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：自动控制系统主要有被控对象,测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。 自动控制系统常用的术语有：

被控变量y；给定值ys；测量值ym；操纵变量m；干扰f；偏差信号（e）；控制信号u 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：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。

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：闭环控制是控制系统的输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。 开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。

定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量是输出信号增大。可见定值控制系统 满足闭环负反馈系统的要求。

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。

设定温度 控制信号 蒸汽流量 Ts 偏差e TC温控器 调节阀 干扰作用被控对象 Th Th,m 温度测量变送装置TT 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； f 阀门 贮槽 h hs 液位控制器

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，从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量恢复到给定值附近范围内的过程叫做系统的过渡过程。 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 ⑤等幅振荡过程。上述五种振荡过程，其中非振荡衰减和振荡衰减过程是稳定过程，能基本满足要求，但衰减过程被控变量达到新稳态值进程过于缓慢，致使被控变量长期偏离给定值，所以一般不采用。只有生产工艺不允许被控变量振荡时才会考虑采用这种形式的过渡过程。 等幅振荡发散振荡和非振荡发散受到阶跃干扰后不能稳定下来，不符合自动控自要求 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。T：时间常数是指当对象受到输入作用后，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。或当对象受到输入作用后，被控变量达到新的稳态值的快慢。它决定整个动态过程的长短；τ：描述对象滞后现象的动态参数

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：被控对象的控制通道是指操纵变量与控制变量之间的关系，干扰通道是指干扰作用与被控变量之间的关系。

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：放大系数对控制的影响：对控制通道而言，放大系数K值大，即使调节器输出变化不大，也会对被控对象产生很大影响，控制灵敏。反之放大系数小，被控变量变化迟缓。对干扰通道而言，如果K很小，即使干扰幅度很大也不会对控制变量产生很大影响，如果K很大则当干扰幅度很大并且频繁出现系统很难稳定。

时间常数T对控制影响：对控制通道而言，时间常数大，则被控变量变化较平缓，系统容易控制，缺点是控制较缓慢。若T小，则控制变量变化迅速，不易控制。对干扰通道而言，时间常数大明显存在好处，此时阶跃干扰系统影响比较平缓，被控变量变化平缓，系统容易控制。

滞后时间对控制影响：对控制通道而言，滞后存在是不利的，使控制不够及时，在干扰出现后不能及时调节，严重影响控制质量。对干扰通道而言，纯滞后只是延迟干扰时间，并不影响控制质量，对于容量滞后则可以缓和干扰对控制变量的影响，因而对控制系统是有利

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(0)x(?)?x(0)=

H(?)?H(0)?qv1

qv1 t0 T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间， H H(?) t0Δqv1

T=t1?t0，?0?0

?c如图所示，不存在容量滞后，

??c?0

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：双位控制是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置，双位控制结构简单成本较低使用方便，对配用的调节阀没有任何要求，缺点是被控对象总是在波动，控制质量不高，且当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大，不适合控制要求较高场合。 比例控制是指调节器输出变化量与输入变化量成比例，比例控制系统能迅速的克服干扰影响，使系统未定下来。有点是反应快控制及时，缺点是被控对象负荷发生改变时，系统输出存在余差。

积分控制是指调节器输出变化量与输入余差积分成正比，积分控制可以消除余差，但输出变化总是滞后于余差变化，不能及时克服扰动影响，使被控变量的波动加剧，使系统难以稳定。

微分控制是指调节器输出变化量与输入偏差变化速度成正比，且具有一定的超前控制作用，抑制振动，增强系统稳定（但微分作用不宜过强）

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。

A Δu(t) e(t) e(t) A t KpA t KpA pA KKpA e(t) A t t KpA 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。

答：比例控制反应快，控制及时，但有余差。积分控制作用缓慢但可消除余差。微分控制具有一定的超前控制作用，抑制振荡，增强稳定性。若将三者结合起来，并选择适合的比例度、积分时间、微分时间，就可以得到无余差、控制及时又稳定的高质量控制。 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。

答：调整积分时间对控制作用的影响：随着积分时间的减小积分作用不断增强，在相同的干扰作用下，调节器的输出增大，最小偏差减小，余差消除很快，但同时系统的震荡加剧。积分时间过小还可能导致系统的不稳定。

