過程控制系統(tǒng)與儀表課后習(xí)題集標(biāo)準(zhǔn)答案

第1章思考題與習(xí)題

1-1過程控制有哪些主要特點(diǎn)？為什么說過程控制多屬慢過程參數(shù)控制？

解答：

1.控制對象復(fù)雜、控制要求多樣

2.控制方案豐富

3.控制多屬慢過程參數(shù)控制

4.定值控制是過程控制的一種主要控制形式

5.過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的過程檢測控制儀表組成

1-2什么是過程控制系統(tǒng)？典型過程控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？

解答：

過程控制系統(tǒng)：一般是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的變量是溫度、壓力、流量、

液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。

組成：參照圖1-1。

1-4說明過程控制系統(tǒng)的分類方法，通常過程控制系統(tǒng)可分為哪幾類？

解答:

分類方法說明：

按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制

系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按控制器類型來分，有

常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所完成的功能來分，有串級

控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等；按其動(dòng)作規(guī)律來分，有比例（P）控制、

比例積分（PI）控制，比例、積分、微分（PID）控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)組成回路的

情況來分，有單回路與多回路控制系統(tǒng)、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)；按被控參數(shù)的數(shù)量可分

為單變量和多變量控制系統(tǒng)等。

通常分類：

1.按設(shè)定值的形式不同劃分：（1）定值控制系統(tǒng)

（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)

（3）程序控制系統(tǒng)

2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類：（1）反饋控制系統(tǒng)

（2）前饋控制系統(tǒng)

（3）前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)

1-5什么是定值控制系統(tǒng)？

解答：

在定值控制系統(tǒng)中設(shè)定值是恒定不變的，引起系統(tǒng)被控參數(shù)變化的就是擾動(dòng)信號。

1-6什么是被控對象的靜態(tài)特性？什么是被控對象的動(dòng)態(tài)特性？二者之間有什么關(guān)

系？

解答:

被控對象的靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)時(shí)控制過程被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特

性。

被控對象的動(dòng)態(tài)特性：。系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中，被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系即為

控制過程的動(dòng)態(tài)特性。

二者之間的關(guān)系：

1-7試說明定值控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)的含義。為什么在分析過程控制系統(tǒng)得性能時(shí)更

關(guān)注其動(dòng)態(tài)特性？

解答：

穩(wěn)態(tài)：

對于定值控制，當(dāng)控制系統(tǒng)輸入（設(shè)定值和擾動(dòng)）不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)若能達(dá)

到一種平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中各個(gè)組成環(huán)節(jié)暫不動(dòng)作，它們的輸出信號都處于相對靜

止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)（或靜態(tài)）。

動(dòng)態(tài)：

從外部擾動(dòng)出現(xiàn)、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動(dòng)控制裝置開始動(dòng)作，到整個(gè)系統(tǒng)

又建立新的穩(wěn)態(tài)（達(dá)到新的平衡）、調(diào)節(jié)過程結(jié)束的這一段時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的

狀態(tài)和參數(shù)都處于變化的過程之中，這種狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，被控過程常常受到各種振動(dòng)的影響，不可能一直工作在穩(wěn)態(tài)。

只有將控制系統(tǒng)研究與分析的重點(diǎn)放在各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，才能設(shè)計(jì)出良好的控制系

統(tǒng)。

1-8評價(jià)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的常用單項(xiàng)指標(biāo)有哪些？各自的定義是什么？

解答：

單項(xiàng)性能指標(biāo)主要有：衰減比、超調(diào)量與最大動(dòng)態(tài)偏差、靜差、調(diào)節(jié)時(shí)間、振蕩頻

率、上升時(shí)間和峰值時(shí)間等。

衰減比：等于兩個(gè)相鄰的同向波峰值之比n；

過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差：對于定值控制系統(tǒng)，是指被控參數(shù)偏離設(shè)定值的最大值

超調(diào)量：第一個(gè)波峰值弘與最終穩(wěn)態(tài)值y（oo）之比的百分?jǐn)?shù)

cr=3^x100%

y（8）

殘余偏差C：過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達(dá)到的新穩(wěn)態(tài)值y（00）與設(shè)定值之

間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；

調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到過渡過程結(jié)束所需的時(shí)間；

振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期或工

作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率；

峰值時(shí)間：過渡過程開始至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。

1-10某被控過程工藝設(shè)定溫度為900℃,要求控制過程中溫度偏離設(shè)定值最大不得超

過80ro現(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線

如圖1-4所示。試求該系統(tǒng)過渡過程的單項(xiàng)性能指標(biāo)：最大動(dòng)態(tài)偏差、衰減比、

振蕩周期，該系統(tǒng)能否滿足工藝要求？

解答：

①最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)：4=95^-900℃=50℃

②衰減比n：〃=95。-9。。=5：|

910-900

③振蕩周期T：T=45—9=36(min)

A<80℃,且n>l（衰減振蕩），所以系統(tǒng)滿足工藝要求。

第2章思考題與習(xí)題

2-1某一標(biāo)尺為0?1000C的溫度計(jì)出廠前經(jīng)校驗(yàn)得到如下數(shù)據(jù):

