過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表第三版課后答案

第1章思考題與習(xí)題

1.基本練習(xí)題

（1）簡(jiǎn)述過(guò)程控制的特點(diǎn)。

答：

1.控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣

2.控制方案豐富

3.控制多屬慢過(guò)程參數(shù)控制

4.定值控制是過(guò)程控制的一種主要控制形式

5.過(guò)程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的過(guò)程檢測(cè)控制儀表組成

（2）什么是過(guò)程控制系統(tǒng)？試用方框圖表示其一般組成。

答：

過(guò)程控制系統(tǒng)：一般是指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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)。

過(guò)程控制系統(tǒng)的一般性框圖如圖所示：

圖1-1過(guò)程控制系統(tǒng)的一般性框圖

（3）單元組合式儀表的統(tǒng)一信號(hào)是如何規(guī)定的？

答：

各個(gè)單元模塊之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

1）模擬儀表的信號(hào):氣動(dòng)0.02~0.1MPa；電動(dòng)HI型：4~20mADC或廣5VDC。

2）數(shù)字式儀表的信號(hào)：無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

（4）試將圖1-2加熱爐控制系統(tǒng)流程圖用方框圖表示。

答：

加熱爐控制系統(tǒng)流程圖的方框圖如圖1-3所示：

圖1-3加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)流程方框圖

（5）過(guò)程控制系統(tǒng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)有哪些？各自是如何定義的？

答：

1）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。

2）各自定義為：

衰減比：等于兩個(gè)相鄰的同向波峰值之比n；

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

b="-xl00%

y（8）

最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)：在設(shè)定值階躍響應(yīng)中，系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的第一個(gè)峰值超出穩(wěn)態(tài)值的幅

度；

靜差，也稱(chēng)殘余偏差C：過(guò)渡過(guò)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(chēng)為殘余偏差，簡(jiǎn)稱(chēng)殘差；

調(diào)節(jié)時(shí)間小系統(tǒng)從受干擾開(kāi)始到被控量進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值的±5%（±2%）范圍內(nèi)所

需要的時(shí)間；

振蕩頻率叼：過(guò)渡過(guò)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(chēng)為振蕩頻率；

上升時(shí)間乙：系統(tǒng)從干擾開(kāi)始到被控量達(dá)到最大值時(shí)所需時(shí)間；

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

（6）誤差積分指標(biāo)有什么缺點(diǎn)？怎樣運(yùn)用才較合理？

答：

誤差積分指標(biāo)存在的缺點(diǎn)是不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減率。因此，通常先確定

衰減率，然后再考慮使某種誤差積分為最小。

（7）簡(jiǎn)述過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。

答：

過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟：

1.確定控制目標(biāo)；

2.選擇被控參數(shù)；

3.選擇控制量；

4.確定控制方案；

5.選擇控制策略；

6.選擇執(zhí)行器；

7.設(shè)計(jì)報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)；

8.系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)；

9.系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)試和整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

（8）通常過(guò)程控制系統(tǒng)可分為哪幾種類(lèi)型？試舉例說(shuō)明。

答：

過(guò)程控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同主要分為三類(lèi)：

1.反饋控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行控制的，最終

達(dá)到或消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。它是最常用、最基本的過(guò)程控制系

統(tǒng)。

2.前饋控制系統(tǒng)：前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行控制的，擾動(dòng)是控制的依

據(jù)。由于沒(méi)有被控量的反饋，所以是一種開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。由于是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)法檢查控制

效果，故不能單獨(dú)應(yīng)用。

3.前饋一反饋控制系統(tǒng)：前饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速及時(shí)的克服主要擾動(dòng)對(duì)被

控量的影響，而前饋一反饋控制利用反饋控制克服其他擾動(dòng)，能夠使被控量迅速而準(zhǔn)確地

穩(wěn)定在給定值上，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

舉例說(shuō)明：在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，汽包水位作為主

被控參數(shù)，給水流量作為副被控參數(shù)，構(gòu)成了前饋-反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。

（9）兩個(gè)流量控制系統(tǒng)如圖1-4所示。試分別說(shuō)明它們是屬于什么系統(tǒng)？并畫(huà)出各

自的系統(tǒng)框圖。

液體

液體

系統(tǒng)2

圖1-4兩個(gè)流量控制回路示意圖

圖廠(chǎng)5兩個(gè)流量控制回路方框圖

（10）只要是防爆儀表就可以用于有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所嗎？為什么？

答：

1）不是這樣。

2）比如對(duì)安全火花型防爆儀表，還有安全等級(jí)方面的考慮等。

（11）構(gòu)成安全火花型防爆控制系統(tǒng)的儀表都是安全火花型的嗎？為什么？

答：

1）是的。

2）因?yàn)榘踩鸹ㄐ头辣到y(tǒng)必備條件之一為：現(xiàn)場(chǎng)儀表必須設(shè)計(jì)成安全火花型。

2.綜合練習(xí)題

（1）簡(jiǎn)述圖1-6所示系統(tǒng)的工作原理，畫(huà)出控制系統(tǒng)的方框圖并寫(xiě)明每一方框圖的

輸入/輸出變量名稱(chēng)和所用儀表的名稱(chēng)。

圖1-6控制系統(tǒng)流程圖

答：

1）圖為液位控制系統(tǒng)，由儲(chǔ)水箱（被控過(guò)程）、液位檢測(cè)器（測(cè)量變送器）、液位控

制器、調(diào)節(jié)閥組成的反饋控制系統(tǒng)，為了達(dá)到對(duì)水箱液位進(jìn)行控制的目的，對(duì)液位進(jìn)行檢

測(cè)，經(jīng)過(guò)液位控制器來(lái)控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)Qi（流量）來(lái)實(shí)現(xiàn)液位控制的作用。

2）框圖如圖1-7所示：

圖1-7控制系統(tǒng)框圖

3）控制器輸入輸出分別為：設(shè)定值與反饋值之差e（t）、控制量u（t）；執(zhí)行器輸入輸

出分別為：控制量u（t）、操作變量Q（t）；被控對(duì)象的輸入輸出為：操作變量Q（t）、

擾動(dòng)量Q（t）,被控量打；所用儀表為：控制器（例如PID控制器）、調(diào)節(jié)閥、液位測(cè)

