阀的流通能力，不可压缩流体：

2???p?F(p1?FFpv),c?10qvl?L/(p1?p2)l???? 22???p?Fl(p1?Ffpv),c?10qvl?L/FL(p1?FFpv)??c?10qvl?L/FL2(p1?FFpv)

23．试分析电—气转换器的工作原理。 答：电—气转换器按力矩平衡原理工作，当

010mA直流电流信号输入置于恒定磁场量的测量线圈重视，所产生的

磁通与磁钢在空气隙中的磁通相互作用而产生一个向上的 电磁力（即测量力）。由于线圈固定在杠杆上，使杠杆绕十字簧片偏转，于是装在杠杆另一端的挡拆靠近喷嘴，使其背压升高，经过放大器

功率放大后，一方面输出，一方面反馈到正负两个波纹管，建立起与测量力矩相平衡的反馈力矩。因而输出气压信号（0.020.1MPa）就与线圈电流信号成一一对应关系。

24.试简述电—气阀门定位器的工作原理。

答：来自调节器的直流电流信号，经过力矩马达的线圈，使主杠杆磁化并绕其支点反时针方向转动，喷嘴靠近挡板，P背上升，经放大后送入薄膜调节阀，空气压力上升，推动阀杆下移，带动凸轮逆时针旋转。副杠杆左移，带动反馈弹簧，当从反馈=从力矩马达时。主杠杆停在新的平衡位置。因此，阀杆的位移与输入的电流之间有一一对应的关系，而阀杆位移量与开度之间的关系是确定的，所以电流信号就能使阀位确定下来 ，这就是电—气阀门定位器的工作原理。

25.试分析DKZ型直行程电动执行器的组成特点。它的基本组成有那些部分？各部分的功能是什么？

答：ＤＫＺ型直行程电动执行器具有推力大，定位进度高，反应速度快，滞后时间少，能源消耗底，安装方便，供电简便，在电流突然断电时能自动保持调节阀原来的位置特点，由伺服放大电和执行机构两部分组成。伺服放大电主要由前置磁红大电，触发电和可控硅交流开关等构成，作用是综合输入信号和反馈信号，然后将它们的差值信号加以放大，以控制伺服电动机的转动，执行伺服电动机，减速电和位置发送电三部分组成。它接受可控硅交流开关或电动操作里的信号，使伺服电机按正，反方向运转。

26．气动调节阀的执行机构的正，反作用形式是如何定义的？在结构上有何不同？

答：气动调节阀的执行机构的正作用是指：当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少，称为正作用，或正装；反之，则称为反作用。只要改变阀杆与阀芯的连接位置就可改作反装。

27．试为一个压力控制系统选择合适的调节阀口径，已知管内介质为丙烷与丁烷的混合物，最大流量条件下的计算数据为：

g0=250m3/h,P1=0.2Mpa,P2=0.12Mpa,t1=50C,Fk=0.98,PH=2.4kg/m3,Z=1,调节阀为V型单座阀.

解:参考\化工仪表自动化\历玉鸣)第二版P196 (1)判别是否为阻塞流:查表4-5 得XT=0.72 所以

FKXT=0.98?0.72=0.7056

又 X=

?P=(0.2-0.12)/0.2=0.4<0.7056 P1故为非阻塞流 Y=1-( Cmax=X0.4)=1-=0.811

3FKXT3?0.7056250(50?273)?2.4?1T1?Hz＝3＝13.07 10?5.19?0.2?0.8110.45.19p1Yxqvg查附表：ZMABP型。初选公称通径Dg(mm)?40，阀座直径

dg(mm)?40，C100?20

Re的雷诺数修正。查得v，Re= 70700QL vC28.试为某水厂选择一台气动双座调节阀，已知流体为水，正常流量条件下的数据为：P1?1.5MPa，?P?0.05MPa，t1?170℃，

v?1.81?10?7m2/s，Sn?0.65，n?1.25，接管直径D1?D2?100mm。

解：（1）判别是否为阻塞流：（同27题）

有表6-2查得：XT?0.70，FL?0.85，并查其热力学临界压力

Pc=11000Kpa（绝压）

FF?0.96?0.28PvPc= 0.96?0.280.80811=0.88N

2? FL2(P1?FFPv)= 0.85?(1.5?0.08?0.88)

?P?0.05MPa

（2）求Cn。

Cn=

(3)计算Cmax

SR?0max?1?n2(1?Sn)= 1?1.252(1?0.65)=0.453

SnSQQmaxm=n =1.25 ?0.65=1.5 0.453?Cmax=m?Cn?1.5?