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃02004006008001000

被校表讀數(shù)/℃02014026048061001

求：1）該表最大絕對誤差；

2）該表精度；

3）如果工藝允許最大測量誤差為±5℃,該表是否能用？

2-2一臺壓力表量程為0?lOMPa,經(jīng)校驗(yàn)有以下測量結(jié)果:

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/MPa0246810

被校表正行程01.983.965.947.979.99

讀數(shù)

反行程02.024.036.068.0310.01

/MPa||||||

求：1)變差；

2)基本誤差；

3)該表是否符合1.0級精度？

2-3某壓力表的測量范圍為0?lOMPa,精度等級為1.0級。試問此壓力表允許的最大

絕對誤差是多少？若用標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)來校驗(yàn)該壓力表，在校驗(yàn)點(diǎn)為5MPa時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)

上讀數(shù)為5.08MPa,試問被校壓力表在這一點(diǎn)上是否符合1級精度，為什么？

解答：最大絕對誤差△.

1)基本誤差6=儀表量程xlOO%

最大絕對誤差A(yù)max=0.01X10=0.1MPa

2)校驗(yàn)點(diǎn)為5MPa時(shí)的基本誤差：5=辿殳0x100%=0.8%

10

0.8%<1%，所以符合1.0級表。

2-4為什么測量儀表的測量范圍要根據(jù)被測量大小來選??？選一臺量程很大的儀表來

測量很小的參數(shù)值有什么問題？

解答：

1)

2)

2-5有兩塊直流電流表，它們的精度和量程分別為

1)1.0級，0?250mA

2)2.5級，0~75mA

現(xiàn)要測量50mA的直流電流，從準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性考慮哪塊表更合適？

解答：

分析它們的最大誤差：

25

1)Amax=250Xl%=2.5mA；J=±—x100%=±5%

501875

2)Amax=75X2.5%=1,875mA；8=±—x100%=±3.75%

50

選擇2.5級，0?75mA的表。

2-11某DDZ-III型溫度變送器輸入量程為200?1000C,輸出為4?20mA。當(dāng)變送器

輸出電流為10mA時(shí)，對應(yīng)的被測溫度是多少？

解答：

1000-200T

T=500℃o

20—4一歷

2-12試簡述彈簧管壓力計(jì)的工作原理。現(xiàn)有某工藝要求壓力范圍為1.2±0.05MPa,可

選用的彈簧管壓力計(jì)精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五個(gè)等級，可選用的量程規(guī)格有0?

L6MPa、0?2.5MPa和0?4MPa。請說明選用何種精度和量程（見附錄E）的彈簧管壓

力計(jì)最合適？

解答:

1）工作原理:

2）根據(jù)題意：壓力范圍為1.2±0.5MPa,即允許的最大絕對誤差A(yù)maxMOXb

①分析選用不同量程的表所需的精度等級：

0?1.6MPa量程：^=±2^x100%=±3.125%,可選2.5級表；

0桶

0?2.5MPa量程：i）=±^xl00%=±2%,可選1.5或2.0級表;

0?4.0MPa量程：<）=±-xl00%=±1.2%,可選1.0級表。

4.0

②量程選擇：被測最大壓力=1/3?2/3量程上限

1032

0?1.6MPa量程：—=

|-612423

。?2.5MPa量程：

0?4.0MPa量程：—=0.3<-

4.03

綜合分析，選用1.5級或2.0級,0—2.5MPa量程的表最合適。

2-13如果某反應(yīng)器最大壓力為LOMPa,允許最大絕對誤差為O.OIMPa?，F(xiàn)用一臺測量

范圍為0?L6MPa,精度為1級的壓力表來進(jìn)行測量，問能否符合工藝要求？若采用一

臺測量范圍為。?LOMPa,精度為1級的壓力表，能符合要求嗎？試說明其理由。

解答：

工藝要求：最大壓力為l.OMPa,允許最大絕對誤差為0.01MPa。

分別求出兩臺儀表的最大允許誤差，進(jìn)行判斷。

1）精度為1級，量程為。?L6MPa的表，其最大絕對誤差：

Ai.6max=1.6X1%=0.016MPa,>0.01MPa,所以不符合要求；

2）精度為1級，量程為。?LOMPa的表，其最大絕對誤差：

Ai.omax=1.0X1%=0.01MPa,=0.01MPa,所以最大誤差符合要求，但是壓力表

的最大測量值應(yīng)W2/3儀表量程，否則壓力波動(dòng)會使測量值超出儀表量程。

所以，該表也不符合要求。

2-14某臺空壓機(jī)的緩沖器，其工作壓力范圍為1.0?L6MPa,工藝要求就地觀察罐內(nèi)