量變送器。

（2）什么是儀表的信號(hào)制？通常，現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)、控制

室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)，這是為什么？

答：

1）儀表的信號(hào)制是指在成套系列儀表中，各個(gè)儀表的輸入/輸出信號(hào)均采用某種統(tǒng)一

的標(biāo)準(zhǔn)形式，使各個(gè)儀表間的任意連接成為可能。

2）通常，現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)：因?yàn)橹绷鞅冉涣鞲蓴_少、直流

信號(hào)對(duì)負(fù)載的要求簡(jiǎn)單，而且電流比電壓更利于遠(yuǎn)傳信息。

控制室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)：因?yàn)槿魏我粋€(gè)儀表拆離信號(hào)回路都不會(huì)影響

其他儀表的運(yùn)行，同時(shí)，各個(gè)儀表具有公共接地點(diǎn)，可以共用一個(gè)直流電源。

（3）某化學(xué)反應(yīng)過(guò)程規(guī)定操作溫度為80±5℃,最大超調(diào)量小于或等于5%,要求

設(shè)計(jì)的定值控制系統(tǒng)，在設(shè)定值作最大階躍干擾時(shí)的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)如圖1-8所示。要求:

1）計(jì)算該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、最大超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間；

2）說(shuō)明該系統(tǒng)是否滿(mǎn)足工藝要求。

圖「8設(shè)定值干擾的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)示意圖

答：

1）由上圖可得貝8）=81℃,設(shè)定值r=80℃,81=85-81=4,82=82-81=1

穩(wěn)態(tài)誤差e（8）=r-貝8）=80。81℃=-1℃

B4

衰減比：H=—=—=4:1,

B21

最大超調(diào)量：b=六。x100%=生迎X100%=4.938%

y（oo）81

過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts：大概在18min左右。

2）雖然該系統(tǒng)最大超調(diào)滿(mǎn)足要求，然而在規(guī)定操作溫度為80℃,而最后趨于穩(wěn)定的

值卻為81℃,因此不滿(mǎn)足工藝要求。

（4）圖1-9所示為一類(lèi)簡(jiǎn)單鍋爐汽泡水位控制流程圖，試畫(huà)出該控制系統(tǒng)框圖，并

說(shuō)明其被控過(guò)程、被控參數(shù)、控制參數(shù)和干擾參數(shù)各是什么？

I

圖1-9鍋爐汽泡水位控制流程圖

答：

1）控制系統(tǒng)框圖如圖1-10所示：

I蒸汽流量變化

圖1-10鍋爐汽泡水位控制框圖

2）被控過(guò)程：加熱器+汽包；

被控參數(shù)：汽包水位；

控制參數(shù)：上水流量；

干擾參數(shù)：蒸汽流量變化。

3.設(shè)計(jì)題

（1）舉出你所見(jiàn)到的過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)例，并指明其被控過(guò)程、被控參數(shù)、控制參

數(shù)（或控制介質(zhì)）、干擾作用，畫(huà)出其控制流程圖和系統(tǒng)方框圖。

略

（2）試舉你所見(jiàn)到的前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的實(shí)例，畫(huà)出其控制流程圖和系統(tǒng)方框

圖。

略

第2章思考題與習(xí)題

1.基本練習(xí)題

（1）簡(jiǎn)述過(guò)程參數(shù)檢測(cè)在過(guò)程控制中的重要意義以及傳感器的基本構(gòu)成。

答：

1）過(guò)程控制通常是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、成分等工藝參數(shù)進(jìn)行控制，

使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)安全，并使生產(chǎn)過(guò)程按最優(yōu)化

目標(biāo)進(jìn)行。要想對(duì)過(guò)程參數(shù)實(shí)行有效的控制，首先要對(duì)他們進(jìn)行有效的檢測(cè)，而如何實(shí)現(xiàn)

有效的檢測(cè)，則是有檢測(cè)儀表來(lái)完成。檢測(cè)儀表是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的

控制精度首先取決與檢測(cè)儀表的精度。檢測(cè)儀表的基本特性和各項(xiàng)性能指標(biāo)又是衡量檢測(cè)

精度的基本要素。

2）傳感器的基本構(gòu)成：通常是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電源及信號(hào)調(diào)理/轉(zhuǎn)換電路組

成。

（2）真值是如何定義的？誤差有哪些表現(xiàn)形式？各自的意義是什么？?jī)x表的精度與

哪種誤差直接有關(guān)？

答：

1）真值指被測(cè)物理量的真實(shí)（或客觀(guān)）取值。

2）誤差的各表現(xiàn)形式和意義為：

最大絕對(duì)誤差:絕對(duì)誤差是指儀表的實(shí)測(cè)示值1與真值%的差值,記為/,如式（2-1）

所示：

A=x-xa（2-1）

相對(duì)誤差：相對(duì)誤差一般用百分?jǐn)?shù)給出，記為5,如式（2-2）所示：

5=Ax100%（2-2）

x,

引用誤差：引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對(duì)儀表滿(mǎn)量程的一種

誤差，一般也用百分?jǐn)?shù)表示，記為如式（2-3）所示：

A

y=--------------xlOO%(2-3)

X—X

maxmin

式中，X則儀表測(cè)量范圍的上限值；儀表測(cè)量范圍的下限值。

基本誤差：基本誤差是指儀表在國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)所出現(xiàn)的誤差。

附加誤差附加誤差是指儀表的使用條件偏離了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件所出現(xiàn)的誤差。

3）儀表的精度與最大引用誤差直接有關(guān)。

（3）某臺(tái)測(cè)溫儀表測(cè)量的上下限為500℃~1000℃,它的最大絕對(duì)誤差為土2℃,試

確定該儀表的精度等級(jí)；

答：

根據(jù)題意可知：最大絕對(duì)誤差為±2℃

則精度等級(jí)S=±二X100%=±0.4%

500

所以?xún)x表精度等級(jí)為0.4級(jí)

（4）某臺(tái)測(cè)溫儀表測(cè)量的上下限為100℃~1000℃,工藝要求該儀表指示值的誤差不

得超過(guò)±2℃,應(yīng)選精度等級(jí)為多少的儀表才能滿(mǎn)足工藝要求？

答：

由題可得：儀表精度等級(jí)至少為0.001級(jí)?；蛘?.002

（5）有一臺(tái)DDZ-III型兩線(xiàn)制差壓變送器，已知其量程為20~100kPa,當(dāng)輸入信號(hào)為

40kPa和80kPa時(shí)，變送器的輸出分別是多少？

答：

由題可得：變送器輸出的分別是8mA和16mA。

（6）設(shè)有某DDZ-III型毫伏輸入變送器，其零點(diǎn)遷移值％0=6mVDC,量程為12mV

DCo現(xiàn)已知變送器的輸出電流為12mADC。試問(wèn)：被測(cè)信號(hào)為多少毫伏？

答：

由題可得：被測(cè)信號(hào)為12毫伏。

（7）智能溫度變送器有哪些特點(diǎn)？簡(jiǎn)述TT302溫度變送器的工作原理。

答：

1)智能溫度變送器特點(diǎn)為:

a)通用性強(qiáng)；

b)使用靈活；

c)多種補(bǔ)償校正功能；

d)控制功能；

e)通信功能；

f)自診斷功能；

2）TT302溫度變送器的工作原理：

a）在結(jié)構(gòu)上，它由輸入模板、主電路模板和顯示器三部分組成。其中，輸入模板由

多路轉(zhuǎn)換器（MUX）、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和隔離部分組成。主板由微處理器系統(tǒng)、

