过程控制与自动化仪表第三版课后习题答案

过程控制与自动化仪表第三版课后习题答案

第1章思考题与习题

1o基本练习题

(1)简述过程控制得特点.

答：

1,控制对象复杂、控制要求多样

2.控制方案丰富

3o控制多属慢过程参数控制

4.定值控制就是过程控制得一种主要控制形式

5.过程控制系统由规范化得过程检测控制仪表组成

(2)什么就是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。

答：

过程控制系统:一般就是指工业生产过程中自动控制系统得变量

就是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量得系统。

过程控制系统得一般性框图如图1—1所示：

图1一1过程控制系统得一般性框图

(3)单元组合式仪表得统一信号就是如何规定得？

答：

各个单元模块之间用统一得标准信号进行联络。

1)模拟仪表得信号：气动0、02〜0、1MPa;电动川型：4~2

OmADC或1〜5VDC。

2)数字式仪表得信号：无统一标准.

(4)试将图1—2加热炉控制系统流程图用方框图表示。

答：

加热炉控制系统流程图得方框图如图1-3所示：

图1—2加热炉过程控制系统流程

图1-3加热炉过程控制系统流程方框图

(5)过程控制系统得单项性能指标有哪些？各自就是如何定义

得？

答：

1）单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静

差、调节时间、振荡频率、上升时间与峰值时间等。

2）各自定义为：

衰减比:等于两个相邻得同向波峰值之比n;

超调量：第一个波峰值与最终稳态值y。之比得百分数：

最大动态偏差A：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程得第一个

峰值超出稳态值得幅度；

静差，也称残余偏差C:过渡过程结束后，被控参数所达到得新

稳态值y。与设定值之间得偏差C称为残余偏差，简称残差；

调节时间：系统从受干扰开始到被控量进入新得稳态值得。范

围内所需要得时间；

振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间得时间间

隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；

上升时间：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；

峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要得时

间.

（6）误差积分指标有什么缺点？怎样运用才较合理？

答：

误差积分指标存在得缺点就是不能保证控制系统具有合适得衰

减率。因此,通常先确定衰减率，然后再考虑使某种误差积分为最

(7)简述过程控制系统得设计步骤。

答：

过程控制系统设计得主要步骤：

1、确定控制目标；

2.选择被控参数；

3、选择控制量；

4、确定控制方案；

5、选择控制策略；

6、选择执行器；

7、设计报警与联锁保护系统；

8、系统得工程设计；

9.系统投运、调试与整定调节器得参数。

(8)通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。

答：

过程控制系统按结构不同主要分为三类：

1、反馈控制系统：反馈控制系统就是根据被控参数与给定值得

偏差进行控制得，最终达到或消除或减小偏差得目得，偏差值就

是控制得依据。它就是最常用、最基本得过程控制系统。

2o前馈控制系统：前馈控制系统就是根据扰动量得大小进行控

制得，扰动就是控制得依据。由于没有被控量得反绩，所以就是

一种开环控制系统。由于就是开环系统，无法检查控制效果，故

不能单独应用。

3、前馈一反馈控制系统：前馈控制得主要优点就是能够迅速及

时得克服主要扰动对被控量得影响，而前馈一反馈控制利用反馈

控制克服其她扰动，能够使被控量迅速而准确地稳定在给定值上，

提高控制系统得控制质量。

举例说明：在锅炉汽包水位控制系统中，将蒸汽流量作为前馈信

号，汽包水位作为主被控参数，给水流量作为副被控参数，构成

了前馈一反馈串级控制系统。

(9)两个流量控制系统如图1一4所示。试分别说明它们就是属

于什么系统？并画出各自得系统框图。

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图1一4两个流量控制回路示意图

答：

系统1就是前馈控制系统，系统2就是反馈控制系统.系统框图如

图1—5如下：测量变送被控过程执行器测量变送

被控过程执行器

系统1系统2

图1一5两个流量控制回路方框图

（10）只要就是防爆仪表就可以用于有爆炸危险得场所吗？为什

么？

答：

1）不就是这样。

2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面得考虑等。

（11）构成安全火花型防爆控制系统得仪表都就是安全火花型得

吗？为什么？答：

1）就是得。

2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计

成安全火花型。

2.综合练习题

（1）简述图1-6所示系统得工作原理，画出控制系统得方框图

并写明每一方框图得输入/输出变量名称与所用仪表得名称。

LT

LC

1

Q2QA

图1-6控制系统流程图

答：

1）图为液住控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变

送器）、液位控制器、调节阀组成得反馈控制系统，为了达到对

水箱液位进行控制得目得，对液位进行检测，经过液位控制器来

控制调节阀，从而调节Q1(流量)来实现液位控制得作用。

2)框图如图1-7所示：

图1—7控制系统框图

3)控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e(t)、控

制量u(t);执行器输入输出分别为：控制量u(t)、操作

变量Q1仕)；被控对象得输入输出为：操作变量Q1(t)、

扰动量Q2(t)，被控量h;所用仪表为：控制器(例如PID

控制器)、调节阀、液位测量变送器。

(2)什么就是仪表得信号制？通常，现场与控制室仪表之间采用

直流电流信号、控制室内部仪表之间采用直流电压信号，这就是

为什么？

答：

1)仪表得信号制就是指在成套系列仪表中，各个仪表得输入/

输出信号均采用某种统一得标准形式，使各个仪表间得任意连接

成为可能。

2)通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号：因为直流比

交流干扰少、直流信号对负载得要求简单，而且电流比电压更利

于远传信息。

控制室内部仪表之间采用直流电压信号：因为任何一个仪表拆离

信号回路都不会影响其她仪表得运行，同时，各个仪表具有公共

接地点，可以共用一个直流电源。

（3）某化学反应过程规定操作温度为80±5

℃,最大超调量小于或等于5%,要求设计得定值控制系统，在

设定值作最大阶跃干扰时得过渡过程曲线如图1—8所示。要

求：

1）计算该系统得稳态误差、衰减比、最大超调量与过渡过程时

间；

2）说明该系统就是否满足工艺要求。

图1-8设定值干扰得过渡过程曲线示意图

答：

1）由上图可得y（8）=81℃,设定值r=80℃,B1=85-81

=4,B2=82-81=1稳态误差e（8）=r-y（oo）=80℃-81℃

=-1℃

衰减比:，

最大超调量：

过渡过程时间ts:大概在18min左右。

2)虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为8

0℃,而最后趋于稳定得值却为81℃,因此不满足工艺要求.