壓力，并要測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的±5%。試選擇一塊合適的壓力表（類型、

測量范圍、精度等級），并說明其理由。

解答：

根據(jù)題意知：壓力范圍1.0?1.6MPa,

允許最大誤差：AmaxMlEX（±5%）=+0.08MPa

1）量程確定：

應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.6MPaX2/3=2.4MPa

可以選量程為0~2.5MPa的彈簧壓力表。

2）精度等級確定：

求出基本誤差，以確定滿足要求的精度等級。

3=±22§X100%=±3.2%，允許的精度等級為2.5級。

2.5

綜上分析，選擇量程為0?2.5MPa,精度等級為2.5級的彈簧壓力表。

該表的最大絕對誤差：Amax=2.5X（+2.5%）=+0.0625MPa,<0.08MPa

所以滿足要求。

2-17什么叫標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置？試述差壓式流量計(jì)測量流量的原理；并說明哪些因素對差

壓式流量計(jì)的流量測量有影響？

解答：

1）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置：包括節(jié)流件和取壓裝置。

2）原理：基于液體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)

現(xiàn)流量測量的。

3）影響因素：P47

①流量系數(shù)的大小與節(jié)流裝置的形式、孔口對管道的面積比m及取壓方式密切相

關(guān)；

②流量系數(shù)的大小與管壁的粗糙度、孔板邊緣的尖銳度、流體的粘度、溫度及可壓

縮性相關(guān)；

③流量系數(shù)的大小與流體流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

2-19為什么說轉(zhuǎn)子流量計(jì)是定壓式流量計(jì)？而差壓式流量計(jì)是變壓降式流量計(jì)？

解答：

1）轉(zhuǎn)子流量計(jì)是定壓式流量計(jì)（P47）

雖然轉(zhuǎn)子流量計(jì)也是根據(jù)節(jié)流原理測量流量的，但它是利用節(jié)流元件改變流體的流

通面積來保持轉(zhuǎn)子上下的壓差恒定。所以是定壓式。

2）差壓式流量計(jì)是變壓降式流量計(jì)（P45）

是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置是產(chǎn)生的壓差實(shí)現(xiàn)流量測量

的。所以是變壓降式。

2-21橢圓齒輪流量計(jì)的特點(diǎn)是什么？對被測介質(zhì)有什么要求？

解答：

1）特點(diǎn)：流量測量與流體的流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，這是因?yàn)闄E圓齒輪流量計(jì)是依靠被測

介質(zhì)的壓頭推動(dòng)橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行計(jì)量的。

粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計(jì)量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此核測介質(zhì)的

粘皮愈大，泄漏誤差愈小，對測量愈有利。

橢圓齒輪流量計(jì)計(jì)量精度高，適用于高粘度介質(zhì)流量的測量。

2）對被測介質(zhì)的要求：不適用于含有固體顆粒的流體（固體顆粒會將齒輪卡死，以

致無法測量流量）。

如果被測液體介質(zhì)中夾雜有氣體時(shí)，也會引起測量誤差。

2-22電磁流量計(jì)的工作原理是什么？它對被測介質(zhì)有什么要求？

解答：P51

1）原理：利用導(dǎo)電液體通過磁場時(shí)在兩固定電極上感應(yīng)出電動(dòng)是測量流速。

2）對被測介質(zhì)的要求：導(dǎo)電液體,被測液體的電導(dǎo)率應(yīng)大于水的電導(dǎo)率（lOO/zQcm）,

不能測量油類或氣體的流量。

2-24超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)是什么？

解答：

超聲波流量計(jì)的非接觸式測量方式，不會影響被測流體的流動(dòng)狀況，被測流體也不

會對流量計(jì)造成磨損或腐蝕傷害，因此適用范圍廣闊。

2-25用差壓變送器測某儲罐的液位，差壓變送器的安裝位置如圖2-75所示。請導(dǎo)出

變送器所測差壓"與液位"之關(guān)系。變送器零點(diǎn)需不需要遷移？為什么？

2-26用法蘭式差壓變送器測液位的優(yōu)點(diǎn)是什么？

解答：P57

測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體的液位，在膜盒、毛細(xì)

管和測量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，使被測介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與

變送器，以免堵塞。

可節(jié)省隔離罐。

2-27試述電容式物位計(jì)的工作原理。

解答：

利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也相應(yīng)變化的原理測物位，可測量液位、

料位和兩種不同液體的分界面。

2-28超聲波液位計(jì)適用于什么場合？

解答：P60

適合于強(qiáng)腐蝕性、高壓、有毒、高粘性液體的測量。

第3章習(xí)題與思考題

3-1什么是控制器的控制規(guī)律？控制器有哪些基本控制規(guī)律？

解答：

1）控制規(guī)律：是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關(guān)系。

2）基本控制規(guī)律：位式控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積

分微分控制。

3-2雙位控制規(guī)律是怎樣的？有何優(yōu)缺點(diǎn)？

解答：

1）雙位控制的輸出規(guī)律是根據(jù)輸入偏差的正負(fù)，控制器的輸出為最大或最小。

2）缺點(diǎn)：在位式控制模式下，被控變量持續(xù)地在設(shè)定值上下作等幅振蕩，無法穩(wěn)

定在設(shè)定值上。這是由于雙位控制器只有兩個(gè)特定的輸出值，相應(yīng)的控制閥也只有兩個(gè)

