过程装备控制技术及应用习题及参考答案

第一章控制系统的基本概念

1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化重要包含了哪些内容？

答:运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。重要包含:①

自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统重要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？

答：一个自动控制系统重要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动

控制装置，涉及测量仪表,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——被控对象内规定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,反映温度；

给定值（或设定值）ys--相应于生产过程中被控变量的盼望值；

测量值y.n——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一—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——引起被控变量偏圈给定值的，除操纵变量以外的各种因素；

偏差信号（e）一—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、分支点构成的表达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,方块内填入表达其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭

头的线段表达互相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互相影响和信号的联系，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，表达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T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？定值控制系统为什么必须是一个

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。定值控制系统规定给定值恒定不

变,捽制系统的输出即被捽变量应稳定在与给定值相相应的工艺指标上,或在工

艺指标的上下一定范围内变化,因此需要闭环控制。此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。

6.在图171的换热器出口温度控制系统中，工艺规定热物料出口温度保持为

某一设定值。

①试画出该控制系统的方框图；

②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输

出信号又是什么？

③系统在碰到干扰作用（如冷物料流量忽然增大）时，该系统如何实现自动控

制的？

答:如图所示为该控制系统的方框图。

该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为:给定

值ys,干扰作用f,输出为热物料出口温度T,

当冷物料流量增大，则出口温度y减小,TT检测后所得ym减小，偏差信号

e=ym-ys<0,输入调节器后产生控制信号u,使执行器或调节阀加大阀门开度，使

温度TTI高，从而实现控制。

7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺规定液位保持为某一数值，

（1）试画出该系统的方框图；

（2）指出系统中被控对象,被控变量,操纵变量,干扰作用各是什么？

（2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流

量；干扰作用为:进水流量,大气温度等。

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规定，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，在自动控制作用下通过一段时间，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：

①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④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，能满足自动控制的规定、

其它的不能。

9.试画出衰减比分别为n<1,n=1,n>1,nT~时的过度过程曲线?

答:如图所示:

10.表达衰减振荡过程的控制指标有哪些？

答:表达衰减振荡过程的控制指标有：

①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。

②衰减比n一—过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。

③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。

④差e（8）一一指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。

⑤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（涉及变化的大小,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T。

K一一被控对象重新达成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反映的是对象处在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一一时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量假如保持初始速度变

化,达成新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后,被控变量达成

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。

T-----滞后时间是纯滞后T0时间和容量滞后Tc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。容量滞后一般是由于物料

或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间T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成平衡状态的性能,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,输入变量达成新稳态值的快慢,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：对一个被捽对象来说，输入量是扰动量和操纵变量.而输出是被捽变量。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祢为扰动通道。

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,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T的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，导致被控变量的

最大偏差增大，控制质量下降。因此,应尽量减小滞后时间工。

对于扰动通道：

放大系数K大对控制不利，由于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,相称于将扰动推迟T0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，被捽变量的变化相应

也缓和些,因此,对系统是有利的。

5.试从图2-58某对象的反映曲线中，表达出该对象的放大系数，时间常数和

滞后时间。

解:如图所示:

,”（8）—“（0）H（oo'»-//（0）

k=-----------=-----:-------

X（8）7（0）△q4

T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所相应的的I叫

T=,

如图所示，不存在容量滞后，

Tc=0

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。

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,PIDo

7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？

答:①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）。

位式控制器结构简朴,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•数值上。

②积分控制（P）是指调节器的输出信号变化量与输入信号变化量e⑴成比例关

系：，-比例放大系数，比例控制的伏点是反映快,控制及时，其缺陷是当系统的

负荷改变时,控制结果有余差存在，即比例控制不能消除余差,因此只在对被控变

量规定不高的场合,才单独使用比例控制。

③积分控制（I）：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积提成正比，即：式

中-积分速度，-积分时间。积分规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。由于

输出变化量总要滞后于偏差的变化,因此不能及时有效地克服扰动的影响,加剧

了被控变量的波动,使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。

④微分控制（D）-指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。

即。--微分时间。

微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能克制系统振荡,增长稳定性；

由于其输出只与偏差的变化速度有关,而与偏差的存在无关，因此,不能克服拟定

不变的偏差。故也不单独使用。

8.什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。

答：余差是指过渡过程终了时,被控变量新的稳态值与测定值之差。

比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一相应的比例差系，要使调节器有输

出，就必须要有偏差存在,因此,比例调节控制不能消除余差。积分控制其输出信

号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关,还取决于偏差存在时间长短。只要有

偏差.调节器的输出就不断变化.偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大.

