控制仪表及系统2章习题ppt课件

1、习题第一篇 控制仪表 第一章习题1-1.举例阐明控制仪表与控制系统的关系。答：在自动控制系统中，检测仪表将被控变量转换成丈量信号后，还需送控制仪表，以便控制消费过程的正常进展，使被控变量到达预期的要求。这里所指的控制仪表包括在自动控制系统中广泛运用的控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及安装。 图1-1a表示由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统框图。控制对象代表消费过程中的某个环节，控制对象输出的是被控变量，如压力、流量、温度等工艺变量。这些被控变量首先由检测元件变换为易于传送的物理量，再经变送器转换成相应的电信号。该信号送到控制器中与给定值相比较。控制器按照比较后得出的偏向，

2、以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，改动被控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止。 图1-1b为由加热炉、温度变送器、控制器和执行器构成的一个单回路温度控制系统。温度变送器将温度信号转换为电信号，在控制仪表的作用下，经过执行器将加热炉的出口温度控制在规定的范围内。 因此，控制系统是由控制仪表、检测仪表和控制对象组成的。一个控制系统除了图中表示的几类控制仪表外，还可以根据需求设置转换器、运算器、操作器、显示安装和各种仪表系统，以完成复杂的控制义务。 被控介质控制器控制对象执行器变送器给定值被控变量TTTC变送器加热炉温度控制器执行器原料燃料a简单控制系统框图 b单回路温

3、度控制系统 图1-1 控制系统简图 1-2.控制仪表与安装有哪些类型，各有什么特点？P10思索题答：P2-3，第二节。.1320100k控控制制仪仪表表与与装装置置采采用用何何种种信信号号进进行行联联络络？电电压压信信号号传传输输和和电电流流信信号号传传输输各各有有什什么么特特点点？使使用用在在何何种种场场合合？答答：在在成成套套仪仪表表系系列列中中，仪仪表表之之间间由由统统一一的的联联络络信信号号来来进进行行信信号号传传输输，采采用用统统一一的的联联络络信信号号，不不仅仅可可使使同同一一系系列列的的各各类类仪仪表表组组成成系系统统，而而且且还还可可以以通通过过各各种种转转换换器器，将将不不同

4、同系系列列的的仪仪表表连连接接起起来来，混混合合使使用用，可可以以与与计计算算机机控控制制系系统统方方便便的的连连接接，从从而而扩扩大大了了仪仪表表的的应应用用范范围围。目目前前，控控制制仪仪表表和和装装置置常常用用的的联联络络信信号号有有：气气动动仪仪表表：()PaIEC420mA DC15VDC；电电动动仪仪表表：将将和和（）确确定定为为控控制制系系统统模模拟拟信信号号的的统统一一标标准准。电电压压信信号号传传输输的的特特点点：接接收收仪仪表表是是并并联联连连接接，有有公公共共接接地地点点，安安装装简简单单，增增加加或或取取消消某某台台仪仪表表不不会会影影响响其其他他仪仪表表工工作作；因因

5、接接收收仪仪表表输输入入电电阻阻一一般般较较高高，易易引引入入干干扰扰，故故电电压压信信号号不不易易远远距距离离传传输输。.14010mA电电流流信信号号传传输输的的特特点点：发发送送仪仪表表相相当当于于恒恒流流源源，连连线线电电阻阻在在一一定定范范围围内内变变化化时时，仍仍能能保保证证信信号号传传输输精精度度，因因此此电电流流信信号号适适于于远远距距离离传传输输；缺缺点点是是无无公公共共接接地地点点，当当一一台台仪仪表表出出故故障障时时，可可能能影影响响其其它它仪仪表表工工作作。电电压压信信号号：适适用用于于近近距距离离传传输输信信号号；电电流流信信号号：适适用用于于远远距距离离传传输输信信