極限位置，總是過量調(diào)節(jié)所致。

3）優(yōu)點(diǎn)：偏差在中間區(qū)內(nèi)時(shí)，控制機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，可以降低控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程

度，延長控制器中運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命。

3-3比例控制為什么會產(chǎn)生余差？

解答：

產(chǎn)生余差的原因：比例控制器的輸出信號y與輸入偏差e之間成比例關(guān)系：

>=4

為了克服擾動(dòng)的影響，控制器必須要有控制作用，即其輸出要有變化量，而對于比

例控制來講，只有在偏差不為零時(shí)，控制器的輸出變化量才不為零，這說明比例控制會

永遠(yuǎn)存在余差。

3-4試寫出積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。為什么積分控制能消除余差？

解答：

1）積分控制作用的輸出變化量y是輸入偏差e的積分：y=-\edt

2）當(dāng)有偏差存在時(shí)，輸出信號將隨時(shí)間增大（或減?。?。當(dāng)湍差為零時(shí)，輸出停止

變化，保持在某一值上。因而積分控制器組成控制系統(tǒng)可以到達(dá)無余差。

3-5什么是積分時(shí)間？試述積分時(shí)間對控制過程的影響。

解答：

1）y--jedt

積分時(shí)油是控制器消除偏差的調(diào)整時(shí)間，只要有偏差存在，輸出信號將隨時(shí)間增大

（或減?。?。只有當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出停止變化，保持在某一值上。

2）在實(shí)際的控制器中，常用積分時(shí)間Ti來表示積分作用的強(qiáng)弱，在數(shù)值上，Ti=l

/Ki。顯然，下越小，Ki就越大，積分作用就越強(qiáng)，反之亦然。

3-6某比例積分控制器輸入、輸出范圍均為4?20mA,若將比例度設(shè)為100%、積分

時(shí)間設(shè)為2min、穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出調(diào)為5mA,某時(shí)刻，輸入階躍增加0.2mA,試問經(jīng)過5min

后，輸出將由5mA變化為多少？

解答：

由比例積分公式：丁=：1+"力|分析：

依題意：〃=-^=1駒%；1即7i=2min,e=+0.2；

穩(wěn)態(tài)時(shí):小露弗卡嚴(yán)）一

5min后：=5+1x（±0.2±—x0.2x5）

=(5±0.7)mA

3-7比例控制器的比例度對控制過程有什么影響？調(diào)整比例度時(shí)要注意什么問題？

解答：P74

1）控制器的比例度P越小，它的放大倍數(shù)就越大，它將偏差放大的能力越強(qiáng)，控

制力也越強(qiáng)，反之亦然，比例控制作用的強(qiáng)弱通過調(diào)整比例度P實(shí)現(xiàn)。

2）比例度不但表示控制器輸入輸出間的放大倍數(shù)，還表示符合這個(gè)比例關(guān)系的有效輸

入?yún)^(qū)間。一表的量程是有限的，超出這個(gè)量程的比例輸出是不可能的。

所以，偏差的變化使控制器的輸出可以變化全量程（16mA）,避免控制器處于飽和狀態(tài)。

3-8理想微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是什么？為什么常用實(shí)際為分控制規(guī)律？

解答：

1、丁de

1）y=丁口—

Ddt

2）由于理想微分運(yùn)算的輸出信號持續(xù)時(shí)間太短，往往不能有效推動(dòng)閥門。實(shí)際應(yīng)

用中，一般加以慣性延遲，如圖3-7所示，稱為實(shí)際微分。

3-9試寫出比例、積分、微分（PID）三作用控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

解答：

3-10試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點(diǎn)，積分和微分為什么不單獨(dú)使用？

解答：

1）比例控制及時(shí)、反應(yīng)靈敏，偏差越大，控制力越強(qiáng)；但結(jié)果存在余差。

2）積分控制可以達(dá)到無余差；但動(dòng)作緩慢，控制不及時(shí)，不單獨(dú)使用。

3）微分控制能起到超前調(diào)節(jié)作用；但輸入偏差不變時(shí)，控制作用消失，不單獨(dú)使

用。

3-11DDZ-HI型基型控制器由哪幾部分組成？各組成部分的作用如何？

解答:P79

1）組成如圖3-11所示。

2）作用參照P79。

3-12DDZ-III型控制器的軟手動(dòng)和硬手動(dòng)有什么區(qū)別？各用在什么條件下？

解答：

1）軟手動(dòng)操作是指調(diào)節(jié)器的輸出電流/o與手動(dòng)操作的輸入信號成積分關(guān)系;

硬手動(dòng)操作是指調(diào)節(jié)器的輸出電流/。與手動(dòng)操作的輸入信號成比例關(guān)系。

2）軟手動(dòng)操作：系統(tǒng)投運(yùn)

硬手動(dòng)操作：系統(tǒng)故障

3-13什么叫控制器的無擾動(dòng)切換？在DDZ-HI型調(diào)節(jié)器中為了實(shí)現(xiàn)無擾切換，在設(shè)計(jì)