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：调节参数整定目的是按照给定的控制系统，求取控制系统最好的调节器参数。工程上

常用的整定方法有经验试凑法、临界比例法、曲线衰减法 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，

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 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：串级控制系统中主回路在控制过程中起着细调作用，是定值控制系统，副回路在控制系统中起着粗调作用，是随动控制系统。这是因为串级控制系统的目的是更好的稳定主回路，使其等于给定值，主变量就是主调节器的输出，所以说主回路是定制给定系统；副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主调节器的输出，所以在串级控制系统中，复变量不是要求不变的，而是随着主调节器的输出变化而变化，因此是随动控制系统。 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：

检测变送1（温度） 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。主要应用于非正常生产过程的保护性措施中。 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。

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

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????x?100%??6%，可表示仪表的基本误差限与绝对误差相比较，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,???360?100%??5.0%，

若实际为30℃，测量显示值为27℃ ，则 ：

?=-3℃，???330?100%??10.0%，显然此时的相对误差比前者大。

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???s?100%??d%，

3100如温度计的量程为100℃，则其引用误差q???100%??3%，

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 示量/A 1 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：??，

A0 示值相对误差：?'??xx

?x，引用误差：q??xS

所以数值计算列表如下：

A0 1 1.10 0.1 0.1 2 1.98 -0.02 -0.01 3 3.01 0.01 0.0033 4 4.08 0.08 0.02 5 5.02 0.02 0.004 X ?x?x?A0 ???xA0?xx ?'? 0.091 0.02 -0.0101 0.004 0.0033 0.002 0.0196 0.04 0.004 0.004 q??xS 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： 324.08 324.18 324.03 324.03 324.02 324.01 324.11 324.12 324.14 324.08 324.07 324.16 324.11 324.12 324.14 324.06 324.19 324.21 324.23 324.14 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。 解：n=20，平均值x =

1nn?xi?1i?12020?xi?1i?324.11，

剩余误差：Vi?xi?x，即：

-0.03 0.07 -0.08 -0.08 1-0.09 -0.1 n2i0 0.01 0.03 -0.03 -0.04 0.05 0 0.01 0.03 -0.05 0.08 0.1 0.12 0.03 标准差? =?Vn?1i?1?0.064，标限误差?max?0.12 （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??0?=2.24

?k??0.14336，Vmax?0.12?k?，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。 解：（1）??(z)?p{|?x|?z?}=z?0.520.6985 z?0.5322??z0e?z22dz?2?z??e?z22dz?1，

由此推得0.7时，z?0.5205

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0?100℃，

?50?550℃和?100?500℃，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=

?maxS

??max?0.02?[550?(?50)]?12℃ ??max?12500?0.024?2.4%?2.5%

故B表合适。 C表：q=2.5%=0.025=

?maxS

??max?0.025?[500?(?100)]?15℃

??max?15500?0.03?3%?2.5%

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??LmaxYmax?2.04?0.7199?362.27?2.046??0.01995?100%??2%

（3）?h?

?HmaxYmax??3.8%

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。

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

00（1） tA?220C ， tB?20C 00 （2）tA?200C， tB?500C

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预先调到20 处，即可使示值与实际温度相符。

t0?t1?80C（3）若将补偿导线改为铜线，则 ,

0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

67.97?50.4???1?4.28?10t?81.5C0?3?t?0???

∴表压

P表?P水?Pa??水银gh3??水g?h1?h2?h3??13.6?10?9.8?0.14?1?10?9.8??1.5?0.08?0.14?

33?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，2，求电桥输出。 R1?R2?R3?R4?，应变片灵敏系数为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)2(?R1R1??R2R2??R4R4??R3R3)u

?R1?R2?R3?R4?R

u0??R224R(?R1??R2??R4??R3R)u

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.

1s?M1min 3323s?0.7s?1s?2.1MPas?1.5MPa2 M?smax故选用0～1.6MPa 精度等级：

3?max??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： 节流装置 工作原理 利用节流元件前后的差压与流速之间的关系，获得被测流量的大小 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% 转子流量计 基于力平衡原理，利用锥形管内的转子把流体的流速转换成转子的位移，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，结构简单，维修方便，0.02

相同点：都是测流速然后得流量。 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/C ?D?12.30?100?6/C

0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:

KD?0.722.4?0.03125

d?d20??1??d?t1?20????148.74??1?18.2?10?150.17mm?6?550?20???