只有存在偏差身先等于的情况下,积分调节器的输出信号才干相对稳定,因此积

分控制作用是力图消涂余差。

9.为什么积分控制规律一般不单独使用？

答:积分控制其输出变化总是滞后于偏差,不能及时有效地克服扰动的影响、加剧

了被控变量的波动，使系统难以稳定下来,因此工业过程控制中,通常不单独使用

积分控制规律。

10.比例、积分、微分、控制分别用什么量表达其控制作用的强弱？并分别

说明它们对控制质量的影响。

答:①比例一一比例度足反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越

大,表达比例控制作用越弱。减少比例度,系统的余差越小,最大偏差也越短,系

统的稳定限度减少；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

②积分控制一一积分时间TI表达积分控制作用强弱的参数,积分时间越小,表达

积分控制作用越强。积分时间TI的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差,

但能加快消除余差的速度,提高系统的静态准确度,最大偏差减小。

③微分控制一微分时间TD是表达微分控制作用强弱的一个参数。如微分时

间TD越大,表达微分控制作用越强。增长微分时间TD,能克服对象的滞后,改

善系统的控制质量,提高系统的稳定性，但微分作用不能太大,否则有也许引起系

统的高频振荡。

11.试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特性

曲线。

12.比例积分微分调节器有什么特点?

答：比例积分微分调节器的特点是:①在比例调节的基础上进行微分调节可提高

系统的稳定性,进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又

能消除余差,具有良好的调节性能。②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，

积分时间TI和微分时间TD面改变。

13.在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一

个参数时,对调节器的控制作用有什么影响？

答:在PID调节器中，比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获

得较高的控制质量。如比例度增大,则比例控制作用减少弱，当时,PID调节器成

为积分微分调节器,当TI积分时间时,PID调节器成为比例微分控制器,当TD

时,PID调节器成为PI即比例积分控制。

14.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：当一个控制系统设计安装完毕后，系统各个环节及其被控对象各通道的埒性

不能改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度、积分

时间TI、微分时间TD。通过改变这三个参数的大小，就可以改变整个系统

的性能,获得较好的过渡过程和控制质量。调节器参数整定的目的就是按照

己定的控制系统求取控制系质量最佳的调节器参数，工程上常用的整定方法

有：

①经验试凑法一一根据被控变量的性质在己知合适的参数（经验参数）范围

内选择一组适当的值做为调节器的参数值，然后直接在运营的系统中，人为

地加上阶跃干扰，通过观测记录仪表上的过渡曲线，并以比例度、积分时

间、微分时间对过渡曲线的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积

分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。

②临界比例度法一一一方面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

③衰减曲线法一以在纯比例下获得4:1衰凌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。

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：

①简朴控制系统合用于控制负荷变化较小的被控变量，假如负荷变化较大，

无论选择哪种调节规律，简朴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。

②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，而工艺规定不高时，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。

③当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺规定无余差时，

可选用比例积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。

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；如工艺规定无余差时，则选

用PID调节规律，如温度，成分，PH等参数控制。

⑤假如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，

采用简朴控制系统往往不能满足控制规定，这时应选用复杂控制系统。

16.设计控制系统时,必须拟定和考虑哪些方面的问题？

答：设计一个控制系统，一方面应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静

态特性外，对于工艺过程,设备等也需要比较进一步的了解;

在此基础上,拟定对的的控制方案,涉及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性而得出的。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:①能迅速克服进入副回路的干扰。②能改善被控对象的特性，提高

了系统克服干扰的能力。③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制

精度。串级控制系统重要就用于：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,对控制质量规定较高的场合。

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，用来完毕“细调”的任务，以保证被控

变量满足工艺规定。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C

19.图2-59是聚合釜温度与流量的串级控制系统。

①说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？

②试述该系统是如何客观实现其控制作用？

解:①该系统的主对象:聚合釜副对象:冷却水进口管路

主变量:聚合釜温度副变量:冷却水流量

主调节器：温度调节器副调节器:流量调节器

②该控制系统的方框图：

如图所示:冷却水流量若减小,一方面由流量检测变送、经流量调节阀调整冷却水

阀门开度，开度增长；同时由于流量减少使聚合釜由温度T升高。从而使温度稳

定在工橄规定范围内。

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（涉及外界干扰和设定值

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。前馈控制重要用于下列场合：

①干扰幅值大面频繁.对被控变量影响剧烈,单纯反馈达不到规定期；②重要干

扰是可测不可控的变量；③对象的控制通道滞后大,反馈控制不即时,控制质量

差时,可采用前馈一反馈控制系统，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，它重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,重要应用在对不稳

