过程控制与自动化仪表第3版第3章思考题与习题.pdf

第第 3 章章 思考题与习题思考题与习题 1基本练习题基本练习题 （1）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调 节器是电动的， 而执行器多数是气动的， 这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合 仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？ 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）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，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。 执行器多数是气动的， 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 动的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和避免严重事故 的发生。 3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用 0.020.1MPa 的模拟气压信号。电动仪表 的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。各国都以直流电 流和直流电压作为统一标准信号。过程控制系统的模拟直流电流信号为 420mA DC，负 载 250 ；模拟直流电压信号为 15V DC。 （2） 某比例积分调节器的输入、 输出范围均为 420mADC， 若设100%、12minT， 稳态时其输出为6mA； 若在某一时刻输入阶跃增加1mA， 试求经过4min后调节器的输出。 答： 由比例积分公式（31）所示： 1 11 yeedt PT （3-1） 依题意：%100 1 p K p，即Kp =1, e1； 稳态时：y06mA， 4min 后： mA dt T e P yy 9 )4 2 1 1 (16 e 11 4 0 1 0 （3） 简述 DDZ型全刻度指示调节器的基本组成、 工作状态以及开关 1 S 2 S的作用。 第 3 章过程控制仪表 82 答： 1）调节器由控制单元和指示单元组成。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和给定信号指示电路。 2）工作状态：自动、软手动、硬手动三种。 3） 1 S 2 S为自动、软手动、硬手动联动切换开关。 （4）图 31 所示输入电路的输入/输出关系为 1 2() osi VVV，试问：推导这一关系 的假设条件有哪些？当输入导线电阻不可忽略时，还有上述关系吗？请证明你的结论。 图 3-1 输入电路图 答： 假设运算放大器是理想的即输入阻抗无穷大，T 点和 F 点同电位， F VV T 。 当输入导线电阻不可忽略时： F01B iFF 1 VVV V-V0V2 RrRrRr （3-2） STTTB VV0-VVV RrRrRr （33） F VV T ，依然可以得到原结论)(2 01is VVV （5）什么叫无平衡无扰动切换？全刻度指示调节器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的无扰切换的？ 答： 在无平衡是非平衡状态下切换不产生干扰的状态，状态转换无冲击。 因为全刻度指示调节器中有 PID 电路，用 M C和 I C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 H RP所确定的数值， 这将会使内部过程产生内部绕动。 如要这一过程是无扰动的话， 必须在切换之前就先调整 电位器 H RP的位置，使其与调节器的瞬时输出一致。换句话说，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，由于切换后的积分器具有保 持特性，即能保证切换前的硬手动输出状态，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）调节器的正、反作用是如何规定的？ 第 3 章过程控制仪表 83 答： 若调节器输出随反馈值输入的增加而增加， 称为正作用调节器， 反之为反作用调节器。 正作用：偏差=测量值给定值； 反作用：偏差=给定值测量值。 （7）数字式控制器有哪些主要特点？简述其硬件的基本构成。 答： 1）数字式控制器的主要特点：采用了模拟仪表与计算机一体的设计方法，使数字式 控制器的外形结构、面板布置、操作方式等保留了模拟调节器的特征；与模拟调节器相比 具有更丰富的运算控制功能；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）数字式控制器的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 数字式调节器的模块指令有几种主要类型？它们的操作都与什么有关？试 举一例加以说明。 答： 1）SLPC 可编程调节器的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 和各种功能指令。 2）所有指令都与五个运算寄存器 1 S 5 S有关。 3）如加法运算的实现。加法运算的实现过程如图 32 所示。图中 1 S 5 S的初始状态 分别为 A、B、C、D、E。 图 3-2 加法运算的实现过程 加法运算程序为 LD 1 X ；读取 1 X 数据 LD 2 X ；读取 2 X 数据 + ；对 1 X 、 2 X 求和 ST 1 Y ；将结果存入 1 Y ； 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？常用的电动执行器与气 动执行器有何特点？ 第 3 章过程控制仪表 84 答： 1）执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。在过程控制系统中，他接 受调节器输出的控制信号， 并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积， 以控制 流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。 