過程控制系統(tǒng)及儀表 王再英等 課后答案(全)

第I章思索朝芍司至

1-1過程限制有哪些主要特點？為什么說過程限制多屬慢過程

參數(shù)限制？

解答：

1.限制對象困難、限制要求多樣

2.限制方案豐富

3.限制多屬慢過程參數(shù)限制

4.定值限制是過程限制的一種主要限制形式

5.過程限制系統(tǒng)由規(guī)范化的過程檢測限制儀表組成

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

成？

解答：過程限制系統(tǒng)：一般是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動限制系統(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l-lo

1-4說明過程限制系統(tǒng)的分類方法，通常過程限制系統(tǒng)可分為哪

幾類？

解答：分類方法說明：

按所限制的參數(shù)來分，有溫度限制系統(tǒng)、壓力限制系統(tǒng)、流量限

制系統(tǒng)等；按限制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬限制系統(tǒng)與數(shù)

字限制系統(tǒng)；按限制器類型來分，有常規(guī)儀表限制系統(tǒng)與計算機限制

系統(tǒng)；按限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所完成的功能來分，有串級限制系統(tǒng)、勻

稱限制系統(tǒng)、自適應(yīng)限制系統(tǒng)等；按其動作規(guī)律來分，有比例（P）

限制、比例積分（PI）限制，比例、積分、微分（PID）限制系統(tǒng)等;

按限制系統(tǒng)組成回路的狀況來分，有單回路與多回路限制系統(tǒng)、開環(huán)

與閉環(huán)限制系統(tǒng)；按被控參數(shù)的數(shù)量可分為單變量和多變量限制系統(tǒng)

等。

通常分類：

1.按設(shè)定值的形式不同劃分：(1)定值限制系統(tǒng)

(2)隨動限制系統(tǒng)

(3)程序限制系統(tǒng)

2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類：(1)反饋限制系統(tǒng)

(2)前饋限制系統(tǒng)

(3)前饋一反饋復(fù)合限制系統(tǒng)

1-5什么是定值限制系統(tǒng)？

解答：在定值限制系統(tǒng)中設(shè)定值是恒定不變的，引起系統(tǒng)被控參

數(shù)變更的就是擾動信號。

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)時限制過程被控參數(shù)與限制變

量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。

被控對象的動態(tài)特性：。系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控參數(shù)與限制變

量之間的關(guān)系即為限制過程的動態(tài)特性。

二者之間的關(guān)系：

1-7試說明定值限制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動態(tài)的含義。為什么在分析過程限

制系統(tǒng)得性能時更關(guān)注其動態(tài)特性？

解答：穩(wěn)態(tài)：對于定值限制，當(dāng)限制系統(tǒng)輸入（設(shè)定值和擾動）

不變時，整個系統(tǒng)若能達到一種平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中各個組成環(huán)節(jié)

暫不動作，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)）。

動態(tài)：從外部擾動出現(xiàn)、平衡狀態(tài)遭到破壞、自動限制裝置起

先動作，到整個系統(tǒng)又建立新的穩(wěn)態(tài)（達到新的平衡）、調(diào)整過

程結(jié)束的這一段時間，整個系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)和參數(shù)都處于變

更的過程之中，這種狀態(tài)稱為動態(tài)。

在實際的生產(chǎn)過程中，被控過程常常受到各種振動的影響，不行

能始終工作在穩(wěn)態(tài)。只有將限制系統(tǒng)探討與分析的重點放在各個環(huán)節(jié)

的動態(tài)特性，才能設(shè)計出良好的限制系統(tǒng)。

1-8評價限制系統(tǒng)動態(tài)性能的常用單項指標有哪些？各自的定

義是什么？

解答：單項性能指標主要有：衰減比、超調(diào)量與最大動態(tài)偏差、

靜差、調(diào)整時間、振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。

衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比n；

過渡過程的最大動態(tài)偏差：對于定值限制系統(tǒng)，是指被控參數(shù)偏

離設(shè)定值的最大值A(chǔ)；

超調(diào)量：第一個波峰值,與最終穩(wěn)態(tài)值y（00）之比的百分數(shù)

b=」一xl00%

y3)

殘余偏差C：過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達到的新穩(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)整時間：從過渡過程起先到過渡過程結(jié)束所需的時間；

振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間

隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率；

峰值時間：過渡過程起先至被控參數(shù)到達第一個波峰所須要的時

間。

1-10某被控過程工藝設(shè)定溫度為900C,要求限制過程中溫度偏離

設(shè)定值最大不得超過80℃?，F(xiàn)設(shè)計的溫度定值限制系統(tǒng)，在

最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖『4所示。試求該系

統(tǒng)過渡過程的單項性能指標：最大動態(tài)偏差、衰減比、振蕩周

期，該系統(tǒng)能否滿意工藝要求?