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.使两个变量之间可以

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

1.写出测■方程式，以及测量三要素，并举例说明。

答:测量方程式：为被测量,x为测量值,u为测量单位。测量过程三要素为：测量

单位,测量方法，测量仪器与设备。举例:如液柱式温度计测量温度。

2.简述直接测■法与间接测■法的定义，指出它们的异同及使用场合？

答：直接测量法一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；间接测量法一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

接测量测量过程简朴方便，应用广泛；间接测量过程较复杂，只有在误差较大或

缺少直接测量仪表时才采用。

3.测量仪表的重要性能指标有哪些？传感器的重要特性有哪些？

答:测量仪表的重要性能指标有技术,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,运营是否可靠安全，以及

抗干扰与防护能的强弱,重量体积的大小，自动化限度的高低等。

传感器的重要特性有: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自身的不准确或安装调整得不对的,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因素

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

大误差一是由于测量操作者的粗心,不对的地操作,实验条件的突变或实验状况

未达成预想的规定而匆忙实验等因素导致的明显地歪曲测量结果的误差。减小

误差的方法:①系统误差:应尽量减少或消除系统误差的来源。一方面检查仪表

自身的性能是否符号规定；另一方面仔细检查仪器是否处在正常工作条件,如环

境条件及安装位置等是否符合技术规定,零位是否对的；此外还应检查测量系统

和测量方法自身是否对的。②随即误差：由于摩擦，间隙，噪声等都会产生随机误

差,因此一方面从结构，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。③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C

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:绝对误差一仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差，即，可表达仪表基

本误差限:

相对误差一测量的绝定误差与被测变量的约定真值（实际值）之比，即用，可

表达仪表的基本误差限与绝对误差相比较，相对误差更能说明测量结果的精确限

度,如温度升测量显示值为57。时间温度为60℃,则：

=57-60=3,

若实际为30℃,测量显示值为27C,则：

=-3℃,,显然此时的相对误差比前者大。

引用误差一绝对误差与仪表的量程之比，用引用误差表达的仪表基本误差限为：

如温度计的量程为100℃,则其引用误差，

根据允许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。

6.检定一12345

只・程为

5A的电流

表，结果

如下：

输入量/A

示量/A1.101.983.014.085.02

（1）试求仪表各示值的绝对误差,实际相对误差,示值相对误差和引用误差。

（2）拟定仪表的精度等级。

解：1/.102-1.983-3.014.-4.085-5.02

绝对误差：；相对误差：，

示值相对误差：，引用误差：

所以数值计算列表如下：

412345

X1.101.983.014.085.02

^x=x-\0.1-0.020.010.080.02

o=—().1-0.010.00330.020.004

4

夕=包

0.091-0.01010.00330.01960.004

X

Ax

q=­0.020.0040.0020.040.004

S

仪表的精度等级，故该仪表的精度等级为20

7.对某

物理・

通过

20次

测量，324.03324.02324.11324.14324.07324.11324.14324.19324.23

得到如

下数

据：

324.08

324.18324.03324.01324.12324.08324.16324.12324.06324.21324.14

分别月93准则和肖维耐准则判断有无粗差,并求该测量的计算平均值，标准

差和极限误差，写出测量结果表达式。

解：

n=20,

平均

值

一,

-0.08-0.0900.03-0.0400.030.080.12

剩余

误

差：

即：

-0.03

0.07-0.08-0.10.01-0.030.050.01-0.050.10.03

标准差=，标限误差

（1）3准则：3=0.192,因此该组数中无坏值c

（2）肖维耐准则：依表3・1可知n=20时，=2.24

,，故该组数中无坏直。

极限误差，测量结果：

8.用一温度计测・某介质温度，40%的读数误差小于0.5,用线性插值法估计

该温度升的标准差，并计算误差小于0.75的概率。

解：⑴=,

由此推得（）.7时，

由已知条件知，查概率积分表得：

时z=0.5205,

，得：

（2），得：

查表得：时，

/.0（z）=2x0.7823—1=0.5646

即误差小于0.75,概率为0.5646

9.现有精度等级为1.5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测■范围分别为

□七,□（和口七,现需测量500°C左右的温度，规定测量的相对误差不超

过2.5%,选用哪块表合适？

解：根据测量范围，选择B,C两块表,A表排除。

B表：q=2%=0.02=

/.Amax=0.02x[550-(-50)]=12℃

/.%、=——=0.024=2.4%<2.5%

max500

故B表合适。

C表:q=2.5%=0.025=

Anux=0.025x[500-（-l00）]=15℃

/.Jlinx=—=0.03=3%>2.5%

max500

故C表不合适。

综上所述选用B表即2.0级,量程的仪表。

10.检定一台测■范围为的位移测■仪表，结果如下：

<1）试画出上下行程的输入输出特性曲线；

（2）求该仪表的线性度（以上行曲线为例）；

（3）拟定该表的回差（迟滞误差）

解：己知数据：

位移/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5

6.0

上行程示值/mm:00.340.691.061.411.772.C42.452.813.203.674.07

4.37

下行程示值/mm:00.400.771.141.521.902.272.653.023.383.724.06

4.37

(1)如图所示,上下行程曲线

2,047199x3

(2)LH==­0=-0.01995x100%«-2%

%、6

⑶“、以二2.27.2—8%

L6

11.概述膨胀式温度计的工作原理与重要特点：

答：膨胀式温度计是运用物体热胀冷缩的性质来测温的。

重要特点：玻璃液体：结构简朴，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；结构简朴，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，可达一200〜2023℃,形式多样，合用于各种测量条件。选用补偿导线

规定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，

极性连接对的。补偿导线的作用证明：

如图所示：回路中电势为：

E=Eab(t,tl)+Ecd(tl,tO)

由补偿导线的性质得：Ecd(tl,tO)=Eab(tl,tO)

；・E=Eab(t,tl)+Eab(tl,tO)=Eab(t,tO)

补：用普通导线做热电偶得延长线规定引入两端得温度相同热电势不同，故一

般接热电偶的冷端，因此冷端温度仍然是现场温度。而用补偿导线却可以将冷

端温度现场温度分开，利于测量。

13用两只分度号为K的热电偶测量A区与B区的温差，连接方法如图3-79所

示。若

(1),

(2),

试分别求两种情况下的示值误差,并解释为什么与实际温差不同.

解:查热电偶分度号表：

K型热电偶:20℃200℃220℃500

E:0.798mv8.137mv8.937mv20.640mv

(1)AE=8.938-0.798=8.140mv

反杳K热电偶分度号表：201℃-----8.177mv

内析求得：At=200.075℃

(2)AE=20.640-8.137=12.503℃

反查K分度号表:307——12.498℃;308——12.539℃

内析求得：At=307.12℃

分析因素:低温度下热电势与温度线性关系较好，高温时误差较大。

14.用分度号为S的热电偶与动圈仪表构成的测温系统,冷端补偿器的平衡点温

度在20℃.图3-80中,t=1300℃,tl=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；

(2)如何解决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？

解:如图所示：

2______(1)查S型热电偶的分度号表：

K--------

--------__俵t/r1300SO25

1

E/mv13.155).1730.142

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时相应的温度为t=1286℃,

即仪表显示的温度为1286℃。

(2)由于补偿电桥是在20C时平衡的，因此须将仪表的机械零位预先调到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

则E(1300,80)=E(1300,0)-E(80,0)=13.155-0.502=12.653mv

查表12.653mv时相应的温度为t=1258.5℃,

即示值变为1258.5℃o

15.用分度号为Cu50的热电阻测得某介质的温度为84c,但经检定，该电阻

R0=50.4C,电阻温度系数a=4.28X10~3/℃,试求介质的实际温度。

解：・・,在-50℃〜150℃的范围内，铜电阻与温度是线性关系：

K=K0[l+a(f,)]

查得他t=84℃时R=67.97Q

即：

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，两管水银

面高度h=140mm,求水的表压力(Pa)

解：如图所示：1一1截面压力相等，即：

P水+。水g(Z+H+%)=Pa+。水银g%

,表压

Pk=P^-Pa=。水银飘一夕水g(4+4+H)

=13.6x103x9.8x0.14-Ixio3x9.8x(l.5x0.08+0.14)