47??dD?150.77222.4?0.675 0.44???0.8 2?10?Re?10

1.156C?0.9900?0.2262???0.00175??0.0033?424.5?10????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?4K?x?1??等熵指数??x?1?4??1????22xK?1?2??1??K???? ??1????????其中??1??PP1?1?100.42?101.4?1073?0.993

因为??0.99

A0??4d2??4?150.17?1770.56mm

22qm?CqA01??42?1?P?

22?p?1??4?C?1??4?C??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。

?60?60解：?D?12.78?10/C ?d?17.20?10/C

?6?D?D20??1??D?t1?20????233??1?12.78?10??215?20??

?233.6mm

d?d20??1??d?t1?20????117.34??1?17.20?10?117.7mm?6??215?20???

??dD?117.7233.6?0.504

C?0.5959?0.0312?2.1?106?82.5?0.1840??0.0029???R?e??10874.83mm

0.7?2.286D?4?1???4?1?0.8560D?3液体 ?=1, A0=qm=C?A01??4?4d229?P 3?1?846.8kg/mqm=

?p=1-?1-?44?C??C?22.?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；气动转换部分的作用，是将被测差压Δpi转换成为作用于主杠杆下端的输入力Fi。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力

Fi??P1?P2?Ad??PiAdFi。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

Mf?Mi

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：电动差压变送器的零点迁移是通过调整零点迁移弹簧进行的。当调整零点迁移弹簧时，由主杠杆力矩平衡，可知在被测差压信号不变的情况下，作用于矢量结构的力F1变化，从而改变压差变送器的输出电流，即改变仪表的使用范围，实现量程迁移 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 0?10mA 现场变送器

（b）

（a）

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出?KpP入。积分部分用积分气容和跟踪气室串联在积分正反馈回路里，?P出?KpTi?t0P入dt，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?

e解：∵??xmax?xminppmax?pmin?0.4

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：

qvqvmax?f(lL)。调节阀的理想流量特性是指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：

??p?Fl2(p1?FFpv),c?10qvl??2?p?F(p1?Ffpv),c?10qvl?l?c?10qvl???

2?L/FL(p1?FFpv)???L/(p1?p2)?L/FL(p1?FFpv)

2

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0?10mA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（0.02?0.1MPa）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=

?PP1=(0.2-0.12)/0.2=0.4<0.7056

故为非阻塞流 Y=1-(X3FKXT)=1-0.43?0.7056=0.811

Cmax=qvg5.19p1YT1?Hzx＝25010?5.19?0.2?0.8113(50?273)?2.4?10.4＝13.07

A查附表：ZMBP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= 70700QLvC

28.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：

?72P1?1.5MPa，?P?0.05MPa，t1?170℃，v?1.81?10m/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? FL(P1?FFPv)= 0.85?(1.5?0.08?0.88)

2?P?0.05MPa

（2）求Cn。

Cn=

(3)计算Cmax

SR?0?max?1?n(1?Sn)= 1?1.25(1?0.65)=0.453

22m=n

SnSQ?Qmax=1.25 ?0.650.453=1.5 ?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/m，k=1.14，P1=0.8MPa，P2=0.38 MPa，接管直径

3D1?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?k1.4=

1.141.4?0.814 设T1=100℃

X=

?PP1=(0.8-0.38)/0.8=0.525

故为非阻塞流

?Cmax=qvg5.19p1YX3FKXTT1?Hzx)=1- 0.525式中Y=1-(3?0.814?0.72=0.701

?Cmax=

900043.5?10?0.8?5.19?0.7013(100?273)?43.5?10.525=12.5 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

33为：P1=5.2MPa ，?P?0.07MPa，t1?150℃，?L?850kg/m，qv?6.8m/h，

?42v?1.80?10m/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)

=10?6.8?850(0.07?10)3=236.96 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： 测生 产 过 程 测量量控制 模 拟 仪 表

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。

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，系统按照PID进行调节，表示为 ?p(k)...当|e(k)|?B,PID控制动作?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?0.17s0.085s，可得：Kp=1 TI=0.17 TD=0.085