通信控制器、信號(hào)整形電路、本機(jī)調(diào)整和電源等組成，它是變送器的核心部件。顯示器為

液晶式微功耗數(shù)字顯示器，可顯示四位半數(shù)字和五位字母。

b）軟件分為系統(tǒng)程序和功能模塊兩大部分。系統(tǒng)程序使變送器各硬件電路能正常工

作并實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時(shí)完成各部分之間的管理；功能模塊提供了各種功能，用戶(hù)可

以通過(guò)選擇以實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

（8）1151智能式差壓變送器有哪些特點(diǎn)？它的硬件構(gòu)成有哪幾部分？

答：

1）1151智能式差壓變送器具有如下特點(diǎn)：

a）測(cè)量精度高，基本誤差僅為±0.1%,而且性能穩(wěn)定、可靠；

b）具有溫度、靜壓補(bǔ)償功能，以保證儀表精度；

c）具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信；

d）具有數(shù)字微調(diào)、數(shù)字阻尼、通信報(bào)警、工程單位換算和有關(guān)信息的存儲(chǔ)等功能。

2）硬件構(gòu)成分為6部分：傳感器部分，A/D轉(zhuǎn)換器，CPU,HART通信部分，數(shù)/模轉(zhuǎn)

換及電壓調(diào)整電路，監(jiān)控電路。

（9）溫度變送器接受直流毫伏信號(hào)、熱電偶信號(hào)和熱電阻信號(hào)時(shí)有哪些不同？

答：

直流毫伏信號(hào)與熱電偶信號(hào)的兩點(diǎn)區(qū)別是輸入信號(hào)由直流毫伏信號(hào)變?yōu)闊犭娕嫉臒?/p>

電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，該信號(hào)會(huì)隨熱電偶冷端溫度的變化而變化，因而需要對(duì)其進(jìn)行矯正，其矯正

電壓由銅電阻變化的阻值來(lái)提供。而熱電阻信號(hào)由于其他不同：它用三限制接入電路取代

了冷端溫度補(bǔ)償電路。對(duì)銷(xiāo)電阻測(cè)溫進(jìn)行了非線(xiàn)性校正。非線(xiàn)性校正不是采用折線(xiàn)擬合方

法而是采用正反饋方法。

（10）什么叫壓力？表壓力、絕對(duì)壓力、負(fù)壓力之間有何關(guān)系？

答：

所謂的壓力是指垂直作用與單位面積上的力。表壓力是指絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ?/p>

差。絕對(duì)壓力是指相對(duì)于絕對(duì)真空所測(cè)量得到的壓力。負(fù)壓是指絕對(duì)壓力小于大氣壓力之

時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差。

（11）體積流量、質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量和累積流量的含義各是什么？

答：

體積流量是以體積表示的瞬時(shí)流量。質(zhì)量流量是以質(zhì)量表示的瞬時(shí)流量。瞬時(shí)流量和

累積流量可以用體積表示，也可以用重量或質(zhì)量表示。

瞬時(shí)流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)工藝管道某截面積的流體數(shù)量。

累積流量：某一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)工藝管道某截面積的流體總量。

（12）某被測(cè)溫度信號(hào)在40~80℃范圍內(nèi)變化，工藝要求測(cè)量誤差不超過(guò)±1%,現(xiàn)

有兩臺(tái)測(cè)溫儀表，精度等級(jí)均為0.5級(jí)，其中一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍為0~100℃,另一臺(tái)儀

表的測(cè)量范圍為0~200℃,試問(wèn)：這兩臺(tái)儀表能否滿(mǎn)足上述測(cè)量要求？

答：

由題可得：這兩臺(tái)儀表均不能滿(mǎn)足上述測(cè)量要求。

（13）熱電偶測(cè)溫時(shí)為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？其補(bǔ)償方法常采用哪幾種？

答：

1）只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度恒定時(shí)，其熱電動(dòng)勢(shì)才是單值函數(shù)。依據(jù)等值替換原理

制成的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，雖然可以將冷端延伸到溫度相對(duì)穩(wěn)定的地方，但還不能保持絕對(duì)不變。

因此，為了消除冷端溫度不為零或變化時(shí)對(duì)測(cè)量精度的影響，可以進(jìn)行冷端溫度校正。

2）補(bǔ)償方法常采用查表校正法和電橋補(bǔ)償法。

（14）熱電阻測(cè)溫電橋電路中的三線(xiàn)制接法為什么能減小環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)溫精度

的影響？

答：

三線(xiàn)制接法就是在熱電阻根部的一端引出一根導(dǎo)線(xiàn)，而在另一端引出兩根導(dǎo)線(xiàn)，分別

與電橋中的相關(guān)元件相接。這種接法可利用電橋平衡原理較好的消除導(dǎo)線(xiàn)電阻的影響，所

以這種接法是目前工業(yè)過(guò)程中最常用的接線(xiàn)方式。

2.綜合練習(xí)題

（1）某一標(biāo)定為100~600℃的溫度計(jì)出廠(chǎng)前經(jīng)校驗(yàn)，各點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果值如下:

被校表讀數(shù)/七100150200250300400500600

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/C102149204256296403495606

1）試求該儀表的最大絕對(duì)誤差。

2）確定該儀表的精度等級(jí)。

3）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，儀表的最大絕對(duì)誤差為±7℃,問(wèn)此時(shí)儀表的精度等級(jí)為

多少？

答：

1）儀表的最大絕對(duì)誤差為：±6℃。

2）根據(jù)b=±±義100%=±1.2%,可知：儀表的精度等級(jí)1.2級(jí)。

500

3）此時(shí)儀表的精度等級(jí)不變，仍然為1.2級(jí)。

（2）用分度號(hào)PtlOO的熱電阻測(cè)溫，卻錯(cuò)查了Cu50的分度表，得到的溫度是250℃。問(wèn)實(shí)際溫

度是多少？

答：

根據(jù)題意可知：實(shí)際溫度為-1208C。

(3)若被測(cè)壓力的變化范圍為0.5~1.4MPa,要求測(cè)量誤差不大于壓力示值的±5%,

可供選用的壓力表規(guī)格：量程為0~1.6MPa,0~2.5MPa,0~4MPa,精度等級(jí)為1.0、1.5、

2.5o試選擇合適量程和精度的壓力表。

答：

根據(jù)題意可知：

最大測(cè)量誤差為Amax=1.4X(±5%)=+0.07Mpa

1)量程確定：

應(yīng)滿(mǎn)足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.4MPaX3/2=2.1MPa