解答：

①最大動態(tài)偏差A(yù)：A=950PC-900°C=50℃

小xppri/950-900

②衰?；虮萵：n------------=5:1

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)滿意工藝要求。

第2章思索題與習(xí)題

2T①最大肯定誤差=806-800=6②基本誤差=6/1000=0.6%；1.0級

③不能用，只能用0.5級的儀表

2-2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肯定誤差是多少？若用標準壓力計來校驗該壓

力表，在校驗點為5MPa時，標準壓力計上讀數(shù)為5.08MPa,試問被

校壓力表在這一點上是否符合1級精度，為什么？

解答：

最大絕對誤差△max

1)基本誤差5=儀表量程X100%

最大肯定誤差A(yù)x=0.01X10=0.IMPa

2)校驗點為5MPa時的基本誤差：3=型濟*100%=0.8%

0.8%<1%,所以符合1.0級表。

2-4間接導(dǎo)致精度等級下降。例如：量程0^1000的1級儀表用

在測量范圍在0~100時，精度變成了10級！

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?250mA2)2.5級，0?75mA

現(xiàn)要測量50mA的直流電流，從精確性、經(jīng)濟性考慮哪塊表更合

適？

解答：分析它們的最大誤差：

1)△mx=250X1%=2.5mA；<5=+—;―x100%=+5%

50

?075

2)△儆=75義2.5%=1.875mA；6=±-—x100%=±3.75%

50

2號表精度低，價格相對便宜，但2號儀表的最大誤差小，而且

被測參數(shù)的數(shù)值在2號表量程內(nèi)，所以選擇2號表。

2-6①將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，若兩個連接點

溫度不同，回路中會產(chǎn)生電勢。此電勢稱為熱電勢。

銀銘一銀硅K0-+100040uV/℃價廉，，可在氧化與中性氣

氛中運用

銅一康銅T-200?+40050PV/℃價廉，但銅易氧化，常用于

150C以下溫度測量

③熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。

所以運用時、需保持熱電偶冷端溫度恒定。但熱電偶的冷端和熱端離

得很近，運用時冷端溫度較高且變更較大。為此應(yīng)將熱電偶冷端延至

溫度穩(wěn)定處。

2-8①金屬熱電阻測溫精度高。②熱電阻導(dǎo)線過長時，導(dǎo)線電阻過

大，對測量帶來較大誤差，采納三線制接法，可有效消退線路電阻對

測量的影響。

2-9①查閱CulOO電阻分度表，得到140°對應(yīng)電阻為159.96歐姆②

查閱PtlOO電阻分度表，得到電阻為159.96歐姆對應(yīng)157°

2-11某DDZ-III型溫度變送器輸入量程為200?1000℃,輸出為

4?20mA。當(dāng)變送器輸出電流為10mA時，對應(yīng)的被測溫度是多少？

解答:

1000-200TT=500℃o

20—4-15

2-12試簡述彈簧管壓力計的工作原理?，F(xiàn)有某工藝要求壓力范

圍為1.2±O05MPa,可選用的彈簧管壓力計精度有1.0、1.5、2.0、

2.5和4.0五個等級，可選用的量程規(guī)格有0?1.6MPa、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

計最合適？

解答：1）工作原理：

2）依據(jù)題意：壓力范圍為1.2±0.5MPa,即允許的最大肯定誤

差A(yù)x=0.05

①分析選用不同量程的表所需的精度等級：

0~1.6MPa量程：^=±2^xioo%=+3.125%,可選2.5級表；

1.6

0?2.5MPa量程：3=±幽*100%=±2%,可選1.5或2.0級表；

2.5

0~4.0MPa量程：^=±2^x100%=±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

0?1.6MPa量程：—=

一1.643

0~2.5MPa量程：1（—<-

32.53

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假如某反應(yīng)器最大壓力為1.OMPa,允許最大肯定誤差為