TTIk?位置式 u(k)= Kp{e(k)+

?i?0e(i)?TDT[e(k)?e(k?1)]}

代入 T=0.2

? u(k)= {e(k)+

?0.17i?00.2ke(i)?0.0850.2[e(k)?e(k?1)]}

增量式：

?u(k)= Kp[e(k)?e(k?1)]+KIe(k)?KD[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]

其中：KI?KpTTI?1?0.20.17 KD?Kp1?0.20.17TDT?1?0.0850.2

? ?u(k)= [e(k)?e(k?1)]+e(k)?1?0.0850.2[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]

12．计算机控制系统的设计有哪些基本原则？其设计步骤是怎样的

答：计算机控制系统设计的基本原则：1。系统操作性能好——使用方便和维修方便。2。可靠性高。3。通用性好，便于扩充。4。实时性强——表现在时间驱动和时间驱动能力上。5。设计周期短，价格便宜。

设计步骤：1.确定系统整体控制方案：确定系统整体控制方案；确定系统的构成方式；现场设备选择;2.确定控制算法;3.系统硬软件的设计:4.系统调试。

13．如何提高计算机控制系统的可靠性？有哪些方法途径？

答：为了提高计算机控制系统的可靠性和可维护性，常采用提高元器件的可靠性，设计系统的冗条技术，采取抗干扰措施，采用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性技术等。

常用的冗条系统——并联系统，备用系统，表决系统。抗干扰措施——电磁干扰的屏蔽；隔离技术；共模输入法；电源系统的干扰抑制；布线的防干扰；接地设计；软件的抗干扰措施。

14．过程控制系统所处的干扰环境是极其恶劣的，试阐述它所受的干扰有哪些？

答：干扰分为3类：（1）空间感应干扰，它以电磁感应形式进入系统的任何部件和线路（2）类干扰是通过对通道的感应，传输结合，地线联系进入通道部分的干扰（3）电网的冲击波通过变压器结合系统进入电源系统而传到各个部分的。

15．共模干扰与串模干扰个有什么特点，它们是如何进入系统造成干扰的？

答：在计算机控制系统中，由于对象，通道装置比较，通道与被测信号之间往往要长线连接，由此造成了被测信号地线和主机地线之间存在一定的电位差，它作为干扰，同时施加在通道的两个输入端上，称为共模干扰。

共模干扰的抑制措施：采用高共模抑制比的差动放大器，采用浮地输入双层屏蔽放大器，光电隔离，使用隔离放大器。

16．长线传输干扰为什么不可避免，如何加以抑制？

答：在计算机控制系统中，由于对象，通道装置比较分散，通道与被测信号之间望完要长线连接，由此造成了被测信号地线和主机地线之间存在一定的电位差，它作为干扰，同时施加在通道的两个输入端上，称为共模干扰。

共模干扰的抑制措施：采用高共模抑制比的差动放大器，采用浮地输入双层屏蔽放大器，光电隔离，使用隔离放大器。

17．模拟地与数字地为何必须严格分开？

答：模拟地是作为A/D转换，前置放大器，比较器等模拟信号传递电路的零电位；数字地即逻辑地，主要是指TTL或CMOS印刷电路板的地端，作为数字逻辑的零位。

18．在计算机控制系统中，常用的抗干扰措施有哪些？分析合理接地的重要性。

答：抗干扰措施——电磁干扰的屏蔽；隔离技术；共模输入法；电源系统的干扰抑制；布线的防干扰；接地设计；软件的抗干扰措施。

接地问题在计算机实时控制系统抗干扰中有重要地位，接地不当，将引入干扰。接地设计目的在于消除各电路电流流径一个公共地线阻抗时所产生的噪音电压，避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路，使屏蔽和滤波有环路，确保系统安全。

19．可偏程序调节器与普通模拟仪表相比有哪些异同及优点？

答：可偏程序调节器是一种可以由用户编制程序，构成各种控制方式的数字化仪表，它以微处理器为运算控制的核心，是单元组各式仪表向微机化发展和计算机控制向分散化发展两者相结合的方向，具有逻辑控制，计时，计数，分支以及子程序等顺序控制功能，又有数字运算，数据处理，模拟量调节，操作显示以及联网通信等各种功能。