(4)图1-9所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图，试画出

该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数与干

扰参数各就是什么？

加

热

室

图1-9锅炉汽泡水位控制流程图

答：

1)控制系统框图如图170所示：

图1一10锅炉汽泡水位控制框图

2)被控过程:加热器+汽包；

被控参数：汽包水住；

控制参数：上水流量；

干扰参数：蒸汽流量变化。

3o设计题

(1)举出您所见到得过程控制系统得实例，并指明其被控过程、

被控参数、控制参数(或控制介质)、干扰作用，画出其控制流程

图与系统方框图。

略

(2)试举您所见到得前馈-反馈复合控制系统得实例，画出其控

制流程图与系统方框图。

略

第2章思考题与习题

1.基本练习题

(1)简述过程参数检测在过程控制中得重要意义以及传感器得

基本构成.

答：

1)过程控制通常就是对生产过程中得温度、压力、流量、成分

等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确

保产品质量得生产安全,并使生产过程按最优化目标进行。要想

对过程参数实行有效得控制，首先要对她们进行有效得检测，而

如何实现有效得检测，则就是有检测仪表来完成。检测仪表就是

过程控制系统得重要组成部分，系统得控制精度首先取决与检测

仪表得精度。检测仪表得基本特性与各项性能指标又就是衡量检

测精度得基本要素。

2)传感器得基本构成:通常就是由敏感元件、转换元件、电源及

信号调理/转换电路组成。

(2)真值就是如何定义得?误差有哪些表现形式?各自得意义就

是什么？仪表得精度与哪种误差直接有关？

答：

1)真值指被测物理量得真实(或客观)取值。

2)误差得各表现形式与意义为：

最大绝对误差：绝对误差就是指仪表得实测示值与真值得差值，

记为，如式(2—1)所示：

(2-1)

相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为，如式(2—2)所

示：

0

(2-2)

引用误差：引用误差就是仪表中通用得一种误差表示方法.它就

是相对仪表满量程得一种误差，一般也用百分数表示，记为，如

式(2—3)所示：

(2-3)式中，仪表测量范围得上限值;仪表测量范围得下限值.

基本误差:基本误差就是指仪表在国家规定得标准条件下使用时

所出现得误差。

附加误差附加误差就是指仪表得使用条件偏离了规定得标准条

件所出现得误差.

3)仪表得精度与最大引用误差直接有关.

(3)某台测温仪表测量得上下限为500℃~1000℃,它得最大

绝对误差为±2℃,试

确定该仪表得精度等级；

答：

根据题意可知：最大绝对误差为±2℃

则精度等级

所以仪表精度等级为0、4级

(4)某台测温仪表测量得上下限为100℃〜1000℃,工艺要

求该仪表指示值得误差不得超过±2℃,应选精度等级为多少得

仪表才能满足工艺要求？

答：

由题可得:仪表精度等级至少为0、001级。或者0、002

(5)有一台DDZ—川型两线制差压变送器，已知其量程为20〜1

OOkPa,当输入信号为40kPa与80kPa时，变送器得输出分别

就是多少？

答：

由题可得：变送器输出得分别就是8mA与16mA.

(6)设有某DDZ一川型毫伏输入变送器，其零点迁移值mVDC,

量程为12mVDC。现已知变送器得输出电流为12mADCo试问：

被测信号为多少毫伏？

答：

由题可得：被测信号为12毫伏。

(7)智能温度变送器有哪些特点？简述TT302温度变送器得工作

原理。

答：

1）智能温度变送器特点为：

a）通用性强；

b）使用灵活；

c）多种补偿校正功能；

d）控制功能；

e）通信功能；

f）自诊断功能；

2）TT302温度变送器得工作原理：

a）在结构上，它由输入模板、主电路模板与显示器三部分组成。

其中，输入模板由多路转换器（MUX）、信号调理电路、A/D转换

器与隔离部分组成。主板由微处理器系统、通信控制器、信号整

形电路、本机调整与电源等组成，它就是变送器得核心部件。显

示器为液晶式微功耗数字显示器，可显示四位半数字与五位字

母。

b）软件分为系统程序与功能模块两大部分。系统程序使变送器

各硬件电路能正常工作并实现所规定得功能，同时完成各部分之

间得管理;功能模块提供了各种功能，用户可以

通过选择以实现所需要得功能。

（8）1151智能式差压变送器有哪些特点？它得硬件构成有哪几

部分？

答：

1)1151智能式差压变送器具有如下特点：

a)测量精度高，基本误差仅为±0、1%,而且性能稳定、可靠；

b)具有温度、静压补偿功能，以保证仪表精度；

c)具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通信；

d)具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位换算与有关

信息得存储等功能。

2)硬件构成分为6部分：传感器部分，A/D转换器,CPU,HART

通信部分，数/模转换及电压调整电路，监控电路。

(9)温度变送器接受直流毫伏信号、热电偶信号与热电阻信号时

有哪些不同？

答：

直流毫伏信号与热电偶信号得两点区别就是输入信号由直流毫

伏信号变为热电偶得热电动势信号，该信号会随热电偶冷端温度

得变化而变化，因而需要对其进行矫正，其矫正电压由铜电阻变

化得阻值来提供.而热电阻信号由于其她不同：它用三限制接入

电路取代了冷端温度补偿电路。对销电阻测温进行了非线性校

正。非线性校正不就是采用折线拟合方法而就是采用正反馈方

法.