6、号号；说说明明现现场场仪仪表表与与控控制制室室仪仪表表之之间间的的信信号号传传输输及及供供电电方方式式。的的直直流流信信号号能能否否用用于于两两线线制制传传输输方方式式？为为什什么么？答答：现现场场变变送送器器的的信信号号传传输输及及供供电电方方式式有有以以下下两两.114215010mA种种：四四线线制制传传输输，见见图图。两两线线制制传传输输，见见图图。的的直直流流信信号号不不能能用用于于两两线线制制传传输输方方式式。因因为为两两线线制制传传输输方方式式的的信信号号下下限限不不能能为为零零。1-5.防爆电气设备如何分类？防爆标志ExiaAT5 和ExdIIBT4是何含义？答：按照国家规范G

7、B3836.1规定，防爆电气设备分为两大类。类 煤矿用电气设备。类 工厂用电气设备。类电气设备按爆炸性气体特性，可进一步分为A、B、C三级。 工厂用设备的防爆方式共有八种：隔爆型d本质平安型i增安型e正压型p充油型o，充砂型q，浇封型m和无火花型n。本质平安型设备按其运用场所的平安程度又可分为ia和ib两个等级。 与爆炸性气体引燃温度的分组相对应，类电气设备可按最高外表温度分为T1T6六组，如表0-2所示。 表0-2 类电气设备的最高外表温度分组 组别T1T1T2T2T3T3T4T4T5T5T6T6引燃温度 t/450450300300 200 200 100 100 85 85 防爆标志Ex

8、iaIIAT5 表示II类工厂用电气设备本质平安型ia等级A级T5组，其设备适用于A级气体级别、不适用于B、C级气体级别引燃温度不低于T5100的0区危险场所； 防爆标志ExdIIBT4表示II类工厂用电气设备隔爆型B级T4组，其设备适用于A、B级气体级别、不适用于C级气体级别引燃温度不低于T4的1包含2区，不含0区区危险场所。 A、B、C三级：见最大实验平安间隙和最小点燃电流比。 ia是指在正常任务、一个缺点和两个缺点时均不能点燃爆炸性气体混合物； ib是指在正常任务和一个缺点时不能点燃爆炸性气体混合物。1-6.常用的防爆型控制仪表有哪几类？各有什么特点？答：常用的防爆型控制仪表有隔爆型和本

9、质平安型两类仪表。一隔爆型仪表 隔爆型仪表具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，其表壳的强度足够大，隔爆结合面足够宽，它能接受仪表内部因缺点产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混和物传播。这类仪表适用于1区和2区危险场所。隔爆型仪表安装及维护正常时，能到达规定的防爆要求，但当揭开仪表外壳后，它就失去了防爆性能，因此不能在通电运转的情况下翻开表壳进展检修或调整。二本质平安型仪表 本质平安型仪表简称本安仪表的全部电路均为本质平安电路，电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常任务或发生短接和元器件损坏等缺点情况下产生的电火花和热效应不致

10、引起其周围爆炸性气体混合物爆炸。本安仪表不需求笨重的隔爆外壳，具有构造简单、体积小、质量轻的特点，可在带电工况下进展维护、调整和改换仪表零件的任务。 1-7.如何使控制系统实现本安防爆的要求？答：要使控制系统具有本安防爆性能，应满足两个条件：在危险场所运用本质平安型防爆仪表，如本安型变送器、电-气转换器、电气阀门定位器等；在控制室仪表与危险场所仪表之间设置平安栅，以限制流入危险场所的能量。图0-6表示本安防爆系统的构造。图1-6 本安防爆系统 该当指出，运用本安仪表和平安栅是系统的根本要求，要真正实现本安防爆的要求，还需留意系统的安装和布线：按规定正确安装平安栅，并保证良好接地；正确选择衔接电

