仪表自动化习题答案解析

1、第1章自动控制系统基本概念 1- 3自动控制系统主要由哪些环节组成？ 解 自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环 节组成。 1- 5题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、 TRC-303、FRC-305所代表的意义。 题1-5图加热器控制流程图 解 PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为 3,仪表序号为07; TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段 号为3,仪表序号为03； FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段 号为3,仪表序号为05。 1-7在自动控制系统中

2、，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？ 解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一 的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器； 控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值 相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压 或电流）发送出去 执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启 度，从而改变操纵变量的大小。 1-8 试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介 质？ 解：被控对象（对象）一一动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、 生产设备或机器 被控变量一-控对象

3、内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量 的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。 给定值（或设定值或期望值） 一人们希望控制系统实现的目标，即被控变 量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。 操纵变量（调节变量）一寸被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操 纵）的变量。或实现控制作用的变量 操纵介质（操纵剂）一用来实现控制作用的物料 1- 11题1-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。 A、B两种物料进入反 应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试 画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变 量及可能影响被控

4、变量的干扰是什么？并说明该温度控制系统是一个具有负反馈 的闭环系统。 题1-11图反应器温度控制系统 解 该温度控制系统的方块图 题解1-11图反应器温度控制系统方块图 其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：冷却水流量 可能影响被控变量的干扰因素主要有 水的压力、温度，环境温度的高低等。 A、B两种物料的温度、进料量，冷却 若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获 得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度 增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。 所以该温度控制系统是 一个具有负反馈的闭环控制系统。 1-

5、12题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内 的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况， 此时系统是如何通过控 制作用来克服干扰作用对被控变量影响的 ？ 解：当反应器内的温度超过给定值（即升高）时，温度测量元件测出温度值 与给定值比较，温度控制器TC将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使 冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来，这样克 服干扰作用对被控变量影响。 1- 13按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类 ？ 解：按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类： ?定值控制系统一给定值恒定的控制系统。 ?随动控制系统（自动跟踪

6、系统） 一-定值随机变化的系统 ?程序控制系统一给定值按一定时间程序变化的系统。 1-19某化学反应器工艺规定操作温度为（900 10） C。考虑安全因素，控制 过程中温度偏离给定值最大不得超过 80C。现设计的温度定值控制系统，在最 大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题 1-19图所示。试求该系统的过渡过程品 质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进 入新稳态值的1% （即900（ 1%） = 9C）的时间），并回答该控制系统能否 满足题中所给的工艺要求？ 解 最大偏差A=950 900=50C)； 超调量 B=950 908=42 (C)； 由于 B=918 9

7、08=10 (C)，所以，衰减比 n=B B =42 10=4.2 ; 余差 C=908 900=8 C； 振荡周期 T=45 9=36(min); 过渡时间ts=47min。 因为A=50C 80C, C=8C 1.0%,所以该压力表不符合1.0级精度 3- 7 什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力(真空度)之间有何关系？ 解 (1) 工程上的压力是物理上的压强，即 P=F/S (压强)。 （2）绝对压力是指物体所受的实际压力； 表压力 =绝对压力 大气压力； 负压力（真空度） =大气压力 绝对压力 3- 10 作为感受压力的弹性元件有哪几种 ? 解 弹簧管式弹性元件、薄膜式弹性元件（有分膜

8、片式和膜盒式两种）、波 纹管式弹性元件。 3- 11 弹簧管压力计的测压原理是什么 ?试述弹簧管压力计的主要组成及测 压过程。 解： （1）弹簧管压力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，使其自由 端产生相应的位移，只要测出了弹簧管自由端的位移大小，就能反映被测压力 p 的大小。 （2）弹簧管式压力计的主要组成：弹簧管（测量元件），放大机构，游丝， 指针，表盘。 （ 3）弹簧管压力计测压过程为： 用弹簧管压力计测量压力时， 压力使弹簧管 产生很小的位移量， 放大机构将这个很小的位移量放大从而带动指针在表盘上指 示出当前的压力值。 3-14 电容式压力传感器的工作原理是什么 ?有何特点 ? 解

9、见教材 P.54P 55。当差动电容传感器的中间弹性膜片两边压力不等时， 膜片变形，膜片两边电容器的电容量变化（不等），利用变压器电桥将电容量的 变化转换为电桥输出电压的变化，从而反映膜片两边压力的差异（即压差）。 其特点：输出信号与压差成正比；应用范围广，可用于表压、差压、流量、 液位等的测量。 3-15某压力表的测量范围为01MPa,精度等级为1.0级，试问此压力表 允许的最大绝对误差是多少 ?若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为 0.5MPa时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合 1 级精度，为什么 ? 解 压力表允许的最大绝对误差为 max=1.0M