PID電路時(shí)采取了哪些措施？

解答：P84

1）調(diào)節(jié)器進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，輸出值不發(fā)生跳動(dòng)，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換無沖擊。

2）CM、CioP85中。

3-14PID調(diào)節(jié)器中，比例度P、積分時(shí)間常數(shù)7；、微分時(shí)間常數(shù)七分別具有什么含義？

在調(diào)節(jié)器動(dòng)作過程中分別產(chǎn)生什么影響？若將T,取8、%取0,分別代表調(diào)節(jié)器處于什

么狀態(tài)？

解答：

比例度P含義:使控制器的輸出變化滿量程時(shí)（也就是控制閥從全關(guān)到全開或相反）,

相應(yīng)的輸入測量值變化占儀表輸入量程的百分比。比例作用的強(qiáng)弱取決于比例度的大

小。

積分時(shí)間常數(shù)十含義：十越小，積分作用越強(qiáng)；越大積分作用越弱；若將7；取8,

則積分作用消失。

微分時(shí)間常數(shù)七含義：〃越大，微分作用越強(qiáng)；右取0,微分作用消失。

3-15什么是調(diào)節(jié)器的正/反作用？在電路中是如何實(shí)現(xiàn)的？

解答：

1）正作用：偏差=測量值-給定值；

反作用：偏差=給定值-測量值。

2）運(yùn)放輸入端的切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。

3-16調(diào)節(jié)器的輸入電路為什么要采取差動(dòng)輸入方式？輸出電路是怎樣將輸出電壓轉(zhuǎn)

換成4?20mA電流的？

解答：

1）采用差動(dòng)輸入方式，可以消除公共地線上的電壓降帶來的誤差。

2）參照P83下的輸出電路。

3-18給出實(shí)用的PID數(shù)字表達(dá)式，數(shù)字儀表中常有哪些改進(jìn)型PID算法？

解答：

1）P91式（3-18）

2）改進(jìn)的算法:

第4章思考題與習(xí)題

4-1氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要由哪兩部分組成？各起什么作用？

解答:

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用：按調(diào)節(jié)器輸出的控制信號，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作；

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用：由閥芯在閥體內(nèi)的移動(dòng)，改變閥芯與閥座之間的流通面積，

從而改變被控介質(zhì)的流量。

4-2試問調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)有哪些主要類型？各使用在什么場合？

解答：

1）類型：直通單座閥、直通雙座閥。

2）直通單座閥使用場合：小口徑、低壓差的場合；

直通雙座閥使用場合：大口徑、大壓差的場合。

4-4什么叫調(diào)節(jié)閥的理想流量特性和工作流量特性？常用的調(diào)節(jié)閥理想流量特性有哪

些？

解答：

1）理想流量特性：在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定的情況下得出的流量特性稱為固有流量

特性，也叫理想流量特性。

工作流量特性：在實(shí)際的工藝裝置上，調(diào)節(jié)閥由于和其他閥門、設(shè)備、管道等串

連使用，閥門兩端的壓差隨流量變化而變化，這時(shí)的流量特性稱

為工作流量特性。

2）常用理想流量特性：直線流量特性、等百分比（對數(shù)）流量特性、

快開特性

4-6什么叫調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍？在串聯(lián)管道中可調(diào)范圍為什么會變化？

解答：

1）可調(diào)范圍：反映調(diào)節(jié)閥可控制的流量范圍，用R=Qmax/Qmin之比表示。R越大,

調(diào)節(jié)流量的范圍越寬，性能指標(biāo)就越好。

2）由于串聯(lián)管道阻力的影響。

4-7什么是串聯(lián)管道中的閥阻比S?S值的變化為什么會使理想流量特性發(fā)生畸變？

解答：

1）閥阻比：用閥阻比5=加「?1/〃,表示存在管道阻力的情況下，閥門全開時(shí)，閥

門前后的最小壓差即,min占總壓力P。的比值。

2）在S<1時(shí)，由于串聯(lián)管道阻力的影響，使閥門開大時(shí)流量達(dá)不到預(yù)期的值，也

就是閥的可調(diào)范圍變小。隨著S值的減小，直線特性漸漸區(qū)于快開特性，等百分比特性

漸漸趨近于直線特性。

4-8什么叫氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開式與氣關(guān)式？其選擇原則是什么？

解答：

1）氣開式：無壓力信號時(shí)閥門全閉，隨著壓力信號增大，閥門逐漸開大的氣動(dòng)調(diào)

節(jié)閥為氣開式。

氣關(guān)式：無壓力信號時(shí)閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門逐漸關(guān)小的氣動(dòng)調(diào)

節(jié)閥為氣關(guān)式。

2）選擇原則：從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷時(shí)，調(diào)節(jié)

閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工藝設(shè)備和操作人員的安全。

4-9如圖4-24所示的蒸氣加熱器對物料進(jìn)行加熱。為保證控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，加熱