(10)什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力之间有何关系？

答：

所谓得压力就是指垂直作用与单位面积上得力。表压力就是指绝

对压力与当地大气压力之差。绝对压力就是指相对于绝对真空所

测量得到得压力.负压就是指绝对压力小于大气压力之时，大气

压力与绝对压力之差。

(11)体积流量、质量流量、瞬时流量与累积流量得含义各就是

什么？

答：

体积流量就是以体积表示得瞬时流量.质量流量就是以质量表示

得瞬时流量,瞬时流量与累积流量可以用体积表示，也可以用重

量或质量表示.

瞬时流量：单位时间内流过工艺管道某截面积得流体数量。

累积流量：某一段时间内流过工艺管道某截面积得流体总量。

(12)某被测温度信号在40〜80℃范围内变化，工艺要求测量

误差不超过±1%,现有两台测温仪表，精度等级均为0、5级，

其中一台仪表得测量范围为。〜100℃,另一台仪表得测量范围

为0~200℃,试问：这两台仪表能否满足上述测量要求？

答：

由题可得:这两台仪表均不能满足上述测量要求.

(13)热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常

采用哪几种？

答：

1)只有当热电偶得冷端温度恒定时，其热电动势才就是单值函

数。依据等值替换原理制成得补偿导线，虽然可以将冷端延伸到

温度相对稳定得地方，但还不能保持绝对不变.因此，为了消除

冷端温度不为零或变化时对测量精度得影响，可以进行冷端温度

校正。

2）补偿方法常采用查表校正法与电桥补偿法。

（14）热电阻测温电桥电路中得三线制接法为什么能减小环境温

度变化对测温精度得影响？

答：

三线制接法就就是在热电阻根部得一端引出一根导线，而在另一

端引出两根导线，分别与电桥中得相关元件相接。这种接法可利

用电桥平衡原理较好得消除导线电阻得影响，所以这种接法就是

目前工业过程中最常用得接线方式。

20综合练习题

（1）某一标定为100~600℃得温度计出厂前经校验，各点得测量

结果值如下：

被校表读数/℃1

标准表读数/℃1296403495606

1）试求该仪表得最大绝对误差.

2）确定该仪表得精度等级。

3）经过一段时间使用后，仪表得最大绝对误差为±7℃,问此时

仪表得精度等级为多少？

答：

1）仪表得最大绝对误差为：±6℃.

2）根据，可知：仪表得精度等级1、2级。

3）此时仪表得精度等级不变，仍然为1、2级。

(2)用分度号Pt100得热电阻测温，却错查了Cu50得分度

表，得到得温度就是250℃。问实际温度就是多少？

答：

根据题意可知：实际温度为720、8℃o

(3)若被测压力得变化范围为0、5~1、4MPa,要求测量误差

不大于压力示值得±5%,可供选用得压力表规格：量程为0〜1、

6MPa,0~2、5MPa,0〜4MPa,精度等级为1、0、1、5、2、5。

试选择合适量程与精度得压力表。

答：

根据题意可知：

=1、4X(+5%)=+。、07Mpa

最大测量误差为A

max

1)量程确定：

应满足工作最大压力小于仪表量程得2/3处，即1、4MPaX3/2

二2、1MPa

可以选量程为。〜2、5MPa得弹簧压力表。

2)精度等级确定：

求出基本误差，以确定满足要求得精度等级.

,允许得精度等级为2、5级。

综上分析，选择量程为。〜2、5MPa,精度等级为2、5级得弹

簧压力表。

该表得最大绝对误差：Amax=2、5X(+2、5%)=+0、0625MP

a,〈0、07MPa所以满足要求。

(4)已知某负温度系数热敏电阻，在温度为298K时阻值；当温

度为303K时阻值。试求该热电阻得材料常数B与298K时得

电阻温度系数。

答：

根据半导体热敏电阻得电阻值与温度得函数近似关系如式(2—4)

所示：

(2-4)得该热电阻得材料常数

温度系数

在298K时，。

(5)用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。若差压

变送器量程为。〜Pa,对应输出信号为4~20mADC,相应流量为

O^320m3/ho求差压变送器输出信号为8mADC时，对应得差

压值及流量值各就是多少？

答:根据题意可知：

斜率

差压值y=25O0pa

流量值

(6)什么就是FSK信号？HART协议得通信方式就是如何实现

得？

答：

FSK信号：频移键控，就就是用数字信号去调制载波得频率.就

是信息传输中使用较早得一种传输方式。HART协议得通讯方

式就是由调制器、解调器、载波检测电路与时基电路构成，实现

二进制得数字信号与FSK信号之间得相互转化。

（7）利用压力表测量某容器中得压力，工艺要求其压力为1、

3±0、06MPa,现可供选择压力表得量程有0~1、6MPa,0~2、

5MPa,0~4、OMPa,其精度等级有1、0、1、5、2、0、2、

5、4、。，试合理选用压力表量程与精度等级。

答：

根据题意可知：

最大测量误差为Amax二±0、06Mpa

1）量程确定：

应满足工作最大压力小于仪表量程得2/3处，即1、36MPaX3

/2=2、04MPa可以选量程为0〜2、5MPa得压力表。

2）精度等级确定：

求出基本误差，以确定满足要求得精度等级。

,允许得精度等级为2、0级。

综上分析，选择量程为。〜2、5MPa,精度等级为2、0级得压

力表.

=2、5X（±2、0%）=±0、05MPa,〈0、06MPa该表得

最大绝对误差：△

max

所以满足要求。

3.设计题

(1)用分度号为K得银络一锲硅热电偶测量温度,在无冷端温度

补偿得情况下，显示仪表指示值为600℃,此时冷端温度为

50℃o试问：实际温度就是多少？如果热端温度不变，使冷端温

度为20℃时，此时显示仪表指示值应为多少？

答：

1)已知冷端温度为50℃,由分布表可查得

又已知热电动势E=24、902+2、022=26.924mV

所以实际温度为648℃°

2)当冷端温度为20℃时，热电势为0、798mV

26、924-0.798=26、126mV

26、176—25、751=0、425mV

当冷端温度为20℃时，显示仪表指示值为629℃.