0.OIMPao現(xiàn)用一臺測量范圍為0~1.6MPa,精度為1級的壓力表來

進行測量，問能否符合工藝要求？若采納一臺測量范圍為0~l.OMPa,

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1.OMPa,允許最大肯定誤差為

0.OIMPao

分別求出兩臺儀表的最大允許誤差，進行推斷。

1）精度為1級，量程為0?L6MPa的表，其最大肯定誤差：

A,6max=1.6Xl%=0.016MPa,>0.01MPa,所以不符合要求；

2）精度為1級，量程為。?LOMPa的表，其最大肯定誤差：

△omax=L0Xl%=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

會使測量值超出儀表量程。

所以，該表也不符合要求。

2-14某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為1.0-l.6MPa,工

藝要求就地視察罐內(nèi)壓力，并要測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的

±5%0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：

依據(jù)題意知：壓力范圍1.0~l.6MPa,

允許最大誤差：A?x=1.6X(±5%)=+0.08MPa

1)量程確定：

應(yīng)滿意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。?2.5MPa的彈簧壓力表。

2)精度等級確定：

求出基本誤差，以確定滿意要求的精度等級。

一土警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。

該表的最大肯定誤差：ZLx=2.5X(+2.5%)=+0.0625MPa,

<0.08MPa

所以滿意要求。

2T5①電容式壓力變送器先將壓力的變更轉(zhuǎn)換為電容量的變更，

然后用電路測電容。

②特點：靈敏度高，量程寬，過載實力強，測量精度高，可達0.2

級。

2-17什么叫標準節(jié)流裝置？試述差壓式流量計測量流量的原

理；并說明哪些因素對差壓式流量計的流量測量有影響？

解答：

1）標準節(jié)流裝置：包括節(jié)流件和取壓裝置。

2）原理：基于液體流淌的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時

產(chǎn)生的壓力差而實現(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與

取壓方式親密相關(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、溫度與可壓縮性相關(guān)；

③流量系數(shù)的大小與流體流淌狀態(tài)有關(guān)。

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

降式流量計？

解答：

1）轉(zhuǎn)子流量計是定壓式流量計（P47）

雖然轉(zhuǎn)子流量計也是依據(jù)節(jié)流原理測量流量的，但它是利用節(jié)流

元件變更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）差壓式流量計是變壓降式流量計（P45）

是基于流體流淌的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置是產(chǎn)生的壓

差實現(xiàn)流量測量的。所以是變壓降式。

2-21橢圓齒輪番量計的特點是什么？對被測介質(zhì)有什么要求？

解答：1）特點：流量測量與流體的流淌狀態(tài)無關(guān)，這是因為橢

圓齒輪番量計是依靠被測介質(zhì)的壓頭推動橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)而進行計量

的。

粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計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。

橢圓齒輪番量計計量精度高，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）。

假如被測液體介質(zhì)中夾雜有氣體時，也會引起測量誤差。

2-22電磁流量計的工作原理是什么？它對被測介質(zhì)有什么要

求？

解答：P511）原理：利用導(dǎo)電液體通過磁場時在兩固定

電極上感應(yīng)出電動是測量流速。

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（100/ncm）,不能測量油類或氣體的流量。

2-24超聲波流量計的特點是什么？

解答：超聲波流量計的非接觸式測量方式，不會影響被測流體的

流淌狀況，被測流體也不會對流量計造成磨損或腐蝕損害，因此適用

范圍廣袤。測量液體流量精度可達0.2級，測量氣體流量精度可達0.5級。

2-25Ap=pl-p2=（hlrlg+Hrlg+pO）—（h2r2g+pO）

H=0時，△p=hlrlg-h2r2g,若rl=r2,則Ap。，須要負遷移。

2-26用法蘭式差壓變送器測液位的優(yōu)點是什么？

解答：P57測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以與粘度大、易凝

固等液體的液位，在膜盒、毛細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)不進入毛細管與變送器，以免堵塞。

可節(jié)約隔離罐。

2-27試述電容式物位計的工作原理。

解答：利用電容器的極板之間介質(zhì)變更時，電容量也相應(yīng)變更的

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超聲波液位計適用于什么場合？

解答：P60適合于強腐蝕性、高壓、有毒、高粘性液體的測量。

第3章習(xí)題與思索題

3-1什么是限制器的限制規(guī)律？限制器有哪些基本限制規(guī)律？

解答：

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

系。

2）基本限制規(guī)律：位式限制、比例限制、比例積分限制、比例

微分限制和比例積分微分限制。

3-2雙位限制規(guī)律是怎樣的？有何優(yōu)缺點？

解答：

1）雙位限制的輸出規(guī)律是依據(jù)輸入偏差的正負，限制器的輸出

為最大或最小。

2）缺點：在位式限制模式下，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。這是由于雙位限制器只有兩個特定