10、Pa 1.0%=0.01MPa 在校验点0.5MPa处，绝对误差为 =0.5 0.508= 0.008(MPa) 该校验点的测量误差为 100%1.57% 0.508 故该校验点不符合1.0级精度。 3-16 .为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取 ？选一台量程很大 的仪表来测量很小的参数值有何问题？ 解 （1 ）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被 测对象可能发生的异常超压情况， 对仪表的量程选择必须留有足够的余地， 但还 必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。 （2）由于仪表的基本误差 m由其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范 围内其大小是一

11、定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测 口 辛 .量误0 3-17如果某反应器最大压力为0.8MPa,允许最大绝对误差为0.01MPa。现 用一台测量范围为01.6MPa，精度为1.0级的压力表来进行测量，问能否符合 工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa,精度为1.0级的压力表， 问能符合误差要求吗？试说明其理由。 解 用01.6MPa、精度为1.0级的压力表来进行测量的基本误差 max=1.6MPa 1.0%=0.016MPa0.01MPa（允许值） 该表不符合工艺上的误差要求。 用01.0MPa、精度为1.0级的压力表来进行测量的基本误差 max=1.0M

12、Pa 1.0%=0.01MPa0.01MPa（允 许值） 该表符合工艺上的误差要求。 3-18某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为 1.11.6MPa，工艺要求就地 观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的 5%,试选择一台合 适的压力计（类型、测量范围、精度等级），并说明其理由。 解 空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限Pmin=1.1MPa,工作 压力上限pmax = 1.6MPa0设所选压力表量程为P,则根据最大、最小工作压力与 选用压力表量程关系，有 3 44 Pmax 4 pp Pmax -1 .62.13（MPa） 4 33 试问这台表合格否？它能否用于某空气贮

13、罐的压力测量（该贮罐工作压力为 0.81.0MPa，测量的绝对误差不允许大于 0.05MPa） ? 解压力表的校验 表3-1压力表的校验数据及其数据处理结果 被校表读数/MPa 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 最大误差 标准表上行程读数/MPa 0.000 1.595 0.385 0.790 1.210 标准表下行程读数/MPa 0.000 1.595 0.405 0.810 1.215 升降变差/MPa 0.000 0.000 0.020 0.020 0.005 0.020 标准表上、下行程读数平均值 /MPa 0.000 1.595 0.395 0.800 1.2125 绝对误差

14、/MPa 0.000 0.005 0.005 0.000 -0.013 -0.013 仪表的最大引用误差（从绝对误差和升降变差中选取绝对值最大者做为 求仪表的最大引用误差） max Pf s 100% 0.020 1.6 100% 1.25% 所以，这台仪表1.5级的精度等级合格。 空气贮罐的压力属稳态压力，且 Pmax=1.0MPa 1.6 2/3MPa ； Pmin=0.8MPa 1.6 1/3MPa ;最大误差 max=1.6 1.5%=0.024MPa 0.05MPa。所以 这台仪表能用于该空气贮罐的压力测量。 3-24 .什么叫节流现象？流体经节流装置时为什么会产生静压差 ？ 解：流

15、体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁，流体的静 压力产生差异的现象，称为节流现象。 流体经节流装置时，由于节流装置前后流体截面的该变， 造成流体流速的改 变，从而产生节流装置前后的压力差。 3-28为什么说转子流量计是定压式流量计？ p为一常数, 解：转子流量计测量流体流量时，转子前后流体压力的压差 Vtf g p PlP2 A=const.(恒量) 3-32用转子流量计来测气压为0.65MPa、温度为40C的CQ气体的流量时, 若已知流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量(已知CC2在标准状态时的密度 为 1.977kg / m3)。 解 由题知：p0=0.101325MP

16、a, p1=0.65+0.101325=0.751325(MPa); T0=293K, T1=273+40=313 (K); 0=1.293kg/Nm 3; 1=1.977kg/Nm 3, Q0=50L/s。贝U Q1 I 0 p1 T0 1 Po T1 1.293 0751325 293 50 1.977 0.101325 313 105(L/s) 2 3-33用水刻度的转子流量计，测量范围为010L/min，转子用密度为 7920kg/m3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831kg /L苯的流量，问测量范 围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750kg/ m3的铝制成，问这时用来测量

17、水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？ 解由题知 t=7920kg/m3， f=0.831kg/L=831kg/m3， w=1000/m3, Q0=10 L/min 测苯的流量的修正系数为 Kq (7920 1000) 831 ,(7920 831) 1000 0.9 Qr=Q0/K q=10/0.9 11.1(L/mi n) 所以，苯的流量测量范围为 011.1L/min 。 当转子材料改为铝时，r=2750kg/m3，此时测水的流量的修正系数为 KrQ (7920 1000) 2750 1000 Qr0=Q0/K rQ=10/2=5(L/mi n) 所以，此时测水的流量的测量范围为05L

