過程控制與自動化儀表第三版課后習(xí)題答案

過程控制與自動化儀表第三版課后習(xí)題答案

第1章思考題與習(xí)題

1o基本練習(xí)題

(1)簡述過程控制得特點.

答：

1,控制對象復(fù)雜、控制要求多樣

2.控制方案豐富

3o控制多屬慢過程參數(shù)控制

4.定值控制就是過程控制得一種主要控制形式

5.過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化得過程檢測控制儀表組成

(2)什么就是過程控制系統(tǒng)？試用方框圖表示其一般組成。

答：

過程控制系統(tǒng):一般就是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)得變量

就是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量得系統(tǒng)。

過程控制系統(tǒng)得一般性框圖如圖1—1所示：

圖1一1過程控制系統(tǒng)得一般性框圖

(3)單元組合式儀表得統(tǒng)一信號就是如何規(guī)定得？

答：

各個單元模塊之間用統(tǒng)一得標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

1)模擬儀表得信號：氣動0、02?0、1MPa;電動川型：4~2

OmADC或1?5VDC。

2)數(shù)字式儀表得信號：無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).

(4)試將圖1—2加熱爐控制系統(tǒng)流程圖用方框圖表示。

答：

加熱爐控制系統(tǒng)流程圖得方框圖如圖1-3所示：

圖1—2加熱爐過程控制系統(tǒng)流程

圖1-3加熱爐過程控制系統(tǒng)流程方框圖

(5)過程控制系統(tǒng)得單項性能指標(biāo)有哪些？各自就是如何定義

得？

答：

1）單項性能指標(biāo)主要有：衰減比、超調(diào)量與最大動態(tài)偏差、靜

差、調(diào)節(jié)時間、振蕩頻率、上升時間與峰值時間等。

2）各自定義為：

衰減比:等于兩個相鄰得同向波峰值之比n;

超調(diào)量：第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y。之比得百分?jǐn)?shù)：

最大動態(tài)偏差A(yù)：在設(shè)定值階躍響應(yīng)中，系統(tǒng)過渡過程得第一個

峰值超出穩(wěn)態(tài)值得幅度；

靜差，也稱殘余偏差C:過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達(dá)到得新

穩(wěn)態(tài)值y。與設(shè)定值之間得偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；

調(diào)節(jié)時間：系統(tǒng)從受干擾開始到被控量進(jìn)入新得穩(wěn)態(tài)值得。范

圍內(nèi)所需要得時間；

振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間得時間間

隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率；

上升時間：系統(tǒng)從干擾開始到被控量達(dá)到最大值時所需時間；

峰值時間：過渡過程開始至被控參數(shù)到達(dá)第一個波峰所需要得時

間.

（6）誤差積分指標(biāo)有什么缺點？怎樣運(yùn)用才較合理？

答：

誤差積分指標(biāo)存在得缺點就是不能保證控制系統(tǒng)具有合適得衰

減率。因此,通常先確定衰減率，然后再考慮使某種誤差積分為最

(7)簡述過程控制系統(tǒng)得設(shè)計步驟。

答：

過程控制系統(tǒng)設(shè)計得主要步驟：

1、確定控制目標(biāo)；

2.選擇被控參數(shù)；

3、選擇控制量；

4、確定控制方案；

5、選擇控制策略；

6、選擇執(zhí)行器；

7、設(shè)計報警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)；

8、系統(tǒng)得工程設(shè)計；

9.系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)試與整定調(diào)節(jié)器得參數(shù)。

(8)通常過程控制系統(tǒng)可分為哪幾種類型？試舉例說明。

答：

過程控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同主要分為三類：

1、反饋控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)就是根據(jù)被控參數(shù)與給定值得

偏差進(jìn)行控制得，最終達(dá)到或消除或減小偏差得目得，偏差值就

是控制得依據(jù)。它就是最常用、最基本得過程控制系統(tǒng)。

2o前饋控制系統(tǒng)：前饋控制系統(tǒng)就是根據(jù)擾動量得大小進(jìn)行控

制得，擾動就是控制得依據(jù)。由于沒有被控量得反績，所以就是

一種開環(huán)控制系統(tǒng)。由于就是開環(huán)系統(tǒng)，無法檢查控制效果，故

不能單獨(dú)應(yīng)用。

3、前饋一反饋控制系統(tǒng)：前饋控制得主要優(yōu)點就是能夠迅速及

時得克服主要擾動對被控量得影響，而前饋一反饋控制利用反饋

控制克服其她擾動，能夠使被控量迅速而準(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上，

提高控制系統(tǒng)得控制質(zhì)量。

舉例說明：在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，將蒸汽流量作為前饋信

號，汽包水位作為主被控參數(shù)，給水流量作為副被控參數(shù)，構(gòu)成

了前饋一反饋串級控制系統(tǒng)。

(9)兩個流量控制系統(tǒng)如圖1一4所示。試分別說明它們就是屬

于什么系統(tǒng)？并畫出各自得系統(tǒng)框圖。

0-—]

w---------------------疾3_*

.■修1

[一-?----]

|Q

好--------------->

E啦

圖1一4兩個流量控制回路示意圖

答：

系統(tǒng)1就是前饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)2就是反饋控制系統(tǒng).系統(tǒng)框圖如