特点：1。编制程序简单。2。控制系统简单，通用性强。3。抗干扰能力强，可靠性高。4。体积小，维护方便。5。缩短了设计，施工，投产调试周期，应用前景广阔。

20．可编程序调节器由哪些部分组成的？各部分的主要作用是什么？

答：可遍程序调节器有四部分组成：1。输入，输出部件；是PC与被控设备连接起来的部件。2。中央处理器，是PC的大脑，处理和运行用户程序，监控中央处理机和输入输出部件的状态，并作出逻辑判断。3。电源部件，是将交流电源转换成供PC的微处理器，存储器等电子电路工作所需要的直流电流，是PC能正常工作。4。编程器，是PC最重要的外围设备，PC需要编程器输入，检查，修改，调试用户程序，也可在线监视PC的工作情况。

21．试简述可编程序调节器的基本工作过程。

答：可编程序调节器的工作过程有三部分：①输入采样—即读状态信息。 ②程序执行—通过CPU中的运算器对读入的输入信号进行逻辑运算。

③输出刷新—当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，使之完成预定的任务。

第六章典型过程控制系统应用方案

1.离心式压缩机防喘振的控制方案有什么特点?

答: 压缩机防喘振的控制方案分为固定极限流量法和可受流量极限流量法,固定极限流量法是控制压缩机的入口流量不低于某一不受的极限值,以防止喘振现象的产生.该方案结构简单,运行安全可靠,投资费用少,但产生喘振现象的流量极限值统统与压缩机的转速有关.因此当压缩机的转速不是衡值时,不宜采用次方案,当压缩机的转速可变时,进入喘振区的极限流量也是变化的.这个极限流量可以根据压缩机的安全操作线经计算得到,可变极限流量法就是控制压缩机的入口流量,使之不低于由计算得到的流量极限值,以防止喘振现象的发生.该方案要根据现场数据来计算流量的极限值.较麻烦,而且当安全操作线的方程不相同时,有不同的计算方法和相应的控制方案.但这种方案在压缩机的转速不恒定,负荷需要变动的场合下,使用较可靠较经济.

2.单回路控制系统的主要应用场合有哪些?

答:单回路控制系统通常是指由一个被控对象,一个检测元件及传感器或变速器,一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统,主要应用于控制负荷变化较小的被控对象,被控对象的动态特性易于控制工艺对调节质量的要求不高时,可选用单回路控制系统.

3.为什么选择控制参数时要从分析过程特性入手?怎样选择一个可控性良好的量作为控制参数?

答:在生产过程中,存在着各种各样的被控对象.这些对象的特性各不相同,有的较易操作,工艺变量能够控制的比较平稳,有的却很难操纵,工艺变量容易产生大幅段波动,容易越出工艺允许的范围,只有充分了解和熟悉对象特征,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,首先必须充分了解被控对象的特征,掌握他的内在规律,才能选择合适的被控变量,操纵变量. 被控变量的选择原则:

(1) 信号可直接测得,测量变送环节的滞后小.

(2) 可选择与之有单质函数关系的间接参数(当不能直接获取时) (3) 独立变量

(4) 考虑工艺合理性及当前仪表性能 操纵变量的选择原则: (1).考虑工艺合理性

(2)考虑被控对象特征:使被控对象控制通道的放大系数较大,时间常数较小,纯滞后时间越小越好.使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小,时间常数越大越好.

4.化学反应里对自动控制有什么基本要求? 答:基本要求有以下几个方面:

①控制指标—根据进行的反映不同,指标选择不同,如反应转化率,产品的质量,产量等直接指标或T.P

②物料平衡和能量平衡,以使反映能正常进行

③约束条件:保证反应里能安全正常操作所要求的条件 ④尽可能将干扰作用排除在反应之前,以保证产品质量.

5.为什么大多数反应器的主要被控量都是温度？

对于大多数反映皿来说,其控制要求是在一定的约束条件和保持物料平衡的情况下,使反映皿的生成物的质量指标符合一定的要求,化学反应皿的质量指标一般指反应的转化率或反映生成物的规定浓度,但是转化率或产物浓度一般不易直接测量,所以要寻找与转化率或产物浓度有一定关系的间接质量指标,对于化学反应皿,一般总伴随有热效应,不是吸热就是放热,所以温度量最能够表征转化率或产物浓度的间接控制指标,如果再辅以压力和处理量等控制系统,即可保证反映皿的正常操作.

