第一章 自动控制系统基本概念

1.自动控制系统主要由哪些环节构成？各组成环节起什么作用？

答:自动控制系统主要有俩大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，包括测量元件及变送器、控制器、执行器。另一部分是受自动化装置控制的被控对象。

测量元件及变送器作用是用来感受被控变量的变化并将它转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电流、电压信号等）。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器,执行器作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

2.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？

答：闭环自动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。

开环控制系统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。

开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。而闭环控制系统可以随时了解被控对象的情况，有针对性的根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向。

3.什么是负反馈？负反馈在控制系统中有什么重要意义？

答:反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；

意义：当被空变量受到干扰的影响而升高时，只有负反馈才能是反馈信号升高，经过比较到控制器的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被空变量下降到给定值，这样就达到了控制的目的。

4.什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究系统的动态比研究静态更为重要？

答:在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。 系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。

在自动化生产中，了解研究控制系统的动态比其静态更为重要。因为在生产过程中干扰是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或或抵消干扰作用的影响，从而使被控装变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。一个自动控制系统在正常工作时，总是处于一波未平，一波又起，波动不止，往复不息的动态过程。因此说研究动态比静态更有意义。 5.什么是自动控制系统的过渡过程？有哪些基本形式？

答:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为系统的过渡过程。 有以下几种形式。①发散振荡过程；③等幅振荡过程；④衰减振荡过程；⑤，非周期衰减过程。 6.衰减振荡过程的品质指标有哪些？各自的含义？

答:衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。 最大偏差：在过渡过程中，被变控量偏离给定值的最大数值。

衰减比：过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。

余差：当过渡过程终了时，被空变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差。

过渡时间：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。 振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的间隔时间叫振荡周期，其倒数称为振荡频率。

课本21. 某化学反应器工艺规定的操作温度为(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图1-13所示。试求最大偏差、衰减比和振荡周期等过渡过程品质指标，并说明该控制系统是否满足题中的工艺要求。

解 由过渡过程曲线可知 最大偏差 A=950-900=50℃ 衰减比 第一个波峰值B=950-908=42℃ 第二个波峰值B'=918-908=10℃ 衰减比n=42:10=4.2 振荡周期 T=45-9=36min

制药过程控制原理与仪表

余差 C=908-900＝8℃ 过渡时间为 47min。 由于最大偏差为50℃，不超过80℃，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。

第二章 过程特性及其数学模型 7.什么是对象的特性？为什么要研究对象特性？

答:对象特性是指用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系。

在生产过程中，存在着各种各样的对象。有的操作很稳定，操作很容易；有的对象则不然，只要稍不小心就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。只有充分了解和熟悉这些对象，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此在控制系统设计时，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，选择合适的被空变量和操纵变量，选择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，使系统正常的运行。特别是一些比较复杂的控制方案设计，例如前馈控制计算机最优控制等更离不开对象特性的研究。

8.何谓对象的数学模型？静态数学模型与动态数学模型有什么区别？

答:定量地表达对象输入输出关系的数学表达式称为对象的数学模型。

静态数学模型描述的是对象在静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。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。 9.建立对象的数学模型有什么重要意义？

? 控制系统的方案设计 ，对被控对象特性的全面和深入地了解，是设计控制系统的基础。 ? 控制系统的调试和控制器参数的确定，离不开对被控对象特性的了解。

? 制定工业过程操作优化方案，这一命题解决离不开对被控对象特性的了解，而且主要是依靠对象的静

态数学模型。

? 新型控制方案及控制算法的确定，往往离不开被控对象的数学模型。 ? 利用开发的数学模型可进行计算机仿真与过程培训系统。

? 设计工业过程的故障检测与诊断系统，利用开发的数学模型可以及时发现工业过程中控制系统的故障

及其原因，并能提供正确的解决途径

课本9.为什么说放大系数K是对象的静态特性？而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？

答:放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

时间常数T 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,是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。

滞后时间τ是指对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这种现象的参数。因此它是反映对象动态特性的重要参数。 10.何谓系统辨识和参数估计？

答:应用对象的输人输出的实测数据来确定其数学模型的结构和参数，通常称为系统辨识。在已知对象数学模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。

第三章 检测仪表与传感器

11.什么叫测量过程？

答 测量过程实质上是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般它都是利用专门的技术工具，即测量仪表将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。

12.何为测量误差？测量误差的表示方法主要有哪两种？各是什么意义？

答：在测量过程中，由于所使用的测量工具本身不够准确，观察者的主观性和周围环境的影响等等，使得测量的结果不能绝对准确。由仪表读得的被测值与被测量真值之间，总是存在一定的差距，这一差距就成为测量误差。主要有绝对误差和相对误差，绝对误差在理论上是指仪表指示值和被测量的真值之间的差值。相对误差等于某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值之比。 13.何谓仪表的精度等级？