=1803.2P〃

17.四个应变片RI,R2(在上面)，R3,R4(在下面)如图3—81所示贴于梯

形片簧，片簧以悬臂形式固定。

(1)画出应变片接成直流气桥形式的电路图；

(2)当片簧受力P的作用时，贴片处产生350U£的应变，供桥电压10V,

应变片灵敏系数为2,求电桥输出。

参考：化工测量及仪表范玉文主编P31

图3-81

输出电压：

，/&=R、=R3=R4=R

R~A??.—△凡+A/?.—、

劭=—?(-!----=-----------)Z/

4炉R

uA/?|—AR,+A7?4—bR、

=4R

18.液体式压力计有哪些重要类型？试分析其误差

答：液柱式压力计重要有：U型管压力计，单管压力计和微压力计。

以U型管压力计：误差产生重要有以下几方面：a读数误差，消除视察。b温

度变化产生液体P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0.7口MPa内波动，规定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：0〜0.6MPa;0~2.5MPa.

—sWA/而n—s^0.7

33s<2AMPa

22s>\.5MPa

Mmax«—3s3—521

故选用。〜L6MPa

精度等级：隗、=X100%=1.25

1.0

故选用精度等级为1级的量程为0~l.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，对各部分有哪些规定？

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规定，规定和数据，可参见

GB/T2624

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：

工作原理使用特点

节流运用节流元件前后的差压与流速之间的关使用已标准化、系列化，

装置系，获得被测流量的大小使用范围：管径为50~

1000mm,测量范围

1.5"100000m3/h,但使用

产生的压力损失大，精度

±1-2%

转子基于力平衡原理，运用锥形管内的转子把流使用己系列化，测量时若

流量体的流速转换成转子的位移，进而获得被测介质变化，应修正，可测

计流量的大小。小流量，结构简朴，维修

方便，压力损失小。缺

相同点：都是测流速然后得流量。陷：机械传逆信号，仪表

相同点：都是测流速然后得流量。性能和准确度难以提高，

转子易卡死，测量管径范

围4~150mm,测量范围:

0.00r3000m3/h,精度土

广2.5%

24.从涡轮流量计得基本原理分析其结构特点，输出信号方法和使用规定。

答：涡轮流量计得基本原理：流体对置于管内涡能得作用力，使涡轮转动，其

转动速度在一定流速范围内与管内流体得流速成工比。其结构重要由：涡轮、

导流器、磁电转换装置，外壳以及信号放大电路等部分组成。

输出信号方法：将叶轮转动时得转速转换成脉动电信号输出，经进一步放大整

形后获得分拨信号，友其进行脉冲计数和单位换算可得到积累流量；通过频率

——电流转换单元可得到瞬时流量。使用规定：①仅合用洁净得被测介质，通

常在涡轮前要安装过滤装置；②流量计前后需由一定的直管段长度，③流量计

的转换系数9一般在常温下用水标定的，当介质的密度和粘度发生变化时需重

新标定或进行补偿。

25.已知：流体为过热蒸汽，工作压力P=14MPa,工作温度t=550℃；管道

D20=221mm,材料X20CrMoV21无缝管，节流装置为角接标准喷嘴，材料为

lCrl8Ni9Ti,d20=148.74mm；差压0p=100.42KPa,求：

(1)在假定Op下的蒸汽流量；

(2)计算测量时的压力损失。

解：计算参考《过程控制检测技术与仪表》杜维主编…p81。

查附数据表可得管道材质和孔板材质的热膨胀系数为：

=18.20xl0-6/C°%)=12.30xlO-6/C°

则工作状态下管道内径为

O=2o[i+4(D]

=22l[l+12.30x10^x(550-20)]

=222Amm

电表2—5查得管道内壁粗糙度k=0.7则：区=卫=0.03125

D22.4

d=&o[l+Xd(%-20)]

=148.74[1+18.2xl0-6(550-20)]

=150.17〃〃"

=15077=()6750.44<^<0.847

2xl0</?r<10

D222.4

1.15

r106

C=0.9900-0.2262/-(0.0017522-0.0033夕4$)x=0.9447

在工作压力下P=14MPa=1.4xl()7&i=55()c°

过热蒸汽Pi=l.5kg/m1M=0.5Pas

2

KTXI-/74K

等端指数£

x-\

...1bP100.42xlO3八

具w中汇=1-----=1t-----------=0.993

61.4xl07

由于£=0.99

A.=-d2=-X]50A72=]770.56/??m2

44

/=12PlAP=

71一仇

26.已知：流体为水，工作压力p=14.71MPa,工作温度t=215℃；管道D20=

233mm,材料20号无缝钢管；截流装置为法兰标准孔板，材料为lCrl8Ni9Ti。

d20=117.34mm,差压△p=156.91KPa.