的輸出值，相應(yīng)的限制閥也只有兩個極限位置，總是過量調(diào)整所致。

3）優(yōu)點：偏差在中間區(qū)內(nèi)時，限制機構(gòu)不動作，可以降低限制

機構(gòu)開關(guān)的頻繁程度，延長限制器中運動部件的運用壽命。

3-3比例限制為什么會產(chǎn)生余差？

解答：產(chǎn)生余差的緣由：比例限制器的輸出信號y與輸入偏差e

之間成比例關(guān)系：

為了克服擾動的影響，限制器必須要有限制作用，即其輸出要有

變更量，而對于比例限制來講，只有在偏差不為零時，限制器的輸出

變更量才不為零，這說明比例限制會恒久存在余差。

3-4試寫出積分限制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。為什么積分限制能消退

余差？

解答：

1）積分限制作用的輸出變更量y是輸入偏差e的積分：

y=—[edt

TJ

2）當(dāng)有偏差存在時一，輸出信號將隨時間增大（或減?。?。當(dāng)偏差

為零時，輸出停止變更，保持在某一值上。因而積分限制器組成限制

系統(tǒng)可以到達無余差。

3-5什么是積分時間？試述積分時間對限制過程的影響。

解答：

1)y=Y\edt

積分時間是限制器消退偏差的調(diào)整時間，只要有偏差存在，輸出

信號將隨時間增大（或減小）。只有當(dāng)偏差為零時，輸出停止變更，

保持在某一值上。

2）在實際的限制器中，常用積分時間Ti來表示積分作用的強

弱，在數(shù)值上，7i=l/7Tio明顯，北越小，就越大，積分作用就

越強，反之亦然。

3-6某比例積分限制器輸入、輸出范圍均為4?20mA,若將比例

度設(shè)為100%、積分時間設(shè)為2min、穩(wěn)態(tài)時輸出調(diào)為5mA,某時刻，

輸入階躍增加0.2mA,試問經(jīng)過5min后，輸出將由5mA變更為多少？

1"Jed”分析:

解答：由比例積分公式:y=—e+

■尸1

依題意：p=—=100%,即4p=1,2mine=+0.2；

KP

穩(wěn)態(tài)時：為=5mA,

1(1「八

>=%+才+斤卜力

5nlin后：=5+lx(±0.2-~x0.2x5)

=(5±0.7)加4

3-7比例限制器的比例度對限制過程有什么影響？調(diào)整比例度時要

留意什么問題？

解答:P74

1）限制器的比例度P越小，它的放大倍數(shù)3就越大，它將偏差放

大的實力越強，限制力也越強，反之亦然，比例限制作用的強弱通過調(diào)

整比例度P實現(xiàn)。

2）比例度不但表示限制器輸入輸出間的放大倍數(shù)，還表示符合這個

比例關(guān)系的有效輸入?yún)^(qū)間。一表的量程是有限的，超出這個量程的比例

輸出是不行能的。

所以，偏差的變更使限制器的輸出可以變更全量程（16mA）,避開

限制器處于飽和狀態(tài)。

3-8志向微分限制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式是什么？為什么常用實際

為分限制規(guī)律？

解答：

1）尸罌

2）由于志向微分運算的輸出信號持續(xù)時間太短，往往不能有效

推動閥門。實際應(yīng)用中，一般加以慣性延遲，如圖3-7所示，稱為實

際微分。

3-9試寫出比例、積分、微分（PID）三作用限制規(guī)律的數(shù)學(xué)表

達式。

解答：

＞中+/力+7用

3-10試分析比例、積分、微分限制規(guī)律各自的特點，積分和微

分為什么不單獨運用？

解答：

1）比例限制與時、反應(yīng)靈敏，偏差越大，限制力越強；但結(jié)果

存在余差。

2）積分限制可以達到無余差；但動作緩慢，限制不與時.，不單

獨運用。

3）微分限制能起到超前調(diào)整作用；但輸入偏差不變時，限制作

用消逝，不單獨運用。

3-11DDZ-HI型基型限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-m型限制器的軟手動和硬手動有什么區(qū)分？各用在什

么條件下？

解答：

1）軟手動操作是指調(diào)整器的輸出電流To與手動操作的輸入信號

成積分關(guān)系；

硬手動操作是指調(diào)整器的輸出電流及與手動操作的輸入信號

成比例關(guān)系。

2）軟手動操作：系統(tǒng)投運

硬手動操作：系統(tǒng)故障

3-13什么叫限制器的無擾動切換？在DDZ-m型調(diào)整器中為了實

現(xiàn)無擾切換，在設(shè)計PID電路時實行了哪些措施？

解答:P84

1）調(diào)整器進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，輸出值不發(fā)生跳動，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換

無沖擊。

2）CM、CIOP85中。

3-14PID調(diào)整器中，比例度P、積分時間常數(shù)7；、微分時間常數(shù)