11、缆的规格和长度，其分布电容、分布电感应在限制值之内；本安电缆和非本安电缆应分槽管敷设，慎防本安电路与非本安电路混触等。详细规定可参阅平安栅运用阐明书和国家有关电气平安规程。 1-8.什么是平安栅？阐明常用平安栅的构成和特点。答：平安栅作是本安型仪表的关联设备，它一方面传输信号，另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的本安防爆性能。 平安栅的构成方式有多种，常用的有齐纳式平安栅和隔离式平安栅两种。 1、齐纳式平安栅 齐纳式平安栅是基于齐纳二极管反向击穿性能而任务的。如图0-7所示。在正常任务时，平安栅不起作用。 当现场发惹事故，如构成短路时，由R限制过大电流

12、进入危险侧，以保证现场平安。当平安栅端电压U1高于额定电压Uo时，齐纳二极管击穿，进入危险侧的电压将被限制在Uo值上。同时，平安侧电流急剧增大，使FU很快熔断，从而使高电压与现场隔离，也维护了齐纳二极管。 齐纳式平安栅构造简单、经济、可靠、通用性强，运用方便等特点。图1-7 齐纳式平安栅2、隔离式平安栅 隔离式平安栅是经过隔离、限压和限流等措施来保证平安防爆性能的。通常采用变压器隔离的方式，使其输入、输出之间没有直接电的联络，以切断平安侧高电压窜入危险侧的通道。同时，在危险侧还设置了电压、电流限制电路，限制流入危险场所的能量，从而实现本安防爆的要求。变压器隔离式平安栅的一种电路构造如图0-8所

13、示。来自变送器的直流信号，由调制器调制成交流信号，经变压器耦合，再由解调器复原为直流信号，送入平安区域。 变压器隔离式平安栅的特点是线路较复杂，但其性能稳定，抗干扰才干强，可靠性高，运用也较方便。图1-8 变压器隔离式平安栅平安栅平安栅防爆措施防爆措施电阻式平安栅电阻限流齐纳式平安栅齐纳管限压、电阻限流中继放大器式平安栅放大器的高输入阻抗光电隔离式平安栅光电隔离、限流、限压变压器隔离式平安栅变压器隔离、限流、限压线性光巧合隔离放大器光电隔离第二章习题2-1.阐明阐明P、PI、PD控制规律的特点及这几种控制规律在控制系统中的作用。控制规律的特点及这几种控制规律在控制系统中的作用。解：见下表。解：

14、见下表。调理规律调理规律特点特点在控制系统中的作用在控制系统中的作用P控制造用及时迅速，只需有偏控制造用及时迅速，只需有偏向就有输出。向就有输出。快速消除偏向，但有余差，快速消除偏向，但有余差，Kp大，余差小。大，余差小。PII作用动作缓慢，但可消除静差。作用动作缓慢，但可消除静差。PI作用有作用有P作用迅速和作用迅速和I作用消作用消除静差的特点。除静差的特点。I作用影响系统作用影响系统稳定性。稳定性。注：实践积分不能消除静差，注：实践积分不能消除静差，但可使余差大大减小。但可使余差大大减小。I作用可大大减小系统余差，作用可大大减小系统余差，故用于系统静差要求较高的故用于系统静差要求较高的系统

15、中。系统中。PDD作用快，输出与偏向的变化作用快，输出与偏向的变化速度成正比，可使动态最大偏速度成正比，可使动态最大偏向大大减小，故有超前作用。向大大减小，故有超前作用。D作用可改善系统动态特性，作用可改善系统动态特性，使最大动态偏向大大减小。使最大动态偏向大大减小。2-2.控制器输入一调理信号，作用一段时间后忽然消逝，在上述情况控制器输入一调理信号，作用一段时间后忽然消逝，在上述情况下，分别画出下，分别画出P、PI、PD、控制器的输出变化过程。假设输入一随、控制器的输出变化过程。假设输入一随时间线性添加的信号时，控制器的输出将做何变化。时间线性添加的信号时，控制器的输出将做何变化。解：见以下