以温度作为被控变量,由于温度较宜测量,且影响温度的变量教多,给选择操纵变量提供了方便条件,故较宜构成相应的温度控制系统,但有时以温度作为间接控制指标,并不能保证质量稳定,当有干扰作用时,转化率和反映生成物组合等仍会受到影响,特别是在有些反映中,温度与生成物组合间不完全是单值关系,这就需要不断根据情况去改变温度控制系统的给定值,在有催化剂的反映皿中由于催化剂的活性变化,温度给定值也要随之改变

6．生产过程一般对换热器控制系统有什么要求？ 答：生产过程对换热器控制系统的要求有以下几点： ①. 被控变量要求是冷却介质（被加热介质）的出口温度；

②. 加热介质是废热热源时，为了节省能量，要求最大限度地加以利用，所以一般不对其

流量进行调节，而是调节被加热介质的流量。

③. 对于两侧均无相变化的换热器的控制，要稳定被加热介质的出口温度。可以通过改变

载热体自身流量，改变载热体旁路流量，改变被加热介质自身流量，改变被加热介质的旁路流量。

④. 当邮箱便是，如蒸气冷凝，其控制方案可以通过改变加热蒸汽流量或改变冷凝水排出

量来维持被加热介质出口温度的稳定。 补：

1. 已知阀的最大流量Q相对行程为

max?100m/h，可调范围R=30。试分别计算在理想情况下阀的

3?L?0.1，0.2，0.8，0.9时的流量值R，并比较不同理想流量特性的控制

阀在小开度时的流量变化情况。 （1） 直线流量特性； （2） 等百分比流量特性。

解：（1）根据直线流量特性的相对流量与相对行程之间的关系：

QQmax?1R[1?(R?1)?L]

分别代入：Qmax?100m3/h ，R=30，

?L?0.1，0.2，0.8，0.9等数据，

可计算出在相对行程为0.1，0.2，0.8，0.9时的流量值。

Q0.1?13m/h，Q0.2?22.67m/h，Q0.8?80.67m/h，Q0.9?90.33m/h

3333（2）根据直线流量特性的相对流量与相对行程之间的关系：

QQmax??RL?1

代入数据得：

Q0.1?4.68m/h，Q0.2?6.58m/h，Q0.8?50.65m/h，Q0.9?71.17m/h

3333由上述数据可得，对于直线流量特性的控制阀，相对行程有10%变化到20%时，流量变化值为：

22.67?1313?100%=74.4%；相对行程由80%变化到90%时，流量变化的相对值为

90.33?80.6780.67?100%=12%，由此可见，对于直线流量特性的控制阀，在小开度时，行程变

化了10%，流量就在原有基础上增加了74.4 %，控制作用很强，容易使系统产生振荡；在大开度时（80%处）。行程同样变化了10%，流量只在原有基础上增加了12%.控制作用很弱，控制不够及时，有力，这是直线流量特性控制阀的一个缺陷。

对于等百分比流量特性的控制阀，相对行程由10%变为20%时，流量变化的相对值为

71.17?50.6550.6571.17?50.6550.65?100%=40%；相对行程由80%变为90%时，流量变化的相对值为

?100%=40%。故对于等百分特性控制阀，不管时小开度或大开度时，行程同

样变化了10%，流量在原来基础上变化的相对百分数量相等的。故取名为等百分比流量特性。具有这种特性的控制阀，在同样的行程变化值下，小开度时，流量变化小，来自比较平稳缓和；大开度时，流量变化大，控制灵敏有效，这是它的 优点。

2.对于一台可调范围R=30的控制阀，已知其最大流量系数为Cmax=100，流体密度为1g/cm3。阀由全关到全开时，由于串联管道的影响，使阀两端的压差由100KPa降为60Kpa，如果不考虑阀的泄漏量的影响，试计算系统的阻力比S，并说明串联管道对可调范围额的影响。（假设被控流体为非阻塞的液体）

解：由于阻力比S等于控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比，在不考虑阀的泄漏量的影响时。阀全关时阀两端的压差就可视为系统总压差，故本系统总压差为100Kpa，阀全开时两端压差为60Kpa，使用阻力比S=

60100?0.6。

由于该阀的Cmax=100，R=30，在理想状况下，阀两端压差维持为100Kpa，流体密度为1g/cm3，则最大流量Qmax?100m3/h ，最小流量Qmin?QmaxR?3.33m/h。对于非阻