可以選量程為。?2.5MPa的彈簧壓力表。

2)精度等級(jí)確定：

求出基本誤差，以確定滿(mǎn)足要求的精度等級(jí)。

3=±222x100%=±2.8%，允許的精度等級(jí)為2.5級(jí)。

2.5

綜上分析，選擇量程為0?2.5MPa,精度等級(jí)為2.5級(jí)的彈簧壓力表。

該表的最大絕對(duì)誤差：Amax=2.5X(+2.5%)=+0.0625MPa,<0,07MPa

所以滿(mǎn)足要求。

(4)已知某負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在溫度為298K時(shí)阻值以彳)=3144Q；當(dāng)溫度為

303K時(shí)阻值A(chǔ)(7p=2772Q。試求該熱電阻的材料常數(shù)B和298K時(shí)的電阻溫度系數(shù)a。

答：

根據(jù)半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻值和溫度的函數(shù)近似關(guān)系如式(2-4)所示：

R（T）=R（7；））EXPB

得該熱電阻的材料常數(shù)6=h]/")-In〃(1).75

dR6B

溫度系數(shù)a

dTF

在298K時(shí)，a=0.0256。

(5)用差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)孔板配套測(cè)量管道介質(zhì)流量。若差壓變送器量程為0~10」Pa,

對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為4~20mADC,相應(yīng)流量為0~320m3/h。求差壓變送器輸出信號(hào)為8mADC

時(shí)，對(duì)應(yīng)的差壓值及流量值各是多少？

答：根據(jù)題意可知：

斜率％=—￡-x10000=2500

20-4

差壓值y=2500pa

3

流量值p-1250。*320-\60m/h

V10000

(6)什么是FSK信號(hào)？HART協(xié)議的通信方式是如何實(shí)現(xiàn)的？

答：

FSK信號(hào)：頻移鍵控，就是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波的頻率。是信息傳輸中使用較早的

一種傳輸方式。HART協(xié)議的通訊方式是由調(diào)制器、解調(diào)器、載波檢測(cè)電路和時(shí)基電路構(gòu)

成，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)與FSK信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化。

(7)利用壓力表測(cè)量某容器中的壓力，工藝要求其壓力為1.3±0.06MPa,現(xiàn)可供選

擇壓力表的量程有0~1.6MPa,0~2.5MPa,0~4.0MPa,其精度等級(jí)有1.0、1.5、2.0、2.5、

4.0,試合理選用壓力表量程和精度等級(jí)。

答：

根據(jù)題意可知：

最大測(cè)量誤差為Amax=±0.06Mpa

1)量程確定：

應(yīng)滿(mǎn)足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.36MPaX3/2=2.04MPa

可以選量程為0?2.5MPa的壓力表。

2)精度等級(jí)確定：

求出基本誤差，以確定滿(mǎn)足要求的精度等級(jí)。

6=±器x100%=±2.4%，允許的精度等級(jí)為2.0級(jí)。

綜上分析，選擇量程為0?2.5MPa,精度等級(jí)為2.0級(jí)的壓力表。

該表的最大絕對(duì)誤差：Amax=2.5X(±2.0%)=±0.05MPa,<0.06MPa

所以滿(mǎn)足要求。

3.設(shè)計(jì)題

(1)用分度號(hào)為K的銀銘-銀硅熱電偶測(cè)量溫度，在無(wú)冷端溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，顯示

儀表指示值為600C,此時(shí)冷端溫度為50℃。試問(wèn)：實(shí)際溫度是多少？如果熱端溫度不

變，使冷端溫度為20℃時(shí)，此時(shí)顯示儀表指示值應(yīng)為多少？

答：

1)已知冷端溫度為50C,由分布表可查得

E(to,O)=E(50,0)=2.022mV

又已知熱電動(dòng)勢(shì)E=24.902+2.022=26.924mV

所以實(shí)際溫度為648℃o

2)當(dāng)冷端溫度為20℃時(shí)，熱電勢(shì)為0.798mV

26,924-0.798=26.126mV

26,176-25.751=0.425mV

630-26J26xl0?629C°

0.425

當(dāng)冷端溫度為20c時(shí)，顯示儀表指示值為629℃。

(2)某容器的正常工作壓力范圍為1.0~1.5MPa,工藝要求就地指示壓力，并要求測(cè)

量誤差小于被測(cè)壓力的±5%,試選擇一個(gè)合適的壓力表(類(lèi)型、量程、精度等級(jí)等)，

并說(shuō)明理由。

答：

根據(jù)題意知：壓力范圍1.0~1.5MPa

允許最大誤差：emax=1.5X(±5%)=±0.075MPa

1)量程確定：

應(yīng)滿(mǎn)足工作最大壓力小于儀表量程的2/3處，即1.5MPaX3/2=2.21MPa

可以選量程為0~2.5MPa的彈簧壓力表。

2)精度等級(jí)確定：

求出基本誤差，以確定滿(mǎn)足要求的精度等級(jí)。

3=±竺至'100%=±3%,允許的精度等級(jí)為3級(jí)。

2.5

綜上分析，選擇量程為0?2.5MPa,精度等級(jí)為3級(jí)的彈簧壓力表。

該表的最大絕對(duì)誤差：Amax=2.5X(±3%)=±0.075MPa,<=0,075MPa

所以滿(mǎn)足要求。

(3)如圖2-1所示，利用雙室平衡容器對(duì)鍋爐汽包液位進(jìn)行測(cè)量。已知R=4.52MPa,

333

p限=4.52kg/m,夕液=800.4kg/rn,p冷-915.8kg/m,h、-0.8m,h2-1.7m。

試求差壓變送器的量程，并判斷零點(diǎn)遷移的正負(fù)方向，計(jì)算遷移量。

答：

1)差壓液位計(jì)的量程為V：

P=瓦(p液—。汽)g=0.6x(800.4-4.52)x9.8=4679.UPa

當(dāng)液位最低時(shí)，差壓液位計(jì)的正、負(fù)壓室的受力為：

P"P\+W汽g+%p水g

巴=4+3、冷g+h2P水g

則遷移量AR=P、一P_=-7144.44

變送器的量程為AP=7144.44-4679.77=2464.67Pa

2)因?yàn)镻+VP-,故為負(fù)遷移；遷移量為-7144.44。

（4）某控制系統(tǒng)中有一個(gè)量程為20~100kPa、精度等級(jí)為0.5級(jí)的差壓變送器，在校

驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該儀表在整個(gè)量程范圍內(nèi)的絕對(duì)誤差的變化范圍為-0.5~+0.4kPa,試問(wèn)：該變