16、图。解：见以下图。即即为为微微分分时时间间。所所需需时时间间，乘乘以以下下降降到到微微分分输输出出幅幅度度的的从从最最大大值值，在在阶阶跃跃作作用用下下（）、（微微分分时时间间：置置时时，所所需需的的时时间间即即为为增增加加到到增增加加，待待，输输出出从从，输输入入）、（积积分分时时间间：置置，则则，测测输输出出为为输输入入比比例例度度：置置测测定定方方法法：称称为为积积分分时时间间。，微微分分时时间间：称称为为积积分分时时间间。代代表表积积分分速速度度，积积分分时时间间：比比例例度度：解解：定定这这些些参参数数？间间和和微微分分时时间间？如如何何测测什什么么是是比比例例度度、积积分分时时Do

17、iDIioioiIoioiDDDDDIIIIIIpminmaxminmaxK%2 .63I)1mAIT%100P;TI2IIIIT%100P%;100IIII,PT T RnCTTT1 T1 RmCT %100K1%100%100 . 32dtdydtyyyyy.4 201 5,60%6.6.6160%115,4.251625.2524PmAV0mA0 0 mAmAmA VV0VmA 0V1V1 25V0V 某某 控控制制器器的的输输入入信信号号为为，输输出出信信号号为为当当比比例例度度时时，输输入入变变化化 . .所所引引起起的的输输出出变变化化量量是是多多少少？解解：引引起起的的输输出出相

18、相对对变变化化量量为为：；转转化化为为对对应应电电压压值值 即即输输出出变变化化量量为为：；控控制制器器输输出出值值为为：. .。答答: :输输出出变变化化量量是是 . .。.()(0)(0)()IIIDDD25K PIy KKyK PDy KKy说说明明积积分分增增益益和和微微分分增增益益的的物物理理意意义义。他他们们的的大大小小对对控控制制器器的的输输出出有有什什么么影影响响？答答：积积分分增增益益的的物物理理意意义义是是：在在阶阶跃跃信信号号作作用用下下，控控制制器器输输出出变变化化的的最最终终值值与与初初始始值值之之比比：，越越大大越越接接近近理理想想积积分分，消消除除静静差差的的能能

19、力力越越强强。微微分分增增益益的的物物理理意意义义是是：在在阶阶跃跃信信号号作作用用下下，控控制制器器输输出出变变化化的的初初始始值值与与最最终终值值之之比比：，越越大大越越接接近近理理想想微微分分，消消除除最最大大动动态态偏偏差差的的能能力力越越强强。1.7minIm.1100%( )0.05%.2,20 5 MAX03Pin4MAX26PIDUKK10 2 10mV P 7 . % 什什么么是是控控制制器器的的调调节节精精度度？实实际际控控制制器器用用于于控控制制系系统统中中，控控制制结结果果能能否否消消除除余余差差？为为什什么么？答答：控控制制器器的的控控制制精精度度为为：（不不考考虑虑

20、漂漂移移、积积分分电电容容漏漏电电的的影影响响，此此时时）；控控制制器器指指标标给给出出的的控控制制精精度度为为：（考考虑虑漂漂移移、积积分分电电容容漏漏电电3201 10. MAXII45MIIPIPDD mV KCA CKm K1010KmCK0 2 KK 等等因因素素影影响响，此此时时）。不不能能消消除除偏偏差差，因因为为，漏漏电电。注注： 正正常常使使用用时时，或或；由由 决决定定，设设定定后后为为定定值值，一一般般情情况况下下，。控控制制精精度度与与无无关关，只只影影响响动动态态偏偏差差。.4 204200%,2min2min1002021212112120.50.10.12min2

21、minioIDDipID27PIDmAIImATTKtmAImAtsPIPDss KttPIP 某某控控制制器器（正正作作用用）输输入入、输输出出信信号号均均为为，控控制制器器初初始始值值，在在时时输输入入的的阶阶跃跃信信号号，即即（），分分别别求求取取时时（）工工况况下下（ ）工工况况下下的的输输出出值值。解解：，应应用用叠叠加加原原理理，有有时时，12121220.51220.5 0.10.112:4410.15.122 opopIoooopImA KmAmA IImA KtmAmA sPIImAII mAmAmAmAPDPImA KmA作作用用：作作用用：时时，输输出出为为时时， 作作用