3塞流的流体，Cmax=10Qmax?(P1-P2)。串联管道时，由于压差由100Kpa降为60Kpa，故

这是通过阀的最大流量将不再是100m3/h，而是Qmax'=100(P1-P2)??=Qmax'=10Qmax'Qmin601??77.46m/h。

3这时的可调范围为R'?77.463.33?23.26。

由上可见，串联管道时，会使控制阀的流量特性发生崎变，其可调范围会有所降低。如果S值很低，会使可调范围大大降低，以至影响控制阀的特性，使之不能发挥应有的可控制作用。当然，从节能的观点来看，S值大，说明好在阀上的压降大，能量损失大，这是不利的一面。

3试述理想运算放大器的特点。DDZ-Ⅲ型控制器是如何利用理想运算放大器来构成各种运算电路的？

解：理想运算放大器的主要特点是：输入阻抗Ri??，输出阻抗R0?0；开环电压增益

A??；频带宽度?foL??。如图所示，表示由理想放大器构成的反相输入运算电路。输

入电压经阻抗Zi后由放大器的反相端（“—”端）输入。输出电压Vi经反馈阻抗Z0反馈到输入端，因而构成一个闭环电路。选择不同的阻抗形式Zi及Z0，可以使该闭环电路具有不同的运算作用。故又称为运算电路。DDZ-Ⅲ型控制器就是利用这种运算电路实现比例，积分与微分作用的

由集成运算放大器电压增益A的定义可知：

(VT?VF)A?V0

由于A=?，而V0受到电源电压的限制。为一有限值，故有：

VT?VF

如果VT是接地的，由于VF近似等于VT，故称该点为虚地。

?Ri??，故Ib?0，于是有：Ii??I0

考虑到VF?0，故有：

ViZi??V0Z0或V0??Z0ZiVi???..(1)

当选择阻抗Zi和Z0为不同形式时，V0就与Vi有不同的关系，亦即构成不同的运算电路。 当Zi和Z0分别为两个电容Ci和C0时，写成阻抗的负数形式，有：

Z0?1C0S，Zi?1CiS。式中S为算子

CiC0将上述二式代入（1）式，得：V0??Vi

即输出电压V0与输入电压Vi成比例关系，为比例运算电路。 当Zi为一电阻Ri，Z0为一电容C0时，则有：

Z0?1C0S，Zi=Ri

1C0Ri代入（1）式，得：V0???Vdt

i即输出电压V0与输入电压Vi的积分成比例，为积分运算电路。 当Zi为一电阻Ri与电容Ci并联，而Z0为一电容C0时，则有： Zi?Ri?1CiS?Ri1?RiCiS， Z0?1C0SCiC0

1RiC0S代入（1）式，得： V0?1?RiCiSRiC0SVi?1Vi?(1?)Vi

将上式反变换：V0??(CiC0RiC0?Vdt)

i即输出电压V0与输入电压Vi成比例积分关系，为比例积分运算电路。 当Zi为一电容Ci，Z0为一电阻R0时，则有：

Zi?1CiS，Z0=R0

代入（1）式，得： V0??CiR0SVi 将上式反变换：V0??CiR0dVidt

即：输入电压V0与输入电压Vi的变化速度成正比，为微分运算电路。

4.为何在P，I，D调节器中需引入反馈电路？

答：如图所示：由输入电路来的偏差信号e和由PID反馈电路来的反馈信号Vf'经比较后得到e'(e'?e?Vf')，e'经放大器放大并转换为输出电流I0。如果没有PID反馈电路，那么e经放大后成为输出电流，由于放大器的开环增益k0很大，所以只要有很小一点偏差e，就会有很大的输出电流I0，控制器就接近双位特性了。因此，引入负反馈。如果反馈电路是仅由电阻组成的分压电路，并且会Vf'=I0k1，那么由于I0=k0e'，e'?e?Vf'，经整理可得I0=

k01?k0kie，由于k0ki?1，因此有I0=

1kie=ke，即合理设计分压系数k，就

可以得到输出电路I0与输入偏差e的比例特性。

5.某台DDZ-Ⅲ型控制器，其比例度??50%，积分时间Ti=0.2min，微分时间TD=2min，微分放大倍数KD=10，假定输出初始值为4mA，在t?0时施加0.5mA的阶越信号下比例积分，微分的输出表达式，并计算t=12s时该控制器的输出信号值。 解：比例输出为：?Ip??IikpTI?1??0.5?20.2?10.5?1mA

