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过程装备控制技术 习题及参考答案第一章 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：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动 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：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用 的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行 器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量 y被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要 控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）ys对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值 ym由检测原件得到的被控变量的实际值； 操纵变量（或控制变量）m受控于调节阀，用以克服干扰影 响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信 号； 干扰 f引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因 素； 偏差信号（e）被控变量的实际值与给定值之差，即 e=ym - ys 控制信号 u控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 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：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给 定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过 改变操纵变量克服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相 同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是 使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？ 什么是闭环负反馈系统？ 答：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联 系的自动控制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控 变量又通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看， 构成了一个闭合回路。开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺 向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象 去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。定值控制系统要求给 定值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对 应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要 闭环控制。另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是 系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反 馈系统。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，扰动作用是不可避免的，系统受到扰 动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控 制作用下经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态，即系统 从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过度过 程。在阶跃干扰作用下，其过度过程曲线有： 发散振荡过程 等幅振荡过程 衰减振荡过程 非振荡的单 调过程。 其中衰减振荡和非振荡的单调过程属于稳定的过渡过程， 能满足自动控制的要求，其它的不能。9.试画出衰减比分别为 时的过度过程曲线？ 答： n1，发散 n=1，等幅 n1，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： 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。 衰减比 n过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。 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。 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。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 。 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。由于放大系数 K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之 间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。 T时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，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。或当对象受到阶跃输 入作用后，被控变量达到新的稳态值的 63.2%所需时间。时间常数 T 是反映被控变量变化快慢的参数，因此是对象的动态参数。 滞后时间 是纯滞后 0 时间 和容量滞后 c 的总和。 输入变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞 后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。 容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起 的。滞后时间 也是反映对象动态特性的重要参数。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：对一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是 被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操 纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的 信号联系称为扰动通道。 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：对于不同的通道，对象的特性参数（K，T ， ）对控制作用 的影响是不同的。对于控制通道： 放大系数 K 大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作 用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数 K 小，控制作用的影 响不显著，被控变量的变化缓慢。但 K 太大，会使控制作用对被控 变量的影响 . 过强，使系统的稳定性下降。 在相同的控制作用下，时间常数 T 大，则被控变量的变化比较 缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大； 若时间常数 T 小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太 大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适 中考虑。滞后时间 的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变 化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量 减小滞后时间 。 对于扰动通道： 放大系数 K 大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大 时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数 k 小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。 时间常数 T 大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对 象较易控制。 纯滞后的存在，相当于将扰动推迟 0 时间才进入系统，并不影 响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋 于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。 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。qv1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，PID7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？ 答：位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只 有几个特定的位置。最常见的是双位控制。，它们输出只有两个数 值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。 位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。但它的 控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量 的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值 上。 积分控制（P）是指调节器的输出 . 时间、微分时间的大 小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。 临界比例度法首先求取比例作用下的闭环系统为等幅振荡过 程时的比例度 和振荡周期 TK，然后根据经验公式计算出相应的 调节器参数 衰减曲线法以在纯比例下获得 4：1 衰减振荡曲线为参数整 定和依据，方法同临界比例度法，获得 4：1 衰减曲线的 TS、 ， 然后求解相应的值。7、 为什么积分控制规律一般不能单独使用？答：纯积分控制的缺点在于，它不向比例控制那样输出u与输入e保持同步、反应较快，而是其输出变化总要滞后于偏差的变化。这样就不能及时有效的克服扰动的影响，其结果是加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来。8、 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：比例控制：比例度与比例放大倍数互为倒数关系。比例度越大，放大倍数越小，系统再次平衡时的余差就越大，调节器的输出变化越小，过渡过程越平稳，反之比例度越小，系统的余差也随之越小，最大偏差越小，振荡周期也越短，工作频率提高，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。积分控制：积分时间表征出积分作用的强弱，积分时间越小，积分速度越大，积分控制作用越强。随着积分时间的减小，积分作用不断增强，在相同的扰动作用下，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降。积分时间过小还可能导致系统的不稳定。微分控制：微分时间太小，对系统的品质指标影响甚微，随着微分时间的增加，微分作用增强；当微分时间适当时，控制系统的品质指标将得到全面的改善，但若微分作用太强，反而会引起系统振荡10、比例积分微分调节器有什么特点？答：在PID调节器中，比例、积分和微分作用取长补短、互相配合，如果比例度、积分时间、微分时间这三个参数整定适当，就可以获得较高的控制质量。因此，PID调节器的适应性较强，应用也比较普遍。11、在比例积分微分调节器中可以调整得参数有哪几个？试说明调整其中一个参数时，对调节器的控制作用有什么影响？答：可以调比例度、积分时间与微分时间。12、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：调节器参数整定的目的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量最好的调节器参数。工程整定方法有：经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法。13、调节器控制规律选择的依据是什么？答：1.简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控对象。2.在一般控制系统中，比例调节是必不可少的。3.当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，而工艺要求无余差，可选用比例积分调节规律。4.当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分重要。14、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，首先要对被控对象做全面的了解，除被控对象的静态特性外，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，最后将调节器的参数整定到最佳值。1.被控变量的选择，被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。一作为被控变量，其信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小；二若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量；三作为被控变量，必须是独立变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系来确定的；四最为被控变量，必须考虑工艺的合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。