22、用：0.51omA DI作作用用时时，输输出出的的最最大大值值为为oto1Uoto2Uo1Uno110.632nUnDDTK2-6 PD图图电电路路阶阶跃跃响响应应特特性性oto2Uoto3UIo2MCUCITIo2MCUCIIo2MCKUC2-9PI图图电电路路阶阶跃跃响响应应特特性性12:opDo2oo1o2 I2mA KK2mA 0.5 1010mA III 10mA1mA9mA s I (1其其中中，微微分分作作用用的的幅幅度度为为时时，微微分分作作用用的的幅幅度度下下降降至至1212DDK10t12sT12minoo1o22s)9mA e9mA e9mA e3.31mAsPDI4mA

23、IIs 4mA1mA3.31mA8.31mA:5.1mA8.31mA时时，作作用用输输出出为为（）答答 两两种种工工况况下下控控制制器器的的输输出出分分别别为为和和。.iCM1CM1282-3IRU基基型型控控制制器器的的输输入入电电路路为为什什么么采采用用差差动动输输入入和和电电平平移移动动方方式式？偏偏差差差差动动电电平平移移动动电电路路怎怎样样消消除除导导线线电电阻阻所所引引起起的的运运算算误误差差？答答：输输入入电电路路采采用用偏偏差差差差动动电电平平移移动动电电路路，是是为为了了消消除除集集中中供供电电引引入入的的误误差差。因因为为是是单单电电源源供供电电, ,采采用用了了电电平平移

24、移动动方方式式。如如果果采采用用普普通通差差动动输输入入方方式式，供供电电电电源源回回路路在在传传输输导导线线上上的的压压降降将将影影响响控控制制器器的的精精度度。如如图图所所示示，两两线线制制变变送送器器的的输输出出电电流流在在导导线线电电阻阻上上产产生生压压降降，这这时时控控制制器器的的输输入入信信号号不不,iiCM1CM1CM2iCM1CM2UUUUUUIC124UU只只是是，而而是是电电压压会会引引起起运运算算误误差差。同同样样，外外给给定定信信号号在在传传输输导导线线上上的的压压降降也也会会引引入入附附加加误误差差。实实际际输输入入电电路路的的连连接接方方式式，是是将将输输入入信信号

25、号跨跨接接在在的的同同相相和和反反相相输输入入端端上上，而而将将给给定定信信号号反反极极性性地地跨跨接接在在这这两两端端，见见图图，这这样样两两导导线线电电阻阻的的压压降降和和均均成成为为输输入入电电路路的的共共模模电电压压信信号号，由由于于差差动动放放大大器器对对共共模模信信号号有有很很强强的的抑抑制制能能力力，因因此此，这这两两个个附附加加电电压压不不会会影影响响运运算算电电路路的的精精度度。干扰信号共模电压_+IC1R1R7R8o1UBUR3R2R4R5R6iUFTsU2-2图图输输入入电电路路原原理理图图_+IC1RRRo1URRRFT两线制变送器+_24VsUiUCM1UIi250C

26、M1R2-3图图集集中中供供电电在在普普通通差差动动运运算算电电路路中中引引入入误误差差的的原原理理图图CM2U_+IC1R1R7R8o1UBUR3R2R4R5R6iUCM1UFTsU2-4图图引引入入导导线线电电阻阻压压降降后后的的输输入入电电路路原原理理图图.29PDS在在基基型型控控制制器器的的电电路路中中，如如何何保保证证开开关关 从从“断断”位位置置切切至至“通通”位位置置时时输输出出信信号号保保持持不不变变？产产过过程程不不产产生生扰扰动动。出出不不发发生生突突变变，故故对对生生即即接接通通微微分分作作用用时时，输输间间，由由“断断”到到“通通”的的瞬瞬关关相相等等，这这样样就就保