(2)某容器得正常工作压力范围为1、0—1.5MPa,工艺要求

就地指示压力，并要求测量误差小于被测压力得±5%,试选择

一个合适得压力表(类型、量程、精度等级等)，并说明理由。

答：

根据题意知：压力范围1、。〜1、5MPa

允许最大误差：emax=1、5X(5%)=0、075MPa

1)量程确定：

应满足工作最大压力小于仪表量程得2/3处，即1、5MPaX

3/2=2、21MPa

可以选量程为。〜2、5MPa得弹簧压力表。

2)精度等级确定：

求出基本误差，以确定满足要求得精度等级。

,允许得精度等级为3级.

综上分析，选择量程为0〜2、5MPa,精度等级为3级得弹簧压

力表。

该表得最大绝对误差：Amax=2、5X(3%)=0、075MPa,<=0>

075MPa

所以满足要求.

(3)如图2—1所示，利用双室平衡容器对锅炉汽包液位进行测

量。已知MPa,kg/m3,kg/m3,kg/m3,m,mo试求差压变

送器得量程，并判断零点迁移得正负方向，计算迁移量。

答：

1)差压液位计得量程为：

0()1液汽0.6800.44.529.84679.77PhgPapp=-=x-x=

当液位最低时，差压液位计得正、负压室得受力为：

则迁移量

变送器得量程为Pa

2)因为P+VP-,故为负迁移；迁移量为.

(4)某控制系统中有一个量程为20~1OOkPa、精度等级为0、

5级得差压变送器，在校验时发现，该仪表在整个量程范围内得

绝对误差得变化范围为一0、5~+0、4kPa,试问：该变送器能

否直接被原控制系统继续使用？为什么？

答：

允许最大误差：Amax=100X(0、5%)二0、5kPa

这个范围大于-0、5〜+0、4kPa,所以该变送器能直接北苑控

制系统继续使用。

(5)用K型热电偶测量两点温差，其连接线路如图2—2所示.

已知°C,°C,测得两点温差电势为15、24mV,试求两点温差

为多少？后来发现，温度下得那只热电偶错用E型热电偶，其它

都正确，试求两点实际温差。

d

图2-1锅炉汽包液住得测量。。，图2-2两点温差检测

答：

1)

经查表得：

故而两点温差为

2)()()()()1020t,0t,0t,0t,015.24ABABCDCDeeee

mv—*■=

则：()()()()21OOt,Ot,Ot,Ot,015.2414.708CDABABCDe

eeemv=-+-=

经查表得：

故而两点温差为

第3章思考题与习题

1o基本练习题

（1）在过程控制中，哪些仪表就是属于过程控制仪表？在过程控

制系统中，大多数调节器就是电动得，而执行器多数就是气动得,

这就是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元

之间得标准统一信号又就是如何规定得？

答：

1）在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电/气转换器、执

行器、安全栅等.

2）调节器选电动得因为电源得问题容易解决，作用距离长，一般

情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。执行器多数

就是气动得，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高

压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工

作，选气动得执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样

可以保证安全生产与避免严重事故得发生。

3）气动仪表得输入输出模拟信号统一使用0、02~0、1MPa得

模拟气压信号。电动仪表得输入输出模拟信号有直流电流、直流

电压、交流电流与交流电压四种。各国都以直流电流与直流电压

作为统一标准信号。过程控制系统得模拟直流电流信号为4~20

m

ADC,负载250。；模拟直流电压信号为1〜5VDCo

⑵某比例积分调节器得输入、输出范围均为4〜20mADC,若

设、，稳态时其输出为6mA;若在某一时刻输入阶跃增加1m

A,试求经过4min后调节器得输出。

答：

由比例积分公式(3—1)所示：

(3-1)依题意：，即Kp=1,e=1;

稳态时：y0=6mA,

4min后：

(3)简述DDZ-III型全刻度指示调节器得基本组成、工作状态以

及开关〜得作用。

答：

1)调节器由控制单元与指示单元组成.控制单元包括输入电路、

PD与PI电路、输出电路、软手动与硬手动操作电路；指示单元

包括输入信号指示电路与给定信号指示电路。

2)工作状态：自动、软手动、硬手动三种。

3)~为自动、软手动、硬手动联动切换开关.

(4)图3—1所示输入电路得输入/输出关系为，试问：推导这

一关系得假设条件有哪些？当输入导线电阻不可忽略时，还有上

述关系吗？请证明您得结论。

图3—1输入电路图

答：

假设运算放大器就是理想得即输入阻抗无穷大，T点与F点同电

位,.

当输入导线电阻不可忽略时：

(3-2)

(3—3),依然可以得到原结论

(5)什么叫无平衡无扰动切换？全刻度指示调节器就是怎样保

证由自动到软于动、由软手动到硬手动、再由硬手动到软手动、

由软手动到自动之间得无扰切换得？

答：

在无平衡就是非平衡状态下切换不产生干扰得状态，状态转换无

冲击。

因为全刻度指示调节器中有PID电路，用与两个电容保证。当

调节器由“软手动”切向“硬手动”时其输出值将由原来某一数

值跳跃到硬手动电位器所确定得数值，这将会使内部过程产生内

部绕动。如要这一过程就是无扰动得话，必须在切换之前就先调

整电位器得位置，使其与调节器得瞬时输出一致。换句话说，就

就是先平衡在切换，方可保证输出无扰动。当调节器由“硬手动”

切向“软手动”时，由于切换后得积分器具有保持特性，即能保

证切换前得硬手动输出状态，故由硬手动切换软手动时。无需“平

衡”即可做到输出无扰动.