18、/min 测苯的流量的修正系数为 KfQ (2750 1000) 831 0.8/ (2750 831) 1000 Qrf=Qr0/KfQ=5/O.87=5.75（L/min ） 所以，此时测苯的流量的测量范围为05.75L/min 。 3- 36涡轮流量计的工作原理及特点是什么？ 解：（1）涡轮流量计的工作原理：流体在管道中流动时使叶轮旋转，转速 与流体的流速成线性关系，磁电感应转换器将叶轮的转速转换成相应的电脉冲信 号，反映流体流速的大小。流速与管道截面的乘积就是流体的流量。 （2）涡轮流量计的特点：安装方便、测量精度高、可耐高压、反应快、便于 远传、不受干扰、容易磨损等特点。 3- 37

19、电磁流量计的工作原理是什么？它对被测介质有什么要求？ 解 电磁流量计的工作原理是基于管道中的导电流体在磁场中流动时切割 磁力线而产生感应电动势的 电磁感应原理，流体的流速越大，感应电动势也越大, 感应电动势与流量成正比。电磁流量计只能用来测量导电液体的流量。 3- 46什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？ 解（1）当被测容器的液位H=0时，差压液位计所感受的压差 p工0的现 象，称为液位测量时的零点迁移， 3-48测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，经常在负压管 上装有冷凝罐（见题3-19图），问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移 如要迁移，迁移量应

20、如何考虑？ 解：差压液位计正压室压力 pi= ghi+ gH+po 负压室压力 p2= gh2+ po 正、负压室的压差 p=pi P2= gH （h2 hl） g H=0时，p= （h2 hi） g。 这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使 H=0时，p=0,该差压变 送器测液位时需要零点迁移，迁移量为（h2 hi） g 3- 54什么是热电偶的热电特性？热电偶的热电势由哪两部分组成？ 解：（1）将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称 为热电偶），若两接触点温度（T、To）不同，贝U回路中有一定大小电流，表明回 路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克（Seebe

21、ck）效应。回路中 的电势称为热动势，用 Eab（T，To）或EAB（t，to）. （2）热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。 3-22 常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是什么？为什么要使用补偿 导线?并说明使用补偿导线时要注意哪几点？ 解：（1）常用的热电偶有如下几种： 代号 J. 厢 正酪电摄 长丽谨用 用 帕犍-憾铐. WRR B LL 2 300-1500 00 . ta WRP S LB 3 *L.# 金 20-13M 1600 WRN K EV-2 100 WK WRE E -40800 WRF 1 铁 恻1*合金 TgTOO 7SO WR仁 丁 CK 事 am合金

22、 00300 350 （2）所配用的补偿导线如下: 码电價需称 补軽导陶 工柞常1为100+挣曙为0 时的赫扈储电孙mV 正 负 M (I L tt 红 W fl* * 口 0u4S(K037 10站土仇05 3170- 170 1 277 0-047 （3）用廉价的补偿导线代替热电偶使冷端远离热端不受其温度场变化的影 响并与测量电路相连接。 使用补偿导线时要注意： 在一定的温度范围内， 补偿导 线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性； 保持延伸电极与热电偶两个接点 温度相等。 3-56 用热电偶测温时， 为什么要进行冷端温度补偿 ?其冷端温度补偿的方法 有哪几种 ? 解：（1）热电偶的热电

23、势只有当To （或to）恒定是才是被测温度T （或t） 的单值函数。热电偶标准分度表是以 To = 0C为参考温度条件下测试制定的，只 有保持To = 0C,才能直接应用分度表或分度曲线。若To工0C,则应进行冷端 补偿和处理。 （2）冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0 C恒温法，冷端温度修正法， 冷端温度自动补偿法等。 3-57 试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表?输入、输出 信号各是什么 ? 解：热电偶温度计由热电偶（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入 信号是温度，输出信号是热电势。 热电阻温度计由热电阻（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号 是温度，输出信

24、号是电阻。 3-58用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为 20mV，冷端（室温） 为25C，求设备的温度？如果改用E型热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶 测得的热电势为多少 ? 解 用K型热电偶测温时，设设备的温度为t，则E（t，25）=20mV，查K型 热电偶分度表，E（25, 0）=1.000mV。根据中间温度定律， E（t， 0）= E（t， 25）+ E（25， 0）=20+1.0=21.000 mV 反查K型热电偶分度表，得t=508.4 C 若改用E型热电偶来测次设备温度，同样，根据中间温度定律，测得热电势 为 EK（508.4， 25）= EK（508.4， 0） EK