(4)选定口径：

查附表双座调节阀选用Dg?dg?

29.已知流体介质为氟利昂，在最大流量条件下的计算数据为：

qm?9000kg/h，?s?43.5kg/m3，k=1.14，P1=0.8MPa，P2=0.38 MPa，

接管直径

D1?D2?50mm，试选择所需的调节阀。

解：拟选用单座，柱塞，流开形调节阀。查得xT?0.72，FL?0.9

Fk?k1.14?0.814 设T1=100℃ =

1.41.4X=

?P=(0.8-0.38)/0.8=0.525

?Cmax=T1?Hz 5.19p1YxX0.525)=1-=0.701

3FKXT3?0.814?0.72qvg式中Y=1-(?Cmax=9000(100?273)?43.5?1=12.5 343.5?10?0.8?5.19?0.7010.525查附表，选用Dg?dg?40mm C100?20

30.某炼油厂中有管道需要安装一台气动单座调节阀，已知最大计算流量条件下的计算数据为：P1=5.2MPa ，?P?0.07MPa，t1?150℃，

?L?850kg/m3，qv?6.8m3/h，v?1.80?10?4m2/s，接管直径

D1?D2?50mm，流体为非阻塞流，试确定该调节阀（流开形）的口

径。

解：流体为非阻塞流 ?Cmax=10qvL?L(P1-P2) 850=236.96 3(0.07?10) =10?6.8?查附表，选用Dg?dg?150mm C100?280的调节阀

第五节 计算机控制系统

1.计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分有什么作用？ 答：计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成。工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分主要包括计算机主机，外部设备，外围设备，工业自动化仪表和操作控制台，软件是指计算机系统的程序系统，各部分作用参见课本P234-235。

2.计算机控制系统与常规的模拟控制系统相比，有哪些相同与不同点？

答：相同点：控制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程相同，即都是基于“检测偏差，纠正偏差”的控制原理。在系统的对象，执行元件，检测元件等环节内部的运动规律与模拟控制系统是相同的。

不同之处：在计算机控制系统中，控制里对控制对象的参数，状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的，并使用数字控制控制里代替了模拟控制里，并增加了模数转换元件和数模转换元件，给定值也从数字量形式输入计算机。

3.计算机控制系统按照目的不同分为哪些类型？各有什么特点？ 答：分为：数据采集和数据处理系统，直接数字控制系统DDC，监督控制系统SCC，分级计算机控制系统以及集散型控制系统。数据采集

和数据处理系统主要是对大量的过程状态参数进行巡回检测，数据存贮纪录，数据处理进行实时数据分析以及数据越限报警等功能，计算机不直接会与过程控制，对生产过程不产生直接影响。直接数字控制系统的特点：计算机完全代替了模拟调节里，实现了几十个甚至更多的单回路PID控制，并易于实现其他新型控制规律的控制，具有大纯滞后对象的控制等，他把显示，纪录，报警和给定值设定等功能都集中在操作控制台上，给操作人员带来了方便，修改程序即可实现上述各种形式的控制规律；缺点是：要求工业控制计算机的可靠性很高，否则会直接影响生产的正常进行，P238-P242。

4.集散型控制系统是怎样构成的？有哪些主要特点？

答：集散型控制系统将生产过程按其系统结构纵向分成现场控制级，控制管理级，生产和经营管理级。级间相互独立又相互联系。再对每一级按其功能划分为若干小块，采取既分散又集中的设计原则，进行集散控制系统的硬件和软件设计特点：（1）硬件组装积木化（2）软件模块化（3）组态控制系统（4）应用先进的通信网络（5）具有开放性（6）可靠性高

故：集散型控制系统既有计算机控制系统控制算法先进，精度高，响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠，维护方便的优点，而且，集散型控制系统容易实现复杂的控制规律，成本低，施工周期短.