送器能否直接被原控制系統(tǒng)繼續(xù)使用？為什么？

答：

允許最大誤差：Z\max=100X（±0.5%）=±0.5kPa

這個(gè)范圍大于-0.5?+0.4kPa,所以該變送器能直接北苑控制系統(tǒng)繼續(xù)使用。

（5）用K型熱電偶測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差，其連接線(xiàn)路如圖2-2所示。已知％=420℃,

t0=30℃,測(cè)得兩點(diǎn)溫差電勢(shì)為15.24mV,試求兩點(diǎn)溫差為多少？后來(lái)發(fā)現(xiàn)，J溫度下

的那只熱電偶錯(cuò)用E型熱電偶，其它都正確，試求兩點(diǎn)實(shí)際溫差。

答：

1)eA/j(。，。)=17.241mv

eCD(tpt0)=e黑(M，心)-15.24=2.00W

經(jīng)查表得：t2=49.5℃

故而兩點(diǎn)溫差為4-q=370.5℃

2)eAB(tpo)—eABo)—eCD。)6CD(%，。)=15.24勿V

e

則：cD《2,0)=%(M，0)-e.(t0)0)+%(t0,0)-15.24=14.708“

經(jīng)查表得：t2=360。。

故而兩點(diǎn)溫差為勺-與=60℃

第3章思考題與習(xí)題

1.基本練習(xí)題

(1)在過(guò)程控制中，哪些儀表是屬于過(guò)程控制儀表？在過(guò)程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)調(diào)

節(jié)器是電動(dòng)的，而執(zhí)行器多數(shù)是氣動(dòng)的，這是為什么？氣動(dòng)單元組合儀表與電動(dòng)單元組合

儀表各單元之間的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)又是如何規(guī)定的？

答：

1)在過(guò)程控制中，過(guò)程控制儀表有：調(diào)節(jié)器、電/氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等。

2)調(diào)節(jié)器選電動(dòng)的因?yàn)殡娫吹膯?wèn)題容易解決，作用距離長(zhǎng)，一般情況下不受限制；

調(diào)節(jié)精度高，還可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。執(zhí)行器多數(shù)是氣動(dòng)的，因?yàn)閳?zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，

常常在高溫、高壓、深冷、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、易爆等惡劣條件下工作，選氣

動(dòng)的執(zhí)行器就沒(méi)有電壓電流信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生火花，這樣可以保證安全生產(chǎn)和避免嚴(yán)重事故

的發(fā)生。

3)氣動(dòng)儀表的輸入輸出模擬信號(hào)統(tǒng)一使用0.02~0.1MPa的模擬氣壓信號(hào)。電動(dòng)儀表

的輸入輸出模擬信號(hào)有直流電流、直流電壓、交流電流和交流電壓四種。各國(guó)都以直流電

流和直流電壓作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。過(guò)程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號(hào)為4~20mADC,負(fù)

載250。；模擬直流電壓信號(hào)為1~5VDCo

(2)某比例積分調(diào)節(jié)器的輸入、輸出范圍均為4~20mADC,若設(shè)5=100%、/；=2min,

穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸出為6mA；若在某一時(shí)刻輸入階躍增加1mA,試求經(jīng)過(guò)4min后調(diào)節(jié)器的輸出。

答：

由比例積分公式(3-1)所示：

1(1『八1

y=—e+—Jedt(3-1)

依題意：p=」—=100%,即的=1,e=l；

Kn

穩(wěn)態(tài)時(shí)：%=6mA,

4min后：

y=y°+#+任由

=6+lx(l+gx4)

=9mA

（3）簡(jiǎn)述DDZ-HI型全刻度指示調(diào)節(jié)器的基本組成、工作狀態(tài)以及開(kāi)關(guān)句~$2的作用。

答：

1）調(diào)節(jié)器由控制單元和指示單元組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐?、PD與PI電路、輸

出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路;指示單元包括輸入信號(hào)指示電路和給定信號(hào)指示電路。

2）工作狀態(tài)：自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)三種。

3）S1~S2為自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)。

（4）圖3-1所示輸入電路的輸入/輸出關(guān)系為&=2（匕-匕.），試問(wèn)：推導(dǎo)這一關(guān)系

的假設(shè)條件有哪些？當(dāng)輸入導(dǎo)線(xiàn)電阻不可忽略時(shí)，還有上述關(guān)系嗎？請(qǐng)證明你的結(jié)論。

答:

假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的即輸入阻抗無(wú)窮大，T點(diǎn)和F點(diǎn)同電位，匕=匕。

當(dāng)輸入導(dǎo)線(xiàn)電阻不可忽略時(shí)：

(3-2)

R+rR+rR+r

0-%?Vs-4_VT-VB

(3-3)

R+rR+rR+r

VT=匕，依然可以得到原結(jié)論％=2（V,-V,.）

（5）什么叫無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換？全刻度指示調(diào)節(jié)器是怎樣保證由自動(dòng)到軟于動(dòng)、由

軟手動(dòng)到硬手動(dòng)、再由硬手動(dòng)到軟手動(dòng)、由軟手動(dòng)到自動(dòng)之間的無(wú)擾切換的？

答：

在無(wú)平衡是非平衡狀態(tài)下切換不產(chǎn)生干擾的狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換無(wú)沖擊。

因?yàn)槿潭戎甘菊{(diào)節(jié)器中有PID電路，用C“和C,兩個(gè)電容保證。當(dāng)調(diào)節(jié)器由“軟手

動(dòng)”切向“硬手動(dòng)”時(shí)其輸出值將由原來(lái)某一數(shù)值跳躍到硬手動(dòng)電位器RP〃所確定的數(shù)值，

這將會(huì)使內(nèi)部過(guò)程產(chǎn)生內(nèi)部繞動(dòng)。如要這一過(guò)程是無(wú)擾動(dòng)的話(huà)，必須在切換之前就先調(diào)整