25、（25， 0）=37678.6 1496.5=36182.1 V 36.18mV。 3-59现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30C, 显示仪表的机械零位在0C时，这时指示值为400C，则认为换热器内的温度为 430 C对不对?为什么？正确值为多少度？ 解 认为换热器内的温度为430 C不对 设换热器内的温度为t，实测热电势为E(t, 30)，根据显示仪表指示值为 400C,则有E(t，30)= E(400，0)，由中间温度定律并查镍铬-铜镍(E型)热电 偶分度表，有 E(t，0)= E(t，30)+ E(30，0)= E(400，0)+ E(30，0)=28943+18

26、01=30744 V 反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得器内的温度t=422.5 C 3-60 试述热电阻测温原理？常用测温热电阻有哪几种？热电阻的分度号主要 有几种？相应的R0各为多少？ 解：(1)热电阻测温原理：电阻一温度效应，即大多数金属导体的电阻值 随温度而变化的现象。 (2) 常用测温热电阻有：铂热电阻和铜热电阻。 (3) 铂热电阻的分度号主要有： Pt100，( R0=100 ); Pt50，( Rd=50 ); Pt1000，( R0=1000 );等 铜热电阻的分度号主要有： Cu100，( R0=100 ); Cu50，( R0=50 );等 3-62用分度号为Ptl00铂电阻测

27、温，在计算时错用了 Cul00的分度表，查 得的温度为140C，问实际温度为多少？ 解 查Cul00的分度表，140C对应电阻为159.96 ，而该电阻值实际为Ptl00 铂电阻测温时的电阻值，反查 Ptl00的分度表，得实际温度为157C 3-63用分度号为Cu50、百度电阻比 W(100)=R100/R=1.42的铜热电阻测某 一反应器内温度，当被测温度为50r时，该热电阻的阻值R50为多少？若测某一 环境温度时热电阻的阻值为92 ，该环境温度为多少？ 解 分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=1.42的铜热电阻，其R0=50 ， R100=50 1.42=71 。则该铜热电阻测温的灵

28、敏度 k为 7150 100 0 0.21 (/ r) 被测温度为50C时，电阻值R5o=5O +0.21 /C 50C =60.5 当测某一环境温度时，若热电阻的阻值Rt=92，则对应的环境温度为 t=(92 50)/0.2仁200 C。 第4章显示仪表 4- 10对于标尺始端为0C的电子电位差计，当热电偶的热端为0C,冷端为 25C时，问这时应指示多少度？输入信号为多少？若热端为0C,冷端也为0C时, 这时应指示多少度？俞入信号为多少？ 解 当热电偶的热端为0C,冷端为25 C时，应指示0C； 输入信号为 E(0, 25)= E(25, 0)。 若热端为0C,冷端也为0C时，这时应指示0C

29、；输入信号为E(0, 0)=0。 4- 12如题4-12图所示热电偶测温系统，热电偶的型号为K,请回答： (1) 这是工业上用的哪种温度计？ (2) 显示仪表应采用哪种仪表？该仪表的输入信号是多少？应指示多少温度？ 题4-12图热电偶测温系统图 解 (1 )这是工业上用的热电偶温度计。 (2)显示仪表应米用XCZ-101型动圈式显示仪表或电子电位差计显示仪表; 仪表的输入信号是K型热电偶的热电势E(600, 25), E(600, 25)= E(600, 0)E(25, 0)=24902 1000=23902 ( V); 指示温度应为600 C(显示仪表内具有冷端温度自动补偿，能直接显示被测

30、温度)。 4- 13测温系统如题4-13图所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热 电偶为K,但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160C时，请计算实际温 度tx为多少度？(室温为25C) ZZZ 2, j fiHS 题4-13图测温系统图 解 这是工业上用的热电偶温度计 当与E型热电偶配套的显示仪表指示为160C、室温为25C时，显示仪表 的输入信号应为E型热电偶在热端为160C、冷端为25C时的热电势Ee(160 , 25)。而显示仪表外实际配用的是 K型热电偶，其输入的热电势Ee(160, 25)，实 际应为K型热电偶在热端为txC、冷端为25C时的热电势EK(tx, 25),即E

31、K(tx, 25)= Ee(160 , 25)。 Ee(160 , 25)= Ee(160 , 0)Ee(25 , 0) 查 E型热电偶分度表 Ee(160, 0) = 10501 V, Ee(25, 0)=1496.5 V,则 Ee(160 , 25)=10501 1496.5=9004.5 V EK(tx, 0) =EK(tx , 25)+ Ek(25 , 0) =9004.5+1000(查K型热电偶分度表) =10004.5 ( V) 反查K型热电偶分度表，得tx=246.4 C 4- 14试述电子自动平衡电桥的工作原理？当热电阻短路、断路或电源停电 时，指针应指在什么地方？为什么？ 解