27、保证证了了开开电电平平与与右右端端的的电电阻阻上上的的压压降降相相等等，即即上上的的电电压压与与稳稳态态时时电电容容，因因此此，被被充充电电到到电电平平上上，也也接接至至过过电电阻阻通通，而而电电容容同同相相端端的的电电压压路路只只有有比比例例作作用用。这这时时分分作作用用切切除除，电电处处于于“断断”位位置置时时，微微中中的的开开关关答答：当当图图SUC1k. 9CUn1-nUCUn1RCUn1UIC2S52TDDo1CDDo11Do1T无源比例微分电路S置断时，切除微分，只需比例作用比例运放电路_+IC2R1RDRPRP0CDo1U1n1k9.1ko2U断通S1 BUTF2-5 PD图图电

28、电路路1 .o2o3MCMo3o2o21M20PIUUCUUUURC试试分分析析基基型型控控制制器器产产生生“积积分分饱饱和和”现现象象的的原原因因。若若将将控控制制器器输输出出加加以以限限幅幅，能能否否消消除除这这一一现现象象？为为什什么么？应应怎怎样样解解决决？答答：对对于于电电路路，只只要要输输入入信信号号不不消消除除，将将不不断断的的增增加加（或或减减小小），直直到到输输出出电电压压被被限限制制住住，即即成成饱饱和和工工作作状状态态为为止止。在在正正常常工工作作时时，电电容容上上的的电电压压恒恒等等于于输输出出电电压压，但但在在饱饱和和工工作作状状态态下下，输输出出电电压压已已被被限限

29、制制住住，而而输输入入信信号号依依然然存存在在，将将通通过过向向继继续续充充电电（或或放放电电），CMo3FTUUIC3UU所所以以将将继继续续增增加加（或或减减小小），这这时时他他已已不不等等于于了了，其其结结果果是是使使的的，这这一一现现象象就就称称为为“积积_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF软硬自软手操信号硬手操信号S1S2软硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7 PI图图电电路路o2Mo3o2o3MUCIC3UUPIUC分分饱饱和和”。如如果果这这时时输输入入信信号号极极性性改改变变，由由于于电电容容上上的的电电压压不不能能突突变变，故故的

30、的输输出出不不能能及及时时地地跟跟着着变变化化，控控制制器器的的控控制制作作用用将将暂暂时时处处于于停停顿顿状状态态，这这种种滞滞后后必必然然使使控控制制品品质质变变坏坏。解解决决积积分分饱饱和和的的关关键键是是，在在电电路路输输出出一一旦旦被被限限制制时时，即即不不能能再再增增加加（或或减减小小）时时，应应设设法法停停止止对对电电容容继继续续按按原原来来方方向向充充电电（或或放放电电），使使其其不不产产生生过过积积分分现现象象。_+IC3RICIo2U1m1k9.1ko3UBUTF软硬自软手操信号硬手操信号S1S2软硬自110S3CM3.9kVDVTVZ+24V2.4k1k2-7 PI图图电

31、电路路12.30,250,3010(2410)176024(1)2410301017(1 1)30fBTFB211RRKRkR k VkUUURUK R V见见下下图图，基基型型控控制制器器的的输输出出电电路路中中，已已知知试试通通过过计计算算说说明明该该电电路路对对运运算算放放大大器器共共模模输输入入电电压压的的要要求求及及负负载载电电阻阻的的范范围围。解解：电电路路对对运运算算放放大大器器共共模模输输入入电电压压的的要要求求：见见图图：或或IC4的共模电压大于的共模电压大于17V即可即可_+IC4R1RfVT1BUKRR2FUTUo3UKRVT2IoIfoI250 750fU24VLR2-12图图输输出出电电路路3121 38154 20,1/250 /25020520245950204MAXooffoceL ce