電位器RP”的位置，使其與調(diào)節(jié)器的瞬時(shí)輸出一致。換句話(huà)說(shuō)，就是先平衡在切換，方可

保證輸出無(wú)擾動(dòng)。當(dāng)調(diào)節(jié)器由“硬手動(dòng)”切向“軟手動(dòng)”時(shí)，由于切換后的積分器具有保

持特性，即能保證切換前的硬手動(dòng)輸出狀態(tài)，故由硬手動(dòng)切換軟手動(dòng)時(shí)。無(wú)需“平衡”即

可做到輸出無(wú)擾動(dòng)。

（6）調(diào)節(jié)器的正、反作用是如何規(guī)定的？

答：

若調(diào)節(jié)器輸出隨反饋值輸入的增加而增加，稱(chēng)為正作用調(diào)節(jié)器，反之為反作用調(diào)節(jié)器。

正作用：偏差=測(cè)量值-給定值；

反作用：偏差=給定值-測(cè)量值。

（7）數(shù)字式控制器有哪些主要特點(diǎn)？簡(jiǎn)述其硬件的基本構(gòu)成。

答：

1）數(shù)字式控制器的主要特點(diǎn)：采用了模擬儀表與計(jì)算機(jī)一體的設(shè)計(jì)方法，使數(shù)字式

控制器的外形結(jié)構(gòu)、面板布置、操作方式等保留了模擬調(diào)節(jié)器的特征；與模擬調(diào)節(jié)器相比

具有更豐富的運(yùn)算控制功能；具有數(shù)據(jù)通信功能，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；可靠性高具有自診斷功

能，維護(hù)方便。

2）數(shù)字式控制器的硬件電路由主機(jī)電路，過(guò)程輸入通道、過(guò)程輸出通道、人/機(jī)聯(lián)系

部件、通信部件等。

（8）SLPC數(shù)字式調(diào)節(jié)器的模塊指令有幾種主要類(lèi)型？它們的操作都與什么有關(guān)？試

舉一例加以說(shuō)明。

答：

1）SLPC可編程調(diào)節(jié)器的功能模塊指令可分為四種類(lèi)型，即信號(hào)輸入指令LD、信號(hào)輸

出指令ST、結(jié)束指令END和各種功能指令。

2）所有指令都與五個(gè)運(yùn)算寄存器有關(guān)。

3）如加法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)。加法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3-2所示。圖中SjSs的初始狀態(tài)

分別為、、、、

ABCDEo

加法運(yùn)算程序?yàn)?/p>

LD'|；讀取Xi數(shù)據(jù)

LD、2；讀取*2數(shù)據(jù)

+；對(duì)X］、X2求和

STX；將結(jié)果存入耳；

END；運(yùn)算結(jié)束

（9）執(zhí)行器由哪幾部分組成？它在過(guò)程控制中起什么作用？常用的電動(dòng)執(zhí)行器與氣

動(dòng)執(zhí)行器有何特點(diǎn)？

答：

1）執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。在過(guò)程控制系統(tǒng)中，他接

受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移來(lái)改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，以控制

流入或流出被控過(guò)程的物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。

2）特點(diǎn)：氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、防火防爆的

等優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)執(zhí)行器優(yōu)點(diǎn)是能源取用方便。信號(hào)傳輸速度快和便于遠(yuǎn)傳，缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)復(fù)

雜。價(jià)格貴，適用于防爆要求不高或缺乏氣源的場(chǎng)所。

（10）簡(jiǎn)述電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成及各部分的工作原理。

答：

主要由伺服放大器和執(zhí)行器兩大部分組成，電動(dòng)執(zhí)行器是電動(dòng)單元組合儀表中的執(zhí)行

單元，以伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)。電動(dòng)執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器來(lái)的0~10mA或

4~20MA的直流信號(hào)，將其線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換成0~90。的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角或直線(xiàn)位置位移，用以操作風(fēng)

門(mén)、擋板、閥門(mén)等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（11）什么叫氣開(kāi)式執(zhí)行器和氣關(guān)式執(zhí)行器？它們是怎樣組合的？試舉兩例分別說(shuō)

明它們的使用。

答：

1）所謂“氣開(kāi)”，是指當(dāng)前氣壓信號(hào)p>0.02MPa時(shí)，閥由關(guān)閉狀態(tài)逐漸打開(kāi)；“氣關(guān)”

則相反，即指當(dāng)前氣壓信號(hào)p>0.02MPa時(shí)，閥由全開(kāi)狀態(tài)逐漸關(guān)閉。

2）組合如表3-1所示：

表3-1執(zhí)行器組合表

執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式閥體作用方式執(zhí)行器氣開(kāi)、氣關(guān)形式

正正氣關(guān)

正反氣開(kāi)

反正氣開(kāi)

反反氣關(guān)

3）舉例：一般加熱器選用“氣開(kāi)”式，這樣當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀

態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高發(fā)生事故或危險(xiǎn)。

又如，鍋爐進(jìn)水的執(zhí)行器則應(yīng)選用“氣關(guān)”式，即當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于打

開(kāi)狀態(tài)，保證有水進(jìn)入鍋爐，不致產(chǎn)生燒干或爆炸事故。

（12）在過(guò)程控制系統(tǒng)中，為什么要使用電-氣轉(zhuǎn)換器？試簡(jiǎn)述其工作原理。

答：

1）由于氣動(dòng)執(zhí)行器有一系列優(yōu)點(diǎn)，絕大多數(shù)使用使用電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表的系統(tǒng)也是用氣

動(dòng)執(zhí)行器，為使氣動(dòng)執(zhí)行器能夠接受電動(dòng)調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，必須把調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電

流信號(hào)轉(zhuǎn)換為20~100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。這個(gè)過(guò)程由電氣轉(zhuǎn)換器完成。

2）工作原理：它是按力平衡原理設(shè)計(jì)和工作的。在其內(nèi)部有一線(xiàn)圈，當(dāng)調(diào)節(jié)器（變

送器）的電流信號(hào)送入線(xiàn)圈后，由于內(nèi)部永久磁鐵的作用，使線(xiàn)圈和杠桿產(chǎn)生位移，帶動(dòng)

擋板接近（或遠(yuǎn)離）噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部的氣動(dòng)功率

放大器上，放大后的壓力一路作為轉(zhuǎn)換器的輸出，另一路饋送到反饋波紋管。輸送到反饋

波紋管的壓力，通過(guò)杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個(gè)反向的位移，此位移與輸

入信號(hào)產(chǎn)生電磁力矩平衡時(shí)，輸入信號(hào)與輸出壓力成一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。即輸入信號(hào)從

4mA.DC改變到20mA.DC時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.02?O.IMPa變化，實(shí)現(xiàn)了將電流信