〃分別具有什么含義？在調(diào)整器動作過程中分別產(chǎn)生什么影響？若

將7；取8、七取0,分別代表調(diào)整器處于什么狀態(tài)？

解答：比例度P含義：使限制器的輸出變更滿量程時（也就是

限制閥從全關(guān)到全開或相反），相應(yīng)的輸入測量值變更占儀表輸入量

程的百分比。比例作用的強弱取決于比例度的大小。

積分時間常數(shù)T,含義：T,越小，積分作用越強；越大積分作用越

弱；若將T,取8,則積分作用消逝。

微分時間常數(shù)%含義：〃越大，微分作用越強；T,，取0,微分作

用消逝。

3-15什么是調(diào)整器的正/反作用？在電路中是如何實現(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）運放輸入端的切換開關(guān)實現(xiàn)的。

3-16調(diào)整器的輸入電路為什么要實行差動輸入方式？輸出電路

是怎樣將輸出電壓轉(zhuǎn)換成4?20mA電流的？

解答：1）采納差動輸入方式，可以消退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給出好用的PID數(shù)字表達式，數(shù)字儀表中常有哪些改進型

PID算法？

解答：1）P91式（3-18）2）改進的算法：P9P93

第4章思索題與習(xí)題

4-1氣動調(diào)整閥主要由哪兩部分組成？各起什么作用？

解答：1）執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)整機構(gòu)。

2）執(zhí)行機構(gòu)的作用：按調(diào)整器輸出的限制信號，驅(qū)動調(diào)整機構(gòu)

動作；

調(diào)整機構(gòu)的作用：由閥芯在閥體內(nèi)的移動，變更閥芯與閥座

之間的流通面積，從而變更被控介質(zhì)的流量。

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

解答：

1）類型：直通單座閥、直通雙座閥。

2）直通單座閥運用場合：小口徑、低壓差的場合；

直通雙座閥運用場合：大口徑、大壓差的場合。

4-4什么叫調(diào)整閥的志向流量特性和工作流量特性？常用的調(diào)

整閥志向流量特性有哪些？

解答：

1）志向流量特性：在調(diào)整閥前后壓差固定的狀況下得出的流量

特性稱為固有流量特性，也叫志向流量特性。

工作流量特性：在實際的工藝裝置上，調(diào)整閥由于和其他閥門、

設(shè)備、管道等串連運用，閥門兩端的壓差隨流

量變更而變更，這時的流量特性稱為工作流量

特性。

2）常用志向流量特性：直線流量特性、等百分比（對數(shù)）流量

特性、

快開特性

4-5單位相對行程變更所引起的相對流量變更與此點的相對流量

成正比關(guān)系：等百分比閥在各流量點的放大系數(shù)不同，但對流量的限

制力卻是相同的。

4-6什么叫調(diào)整閥的可調(diào)范圍？在串聯(lián)管道中可調(diào)范圍為什么

會變更？

解答：

1）可調(diào)范圍：反映調(diào)整閥可限制的流量范圍，用1^=、叱/、疝,之比

表示。R越大，調(diào)整流量的范圍越寬，性能指標就越好。

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值的變更為什么會使志向

流量特性發(fā)生畸變？

解答：

1）閥阻比：用閥阻比5=表示存在管道阻力的狀況下，

閥門全開時，閥門前后的最小壓差即en占總壓力Po

的比值。

2）在SV1時，由于串聯(lián)管道阻力的影響，使閥門開大時流量達

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

性慢慢區(qū)于快開特性，等百分比特性慢慢趨近于直線特性。

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

么？

解答:

1）氣開式：無壓力信號時閥門全閉，隨著壓力信號增大，閥門

漸漸開大的氣動調(diào)整閥為氣開式。

氣關(guān)式：無壓力信號時閥門全開，隨著壓力信號增大，閥門

漸漸關(guān)小的氣動調(diào)整閥為氣關(guān)式。

2）選擇原則：從工藝生產(chǎn)平安考慮，一旦限制系統(tǒng)發(fā)生故障、

信號中斷時，調(diào)整閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工藝設(shè)備

和操作人員的平安。

4-9如圖4-24所示的蒸氣加熱器對物料進行加熱。為保證限制

系統(tǒng)發(fā)生故障時，加熱器的耐熱材料不被燒壞，試確定蒸氣管道上調(diào)