(6)调节器得正、反作用就是如何规定得？

答：

若调节器输出随反馈值输入得增加而增加，称为正作用调节器，

反之为反作用调节器。

正作用：偏差二测量值一给定值；

反作用：偏差二给定值-测量值。

(7)数字式控制器有哪些主要特点？简述其硬件得基本构成。

答：

1)数字式控制器得主要特点：采用了模拟仪表与计算机一体得设

计方法，使数字式控制器得外形结构、面板布置、操作方式等保

留了模拟调节器得特征；与模拟调节器相比具有更丰富得运算控

制功能；具有数据通信功能，便于系统扩展；可靠性高具有自诊断

功能，维护方便。

2)数字式控制器得硬件电路由主机电路,过程输入通道、过程输

出通道、人/机联系部件、通信部件等。

(8)SLPC数字式调节器得模块指令有几种主要类型？它们得

操作都与什么有关?试举一例加以说明。

答：

1)SLPC可编程调节器得功能模块指令可分为四种类型，即信

号输入指令LD、信号输出指令ST、结束指令END与各种功能

指令。

2）所有指令都与五个运算寄存器~有关。

3）如加法运算得实现。加法运算得实现过程如图3—2所示.图

中〜得初始状态分别为A、B、C、D、Eo

输入存储器输

1

运算前LDX,♦LDX2+

图3—2加法运算得实现过程

加法运算程序为

LD;读取数据

LD；读取数据

+;对、求与

ST;将结果存入；

END;运算结束

（9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常

用得电动执行器与气动执行器有何特点？

答：

1）执行器由执行机构与调节机构（调节阀）两部分组成.在过

程控制系统中，她接受调节器输出得控制信号，并转换成直线位

移或角位移来改变调节阀得流通面积，以控制流入或流出被控过

程得物料或能量，从而实现对过程参数得自动控制.

2)特点：气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、维护

方便、防火防爆得等优点，电动执行器优点就是能源取用方便.

信号传输速度快与便于远传，缺点就就是结构复杂。价格贵，适

用于防爆要求不高或缺乏气源得场所。

(10)简述电动执行机构得组成及各部分得工作原理.

答：

主要由伺服放大器与执行器两大部分组成，电动执行器就是电动

单元组合仪表中得执行单元，以伺服电动机为动力得位置伺服机

构。电动执行器接受调节器来得。〜10mA或4~20MA得直流信

号，将其线性地转换成0〜900得机构转角或直线位置位移，用

以操作风门、挡板、阀门等调节机构，以实现自动调节。

(11)什么叫气开式执行器与气关式执行器？它们就是怎样组

合得？试举两例分别说明它们得使用.

答：

1)所谓“气开”，就是指当前气压信号p>0、02MPa时，阀由关

闭状态逐渐打开；“气关”则相反，即指当前气压信号p>0、02M

Pa时，阀由全开状态逐渐关闭。

2)组合如表3—1所示：

表3—1执行器组合表

执行机构作用方式阀体作用方式执行器气开、气关形式

正正气关

正反气开

反正气开

反反气关

3）举例：一般加热器选用“气开”式，这样当控制信号中断时,

执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不会因为温度过高发生

事故或危险。

又如,锅炉进水得执行器则应选用“气关”式，即当控制信号中

断时，执行器处于打开状态，保证有水进入锅炉，不致产生烧干

或爆炸事故.

（12）在过程控制系统中，为什么要使用电-气转换器？试简述

其工作原理。

答：

1）由于气动执行器有一系列优点，绝大多数使用使用电动调节

仪表得系统也就是用气动执行器，为使气动执行器能够接受电动

调节器得控制信号，必须把调节器输出得标准电流信号转换为

20~100kPa得标准气压信号.这个过程由电气转换器完成。

2）工作原理：它就是按力平衡原理设计与工作得.在其内部有一

线圈，当调节器（变送器）得电流信号送入线圈后，由于内部永

久磁铁得作用，使线圈与杠杆产生位移，带动挡板接近（或远离）

喷嘴，引起喷嘴背压增加（或减少），此背压作用在内部得气动

功率放大器上，放大后得压力一路作为转换器得输出，另一路馈

送到反馈波纹管。输送到反馈波纹管得压力，通过杠杆得力传递

作用在铁芯得另一端产生一个反向得位移，此位移与输入信号产

生电磁力矩平衡时，输入信号与输出压力成一一对应得比例关

系。即输入信号从4mA、DC改变到20mA、DC时,转换器得输出

压力从。、02〜0、1MPa变化，实现了将电流信号转换成气动信

号得过程。

（13）在过程控制系统中，为什么要使用阀门定位器？它得作用

就是什么？

答：

1）电气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使

阀杆位移与送来得信号大小保持线性关系，即实现控制器来得输

人信号与阀门位置之间关系得准确定位，故取名为定位器。

2）定位器可以使用在阀得不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大

等场合，同时还可以利用定位器来改变阀得流量特性，改变执行

器得正、反作用.在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同得信

号段范围内作全行程移动。

（14）什么就是调节阀得流通能力，确定流通能力得目得就是什

么？它就是怎样计算得？

答：

1）调节阀得流通能力指：调节阀全开、阀前后压差为0、1MPa.

流体重度为1g/cm3时,每小时通过阀门得流体流量（m3或kg）。

2）确定流通能力得目得就是其调节阀得容量。

3）由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀得体

积流量如式(3—4)所示：

(3-4)式中，为流量系数，它取决于调节阀得结构形状与流体

流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；为调节阀接管截面

积；为重力加速度；为流体重度。

(15)什么就是调节阀得流量特性？调节阀得理想流量特性有哪

几种？它们各就是怎

样定义得？调节阀得工作流量特性与阻力系数有关，而阻力系数

又就是怎样定义得？它得大小对流量特性有何影响？

答：

1)理想流量特性：在调节阀前后压差固定得情况下得出得流量特

性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。

2)常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比(对数)流量特

性、快开特性.