器的耐熱材料不被燒壞，試確定蒸氣管道上調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式。

解答：

氣開式調(diào)節(jié)閥。

4-11試述電/氣轉(zhuǎn)換器的用途與工作原理。

解答：P113

1）用途：為了使氣動(dòng)閥能夠接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸出信號，必須使用電/氣轉(zhuǎn)換器

把調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信換為20~100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。

2）原理：在杠桿的最左端安裝了一個(gè)線圈，該線圈能在永久磁鐵得氣隙中自由地

上下運(yùn)動(dòng)，由電動(dòng)調(diào)節(jié)器送來得電流I通入線圈。當(dāng)輸入電流I增大時(shí)，線圈與磁鐵間

產(chǎn)生得吸力增大，使杠桿左端下移，并帶動(dòng)安杠桿上的擋板靠近噴嘴，改變噴嘴和擋板

之間的間隙。

噴嘴擋板機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)儀表中最基本的變換和放大環(huán)節(jié)，能將擋板對于噴嘴的微小位

移靈敏地變換為氣壓信號。經(jīng)過氣動(dòng)功率放大器的放大后，輸出20~100kPa的氣壓信

號p去推動(dòng)閥門。

4-12試述電/氣閥門定位器的基本原理與工作過程。

解答：P115

在杠桿上繞有力線圈，并置于磁場之中。當(dāng)輸入電流I增大時(shí)，力線圈產(chǎn)生的磁場

與永久磁鐵相作用，使杠桿繞支點(diǎn)0順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擋板靠近噴嘴，使其背壓增大,

經(jīng)氣動(dòng)功率放大器放大后，推動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥桿移動(dòng)。

4-14電動(dòng)儀表怎樣才能用于易燃易爆場所？安全火花是什么意思？

解答：

1）必須是采取安全防爆措施的儀表，就是限制和隔離儀表電路產(chǎn)生火花的能量。

使其不會給現(xiàn)場帶來危險(xiǎn)。

2）安全火花：電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在

爆炸性氣體的點(diǎn)火能量之下。

4-16齊納式安全柵的基本結(jié)構(gòu)是什么？它是怎樣限壓、限流的？

解答：

1）結(jié)構(gòu)：圖4-19所示。

2）利用齊納二極管的反向擊穿特性進(jìn)行限壓，用電阻進(jìn)行限流。

第5章思考題與習(xí)題

5-1什么是被控過程的數(shù)學(xué)模型？

解答：

被控過程的數(shù)學(xué)模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動(dòng)輸入）作用下，其狀

態(tài)和輸出（被控參數(shù)）變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

5-2建立被控過程數(shù)學(xué)模型的目的是什么？過程控制對數(shù)學(xué)模型有什么要求？

解答：

1）目的：①設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù);

②指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計(jì)與操作;

③對被控過程進(jìn)行仿真研究；

④培訓(xùn)運(yùn)行操作人員；

⑤工業(yè)過程的故障檢測與診斷。

2）要求：總的原則一是盡量簡單，二是正確可靠。階次一般不高于三階，大量采

用具有純滯后的一階和二階模型，最常用的是帶純滯后的一階形式。

5-3建立被控過程數(shù)學(xué)模型的方法有哪些？各有什么要求和局限性？

解答:P127

1）方法：機(jī)理法和測試法。

2）機(jī)理法:

測試法：

5-4什么是流入量？什么是流出量？它們與控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號有什么區(qū)別與

聯(lián)系？

解答：

1）流入量：把被控過程看作一個(gè)獨(dú)立的隔離體，從外部流入被控過程的物質(zhì)或能

量流量稱為流入量。

流出量：從被控過程流出的物質(zhì)或能量流量稱為流出量。

2）區(qū)別與聯(lián)系:

控制系統(tǒng)的輸入量：控制變量和擾動(dòng)變量。

控制系統(tǒng)的輸出變量：系統(tǒng)的被控參數(shù)。

5-5機(jī)理法建模一般適用于什么場合？

解答：P128

對被控過程的工作機(jī)理非常熟悉，被控參數(shù)與控制變量的變化都與物質(zhì)和能量的流

動(dòng)與轉(zhuǎn)換有密切關(guān)系。

5-6什么是自衡特性？具有自衡特性被控過程的系統(tǒng)框圖有什么特點(diǎn)？

解答：

1）在擾動(dòng)作用破壞其平衡工況后，被控過程在沒有外部干預(yù)的情況下自動(dòng)恢復(fù)平

衡的特性，稱為自衡特性。

2）被控過程輸出對擾動(dòng)存在負(fù)反饋。

5-7什么是單容過程和多容過程？

解答：

1）單容：只有一個(gè)儲蓄容量。

2）多容：有一個(gè)以上儲蓄容量。

5-8什么是過程的滯后特性？滯后又哪幾種？產(chǎn)生的原因是什么？

解答：

1)滯后特性：過程對于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上的滯后。

2)容量滯后：多容過程對于擾動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間上的這種延遲被稱為容量滯后。