整閥的氣開、氣關(guān)形式。

解答：氣開式，保證限制信號中斷時，切斷蒸汽源。

4-11試述電/氣轉(zhuǎn)換器的用途與工作原理。

解答:P113

1）用途：為了使氣動閥能夠接收電動調(diào)整器的輸出信號，必需

運用電/氣轉(zhuǎn)換器把調(diào)整器輸出的標準電流信換為20?lOOkPa的標

準氣壓信號。

2）原理：在杠桿的最左端安裝了一個線圈，該線圈能在永久磁

鐵得氣隙中自由地上下運動，由電動調(diào)整器送來得電流I通入線圈。

當(dāng)輸入電流I增大時，線圈與磁鐵間產(chǎn)生得吸力增大，使杠桿左端下

移，并帶動安杠桿上的擋板靠近噴嘴，變更噴嘴和擋板之間的間隙。

噴嘴擋板機構(gòu)是氣動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)過氣動功率放大器的

放大后，輸出20~lOOkPa的氣壓信號p去推動閥門。

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，力線圈產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵相作用，使杠桿繞支點0

順時針轉(zhuǎn)動，帶動擋板靠近噴嘴，使其背壓增大，經(jīng)氣動功率放大器

放大后，推動薄膜執(zhí)行機構(gòu)使閥桿移動。

4-14電動儀表怎樣才能用于易燃易爆場所？平安火花是什么意

思？

解答：1）必需是實行平安防爆措施的儀表，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)場帶來危急。

2）平安火花：電路在短路、開路與誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)

生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下。

4-16齊納式平安柵的基本結(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行限壓，用電阻進行限流。

第5章思索題與習(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（限制輸入與

擾動輸入）作用下，其狀態(tài)和輸出（被控參數(shù)）變更的數(shù)學(xué)表達式。

5-2建立被控過程數(shù)學(xué)模型的目的是什么？過程限制對數(shù)學(xué)模

型有什么要求？

解答：1）目的：①設(shè)計過程限制系統(tǒng)與整定限制參數(shù)；

②指導(dǎo)生產(chǎn)工藝與其設(shè)備的設(shè)計與操作；

③對被控過程進行仿真探討；

④培訓(xùn)運行操作人員；

③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潔，二是正確牢靠。階次一般不高

于三階，大量采納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：機理法和測試法。

2）機理法：測試法：

5-4什么是流入量？什么是流出量？它們與限制系統(tǒng)的輸入、輸

出信號有什么區(qū)分與聯(lián)系？

解答：

1）流入量：把被控過程看作一個獨立的隔離體，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)分與聯(lián)系：

限制系統(tǒng)的輸入量：限制變量和擾動變量。

限制系統(tǒng)的輸出變量：系統(tǒng)的被控參數(shù)。

5-5機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理特別熟識，被控參數(shù)與限

制變量的變更都與物質(zhì)和能量的流淌與轉(zhuǎn)換有親密關(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？

解答：

1）在擾動作用破壞其平衡工況后，被控過程在沒有外部干預(yù)的

狀況下自動復(fù)原平衡的特性，稱為自衡特性。

2）被控過程輸出對擾動存在負反饋。

5-7什么是單容過程和多容過程？

解答：1）單容：只有一個儲蓄容量。2）多容：有一

個以上儲蓄容量。

5-8什么是過程的滯后特性？滯后又哪兒種？產(chǎn)生的緣由是什

么？

解答:

1)滯后特性：過程對于擾動的響應(yīng)在時間上的滯后。

2)容量滯后：多容過程對于擾動的響應(yīng)在時間上的這種延遲被

稱為容量滯后。

純滯后：在生產(chǎn)過程中還常常遇到由(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、2，

液位//為被控參數(shù)，水箱截面為A,并設(shè)自、&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)H(s)/Q|(s),并寫出放大倍數(shù)K和時間常數(shù)T的

表達式。

解答:

\Q-\Q-\Q.=A

.2dt

AQ-竺

2&

AQ竺

3-凡

(2)框圖如圖:

H(s)

1/R

(3)“⑸二3

。］(5)A凡&S+

5-10以0為輸入、必為輸出列寫圖5To串聯(lián)雙容液位過程的微

分方程組，并求出傳遞函數(shù)4(s)/Q(s、

解答:

閥門

hr3

dt

MA/jj

?2=2

△Q=

凡R?

1)方程組:

dAI^

△02-皿3=A

dt

△Q=K

2)傳遞函數(shù):”2（s）「_________0_________

Q11（S）工心S-+（1+與+^2）S+

式中：Tt=A,R2,T2=A27?3,Tn=A,7?,

5-12何為測試法建模？它有什么特點？

解答：

1)是依據(jù)工業(yè)過程輸入、輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學(xué)處理后