答 仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。仪表的精度等级是将仪表允许相对百分误差的“±”号及“%”去掉后的数值，以一定的符号形式表示在仪表标尺板上。

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14.什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力之间有何关系 ？

答：压力指均匀垂直的作用在单位面积上的力。表压是绝对压力和大气压力之差，真空度是大气压力与绝对压力之差。课本39页图。

15.霍尔片式压力传感器是如何利用霍尔效应实现压力测量的？

答：霍尔片压力传感器是利用弹性元件的变形位移，然后再利用固接在弹性元件位移部分的霍尔片在磁场中移动，使通过霍尔片的磁感应强度发生变化，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。

16.什么叫节流现象？流体经节流装置时为什么会产生静压差？

答 节流现象流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

流体经节流装置时，由于流速发生变化，使流体的动能发生变化，根据能量守恒定律，动能的变化必然引起静压能变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。 17.试述漩涡流量计的工作原理及特点？

答：旋涡流量计又称涡街流量计，它是利用流体自然振荡的原理制成的一种漩涡分离型流量计。当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时，若该物体的几何尺寸适当，则在物体的后面，沿两条平行直线上产生整齐排列，转向相反的涡列，涡列的个数即涡街频率，和流体的速度成正比。因而通过测漩涡频率就可知道流体的流速，从而测出流体的流量。特点：精确度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。

18.用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法有哪几种？

答：采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是零。而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为零的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一曲线进行刻度的。由于操作室的温度往往高于零，而且是不恒定的，这时热电偶产生的热电势必然偏小。且测量值也随着冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为零，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。

冷端温度补偿的方法有以下几种：(1)冷端温度保持为0℃的方法；(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。

19.试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括那些元件和仪表？输入输出信号各是什么？

答： 热电偶温度计包括感温元件热电偶、补偿导线及铜线和测量仪表。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转化为热电势的变化来测量温度的，所以输入信号是温度、输出信号是热电势。

热电阻温度计包括感温元件热电阻、连接导线和显示仪表。热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件热电阻转化为电阻值的变化来测量温度的，所以输入信号是温度、输出信号是电阻值。 20.热电偶的结构与热电阻的结构有什么不同？

答：热电偶结构型式有普通型、铠装型、表面型和快速型四种，热电阻的结构型式有普通型、铠装型、薄膜型三种。普通型热电偶由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成，普通型热电阻由电阻体、保护套管和接线盒等主要部分组成，其中保护套管和接线盒与热电偶的基本相同，中心元件电阻体与热电偶的热电极不同。铠装型热电偶的结构与铠装型热电阻的结构完全不同。 课本50.什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？

答：在使用差压变送器测量液位时，一般压差P与液位高度H之间的关系为：P=pgH。这就是一般的无迁移的情况。当H=0时，作用在正负压室的压力是相等的。实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量中，当被测液位H=0时，差压变送器正负室的压力并不相等，即P=0,这就是液位测量时的零点迁移问题。

为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，使得当液位H=0时，尽管差压变送器的输入信号p不等于零，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为零点迁移方法。

零点迁移实质是变送器零点的大范围调整，改变侧量范围的上下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。

课本62.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？

解((1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即

E(t,t0)?20mV

查表可得 E(t0,0)?E(25,0)?1mV

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因为 E(t,0)?E(t,t0)?E(t0,0)?20?1?21mV 由此电势，查表可得t=509℃，即设备温度为509℃。 (2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。查表可得

E(t0,0)?E(25,0)?1.5mV 设备温度为509℃，查表可得

E(t,0)?E(509,0)?37.7mV

因为 E(t,t0)?E(t,0)?E(t0,0)?37.7?1.5?36.2mV

即E热电偶测得的热电势为36.2mV。

课本64.测温系统如图3-17所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶的分度号为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℃)

图3-17 测温系统图

解 这是工业上用的热电偶温度计。查分度号E，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是由K热电偶产生的，即

E(tx,25)?10501?V

?V，由此可见， 查分度号K，可得E(20,0)?1000E(tx,0)?E(tx,25)?E(25,0)?10501?1000?11501?V

由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。

第四章 自动控制仪表

21.什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？各自表达式？

答： 所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即

p?f(e)?f(z?x)

常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例PI, PD, PID等。

表达式：

p?KI?edt p?KP(e?KI?edt)

p?TDdede) p?KP(e?TDdtdtp?KP(e?1deedt?T) D?TIdt22.试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。

答：比例控制器的特点是反应快、控制及时。有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例变化，偏差越大输出的控制作用越强。但有余差存在，故只在对被空变量要求不高的场合才能单独使用。 积分控制器的特点是控制缓慢，但能消除余差。

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，但它的输出不能反映偏差的大小，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用。

第五章 执行器

23.什么是控制阀的流量特性及工作流量特性？

答 控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系。在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性成为工作流量特性。

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