5.试自拟一个对象，画出计算机数据采集处理系统的方框图，并说明各部件的名称

解：工业对象——》多道开关——》A/D——》计算机——》显示/打印/报警

6 某被控对象有5个模拟量控制回路和3个模拟量检测监视回路，试为该对象设计一个监督计算机控制系统方框图。 解：方框图见： 测

7.什么是计算机直接数字控制系统？它有什么特点？

答：直接数字控制系统DDC分时的对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值的差值，按照预先制定的控制标法进行数字分析，运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。

特点：优点是1.计算机完全代替了模拟调节器，实现几个甚至更多的单回路PID控制。2。较易实现其他新型控制规律的控制，如串级控制，前馈控制，自动选择性控制。3。将显示，记录，报警和给定值设定等功能集中在操作控制台上，操作方便。

SCC2控机 生 产 过 程 测量量控制 模 拟 仪 表 缺点：要求工业控制计算机的可靠性提高，否则会直接影响生产的正常运行。

8．DDC的基本算法有哪些？各有什么优缺点？

答：DDC的基本算法分为两种：理想PID算法和实际PID算法。其中理想PID算法包括：位置式，增量式和速度式；实际PID算法有：位置式，增量式和速度式。

理想算法中，位置式算法容易产生累积误差，若该项值很大时，调节缓慢，发生积分饱和，对控制调节不利，且受到计算机字长的限制，当超过字长时，引起积分丢失现象。增量式算法无此缺点，而且系统进行手动和自动切换时，增量式PID由于执行元件保存了过去的位置，因此冲击较小，即使发生故障时，也由于执行元件的寄存作用，仍可保存元件位，对被控制过程的影响较小。但是理想算法存在自身不足，而且具体工业过程的控制有一定的特殊性，故采用实际PID算法，有较强的干扰抑制能力。

9．试列出一些改进的PID算法，并分析其改进特点及适用场合 答：改进的PID算法有：（1）带有死区的PID控制——当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节；当超过这个阀值时，系统

?p(k)...当|e(k)|?B,PID控制动作?按照PID进行调节，表示为 p(k)???

0.........当|e(k)|?B，无控制输出值?? 式中B为阀值，O-B的区间称为死区。

该控制方式适用于要求控制作用尽可能少变动的场合，如在中间器皿的液面控制。（2）饱和作用的抑制（A）PID位置算法的积分饱和作用机器抑制——采用遇限削弱积分法和积分分离法。（B）PID增量算法的饱和作用及其抑制（C）干扰的抑制——四点中的差分

法。该控制方式适用于可能出现饱和效应的场合，即控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围以内，

Umax<=U<=Umax，控制器执行的控制量不再是计算值。︱△U︱<=△Umax.

10．在计算机控制系统中，采样周期是如何确定的？为什么执行器响应速度较慢时对采样周期可适当选大一些？

答：采样周期的选择主要从以下几个方面来考虑：1。从对控制质量的要求考虑，采样周期小一些，控制效果好。2。从被控制对象的动态特征考虑，若对象的反应速度快，选用较短的采样周期；如果对象的反应速度慢，则选用较长的采样周期。3。从执行机构的要求考虑，有时需要计算机输出的控制信号保持一定的时间宽度，为使执行机构能够按预期的调节规律运作，则采样周期可选长一些。4。从抗干扰的要求看，希望采样周期短些。5。从计算机的工作量和每个控制回路的成本看，希望采样周期大些。

综上所述，必须根据拘役情况和主要的要求作出选择，当执行器相应速度较慢时，采样周期应适当选大些，以保证执行器能够实现预期的调节规律。

11．已知模拟调节器的传递各数G（S）=（1+0.17S）/0.085S，现在要用数字PID算法来实现，试分别写出相应的位置式和增量式PID算法表达式，设采样周期为To=0.2S. 解：由G（S）=

1?0.17s，可得：Kp=1 TI=0.17 TD=0.085 0.085sT?位置式 u(k)= Kp{e(k)+

TI?e(i)?i?0kTD[e(k)?e(k?1)]} T

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