純滯后：在生產(chǎn)過程中還經(jīng)常遇到由(物料、能量、信號)傳輸延遲引起的純

滯后。

5-9對圖5-40所示的液位過程，輸入量為0,流出量為。2、。3,液位為被控參數(shù),

水箱截面為A，并設(shè)/?2、R,為線性液阻。

(1)列寫液位過程的微分方程組；

(2)畫出液位過程的框圖；

(3)求出傳遞函數(shù)"(s)/Q|(s),并寫出放大倍數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T的表達(dá)式。

解答：

△Q\-23=A—J-

八。-八。at

AQA/2

2-K

AQ以

3-兄

(2)框圖如圖:

Q's)-——1/AS-------H(s)

如)

1/R2

%)

1/R3

(3)"⑶=&&

Q.(s)AR禺s++&

5-10以a為輸入、4為輸出列寫圖5-10由聯(lián)雙客滿侍過程的微分方程幺日.并乘由傳

遞函數(shù)”2（S）/QI（S）°

解答:△Q—QLA第

at

△%△%

△。2=

1）方程組:

4△色

△Q-=A

△口=等

附3

2）傳遞函數(shù):

Oii(s)工存之+(7]+n+7J2)5+I3

式中：7]=4%,T2=A7?3，T{2=A1R3

3）過程框圖:

5-12何為測試法建模？它有什么特點(diǎn)？

解答:

1）是根據(jù)工業(yè)過程輸入、輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到數(shù)學(xué)模型。

2）可以在不十分清楚內(nèi)部機(jī)理的情況下，把被研究的對象視為一個(gè)黑匣子，完全

通過外部測試來描述它的特性。

5-13應(yīng)用直接法測定階躍響應(yīng)曲線時(shí)應(yīng)注意那些問題？

解答:P139

（1）合理地選擇階躍輸入信號的幅度

（2）試驗(yàn)時(shí)被控過程應(yīng)處于相對穩(wěn)定的工況

(3)要仔細(xì)記錄階躍曲線的起始部分

(4)多次測試，消除非線性

5-14簡述將矩形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線的方法；矩形脈沖法測定被控過程

的階躍響應(yīng)曲線的優(yōu)點(diǎn)是什么？

解答：P139-P140

1)

2)

5-15實(shí)驗(yàn)測得某液位過程的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)如下：

t/s01020406080100140180250300400500

600...

h/cm000.20.82.03.65.48.811.814.416.618.419.2

19.6...

當(dāng)階躍擾動(dòng)為△〃=20%時(shí)：

(1)畫出液位的階躍響應(yīng)曲線；

(2)用一階慣性環(huán)節(jié)加滯后近似描述該過程的動(dòng)態(tài)特性，確定K、T、ro

解答:

(1)

(2)

第6章思考題與習(xí)題

6-1簡單控制系統(tǒng)由幾個(gè)環(huán)節(jié)組成？

解答：

測量變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、被控過程四個(gè)環(huán)節(jié)組成。

6-2簡述控制方案設(shè)計(jì)的基本要求。

解答：

安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。

6-3簡單歸納控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

解答：

1）控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；

2）工程設(shè)計(jì)；

3）工程安裝和儀表調(diào)校；

4）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。

6-4過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括哪些步驟？

解答：P174

（1）熟悉和理解生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的技術(shù)要求與性能指標(biāo)

（2）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型

（3）控制方案的確定

（4）控制設(shè)備選型

（5）實(shí)驗(yàn)（或仿真）驗(yàn)證

6-5選擇被控參數(shù)應(yīng)遵循哪些基本原則？什么是直接參數(shù)？什么是間接參數(shù)？兩者有

何關(guān)系？

解答：

1）原則：必須根據(jù)工藝要求，深入分析、生產(chǎn)過程，找出對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、

生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗等具有決定性作用，能較好反映生產(chǎn)工藝狀

態(tài)及變化的參數(shù)作為被控參數(shù)。

2）直接參數(shù)：能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)

3）間接參數(shù)：與質(zhì)量指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的變量，間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、

生產(chǎn)過程的實(shí)際情況。

4）兩者關(guān)系：間接參數(shù)是直接參數(shù)的單值函數(shù)。

6-6選擇控制變量時(shí)，為什么要分析被控過程的特性？為什么希望控制通道放大系數(shù)

要大、時(shí)間常數(shù)小、純滯后時(shí)間吃越小越好？而干擾通道的放大系數(shù)K,盡可能小、

時(shí)間常數(shù)T,盡可能大？

解答：

1)控制變量和干擾變量對被控參數(shù)的影響都于過程的特性密切相關(guān)。

2)控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)Ko越大，系統(tǒng)的靜態(tài)偏差越小，表明控制作用越靈敏,

克服擾動(dòng)的能力越強(qiáng)，控制效果越好。

時(shí)間常數(shù)To小，被控參數(shù)對控制變量的反應(yīng)靈敏、控制及時(shí)，從而獲得良好的控

制品質(zhì)。

純滯后r0的存在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。7。值越大，對系統(tǒng)的影響越大。

3)擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù)Kf越小，表明外部擾動(dòng)對被控參數(shù)的影響越小。時(shí)間常數(shù)