得到數(shù)學(xué)模型。

2)可以在不特別清晰內(nèi)部機理的狀況下，把被探討的對象視為

一個黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。

5-13應(yīng)用干脆法測定階躍響應(yīng)曲線時應(yīng)留意那些問題？

解答:P139

(1)合理地選擇階躍輸入信號的幅度

(2)試驗時被控過程應(yīng)處于相對穩(wěn)定的工況

(3)要細致記錄階躍曲線的起始部分

(4)多次測試，消退非線性

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)點是什么？

解答:P139-P140

第6章思索題與習(xí)題

6-1簡潔限制系統(tǒng)由幾個環(huán)節(jié)組成？

解答：測量變送器、調(diào)整器、調(diào)整閥、被控過程四個環(huán)節(jié)組成。

6-2簡述限制方案設(shè)計的基本要求。

解答：平安性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。

6-3簡潔歸納限制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容。

解答：

1)限制系統(tǒng)方案設(shè)計；

2)工程設(shè)計；

3)工程安裝和儀表調(diào)校；

4)調(diào)整器參數(shù)整定。

6-4過程限制系統(tǒng)設(shè)計包括哪些步驟？

解答：P174

(1)熟識和理解生產(chǎn)對限制系統(tǒng)的技術(shù)要求與性能指標

(2)建立被控過程的數(shù)學(xué)模型

(3)限制方案的確定

(4)限制設(shè)備選型

(5)試驗(或仿真)驗證

6-5選擇被控參數(shù)應(yīng)遵循哪些基本原則？什么是干脆參數(shù)？什

么是間接參數(shù)？兩者有何關(guān)系？

解答:

1）原則：必需依據(jù)工藝要求，深化分析、生產(chǎn)過程，找出對產(chǎn)

品的產(chǎn)量和質(zhì)量、生產(chǎn)平安、經(jīng)濟運行、環(huán)境愛護、節(jié)能降耗等具有

確定性作用，能較好反映生產(chǎn)工藝狀態(tài)與變更的參數(shù)作為被控參數(shù)。

2）干脆參數(shù)：能干脆反映生產(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)過程的實際狀況。

4）兩者關(guān)系：間接參數(shù)是干脆參數(shù)的單值函數(shù)。

6-6選擇限制變量時，為什么要分析被控過程的特性？為什么希

望限制通道放大系數(shù)K,,要大、時間常數(shù)7；小、純滯后時間卻越小越

好？而干擾通道的放大系數(shù)勺盡可能小、時間常數(shù)77盡可能大？

解答：1）限制變量和干擾變量對被控參數(shù)的影響都于過程的特

性親密相關(guān)。

2）限制通道的靜態(tài)放大系數(shù)K。越大，系統(tǒng)的靜態(tài)偏差越

小，表明限制作用越靈敏，克服擾動的實力越強，限制效果越好。

時間常數(shù)T。小，被控參數(shù)對限制變量的反應(yīng)靈敏、限制與時，從

而獲得良好的限制品質(zhì)。

純滯后「0的存在會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低?！?值越大，對系統(tǒng)的

影響越大。

3）擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù)Kf越小，表明外部擾動對被控參數(shù)

的影響越小。時間常數(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)的限制品質(zhì)越好。

6-7當(dāng)被控過程存在多個時間常數(shù)時，為什么應(yīng)盡量使時間常數(shù)

錯開?

解答:P182

由自控理論學(xué)問可知，開環(huán)傳遞函數(shù)中幾個時間常數(shù)值錯開，可

提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最大偏差等，改善限制質(zhì)

量。

6-8選擇檢測變送裝置時要留意哪些問題？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。

6-9調(diào)整閥口徑選擇不當(dāng)，過大或過小會帶來什么問題？正常工

況下，調(diào)整閥的開度在什么范圍比較合適？

解答：

1）調(diào)整閥口徑選得過大，閥門調(diào)整靈敏度低，工作特性差，甚

至?xí)a(chǎn)生振蕩或調(diào)整失靈的狀況。

調(diào)整閥口徑選得過小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動時，調(diào)整閥工

作在全開或全關(guān)的飽和狀態(tài)，使系統(tǒng)短暫處于失控工況，這對擾動偏

差的消退不利。

2）正常工況下要求調(diào)整閥的開度在15%-85%之間。

6-10選擇調(diào)整閥氣開、氣關(guān)方式的首要原則是什么？

解答：保證人身平安、系統(tǒng)與設(shè)備平安是調(diào)整閥開、關(guān)作用方式

選擇的首要原則。

6-11調(diào)整器正、反作用方式的選擇依據(jù)是什么？

解答：確定原則是整個單回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)。

6-12在蒸氣鍋爐運行過程中，必需滿意汽-水平衡關(guān)系，汽包水

位是一個特別主要的指標。當(dāng)液位過低時，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)計加圖6。只斫米的海二限制系