32、 电子自动平衡电桥的原理电路如下图所示。 题解4-14图电子平衡电桥测温原理图 当被测温度为测量下限时，Rt有最小值及Rto，滑动触点应在RP的左端，此 时电桥的平衡条件是 R3 ( Rto+Rp) = R2R4 (1) 当被测温度升高后，热电阻阻值增加 衡，此时电桥的平衡条件是 R，滑动触点应右移动才能使电桥平 R3( Rto + Rt+Rp ri) =R2(R4+ ri) (2) 用式（1）减式（2），则得 R R3 ri R3= R2ri ri R3Rt R2R3 (3) 从上式可以看出：滑动触点B的位置就可以反映热电阻阻值的变化， 亦即反 映了被测温度的变化。并且可以看到触点的位移与热

33、电阻的增量呈线性关系。 当热电阻短路时，Rt=0，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向左滑动，直至 始端；当热电阻断路时，Rt=，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向右滑动，直 至终终端；当电源停电时，指针指在任何位置，电桥输出都为0，（电桥“平衡”）。 第5章自动控制仪表 5- I什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？ 解 控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系, 即 P f（e） f （z x） 控制器的基本控制规律有：位式控制（其中以双位控制比较常用）；比例控 制（P）；积分控制（I）;微分控制（D）。 5- 4何为比例控制器的比例度台DDZH型液位比例控制器，

34、其液位的 测量范围为01.2m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例控制器的输出相应从 5mA增大到7mA，试求控制器的比例度及放大系数。 解比例控制器的比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变 化相对值之比的百分数，用式子表示为： 式中 e 输入变化量; e XmaxXm in P 100% Pmax Pmin p 相应的输出变化量; xmax Xmin输入的最大变化量，即仪表的量程; Pmax Pmin输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。 根据题给条件，该控制器的比例度为 0.60.27 5 100%83.3% 1.2 0 10 0 对于单元组合仪表，其放大系数为 Kp=1

35、/ =1/83.3%=120% 5- 5 一台DDZ-m型温度比例控制器，测量的全量程为01000 C,当指示 值变化100C，控制器比例度为80%，求相应的控制器输出将变化多少？ e Xmax xmin 80% 解P Pmax PminP 1000 0 P 控制器的输出变化量P=1.6/80%=2(mA) 5- 9 一台具有比例积分控制规律的 DDZU型控制器，其比例度 为200%， 稳态时输出为5mA。在某瞬间，输入突然变化了 0.5mA，经过30s后，输出由 5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间 Ti为多少？ 解控制器的放大倍数 Kp=1/ =1/200%=0.5 控制器的输入变化量

36、为 A=0.5mA ;控制器的输出变化量为p=6 5=1(mA)， 经历时间t=30s。由 KpA Kp TI At Ti KpAt 0.5 5 3010(s) p KPA1 0.5 0.5 5-10某台DDZ-m型比例积分控制器，比例度 为100%，积分时间Ti为 2min。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了 0.2mA，试问经过5min 后，输出将由5mA变化到多少？ 解控制器的放大倍数 Kp=1/ =1/100%=1 控制器的积分时间Ti=2min，稳态输出p=5mA;控制器的输入变化量为 A=0.2mA。经历时间t=5min。则输出变化量 p KpA 弘 At 1 0.2 1

37、 0.2 50.7(mA) Ti2 所以，经历时间5min后，控制器的输出为 p=p0+ p=5+0.7=5.7(mA) 5-12试写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式 解 PID控制器的控制规律的数学表达式为 edt T1 Td de dt 其中，e 输入变化量；p 相应的输出变化量；Kp-放大倍数；Ti-称为积分时 间；Td微分时间。 5-13试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。 解 比例控制规律的特点是反应快，控制及时；存在余差 （有差控制） 积分控制规律的特点是控制动作缓慢，控制不及时；无余差（无差控制） 微分控制规律的特点是控制响应快， 故有超前控制之称；但它的

38、输出不能反 映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制 结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合 构成比例微分或比例积分微分控制器。 第6章执行器 6- 1气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？ 解 气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行 器的推动装置，它根据输入控制信号的大小产生相应的推力 F和直线位移I，推 动控制机构动作，所以它是将控制信号的大小转换为阀杆位移的装置； 控制机构 是执行器的控制部分，它直接与操纵介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀 杆的位移转换为流过阀的流量的装置。 6- 4试分别说

39、明什么叫控制阀的流量特性和理想流量特性？常用的控制阀 理想流量特性有哪些？ 解 控制阀的流量特性是指操纵介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开 度（相对位移）间的关系： 2 f丄 QmaxL 式中，相对流量Q/Q max是控制阀某一开度时流量 Q与全开时流量Qmax之比；相 对开度I/L是控制阀某一开度行程I与全开行程L之比。 在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。主要 有： 直线流量特性 Q Q max 1I 1 (R 1)一 RL 等百分比（对数）流量特性 Qmax 7 12 d Q Qmax k Q i ax 抛物线流量特性 R (1)由 Qmax min Qmin