积分输出为：?II??DIidt??0.5dt?5t

]?Ii

?5tkDTD微分输出为?ID?kp[(kD?1)e?102t

=2?[(10?1)e]?0.5=9e

在t=12s=0.2min时，代入上述各式，各计算得：

?Ip?1mA，?I1?1mA，?ID?3.3mA

因此，在t=12s时，控制器的输出为：I0?4??Ip??I1??ID?9.3mA

6.什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？

答：随着送经执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开式，气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，输出过程或设备比较危险的应选择气关式。

7对于一台现有的气动薄膜式执行器，可以通过那些方法来改变它的气开，气关形式？ 答：一般可以通过下列三种方法来较方便的改变气动薄膜式执行器的气开，气关形式。 如图所示是直通双座控制阀与执行机构的正反作用和控制阀的正装，反装组合而定的。 其中图（a）（b）都是气关阀，因为随着气压信号的增加，这两种情况下，阀芯与阀座之间的流通面积都是减小的，故是气关型控制阀。（b）（c）都是气开阀，因为随着气压信号的增加，阀芯与阀座之间的流通面积都是增加的。

改变阀芯的正装，反装方式，可以改变控制阀的气开，气关形式。例如图（a）的阀芯是正装的，为气关阀，如果将阀芯反装，便成了图（d），c为气开阀，d为气关阀。

在条件允许时，通过改变执行机构的正反作用也可以改变控制阀的气开，气关形式。当气体压力从膜片上方引进时，为正作用执行机构，如果将气体压力改为从膜片下方引进时，就可以将执行机构由正作用改为反作用。相应就可以改变控制阀的气开，气关形式。

另外，通过改变阀门定位器中的凸轮安装方式，可以改变引入膜头的气压信号的变化方向与控制器来的气压信号的变化方向之间的关系。例如控制器来的信号增加时，凸轮正装，膜头上的气压信号如果是增加的，若将凸轮反装，膜头上的气压信号就会减小。这样亦可以相应的改变控制阀的气开，气关形式。

8.为什么要考虑控制器的正反作用？如何选择？

答：在控制系统中，要正确的选择控制器的作用方向，即“正”，“反”作用。选择控制器的正反作用的目的是使系统中控制器，执行器，对象三个环节组合起来，能在系统中起负反馈的作用。

选择控制器的正反作用的一般步骤是首先由操纵变量时被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开，气关形式，最后由对象，执行器，控制器三个环节作用方向组合后为“负”来选择执行器的正反作用。

9.被控对象，执行器，控制器的正反作用方向各是怎样规定的？

答：被控对象的正反作用方向规定为：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。

执行器的作用方向由它的气开，气关形式来确定。气开阀为“正”方向；气关阀为“反”方向。

如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。

10.试分析三种节流装置的特点。 （1）孔板；（2）喷嘴；（3）

解：上述三种称为标准节流装置，它们的流量系数可以查有关的图表，因而节流件加工好后，无需标定就可投入使用。

孔板最为简单，也最便宜，但在相同的差压下，其压力损失最大。

。。。。的压损小，所以常用与管道内径100~800mm范围内的流量测量，因为大管径管道内流体压力小，要求较小的压损。

在相同的条件下，喷嘴?值较小。所以，如果主要的差压和流量值低于孔板的影响最大，而对喷嘴和。。。。的影响较小。

11.如果节流装置的加工不符合标准要求时，则基本流量公式中的流量系数会发生变化，试指出下列情况下，哪几种流量系数变大？哪几种变小？ 解：（1）孔板直角入口边缘不锐利

?不锐利，所以压差比：

p1'?p2'p1?p2?，即??，???

（2）孔板厚度超过给定值。

孔板厚度超过给定值，则孔板对流来的阻滞作用?，p1'?p2'?，即?? （3） 孔板开孔圆筒部分长度太大???

（4） 角接取压法正取压孔离孔板端面距离太远，?? （5） 负取压孔离孔板端面距离太远，??? （6） 孔板弯曲——可能变大，也可能变小。

12.一转子流量计用标准状态下的水进行标定，量程范围为100~1000Lh，转子材质为不锈钢（??7.90g/cm）

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