1）調(diào)整閥：氣關(guān)方式。給水G

2）調(diào)整器：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)進行，必需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)定的溫度下進行。假如溫度太低，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)過程再次運行造成麻

煩甚至損壞設(shè)備。為此設(shè)計如圖6-29所示的溫度限制系統(tǒng)。試確定

調(diào)整閥的氣開、氣關(guān)方式和調(diào)整閥的TC正、反作用；畫出該限制系

統(tǒng)的框圖。

解答：

1）調(diào)整閥：氣開式。

2）調(diào)整器：反作用。

3）框圖：

6-14簡述比例、積分、微分限制規(guī)律各自的特點。

解答:P193

1）比例限制：是最簡潔的調(diào)整規(guī)律，它對限制作用和擾動作用

的響應(yīng)都很快速。比例調(diào)整只有一個參數(shù)，整定簡便。比例調(diào)整的主

要缺點是系統(tǒng)存在靜差。

2）積分限制：積分調(diào)整的特點是沒有靜差。但它的動態(tài)偏差最

大、調(diào)整時間長，只能用于有自衡特性的簡潔對象、很少單獨運用。

3）微分限制：超前調(diào)整。

6-21試比較臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法與閱歷法的

特點。

解答:P201

6-22如圖6-30所示熱交換器，將進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ATW中。。，而且不能發(fā)生過熱狀況，

以免造成生產(chǎn)事故。試設(shè)計一個簡潔限制系統(tǒng)，實現(xiàn)熱物料的溫度限

制，并確定調(diào)整閥的氣開、氣關(guān)方式，調(diào)整器的正反作用方式，以與

調(diào)整器的調(diào)整規(guī)律。

解答：

1）被控參數(shù)選擇：熱交換器出口溫度。載熱介質(zhì)一~~|

2）限制參數(shù)選擇：載熱介質(zhì)流量。

三熬交換器.

3）檢測儀表選擇：-----

溫度傳感器與溫度變送器。

4）調(diào)整閥選擇：

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)整器選擇：

①調(diào)整規(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、負符號判別：被控過程：+;變送器：+;調(diào)整

閥：+;

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

器為“一”。

6)畫出限制系統(tǒng)流程圖：如圖所示。

7)畫出限制系統(tǒng)方框圖：如圖所示。

8)簡述限制系統(tǒng)工作原理：

第7章思索題與習(xí)題

7-1與單回路系統(tǒng)相比，串級限制系統(tǒng)有哪些主要特點？

解答：P212—

7-2分析串級系統(tǒng)的工作原理，說明為什么副回路的存在會使系

統(tǒng)抑制擾動的實力增加。

解答：P208—

7-5在串級限制系統(tǒng)中當(dāng)主回路為定值(設(shè)定值)限制時，副回

路也是定值限制嗎？為什么？

解答:P212不是，副回路是隨動限制。

7-8在某生產(chǎn)過程中，通過加熱爐對冷物料加熱，依據(jù)工藝要求,

需對熱物料出口溫度進行嚴格限制。對系統(tǒng)分析發(fā)覺，主要擾動為燃

料壓力波動。故設(shè)計如圖7-43所示的限制系統(tǒng)。要求：

(1)畫出限制系統(tǒng)框圖；

(2)為保證設(shè)備平安，爐溫不能過高。確定調(diào)整閥的氣開、氣關(guān)

形式。

(3)確定兩個調(diào)整器的正反作用。

（2）氣開式。

（3）副調(diào)整器：反作用；

主調(diào)整器：反作用。

7-9簡述前饋限制的工作原理，與反饋限制相比，它有什么優(yōu)點

和局限？

解答：

1）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，馬上將其測量出來，通過前饋限制器，

依據(jù)擾動量的大小來變更限制量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。

P221

2）優(yōu)點：前饋限制器在擾動出現(xiàn)時馬上進行限制，限制與時，

對特定擾動引起的動、靜態(tài)偏差限制比較有效。

局限:P224—1）、2）

7-10為什么一般不單獨采納前饋限制方案？

解答：由于前饋限制的局限性。①補償限制規(guī)律很難精確計算。

②開環(huán)系統(tǒng)無法保證限制精度。

7-11（其次問改成各自特點）1）靜態(tài)前饋限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、

易于實現(xiàn)。

2）動態(tài)前饋限制系統(tǒng)理論上限制精確，但常常無法獲得補

償限制規(guī)律精確表達式。

3）前饋一反饋復(fù)合限制系統(tǒng)①既提高了限制速度，又保證了

限制精度。②反饋限制回路的存在，簡化了前饋限制器的設(shè)計和實現(xiàn)。

③既可實現(xiàn)高精度限制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4）前饋一一串級復(fù)合限制系