3)直线流量特性就是指流过调节阀得相对流量与阀门得相对开

度成直线关系.等百分比流量特性就是指单位行程变化所引起得

相对流量变化与该点得相对流量成正比关系.快开流量特性就是

指在小开度时就有较大得流量随着开度得增大，.流量很快达到

最大，故称为快开特性。

4)阻力系数S定义为阀全开时阀前后压差与系统总压差得比

值。

5)S=1时，工作流量特性为理想流量特性。当SV1时，阀全开时

流量特性减小，随着S减小，直线特性趋向快开特性，对数特性

趋向直线特性，S值愈小，流量特性变形程度愈大。

(16)直通双座调节阀与直通单座相比，有何优点？它们各自适

用什么场合？

答：

1)直通双座调节阀与直通单座相比,主要优点为：允许压差大。

2)直通单座适用于泄漏要求较严、压差不大得干净介质场合；直

通双座调节阀适用于泄漏要求不严、压差较大得干净介质场合。

(17)智能电动执行器有哪些主要特点？它依据什么可以实现

“一机多用”?

答：

1)主要特点为：具有智能化与高精度得控制功能；一体化得结构

设计思想;具有智能化得自诊断与保护功能；具有灵活得组态功

能，“一机多用”，提高了经济效益。

2)通过软件组态来实现“一机多用”。

(18)过程控制系统得所有仪表与装置就是否都应考虑安全防

爆？为什么？

答：

不就是。现场得所有仪表应考虑安全防爆。非危险场所得仪表则

不一定要防爆，现场仪表与非危险场所(包括控制室)之间必须

经过安全栅。

(19)安全栅有在安全防爆系统中得主要作用就是什么？简单齐

纳式安全栅有何缺点？它就是如何改进得？

答：

1）安全栅得作用就是将送到现场信号能量限制在可能引起爆炸

得极限能量之内。

2）缺点：一就是固定得限流电阻大小难以选择•二就是接地不合

理通常一个信号回路只允许一点接地，两点以上接地会造成信号

通过过大得缩短或形成干扰。

3）改进：第一点改进，由四个齐纳二极管与四个快速熔丝组成双

重限压电路并取消了直接接地点，改为背靠背接地得齐纳二极管

中心接地。第二点改进，用双重晶体管限流电路代替固定电阻,

以达到近似理想得限流效果。

（20）与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅有何优点？

答：

隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比较，有如下优点：

1）可以在危险区或安全区认为合适得任何一个地方按地，使用方

便，通用性强；

2）隔离式安全栅得电源、信号榆入、信号输出均可通过变压器耦

合，实现信号得输入、输出完全隔离，使安全栅得工作更加安全

可靠；

3）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了信号得抗干扰能

力，提高了控制系统正常运行得可靠性。

2.综合练习题

(1)用一个放大器组成得PID运算电路如图3-2所示。试推导

其传递函数，并简化成实际PID运算电路得标准形式。

图3-2用二个运算放大器组成得PID运算电路

答：

根据题意，将图3—2可分解为如下两部分，如图3—3所示：

图3—3(a)比例微分

图3-3(b)比例积分电路

经推导可知：

(3—5)

(3-6)即

简化成实际PID运算电路得标准形式为式(3—7):

(3—7)

其中，(微分增益)一，

(2)已知某比例微分调节器得传递函数为

试求单位阶跃输入作用下得输出响应表达式，画出响应曲线，并

用实验得方法确定其微分时间，写出实验步骤及所用仪器。

答：

1)根据题意知，系统传递函数如式(3—8):

(3—8)阶跃输入表达式如式(3-9):

(3-9)

在单位阶跃输入作用下得输出响应如式(3—10):

(3-10)

经拉式反变换得到，单位阶跃输入作用下得输出响应表达式如式

(3—11):

(3—11)

2)响应曲线如图3—4所示：CDKKe

(1)CDKKe-0.63(1)0DKKe-D

DTKCKe

u

图3-4系统阶跃响应曲线图

(3)在比例积分电路中，若运算放大器不就是理想

得,积分电容得漏电阻也不就是无穷大,其保持状态得

简化电路如图3-5所示。

经理论分析得到如下关系：

1)；2);

3);4).

若已知偏置电流pA,失调电压mV,输入阻抗C,

开环增益，积分电容nF,漏电阻；当电路输出V时，

上述四种因素分别作用，使输出产生0、5%得误差时得

保持时间各为多少小时？

答：

当输出产生。、5%得误差时：

由得：

(3—12)由得：

(3-13)

由得：

(3—14)

由得：

(3—15)

(4)如图3-6所示得输出电路中，试证明：当kC时，可以获得

精确得转换关系式。

图3-5保持状态得简化电路

图3—6输出电路

答：略

⑸如图3-7所示，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事故

状态下，为了保护加热器设备得安全即耐热材料不被损坏，现在

蒸汽管道上有一只气动执行器，试确定其气开、气关形式，并画

出由PID电动器构成得控制系统结构框图。

答：

1)应选用气开形式，当出现故障导致信号中断时，执行器处于关

闭状态，保证耐热材料不被损坏.

2)框图如图3—8所示：

PID控制器

气动执行器

加热器

液位变送器

设定值

-e

实际值

u(t)

图3—8系统框图

⑹现测得三种流量特性得有关数据如表3T所示.试分别计算

其相对开度在10%、50%、80%各变化10%时得相对流量得变

化量，并据此分析它们对控制质量得影响与一些选用原则。

表调节阀得相对开度与相对流量(R=30)

相对开度(I/L)(%)

相对流量(q/qmax)(%)

60

70

80

90

100

直线流量特性3、313、022、732、342、。51、761、

3

71、0

80、6

90、3

100

对数流量特性3、34、676、589、2613、018、3

25、636、2

50、871、2100

快开流量特性

3、3

21、7

38、1

52、6

65、2

75、8

84、5

91、3

96、13

99、03

100

图3-7蒸汽加热器

答：

1）直线流量特性：

在10%开度

在50%开度

在80%开度

线性调节阀在小开度时流量得相对变化量大，灵敏度高，控制作

用强，容易产生振荡；而在大开度时流量得相对变化量小，灵敏

度低，控制作用较弱。由此可知，当线性调节阀工作在小开度或

大开度时，它得控制性能较差，因而不宜用于负荷变化大得过程.