40、Qmax R 一 1.67(m3/h) 30。Qmin不是阀的泄 吕 _R i (压 i) 快开流量特性Qmax RL 等四种。 6- 7什么叫控制阀的可调范围？在串、并联管道中可调范围为什么会变化 ？ 解 控制阀的可调范围(可调比)是其所能控制的最大流量 Qmax与最小流量 Qmin的比值，即 Qmax min 在串、并联管道中，由于分压和分流作用，可调范围都会变小。 6- 8已知阀的最大流量Qmax = 50m若阀的流量特性为等百分比流量特性，问在理想情况下阀的相对行程 为0.2及0.8时的流量值Q。 /h，可调范围R= 30。 (1) 计算其最小流量Qmin，并说明Qmin是否就是阀的泄

41、漏量。 (2) 若阀的流量特性为直线流量特性，问在理想情况下阀的相对行程I/L 为0.2及0.8时的流量值Q。 漏量，而是比泄漏量大的可以控制的最小流量 Q 1 1 (R 1)- Qmax / Q1 (R 1)7 (2) 由直 线流 量特性 Qmax R L ，得R L 时， Q0.2 501 (30 1) 0.2 3 11.33(m /h) l/L= 0.2 30 时， Q0.8 501 (30 1) 0.8 40.33(m3/h) l/L= 0.8 30 Q （3）由直线流量特性omax rt Qmax 0 2 13 l/L=0.2 时Qo2 50 30 -3.29(m /h) 0 8 1

42、3 l/L=0 8 时，Qo.850 30 .25.32（m / h） 6-9阀的理想流量特性分别为直线流量特性和等百分比流量特性，试求出在 理想情况下，相对行程分别为l/L = 0.2和0.8时的两种阀的相对放大系数 d Q / Q max lK相对 d L。（阀的可调比R=30） Q 1 解 当阀的理想流量特性为直线流量特性时，由Qmax- 1 (R 1)- RL ,得 Q max1 K 1 d lRK相对K 1 d，L，即R与l/L的值无关, 程分别为l/L = 0.2和0.8时的直线流量特性阀，均有 所以, 对于相对行 K 相对=1 1/R=1 1/30=0.967 当阀的理想流量特性

43、为等百分比流量特性时，由 l 1 ln R R L d Q d /Q max l 1 ln R R L l/L = 0.2 时, d Q d q / Qmax dlL K相对 ln R l rt In 30 30 02 1 0.22 l/L = 0.8 时, dQQ max dlL K相对 ln R ln 30 0.8 1 30 1.72 试分别计算在 Q,并比较不同 6-10已知阀的最大流量 Qmax = 100m3/h，可调范围R= 30。 理想情况下阀的相对行程为l/L=0.1、0.2、0.8、0.9时的流量值 理想流量特性的控制阀在小开度与大开度时的流量变化情况。 直线流量特性。 等百

44、分比流量特性。 (1)根据直线流量特性，相对流量与相对行程之间的关系: 10%, 211 Q maxR (R 1)- ,R= 30, l/L=0.1、0.2、 0.8、0.9时的流量值： 0.8、0.9 等数 分别在公式中代入数据 Qmax = 100m3/h 据，可计算出在相对行程为0.1、0.2、 Q0.1 = 13m 3/h =90.33 m3/h。 Qo.2 = 22.67 m3/h Qo.8 = 80.67 m 3/h Q0.9 (2)根据等百分比流量特性的相对流量与相对行程之间的关系: l 丄R己 Qmax 分别代入上述数据，可得: Q0.1 = 4.68m 3/h 71.17m

45、3/h。 Q0.2 = 6.58m 3/h Q0.8 = 50.65m 3/h Q0.9 = 10%变化 由上述数据可以算得，对于直线流量特性的控制阀，相对行程由 到20%时，流量变化的相对值为： 十100%74.4%; 相对行程由80%变化到90 %时，流量变化的相对值为: 9.33 嘶 100%12 80.67。 由此可见，对于直线流量特性的控制阀，在小开度时，行程变化了 流量就在原有基础上增加了 74.4 %，控制作用很强，容易使系统产生振荡；在 大开度时（80%处）；行程同样变化了 10%，流量只在原有基础上增加了 12%, 控制作用很弱，控制不够及时、有力，这是直线流量特性控制阀的一