Tf越大，外部干擾f(t)對被控參數(shù)y(t)的影響越小，系統(tǒng)的控制品質(zhì)越好。

6-7當(dāng)被控過程存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，為什么應(yīng)盡量使時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開？

解答:P182

由自控理論知識可知，開環(huán)傳遞函數(shù)中幾個(gè)時(shí)間常數(shù)值錯(cuò)開，可提高系統(tǒng)的工作頻

率，減小過渡過程時(shí)間和最大偏差等，改善控制質(zhì)量。

6-8選擇檢測變送裝置時(shí)要注意哪些問題？怎樣克服或減小純滯后？

解答：

1)P184-K2、3、4

2)合理選擇檢測點(diǎn)。

6-9調(diào)節(jié)閥口徑選擇不當(dāng)，過大或過小會帶來什么問題？正常工況下，調(diào)節(jié)閥的開度

在什么范圍比較合適？

解答：

1)調(diào)節(jié)閥口徑選得過大，閥門調(diào)節(jié)靈敏度低，工作特性差，甚至?xí)a(chǎn)生振蕩或調(diào)

節(jié)失靈的情況。

調(diào)節(jié)閥口徑選得過小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥工作在全開或全關(guān)的

飽和狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時(shí)處于失控工況，這對擾動(dòng)偏差的消除不利。

2）正常工況下要求調(diào)節(jié)閥的開度在15%-85%之間。

6-10選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式的首要原則是什么？

解答:

保證人身安全、系統(tǒng)與設(shè)備安全是調(diào)節(jié)閥開、關(guān)作用方式選擇的首要原則。

6-11調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇依據(jù)是什么？

解答:

確定原則是整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。

6-12在蒸氣鍋爐運(yùn)行過程中，必須滿足汽-水平衡關(guān)系，汽包水位是一個(gè)十分主要的

指標(biāo)。當(dāng)液位過低時(shí)，汽包中的水易被燒干引發(fā)生產(chǎn)事故，甚至?xí)l(fā)生爆炸，為此設(shè)計(jì)

如圖6-28所示的液位控制系統(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式和調(diào)節(jié)閥LC正、反作

用；畫出該控制系統(tǒng)的框圖。

解答：見圖2—28

1)調(diào)節(jié)閥：氣關(guān)方式。

2)調(diào)節(jié)器：正作用。

3)框圖:

6-13在如圖6-29所示的化工過程中，化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。為使化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,

必須用熱水通過加熱套加熱反應(yīng)物料，以保證化學(xué)反應(yīng)在規(guī)定的溫度下進(jìn)行。如果溫度

太低，不但會導(dǎo)致反映停止，還會使物料產(chǎn)生聚合凝固導(dǎo)致設(shè)備堵塞，為生產(chǎn)過程再次

運(yùn)行造成麻煩甚至損壞設(shè)備。為此設(shè)計(jì)如圖6-29所示的溫度控制系統(tǒng)。試確定調(diào)節(jié)閥

的氣開、氣關(guān)方式和調(diào)節(jié)閥的TC正、反作用；畫出該控制系統(tǒng)的框圖。

解答:?■<9

熱水A

1）調(diào)節(jié)閥：氣開式。

2）調(diào)節(jié)器：反作用。

3）框圖:

6-14簡述比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點(diǎn)。

解答:P193

1）比例控制：是最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很迅速。

比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，整定簡便。比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)存在靜差。

2）積分控制：積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是沒有靜差。但它的動(dòng)態(tài)偏差最大、調(diào)節(jié)時(shí)間長,

只能用于有自衡特性的簡單對象、很少單獨(dú)使用。

3）微分控制：超前調(diào)節(jié)。

6-21試比較臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法及經(jīng)驗(yàn)法的特點(diǎn)。

解答:P201

臨界比例度法：

衰減曲線法：

響應(yīng)曲線法：

經(jīng)驗(yàn)法:

6-22如圖6-30所示熱交換器，將進(jìn)入其中的冷卻物料加熱到設(shè)定溫度。工藝要求熱

物料溫度的△TW±1。。，而且不能發(fā)生過熱情況，以免造成生產(chǎn)事故。試設(shè)計(jì)一個(gè)簡單

控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱物料的溫度控制，并確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)方式，調(diào)節(jié)器的正反作

用方式，以及調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。

解答：

1）被控參數(shù)選擇：

熱交換器出口溫度。

2）控制參數(shù)選擇:

載熱介質(zhì)流量。

3）檢測儀表選擇：

溫度傳感器與溫度變送器。

4）調(diào)節(jié)閥選擇：

①流量特性選擇：對數(shù)流量特性。

②氣開、氣關(guān)方式選擇：氣開。

5）調(diào)節(jié)器選擇：

①調(diào)節(jié)規(guī)律選擇：PI或PID。

②正反作用方式選擇：反作用方式。

系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正、負(fù)符號判別：被控過程：十；變送器：+；調(diào)節(jié)閥：+；

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋條件：各環(huán)節(jié)符號之積必為“一”，則調(diào)