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、防火防爆的 等优点，电动执行器优点是能源取用方便。信号传输速度快和便于远传，缺点就是结构复 杂。价格贵，适用于防爆要求不高或缺乏气源的场所。 （10）简述电动执行机构的组成及各部分的工作原理。 答： 主要由伺服放大器和执行器两大部分组成， 电动执行器是电动单元组合仪表中的执行 单元，以伺服电动机为动力的位置伺服机构。电动执行器接受调节器来的 010mA 或 420MA 的直流信号，将其线性地转换成 0900的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和气关式执行器？它们是怎样组合的？试举两例分别说 明它们的使用。 答： 1） 所谓 “气开” ， 是指当前气压信号 p0.02MPa 时， 阀由关闭状态逐渐打开； “气关” 则相反，即指当前气压信号 p0.02MPa 时，阀由全开状态逐渐关闭。 2）组合如表 31 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，锅炉进水的执行器则应选用“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的系统也是用气 动执行器， 为使气动执行器能够接受电动调节器的控制信号， 必须把调节器输出的标准电 流信号转换为 20100kPa 的标准气压信号。这个过程由电气转换器完成。 2）工作原理：它是按力平衡原理设计和工作的。在其内部有一线圈，当调节器（变 送器）的电流信号送入线圈后，由于内部永久磁铁的作用，使线圈和杠杆产生位移，带动 第 3 章过程控制仪表 85 挡板接近（或远离）喷嘴，引起喷嘴背压增加（或减少） ，此背压作用在内部的气动功率 放大器上，放大后的压力一路作为转换器的输出，另一路馈送到反馈波纹管。输送到反馈 波纹管的压力， 通过杠杆的力传递作用在铁芯的另一端产生一个反向的位移， 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的比例关系。 即输入信号从 4mA.DC 改变到 20mA.DC 时，转换器的输出压力从 0.020.1MPa 变化，实现了将电流信 号转换成气动信号的过程。 （13）在过程控制系统中，为什么要使用阀门定位器？它的作用是什么？ 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的信 号大小保持线性关系， 即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位， 故取 名为定位器。 2）定位器可以使用在阀的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的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器 可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。 （14）什么是调节阀的流通能力，确定流通能力的目的是什么？它是怎样计算的？ 答： 1)调节阀的流通能力指: 调节阀全开、 阀前后压差为 0.1MPa、 流体重度为 1g/cm3时， 每小时通过阀门的流体流量（m3或 kg） 。 2)确定流通能力的目的是其调节阀的容量。 3)由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量如式（34） 所示： V012 2g qA(pp ) r （3-4） 式中，为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查 阅或由实验确定； 0 A 为调节阀接管截面积； g为重力加速度；r为流体重度。 （15）什么是调节阀的流量特性？调节阀的理想流量特性有哪几种？它们各是怎样 定义的？调节阀的工作流量特性与阻力系数有关， 而阻力系数又是怎样定义的？它的大小 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的情况下得出的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）直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系。等百分 比流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系。 快开 第 3 章过程控制仪表 86 流量特性是指在小开度时就有较大的流量随着开度的增大， 。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 min pV与系统总压差p的比值。 5)S=1 时，工作流量特性为理想流量特性。当 S1 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、压差不大的干净介质场合；直通双座调节阀适用 于泄漏要求不严、压差较大的干净介质场合。 （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：具有智能化和高精度的控制功能；一体化的结构设计思想；具有智 能化的自诊断与保护功能；具有灵活的组态功能， “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）过程控制系统的所有仪表与装置是否都应考虑安全防爆？为什么？ 答： 不是。现场的所有仪表应考虑安全防爆。非危险场所的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的主要作用是什么？简单齐纳式安全栅有何缺点？ 它是如何改进的？ 答： 1）安全栅的作用是将送到现场信号能量限制在可能引起爆炸的极限能量之内。 2）缺点：一是固定的限流电阻大小难以选择。二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的缩短或形成干扰。 3）改进：第一点改进，由四个齐纳二极管和四个快速熔丝组成双重限压电路并取消 了直接接地点，改为背靠背接地的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，以达到近似理想的限流效果。 （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的任何一个地方接地，使用方便，通用性强； 2）隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均可通过变压器耦合，实现信号的输 入、输出完全隔离，使安全栅的工作更加安全可靠； 第 3 章过程控制仪表 87 3）隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强了信号的抗干扰能力，提高了控制系 统正常运行的可靠性。 2综合练习题综合练习题 （1）用一个放大器组成的 PID 运算电路如图 32 所示。试推导其传递函数，并简化 成实际 PID 运算电路的标准形式。 图 3-2 用二个运算放大器组成的 PID 运算电路 答： 根据题意，将图 32 可分解为如下两部分，如图 33 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： i ( )1 ( )1 PDDD DD VsnR C sa V snR C s （3-5） o 1 1 ( ) ( ) 11 11 I MII PD I MIM C CmR C sV s VsC KCKR C s （3-6） 第 3 章过程控制仪表 88 即 o i 1 1 ( )1 ( )1 11 11 I MII DD DD I MIM C CmR C sV snR C s a V snR C sC KCKR C s 简化成实际 PID 运算电路的标准形式为式（37） ： o i 1 1 ( ) ( )1 1 D D III DDM ID II ID T T s V saCT sT s TTV snC s K K TK T sK （37） 其中， D nK（微分增益） ， DDD nR CT， IMI KKCmC， III TmR C （2）已知某比例微分调节器的传递函数为 s K T sT K a sV sV D D D Do o 1 1 )( )( 1 2 试求单位阶跃输入作用下的输出响应表达式， 画出响应曲线， 并用实验的方法确定其 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（38） ： 1 1 D DD D T sa G s TK s K （3-8） 阶跃输入表达式如式（39） ： 1 ( )R s s （3-9） 在单位阶跃输入作用下的输出响应如式（310） ： 1 1 D D D D T sa YsG sR s KT ss K （3-10） 经拉式反变换得到，单位阶跃输入作用下的输出响应表达式如式（311） ： 1 D D T t K D D DD Ta y ttTe KK （3-11） 2）响应曲线如图 34 所示： 第 3 章过程控制仪表 89 CD K K e (1) CD KKe 0.63(1) CD KKe D D T K C K e u 图 3-4 系统阶跃响应曲线图 （3）在比例积分电路中，若运算放大器不是理想 的，积分电容的漏电阻也不是无穷大，其保持状态的 简化电路如图35所示。 经理论分析得到如下关系： 1） MC RC o o CR t V V 3 3 ；2） Mi R o o CRK t V V i )1 ( 3 3 ； 3） M Ib o C tI V b 3 ；4） M Ib o C tI V b 3 。 若已知偏置电流10 b IpA，失调电压10 os V mV，输入阻抗 11 10 i R，开环增益 5 10K，积分 电容10 M CF，漏电阻 12 10 c R；当电路输出 3 5 o VV时，上述四种因素分别作用， 使输出产生0.5的误差时的保持时间各为多少小时？ 答： 当输出产生0.5的误差时： 由 3 3 RC o oCM t V VR C 得： 4 3 3 510 o CMRC o V tR C V (3-12) 由 Mi R o o CRK t V V i )1 ( 3 3 得： 8 3 3 (1)510 i o iMR o V tK R C V (3-13) 由 M Ib o C tI V b 3 得： 图 3-5 保持状态的简化电路 第 3 章过程控制仪表 90 3 0.005 b M oI b C tV I (3-14) 由 M Ib o C tI V b 3 得： 3 0.005 b M oI b C tV I (3-15) （4）如图 36 所示的输出电路中，试证明：当 13 4()40.25 f RRRk 时，可以 获得精确的转换关系式 o3 o f V I 4R 。 图 3-6 输出电路 答：略 （5）如图 37 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的 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 电动器构成的控制系统结构框图。 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 38 所示： 图 3-8 系统框图 图 3-7 蒸汽加热器 第 3 章过程控制仪表 91 （6） 现测得三种流量特性的有关数据如表 31 所示。 试分别计算其相对开度在 10、 50、80各变化 10时的相对流量的变化量，并据此分析它们对控制质量的影响和一 些选用原则。 表 3-1 调节阀的相对开度与相对流量（R=30） 相对开度(l/L)(%) 相对流量(q/qmax)(%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 直线流量特性 3.3 13.022.732.342.051.761.371.0 80.6 90.3 100 对数流量特性 3.3 4.676.589.2613.018.325.636.2 50.8 71.2 100 快开流量特性 3.3 21.738.152.665.275.884.591.3 96.13 99.03 100 答： 1）直线流量特性： 在 10%开度%62.74%100 13 13-7 .22 在 50%开度%57.18%100 7 .51 1.75-1.36 在 80%开度%03.12%100 6 .80 6 .80-3 .90 线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大， 灵敏度高， 控制作用强， 容易产