46、个缺陷。 对于等百分比流量特性的控制阀，相对行程由10%变为20%时，流量变化 的相对值为： 6.58 4.68 100% 4.68 40% 7 相对行程由80%变到90%时，流量变化的相对值为: 7117 50.65 100% 50.65 40% 。 故对于等百分比特性控制阀，不管是小开度或大开度时，行程同样变化了10 %， 流量在原来基础上变化的相对百分数是相等的，故取名为等百分比流量特性。具 有这种特性的控制阀，在同样的行程变化值下，小开度时，流量变化小，控制比 较平稳缓和；大开度时，流量变化大，控制灵敏有效，这是它的一个优点。 6-11什么是串联管道中的阻力比s ? s值的变化为什么会

47、使理想流量特性发 生畸变？ 解串联管道中的阻力比s为 控制阀全开时阀上的压差 s 系统总压差即系统中最大流量时动力损失总和 s值变化时，管道阻力损失变化，控制阀前后压差变化，进而影响到流量的 变化，即理想流量特性发生畸变。s = 1时，管道阻力损失为零，系统总压差全 降在阀上，工作特性与理想特性一致。随着s值的减小，直线特性渐渐趋近于快 开特性，等百分比特性渐渐接近于直线特性。所以，在实际使用中，一般希望s 值不低于0.3，常选s=0.30.5。 s 0.6时，与理想流量特性相差无几。 6-12什么是并联管道中的分流比x ?试说明x值对控制阀流量特性的影响？ 解并联管道中的分流比x为 并联管道

48、控制阀全开时流量Q1max X总管最大流量Qmax X值变化时，控制阀的流量变化，控制阀所控制的流量与总管的流量产生差 异，因此，其理想流量特性将会发生畸变。x=1时，控制阀的流量就是总管的流量，工作特性与理想特性一致。随着x值的减小，旁路阀逐渐打开，虽然控制阀 的流量特性变化不大，但可调范围却降低了。 6-13已知某控制阀串联在管道中，系统总压差为100kPa,阻力比为s=05 阀全开时流过水的最大流量为60m3/h。阀的理想可调范围R=30,假设流动状态 为非阻塞流。问该阀的额定（最大）流量系数Kmax及实际的可调范围R-为多少？ 控制阀全开时阀上的压 差p1 系统总压差即系统中最大流量时

49、动力损失总和 p 得控制阀全开 时阀上压差p1= p s=100 0.5=50 kPa，则 K max 10Qmaxv P110 60 15084.42(m3/h) 实际的可调范围Rr为Rr R s 30宀52121 6-14某台控制阀的额定流量系数 Kmax = 100。当阀前后压差为200kPa时, 其两种流体密度分别为1.2g/cm3和0.8g/cm3,流动状态均为非阻塞流时，问 所能通过的最大流量各是多少？ =1.2g/cm3 时, Qmax K max 10 1100,2001.2 129(m3/h) =0.8g/cm3 时, Qmax K max 10 0.8158(m3/h) 6

50、-15对于一台可调范围R= 30的控制阀，已知其最大流量系数为 Kmax = 100,流体密度为1g/cm 3。阀由全关到全开时，由于串联管道的影响，使阀两端 的压差由l00kPa降为60kPa,如果不考虑阀的泄漏量的影响，试计算系统的阻 力比（或分压比）s,并说明串联管道对可调范围的影响（假设被控流体为非阻 塞的液体）。 解 由于阻力比s等于控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比，在不考虑 阀的泄漏量的影响时，阀全关时阀两端的压差就可视为系统总压差，故本系统总 压差为l00kPa，阀全开时两端压差为60kPa，所以阻力比： 60 100 0.6 0 由于该阀的Cmax= 100, R= 30,

51、在理想状况下，阀两端压差维持为lOOkPa , 流体密度为1g/cm 3,则最大流量 Qmax = l00m 3/h，最小流量Qmin = Qmax/ R = 100/30 = 3.33m3/h 。 对于非阻塞流的液体, l00kPa 降为60kPa，故这时通过阀的最大流量将 K max 1Qmax / p。 串联管道时，由于压差由 不再是l00m3/h，而是 Qmax 100 1060/177.46m3/h Q mac R Qmax 这时的可调范围 77.46 23.26 3.33 0 由上可见，串联管道时，会使控制阀的流量特性发生畸变，其可调范围会有 所降低。如果s值很低，会使可调范围大大

52、降低，以至影响控制阀的特性，使之 不能发挥应有的控制作用。 当然，从节能的观点来看，s值大，说明耗在阀上的压降大，能量损失大， 这是不利的一面。 6-16某台控制阀的流量系数Kmax = 2000当阀前后压差为1.2MPa，流体密 度为0.81g/cm 3,流动状态为非阻塞流时，问所能通过的最大流量为多少 ？如果 压差变为0.2MPa时，所能通过的最大流量为多少？ 解由公式 K max 10Qmax、/ P Qmax K max 10 P 2001200769.8(m3/h) 10 0.81 当压差变为0.2MPa时，所能通过的最大流量为: K max max 10 . P 200200314