號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)的過(guò)程。

（13）在過(guò)程控制系統(tǒng)中，為什么要使用閥門(mén)定位器？它的作用是什么？

答：

1）電氣閥門(mén)定位器除了能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)外，還能夠使閥桿位移與送來(lái)的信

號(hào)大小保持線(xiàn)性關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)控制器來(lái)的輸人信號(hào)與閥門(mén)位置之間關(guān)系的準(zhǔn)確定位，故取

名為定位器。

2）定位器可以使用在閥的不平衡力較大或閥桿移動(dòng)摩擦力較大等場(chǎng)合，同時(shí)還可以

利用定位器來(lái)改變閥的流量特性，改變執(zhí)行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器

可以使閥在不同的信號(hào)段范圍內(nèi)作全行程移動(dòng)。

（14）什么是調(diào)節(jié)閥的流通能力，確定流通能力的目的是什么？它是怎樣計(jì)算的？

答：

1）調(diào)節(jié)閥的流通能力指：調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、閥前后壓差為O.IMPa、流體重度為lg/crr?時(shí)，

每小時(shí)通過(guò)閥門(mén)的流體流量（r^或kg）。

2）確定流通能力的目的是其調(diào)節(jié)閥的容量。

3）由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的體積流量如式（3-4）

所示：

式中，。為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)狀況，可從有關(guān)手冊(cè)查

閱或由實(shí)驗(yàn)確定；為為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；「為流體重度。

（15）什么是調(diào)節(jié)閥的流量特性？調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有哪幾種？它們各是怎樣

定義的？調(diào)節(jié)閥的工作流量特性與阻力系數(shù)有關(guān)，而阻力系數(shù)又是怎樣定義的？它的大小

對(duì)流量特性有何影響？

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(chēng)為固有流量特

性，也叫理想流量特性。

2）常用理想流量特性：直線(xiàn)流量特性、等百分比（對(duì)數(shù)）流量特性、快開(kāi)特性。

3）直線(xiàn)流量特性是指流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度成直線(xiàn)關(guān)系。等百分

比流量特性是指單位行程變化所引起的相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系?？扉_(kāi)

流量特性是指在小開(kāi)度時(shí)就有較大的流量隨著開(kāi)度的增大,。流量很快達(dá)到最大，故稱(chēng)為

快開(kāi)特性。

4）阻力系數(shù)S定義為閥全開(kāi)時(shí)閥前后壓差A(yù)p*與系統(tǒng)總壓差A(yù)p的比值。

5）S=1時(shí)，工作流量特性為理想流量特性。當(dāng)S〈1時(shí)，閥全開(kāi)時(shí)流量特性減小，隨著

S減小，直線(xiàn)特性趨向快開(kāi)特性，對(duì)數(shù)特性趨向直線(xiàn)特性，S值愈小，流量特性變形程度

愈大。

（16）直通雙座調(diào)節(jié)閥與直通單座相比，有何優(yōu)點(diǎn)？它們各自適用什么場(chǎng)合？

答：

1）直通雙座調(diào)節(jié)閥與直通單座相比，主要優(yōu)點(diǎn)為：允許壓差大。

2）直通單座適用于泄漏要求較嚴(yán)、壓差不大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合；直通雙座調(diào)節(jié)閥適用

于泄漏要求不嚴(yán)、壓差較大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合。

（17）智能電動(dòng)執(zhí)行器有哪些主要特點(diǎn)？它依據(jù)什么可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”？

答：

1）主要特點(diǎn)為：具有智能化和高精度的控制功能；一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想；具有智

能化的自診斷與保護(hù)功能；具有靈活的組態(tài)功能，“一機(jī)多用”，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2）通過(guò)軟件組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”。

（18）過(guò)程控制系統(tǒng)的所有儀表與裝置是否都應(yīng)考慮安全防爆？為什么？

答：

不是?，F(xiàn)場(chǎng)的所有儀表應(yīng)考慮安全防爆。非危險(xiǎn)場(chǎng)所的儀表則不一定要防爆，現(xiàn)場(chǎng)儀

表與非危險(xiǎn)場(chǎng)所（包括控制室）之間必須經(jīng)過(guò)安全柵。

（19）安全柵有在安全防爆系統(tǒng)中的主要作用是什么？簡(jiǎn)單齊納式安全柵有何缺點(diǎn)?

它是如何改進(jìn)的？

答：

1）安全柵的作用是將送到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)能量限制在可能引起爆炸的極限能量之內(nèi)。

2）缺點(diǎn)：一是固定的限流電阻大小難以選擇。二是接地不合理通常一個(gè)信號(hào)回路只

允許一點(diǎn)接地，兩點(diǎn)以上接地會(huì)造成信號(hào)通過(guò)過(guò)大的縮短或形成干擾。

3）改進(jìn)：第一點(diǎn)改進(jìn)，由四個(gè)齊納二極管和四個(gè)快速熔絲組成雙重限壓電路并取消

了直接接地點(diǎn)，改為背靠背接地的齊納二極管中心接地。第二點(diǎn)改進(jìn)，用雙重晶體管限流

電路代替固定電阻，以達(dá)到近似理想的限流效果。

（20）與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵有何優(yōu)點(diǎn)？

答：

隔離式安全柵與齊納式安全柵相比較，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一個(gè)地方接地，使用方便，通用性強(qiáng)；

2）隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均可通過(guò)變壓器耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸

入、輸出完全隔離，使安全柵的工作更加安全可靠；

3）隔離式安全柵由于信號(hào)完全浮空，大大增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，提高了控制系

統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠性。

2.綜合練習(xí)題

（1）用一個(gè)放大器組成的PID運(yùn)算電路如圖3-2所示。試推導(dǎo)其傳遞函數(shù)，并簡(jiǎn)化

成實(shí)際PID運(yùn)算電路的標(biāo)準(zhǔn)形式。

圖3-2用二個(gè)運(yùn)算放大器組成的PID運(yùn)算電路

答：

根據(jù)題意，將圖3-2可分解為如下兩部分，如圖3-3所示：

經(jīng)推導(dǎo)可知:

Vp/s)_a_WnRqSp

(3-5)

{(s)n1+RDCDS

1_

Z（s）mR]C]Sj

(3-6)

L（s）1

KR￡〃s

?jlI1、

匕(s)a1+nR"C廬%[mgs'_

即

((s)N1+RDCDS11J1

KI「JKR"

簡(jiǎn)化成實(shí)際PID運(yùn)算電路的標(biāo)準(zhǔn)形式為式（3-7）：

匕⑸

(3-7)