(2)对数流量特性

在10%开度

在50%开度

在80%开度

对数流量特性调节阀在小开度时其放大系数Kv较小，因而控制

比较平稳；在大开度工作时放大系数Kv较大，控制灵敏有效，

所以它适用于负荷变化较大得过程。

(3)快开流量特性

在10%开度

在50%开度

在80%开度

快开流量特性就是指在小开度时候就有较大得流量，随着开度得

增大，流量很快达到最大，快开流量特性得调节阀主要用于位式

控制。

3.设计题

(1)某加热过程，其控制介质(热流量)与被控温度之间呈变增

益关系，若采用PID调节，希望调节器得增益随温度得升高而

下降，以补偿过程增益得变化。试用SLPC可编程数字调节器得模

块指令设计控制程序，并假定：用10段折线函数模块作成过程

增益变化曲线得反函数，调节器得当前增益存入寄存器.

答:略

(2)常规执行器得调节阀芯形状一旦制造好就难以改变，因而

给实际应用带来不便.现有一种数字阀，它就是由一系列并联安

装、按二进制排列得阀门组成。试设计一个8位数字阀得构成方

案，并简述其设计原理。

答：略

(3)请参照图3-9检测端安全栅电路原理图与图3—10执行端

安全栅结构框图设计一个执行端安全栅电路原理图，并简述各部

分得工作原理。

图3—9检测端安全栅电路原理图

调制花吧__控利室

整渔池被

图3—10执行端安全栅构成原理框图

答：略

第4章思考题与习题

1.基本练习题

⑴什么就是被控过程得特性？什么就是被控过程得数学模型？

为什么要研究过程得数学模型？目前研究过程数学模型得主要

方法有哪几种？

答：

1）过程控制特性指被控过程输入量发生变化时，过程输出量得

变化规律。

2）被控过程得数学模型就是描述被控过程在输入（控制输入与扰

动输入）作用下，其状态与输出（被控参数）变化得数学表达式。

3）目得：

错误!设计过程控制系统及整定控制参数；

错误!指导生产工艺及其设备得设计与操作；

错误!对被控过程进行仿真研究；

\o\ac（O,4）培训运行操作人员；

错误!工业过程得故障检测与诊断.

4）机理演绎法与实验辨识法。

（2）响应曲线法辨识过程数学模型时，一般应注意哪些问题？

答：

1）合理地选择阶跃输入信号得幅度，幅值不能过大以免对生产得

正常进行产生不利影响。但也不能太小，以防其她干扰影响得比

重相对较大而影响试验结果。一般取正常输入信号最大幅值得1

0%;

2）试验时被控过程应处于相对稳定得工况；

3）在相同条件下进行多次测试，消除非线性；

4）分别做正、反方向得阶跃输入信号试验，并将两次结果进行比

较，以衡量过程得非线性程度；

5）每完成一次试验后，应将被控过程恢复到原来得工况并稳定

一段时间再做第二次试验。

（3）怎样用最小二乘法估计模型参数，最小二乘得一次完成算法

与递推算法有何区别？

答：

1）最小二乘法可以将待辨识过程瞧作“黑箱利用输入输出数

据来确定多项式得系数利用来确定模型参数。

2）区别：一次完成要知道所有得输入输出数据才能辨识参数，即

只能离线辨识。递推算法可以只知道一部分数据即进行辨识，可

用于在线辨识。

（4）图4―1所示液位过程得输入量为，流出量为、，液位为被

控参数，为容量系数,并设、、均为线性液阻。要求：

1）列写过程得微分方程组；

2）画出过程得方框图；

3）求过程得传递函数。

答：

1)过程得微分方程组如式(4—1)所示：

(4—1)

2)过程控制框图如图4—2所示：

图47基本练习题(4)液位过程

图4-2过程控制框图

3)传递函数如式(4—2)所示：

(4—2)

1

09、58869598

其中阶跃扰动量为稳态值得10%。

1)画出水位得阶跃响应标么化曲线；

2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K与时间

常数T。

答：

1)水位阶跃响应标么化曲线如图4-3所示：

菱通的赊M0叵除2亿曲共

图4-3水位阶跃响应标么化曲线图

2)一阶无延时环节得输入输出关系如式(4—3)所示:

(4—3)有题意知：

则

又

通过阶跃响应曲线查找得：，，，故可得：

01246810

09、58

若该对象用一阶惯性环节近似,试确定其传递函数。

答：

一阶惯性传递函数如式(4—4)所示：

(4—4)

又0、01,可得

放大系数,达到稳态值63%得时间T=6s,

所以传递函数如式(4-5)所示：

(4~~5)

(

7）某温度对象矩形脉冲响应实验为:

、527080

0、461、73、7

9、

0

19、

O

26、

4

36

37、

5

3

3、

5

2

7、

2

2110、

4

5、

12、8

1、1

0、5

矩形脉冲幅值为2(无量纲)，脉冲宽度为10min.

(1)试将该矩形脉冲响应曲线转换为阶跃响应曲线；

(2)用二阶惯性环节写出该温度对象传递函数。

答：

t(min)o5Y(℃)0。461.73O79。019.026.436.0

37.5Y1(t)Oo461.73.79o019o026.4——

t(min)27080Y(℃)33。527.221。010.45.12.