2.操纵变量的选择，考虑工艺的合理性，考虑被控对象特性。一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；二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。3.检测变送环节的影响，传递滞后与测量滞后对控制系统的控制质量的影响很大，特别是当被控对象自身的时间常数和滞后很小时，影响就更为突出，在设计控制系统时必须注意。4.执行器的影响，从广义对象的角度考虑，执行器可以看做是被控对象的一部分，其动态特性相当于在被空对象中增加一个容量滞后环节。当执行器的时间常数与被控对象的时间常数接近时，将会使广义对象的容量滞后显著增大，这对控制是非常不利的。 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： 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。 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，如贮罐液位，不太重要的压力等参数控制。 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。 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，如温度，成分，PH 等 参数控制。 如果被控对象传递参数可用 近似，则可根据对象的可控比 t/T 选 择哪个调节器的调节规律。当 t/T 时，选用 P 或 PI；当 时，选 PD 或 PID；当 时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求， 这时应选用复杂控制系统。 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：能迅速克服进入副回路的干扰。能改善被控对象 的特征，提高了系统克服干扰的能力。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：在系统结构上，串级控制系统是由两个串联工作的控制器构成 的双闭环控制系统。一个闭环系统在里面，称为副环或副回路，在 控制系统中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，称为主环或主回 路，用来完成“细调”的任务，以保证被控变量满足工艺要求。由 于串级控制系统由两套检测变送器、两个调节阀、两个被控对象和 一个调节阀组成，其中两个调节阀器串联起来工作，前一个调节器 的输出作为后一个调节器的给定值，后一个调节器的输出才送给调 节阀。因此一个是粗调，一个是细调。 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： 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；主要干扰是可测不可控的变量；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。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。第三章 过程检测技术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：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。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。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 = 100% = 6% ，可表示仪表的基本误差限与绝对误差? x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, = ?3 100% = ?5.0% ， 60若实际为 30，测量显示值为 27 ，则 ：? =-3， = ? 3 100% = ?10.0% ， 显然此时的相对误差比前者大。 30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 = 100% = d % ， 如温度计的量程为 100，则其引用误差 q = ?3 100% = ?3% ， 100 ? s根据允许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。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2002000，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： EEab（t，t1）Ecd（t1，t0） 由补偿导线的性质得：Ecd（t1,t0）=Eab(t1,t0) EEab（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。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 20 ,t=1300 1300 的平衡点温度在 20 .图 3-80 中,t=1300, t1=80 ,t2=25,t0=30 试求： 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; (1)仪表的示值温度是多少; 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; (2)如何处理可使示值与实际温度相符; 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? (3)把补偿导线改为铜线时,示值变为多少? 把补偿导线改为铜线时 解:如图所示: (1)查 S 型热电偶的分度号表: t/ 1300 E/mv 13.155 30 0.173 25 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t 0 = t1 = 80C 0 预先调到 20 处，即可使示值与实际温度相符。（3）若将补偿导线改为铜线,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。 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 1.5M（至肘管端口） 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， h=140mm， 面距口 80mm，两管水银面高度 h=140mm， 求水的表压力（ 求水的表压力（Pa) 解：如图所示：11 截面压力相等，即：P水 + 水 g(h1 + h2 + h3 ) = Pa + 水银gh 3表压 P表 = P水 ? Pa = 水银 gh3 ? 水 g ( h1 + h2 + h3 ) = 13.6 103 9.8 0.14 ? 1 103 9.8 (1.5 0.08 + 0.14 ) = 1803.2 Pa 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 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 0.71MPa 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： 00.6MPa; 02.5MPa.1 s M min 3 2 M max s 3 1 s 0.7 3 2 s 1 3s 2. . 1MPa s 1.5MPa故选用 01.6MPa 精度等级： max =0.02 100% = 1.25 1.6故选用精度等级为 1 级的量程为 01.6MPa 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： 工作原理 节流 利用节流元件前后的差压与流速之间 装置 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 501000mm，测量 范围 1.5100000m3/h，但 使用产生的压力损失 大，精度12% 转子 基于力平衡原理，利用锥形管内的转 流量 子把流体的流速转换成转子的位移， 计 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， 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 4150mm, 测量范围： 0.0013000m3/h, 精 度12.5%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i 1 2 d i d 分的作用，是将被测差压 pi 转换成为作用于主杠杆下端的输入力。其工作原理为：正负压容的输入压力经敏感元件转换成输入 力 Fi。即 。Fi 作用于主杠杆的下端，M f = Mi 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。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。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 MfMi 时，则杠杆系统产生偏角 ，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 pi 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。 4DD8III 型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几 DD8 部分组成的？试简述其工作过程。答：DD8III 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 420mA 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 pi 的大小。5DD8III 型温度变送器为什么要采用线性化措施？热电偶温度 DD8 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：电动差压变送器的输入与输出间的关系： I 0 =Ad ( tg 1 3 ) 2 f k f?Pi式中 Ad，I1，I2，I3，I3 是固定不变的，故输出电流与输入差压之 间的比例关系通过调整 tg 和 kf 来改变，即改变变送器的量程， ，Io，量程变小，j，kf，的改变是通过改变反馈线圈的匝速 w 实现的，w，kf，量程。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 010mA 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 420mA DC 输出电流，称为两线制。-220V 现场变送器0 10mA现场变送器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： 本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。 用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。 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 20100KPa，电动调 节仪表采用统一标准的电信号，420mA 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 = K p P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Kp Tit 0 入P 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。 11PID 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：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。 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。采用集成电路便于各种功能的扩展。 采用标准信号制，接受 15V DC 测量信号，输出 420mA 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 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 DTZ2100 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：DT82100 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 15V DC 电压信号转换成 420mA 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 15V DC 电压 信号转换成以电流负端为基准的 420mA 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。 15DDZIII 型调节器的输入电路为什么要进行电平移动？ 答：DDZIII 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 15V DC 测量信号，输出 420mA 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。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 0100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 DDZIII 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？ 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：qv qv max l = f ( ) 。调节阀的理想流量特性是指 L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： 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：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。第