53、.3(m3/h) 10 0.81 上述结果表明，提高控制阀两端的压差时，对于同一尺寸的控制阀，会使所 能通过的最大流量增加。换句话说，在工艺上要求的最大流量已经确定的情况下， 增加阀两端的压差，可以减小所选择控制阀的尺寸 （口径），以节省投资。这在控 制方案选择时，有时是需要加以考虑的。例如离心泵的流量控制，其控制阀一般 安装在出口管线上，而不安装在吸入管线上，这是因为离心泵的吸入高度（压头） 是有限的，压差较小，将会影响控制阀的正常工作。同时，由于离心泵的吸入压 头损失在控制阀上，以致会影响离心泵的正常工作。 6-18什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？ 解 气动执行器（控制

54、阀）的气开式为，有压力控制信号时阀开，无压力控 制信号时阀处于全关；气关式为，有压力控制信号时阀关，无压力控制信号时阀 处于全开。气动执行器的气开式与气关式的选择原则是考虑工艺生产的安全，即 信号中断时，应保证设备和工作人员的安全。 第7章简单控制系统 7-2题7-2图是一反应器温度控制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并说明各方 块的含义，指出它们具体代表什么？假定该反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温 度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式 和控制器的正、反作用。 题7-2图反应器温度控制系统 解该反应器温度控制系统方块图如下图所示。 f干

55、扰 测吊值 铲雪呼T屉制融T門?触頁市|營变童|的彬|和严 检测变還装就 题解7-2图反应器温度控制系统方块图 其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度 控制器TC。 根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高， 被控对象 是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。 7-13试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。 （1）题7-13（a）图为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则 容易分解； （2）题7-13（b）图为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则 题7-

56、13图温度控制系统 解 （1）根据工艺要求，题 7-13（a）图所示加热器出口物料温度控制系统，执行器应 为气开阀；加热剂流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用，所以，控制器 应为“反”作用。 （2）根据工艺要求，题 7-13（b）图所示冷却器出口物料温度控制系统，执行器应为气 开阀；冷剂流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“正” 作用。 7-14题7-14图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在 下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。 （1）选择流入量 Q为操纵变量； （2）选择流出量Q为操纵变量

57、。 题7-14图液位控制 解 （1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求， 执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。 （2）当选择流入量 Q为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执 行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“反”作用。 7-15题7-15图所示为一锅炉汽包液位控制系统的示意图，要求锅炉不能烧干。试画 出该系统的方块图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加 热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服扰动的？ T进寧 题7-15图锅炉气包液位控制系

58、统 解该控制系统的方块图如下图所示。 题解7-15图 锅炉气包液位控制系统方块图 其中：被控对象是锅炉汽包；被控变量是锅炉汽包内液位；操纵变量是冷水流量；控制器是 温度控制器LC。 控制阀应为气关型式；被控对象是“正”作用，控制器应为“正”作用。 当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，汽包内液位下降，控制器LC输出信号减小， 气关阀开度增大（关小），冷水流量增大。克服汽包内液位降低。 7-16 题7-16图所示为精馏塔温度控制系统的示意图，它通过控制进入再沸器的蒸汽 量实现被控变量的稳定。试画出该控制系统的方块图，确定控制阀的气开气、关型式和控制 器的正、反作用，并简述由于外界扰动使精馏塔温度

59、升高时该系统的控制过程（此处假定精 馏塔的温度不能太高）。 题7-16图精馏塔温度控制系统 解精馏塔温度控制系统的方块图如下图所示。 瞽弊占_帀勝T門趴祐帚I營蛇|五而荼 检測变送装賣 * 题解7-16 图精馏塔温度控制系统方块图 控制阀应为气开型式；被控对象是“正”作用，控制器应为“反”作用。 当外界扰动使精馏塔温度升高时，控制器TC输出减小，控制阀开度变小，蒸汽流量降 低，精馏塔温度下降。 7-18某控制系统采用 DDZ-川型控制器，用临界比例度法整定参数。已测得k = 30 %、 Tk= 3min。试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。 解 PI作用时控制器的比例度=66%，积分时间

60、Ti=2.55min。 PID作用时控制器的比例度=51%,积分时间Ti=1.5min，微分时间TD=0.375min 。 7-19某控制系统用4:1衰减曲线法整定控制器的参数。已测得 s= 50%、Ts= 5min。 试确定PI作用和PID作用时控制器的参数。 解 PI作用时控制器的比例度=60%,积分时间TI=2.5min。 PID作用时控制器的比例度=40%,积分时间TI=1.5min，微分时间Td=0.5 min 。 第8章复杂控制系统 8-5题8-5图所示为聚合釜温度控制系统。试问： (1) 这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图； (2) 如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发