81.10.5

Y1(t)59、9-80、991、396、499、2100、

3100、

8

2)绘出阶跃响应曲线如图4-4所示：

图4-4阶跃响应曲线如图

由图y(t1)=0>4y(8),y(t2)=0>8y(<»)处可得:t1=14

min,t2=30>5,t1/t2^0>46

故二阶系统数字模型为：

(4—5)

根据经验公式有：

故可得二阶系统数字模型为：

(4-6)(8)已知某换热器得被控变量为出口温度，控制变量就

是蒸汽流量.当蒸汽流量作阶跃变化时，其出口温度得响应曲线

如图4—31所示。试用计算法求其数学模型。

答:略

2.综合练习题

(1)如图4—6所示，为过程得流入量，为流出量，为液位高度,

C为容量系数.若以为过程得输入量，为输出量(被控量)，设、

为线性液阻，求过程得传递函数。

图4-6综合练习题(1)液位过程

答：

根据动态物料平衡关系：流入量二流出量

过程得微分方程得增量形式如式(4—7)所示：

(4—7)中间变量：

(4-8)传递函数如式(4—9)所示：

(4-9)如果考虑管道长度I,即出现纯时延，由于管道流量恒

定，所以

其传递函数如式(470)所示：

（4-10）（2）已知两只水箱串联工作（如图4—7所示），其输入

量为，流出量为、，、分别为两只水箱得水位，为被控参数，、

为其容量系数，假设、、、为线性液阻。要求：1）列写过程得

微分方程组；

2）画出过程得方框图；

3）求液住过程得传递函数。

图4一7综合练习题（2）液位过程

1）过程得微分方程组如式（4—11）所示:

12121

2

2

12

12

12

2

2

3

7

7•9•-9•-9•=

9*

7

Q•9•-9•=

?*

7•9•

7

9*=

?

Q*

7•9•-7•

7=

7

9

7•9•

?=

Q*

9•9•

dh

qqqC

dt

dh

qqC

dt

h

q

R

hh

q

R

h

(4-11)

2)方框图如图4―8所示:

图4一8液位过程方框图

3)

消去式(4—11)中得有

(4-12)在上述方程中消去有

2

2312

21122122

12121221

2

3223

0

++

9•9•

+++++?=?

RRR

dhCRCRdh

CCRCChq

dtRRdtRR

(4—13)

对上式进行拉式变换可得：

2

22312

112212

1

121212

3223

()1

0

00

HS

Gs

RRR

CRCR

QsCCRSCCS

RRRR

++

+++++

(4—14)

(3)有一复杂液位对象，其液位阶跃响应实验结果为:

1

0。0、2

0、

8

2、0

3、6

5、

4

8、811、

8

14、

4

16、

6

18、

4

1

9、

2

19、

620

1）画出液位得阶跃响应标么值曲线；

2）若该对象用带纯时延得一阶惯性环节近似，试用作图法确定纯

时延时间与时间常数.

3）定出该对象增益与响应速度（为时间常数得倒数）。设阶跃扰

动量为稳态值得15%。

答：1）

MatIab程序cic;clear;

t=[O1020406080100140180250300400500

600];h1=[000、20、82、03、65、48、811、

814、416、618、419、219、6];

h=h1、/19、6;plot(t,h,'b')xIabeI(11/s1)y

IabeI('h')

titIe（'液位得阶跃响应标么化曲线’）图如下

t/s

h

液位的阶跃响应标么化曲线

图4-9阶跃响应标么值曲线

2)matIab程序如下：clc;cIear;

t=[0102040608010014018025030040

0500600];hi=[000、20、82、03、65、48、

811、814、416、618、419、219、6];

h=h1>/19、6;fori=1:13

m(i)=h(i+1)―h(i);q(i)=t(i+1)—t(i);

x(i)=m(i)/q(i)end

[z,a]=max(x)plot(t(a),h(a),'rx')ho

Idon

qie=1:0、1:280;y=0、0046*qie-0、18449;plot(qie,

y,'r')holdonplot(1:600,1,k1)hoIdon

plot(258,—0、2:0、01:1,'r—')holdon

plot(40,―0、2:0、01:1,,r—')hoIdon

plot(1:6O0,0,'k')pIot(t,h,,b,)xlabeI('

t/s')yIabel('h')

h

液位的阶跃响应标么化曲线

图4—10阶跃响应标么化曲线

如图，T=40S,T=258—40=218s.3)

(4—15)

(4)已知温度对象得输出阶跃响应实验结果为:

60708090

00、160、651、151、521、7

5

1、881、941、971、99

2、0

阶跃扰动量，试用二阶或更高阶惯性环节求出它得传递函数。

答：

由得

绘制阶跃响应曲线，如图4—11所示：由图可知，

又，采用三阶化解求取过程得传递函数。

清位的阶跃哨由曲线

2

18

1.6

0.6

06

04

02

0

图4—11阶跃响应曲线图

故而，对象得传递函数如式(4-16)所示：

(4-16)

1

000、20、61、21、61、82、01、91、7

22380

0、80、70、70、60、60、40、20、20、150.15

已知矩形脉冲幅值为阶跃响应稳态值得10%,脉冲宽度。

1）试将该矩形冲响应曲线转换为阶跃响应曲线；

2）若将它近似为带纯迟延得一阶惯性对象,试分别用作图法与计

算法确定其参数、与得数值，并比较其结果。

答：

1）阶跃响应曲线数据如表4—1所示：

表4—1阶跃响应曲线数据

t/S1

h/000、2。、61、21、61、82、01、91、7

cm

000、0、82、03、65、17、19、311

Y

2

t/s22380400

h/0、0、70、70、60、60、40、0、20、150、15

cm82

14、31515、16、16、17、317、17、717、18

Y

739585

由于160到220之间少点，所以应用直线y=-0、。15x+4、

1差值，得到中间180对应h=1、4,2。0对应h=1、1。阶跃

响应曲线如图4—12所示（其中红色曲线为系统阶跃响应曲线）：

图4-12阶跃响应曲线图

由图可知T=46s,T=226-46=180s。

计算法：

(4-17)

(4-18)先将阶跃响应转化为标幺值。找两点(60,0.11

11),(120,0、4111)代入解得T=145、7272

T=80、3826

(6)电偶得输出电势E可用下列模型描述：

其中，为热电偶冷、热端之间得温差；与就是模型参数。试将热

电偶输出电势模型化成最小二乘格式。

答：

有题意知：

系统参数为：，输入参数为，与线性无关，取，系统输出为：，因此,

热电偶