求：（1）在给定的Ap下的流量qm

（2）测量时的压力损失。

解：

D=£>^[1+4(/,-20)]=233[1+12.78x10^x(215-20)]

=233.6〃〃〃

(1=4。口+4-20)]=117.34[1+17.20xIO-6x(2I5-20)]

=11Umm

cd117.7

p=—=----=0.504

D233.6

(i)2X6I0.8560

C=0.5959+0.0312俨'-0.1840/78+0.0029^25—+q4(1-夕)3

--D~

液体L1,\=-d2=\0874.83"〃〃

4

q，nJl-VJ29AP

p、=846.8依/〃P

q〃尸

己心

4^+c仍

27.当工作压力偏离额定压力时，如何由差压显示的水位值求出真实的水位。

答：当工作压力偏离额定压力时，可通过差压计的正、负迁移，求出迁移量，

即运用正负迁移改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，即可求出真实的

水位。

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

何解决？

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；气动转换部分的作用，是将被测差

压Api转换成为作用于主杠杆下端的输入力Fi。其工作原理为：①正负压容的

输入压力经敏感元件转换成输入力Fi。即。②Fi作

用于主杠杆的下端，右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。③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。④当

时，主杠杆就处在平衡状态，喷嘴挡板间的距离不再改变，若MfWMi时，则杠

杆系统产生偏角a,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Api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

（产牛压力降）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。

4.DD8-III型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几部分组成

的？试简述其工作过程。

答：DD8—IH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4〜20mA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达成平衡时,

变送器便达成一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流I。便反

映了说测电压Api的大小。

5.DD8—III型温度变送器为什么要采用线性化措施？热电偶温度变送器时如

何实现线性化的。

答：热电偶温度变送器规定的输出电压信号与相应的变送别输入的温度信号成

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tC与变送器的输出电压Use

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：

式中Ad,H,12,13,13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，9t,lot,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，wt,kft,量程t。

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，四级制和两线制，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0〜

lOmADC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4〜20mADC输出电流，称为两线制。

H-220V'

I|0〜10〃2A

现场变送器一现场变送器厂厂

(a)(b)

8.本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？需要采用哪些措施才干保证

整个系统达成防爆规定？

答：本质安全防爆型系统是由安装载危险场合中的本质安全电路及安装载非危

险场合中的非本质安全电路和防爆安全栅组成。

①采用措施以达成防爆规定的方法有：

②本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。

③用防爆安全栅将危险场合和非危险场合的电路隔开。

④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朴，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20〜lOOKPa,电动调节仪表采用统一标准的

电信号，4〜20mADC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，并且

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。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，，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夕亍比较，取出偏差信号，并进

行电平移动。

11.PID调节器是由哪些基本部分组成的？试分析各部分所完毕的功能。

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。（输入电路涉及偏

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PTD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？它具有哪些重要特点？

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：①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，减少了能耗。

②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

输出可以长期保持，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。

③采用集成电路便于各种功能的扩展。

⑤采用标准信号制，接受1—5VDC测量信号，偷出4〜20mADC信号，由于空

气受点不是从零点开始的，故容易辨认断电、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因素。

答：•・,在基型调节器的PI电路中，接有运算放大器，对于抱负的比例积分电路,

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DTZ—2100型气刻度指示调节器的工作原理。它试由哪些部分组成

的？各部分的重要功能试什么？

答：DT8-2100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1-

5VDC电压信号转换成4〜20mADC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；比例微分回路一一功能为：・・・回路的输出值大小不仅与输入信号的大小、

极性有关，并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。比例积分回路一一作用是为调

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提成正比例。输

出回路一一作用使将PT回路输出的1-5VDC电压信号转换成以电流负端为基

准的4〜20mADC信号，作为调节器的输出信号。手动操作回路一一在控制回路

中实现手动操作。

15.DDZ-III型调节器的输入电路为什么要进行电平移动？

答：DDZ—HI型调节潜采用标准信号制，接受来自变送器的或转换器输出的

1〜5VDC测量信号，输出4〜20mADC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，故容易辨认断电、断线故障，传输信号标准化。

16.有一电动比例调节器，器输入电流范围为4〜20mA,输出电压范围是1一

5Ve试计算当比例度规定在40%时，输入电流变化4mA所引起的输出电压变

化量为多少？

e

X—Y

解：VJ=