匕(s)1

1+——^++人

其中，n=4(微分增益)，nRnCn=TD,K,=KCjmC,,T,=mR,C,

（2）已知某比例微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

吃2（s）。1+4內(nèi)

K屋

試求單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)表達(dá)式，畫(huà)出響應(yīng)曲線(xiàn)，并用實(shí)驗(yàn)的方法確定其

微分時(shí)間，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟及所用儀器。

答：

1）根據(jù)題意知，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式（3-8）：

a1+T1)s

位）(3-8)

為1+2s

階躍輸入表達(dá)式如式（3-9）：

R（s）=-(3-9)

S

在單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)如式（3-10）：

Y(s)=G(s)?/?(s)=:1+"s(3-10)

nD

\KDn/

經(jīng)拉式反變換得到，單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)表達(dá)式如式（3-11）：

+戈［⑶11）

0y<nDJ/

2）響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3-4所示：

圖3-4系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)圖

(3)在比例積分電路中，若運(yùn)算放大器不是理想

的，積分電容的漏電阻也不是無(wú)窮大，其保持狀態(tài)的

簡(jiǎn)化電路如圖3-5所示。

經(jīng)理論分析得到如下關(guān)系：

1)一％3三?RC).2)△/三

吃3-g'匕3-Q+K)R￡M'

3)△吃3W-萼；4)痣一等。

若已知偏置電流4=10pA,失調(diào)電壓么=10

mV,輸入阻抗(=10Hfi,開(kāi)環(huán)增益4=105,積分圖3-5保持狀態(tài)的簡(jiǎn)化電路

12

電容的=10^F,漏電阻《=10;當(dāng)電路輸出么=5V時(shí)，上述四種因素分別作用,

使輸出產(chǎn)生0.5%的誤差時(shí)的保持時(shí)間各為多少小時(shí)？

答：

當(dāng)輸出產(chǎn)生0.5%的誤差時(shí)：

由△曦?’(佝得

由了「二而得:

=R&甘勺5X10'

(3-12)

由0kM—?—得：

匕3(1+K)R,CM

%,)三(1+K)RG乎=5X108

(3-13)

由△心三一等得：

C

——-uW..=-0.005(3-14)

⑷二403

由△吃3三-等得：

三一B△二三-0.005

(3-15)

(4)T4

(4)如圖3-6所示的輸出電路中，試證明：當(dāng)/=4(《+《)=40.25kQ時(shí)，可以

獲得精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系式1。=舒。

4Rr

24^

圖3-6輸出電路

答：略

（5）如圖3-7所示，冷物料通過(guò)加熱器用蒸汽

對(duì)其加熱。在事故狀態(tài)下，為了保護(hù)加熱器設(shè)備的

安全即耐熱材料不被損壞，現(xiàn)在蒸汽管道上有一只

氣動(dòng)執(zhí)行器，試確定其氣開(kāi)、氣關(guān)形式，并畫(huà)出由

PID電動(dòng)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

答:

1）應(yīng)選用氣開(kāi)形式，當(dāng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，保證耐熱

材料不被損壞。

2）框圖如圖3-8所示:

圖3-8系統(tǒng)框圖

（6）現(xiàn)測(cè)得三種流量特性的有關(guān)數(shù)據(jù)如表3-1所示。試分別計(jì)算其相對(duì)開(kāi)度在10%、

50%、80%各變化10%時(shí)的相對(duì)流量的變化量，并據(jù)此分析它們對(duì)控制質(zhì)量的影響和一

些選用原則。

表3-1調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量（R=30）

f極1嬰G/D（%）

相對(duì)流量（q/京的'0102030405060708090100

直線(xiàn)流量特性3.313.022.732.342.051.761.371.080.690.3100

對(duì)數(shù)流量特性3.34.676.589.2613.018.325.636.250.871.2100

快開(kāi)流量特性3.321.738.152.665.275.884.591.396.1399.03100

答：

1）直線(xiàn)流量特性：

在10%開(kāi)度227-13xJ00%=74.62%

13

在50%開(kāi)度處三出x100%=18.57%

51.7

在80%開(kāi)度-SOSx1oo%=12.03%

80.6

線(xiàn)性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)流量的相對(duì)變化量大，靈敏度高，控制作用強(qiáng)，容易產(chǎn)生振蕩；

而在大開(kāi)度時(shí)流量的相對(duì)變化量小，靈敏度低，控制作用較弱。由此可知，當(dāng)線(xiàn)性調(diào)節(jié)閥

工作在小開(kāi)度或大開(kāi)度時(shí)，它的控制性能較差，因而不宜用于負(fù)荷變化大的過(guò)程。

（2）對(duì)數(shù)流量特性

在10%開(kāi)度竺比幽x100%=40.9%

4.67

在50%ff^25,6-183x100%=39.89%

18.3

在80%開(kāi)度”-2-50.8*]00%=408%

50.8

對(duì)數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)其放大系數(shù)KV較小，因而控制比較平穩(wěn)；在大開(kāi)度

工作時(shí)放大系數(shù)Kv較大，控制靈敏有效，所以它適用于負(fù)荷變化較大的過(guò)程。

（3）快開(kāi)流量特性

在10%開(kāi)度變土也x100%=75.58%

21.7

在50%開(kāi)度竺”型x10儂=11.48%

75.8

在80%開(kāi)度9903-96.13X1OQ%=3.02%

96.13

快開(kāi)流量特性是指在小開(kāi)度時(shí)候就有較大的流量，隨著開(kāi)度的增大，流量很快達(dá)到最

大，快開(kāi)流量特性的調(diào)節(jié)閥主要用于位式控制。

3.設(shè)計(jì)題

（1）某加熱過(guò)程，其控制介質(zhì)（熱流量）與被控溫度之間呈變?cè)鲆骊P(guān)系，若采用PID

調(diào)節(jié)，希望調(diào)節(jié)器的增益隨溫度的升高而下降，以補(bǔ)償過(guò)程增益的變化。試用SLPC可編

程數(shù)字調(diào)節(jié)器的模塊指令設(shè)計(jì)控制程序，并假定：用10段折線(xiàn)函數(shù)模塊汽儲(chǔ)作成過(guò)程增

益變化曲線(xiàn)的反函數(shù)，調(diào)節(jié)器的當(dāng)前增益存入寄存器4。

答：略

（2）常規(guī)執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥芯形狀一旦制造好就難以改變，因而給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不便。

現(xiàn)有一種數(shù)字閥，它是由一系列并聯(lián)安裝、按二進(jìn)制排列的閥門(mén)組成。試設(shè)計(jì)一個(gè)8位

數(shù)字閥的構(gòu)成方案，并簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)原理。