圖1—5如下：測量變送被控過程執(zhí)行器測量變送

被控過程執(zhí)行器

系統(tǒng)1系統(tǒng)2

圖1一5兩個流量控制回路方框圖

（10）只要就是防爆儀表就可以用于有爆炸危險得場所嗎？為什

么？

答：

1）不就是這樣。

2）比如對安全火花型防爆儀表，還有安全等級方面得考慮等。

（11）構(gòu)成安全火花型防爆控制系統(tǒng)得儀表都就是安全火花型得

嗎？為什么？答：

1）就是得。

2）因為安全火花型防爆系統(tǒng)必備條件之一為：現(xiàn)場儀表必須設(shè)計

成安全火花型。

2.綜合練習(xí)題

（1）簡述圖1-6所示系統(tǒng)得工作原理，畫出控制系統(tǒng)得方框圖

并寫明每一方框圖得輸入/輸出變量名稱與所用儀表得名稱。

LT

LC

1

Q2QA

圖1-6控制系統(tǒng)流程圖

答：

1）圖為液住控制系統(tǒng)，由儲水箱（被控過程）、液位檢測器（測量變

送器）、液位控制器、調(diào)節(jié)閥組成得反饋控制系統(tǒng)，為了達(dá)到對

水箱液位進(jìn)行控制得目得，對液位進(jìn)行檢測，經(jīng)過液位控制器來

控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)Q1(流量)來實現(xiàn)液位控制得作用。

2)框圖如圖1-7所示：

圖1—7控制系統(tǒng)框圖

3)控制器輸入輸出分別為：設(shè)定值與反饋值之差e(t)、控

制量u(t);執(zhí)行器輸入輸出分別為：控制量u(t)、操作

變量Q1仕)；被控對象得輸入輸出為：操作變量Q1(t)、

擾動量Q2(t)，被控量h;所用儀表為：控制器(例如PID

控制器)、調(diào)節(jié)閥、液位測量變送器。

(2)什么就是儀表得信號制？通常，現(xiàn)場與控制室儀表之間采用

直流電流信號、控制室內(nèi)部儀表之間采用直流電壓信號，這就是

為什么？

答：

1)儀表得信號制就是指在成套系列儀表中，各個儀表得輸入/

輸出信號均采用某種統(tǒng)一得標(biāo)準(zhǔn)形式，使各個儀表間得任意連接

成為可能。

2)通常，現(xiàn)場與控制室儀表之間采用直流電流信號：因為直流比

交流干擾少、直流信號對負(fù)載得要求簡單，而且電流比電壓更利

于遠(yuǎn)傳信息。

控制室內(nèi)部儀表之間采用直流電壓信號：因為任何一個儀表拆離

信號回路都不會影響其她儀表得運(yùn)行，同時，各個儀表具有公共

接地點，可以共用一個直流電源。

（3）某化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)定操作溫度為80±5

℃,最大超調(diào)量小于或等于5%,要求設(shè)計得定值控制系統(tǒng)，在

設(shè)定值作最大階躍干擾時得過渡過程曲線如圖1—8所示。要

求：

1）計算該系統(tǒng)得穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、最大超調(diào)量與過渡過程時

間；

2）說明該系統(tǒng)就是否滿足工藝要求。

圖1-8設(shè)定值干擾得過渡過程曲線示意圖

答：

1）由上圖可得y（8）=81℃,設(shè)定值r=80℃,B1=85-81

=4,B2=82-81=1穩(wěn)態(tài)誤差e（8）=r-y（oo）=80℃-81℃

=-1℃

衰減比:，

最大超調(diào)量：

過渡過程時間ts:大概在18min左右。

2)雖然該系統(tǒng)最大超調(diào)滿足要求，然而在規(guī)定操作溫度為8

0℃,而最后趨于穩(wěn)定得值卻為81℃,因此不滿足工藝要求.

(4)圖1-9所示為一類簡單鍋爐汽泡水位控制流程圖，試畫出

該控制系統(tǒng)框圖，并說明其被控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)與干

擾參數(shù)各就是什么？

加

熱

室

圖1-9鍋爐汽泡水位控制流程圖

答：

1)控制系統(tǒng)框圖如圖170所示：

圖1一10鍋爐汽泡水位控制框圖

2)被控過程:加熱器+汽包；

被控參數(shù)：汽包水??；

控制參數(shù)：上水流量；

干擾參數(shù)：蒸汽流量變化。

3o設(shè)計題

(1)舉出您所見到得過程控制系統(tǒng)得實例，并指明其被控過程、

被控參數(shù)、控制參數(shù)(或控制介質(zhì))、干擾作用，畫出其控制流程

圖與系統(tǒng)方框圖。

略

(2)試舉您所見到得前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)得實例，畫出其控

制流程圖與系統(tǒng)方框圖。

略

第2章思考題與習(xí)題

1.基本練習(xí)題

(1)簡述過程參數(shù)檢測在過程控制中得重要意義以及傳感器得

基本構(gòu)成.

答：

1)過程控制通常就是對生產(chǎn)過程中得溫度、壓力、流量、成分

等工藝參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確

保產(chǎn)品質(zhì)量得生產(chǎn)安全,并使生產(chǎn)過程按最優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行。要想

對過程參數(shù)實行有效得控制，首先要對她們進(jìn)行有效得檢測，而

如何實現(xiàn)有效得檢測，則就是有檢測儀表來完成。檢測儀表就是

過程控制系統(tǒng)得重要組成部分，系統(tǒng)得控制精度首先取決與檢測

儀表得精度。檢測儀表得基本特性與各項性能指標(biāo)又就是衡量檢

測精度得基本要素。

2)傳感器得基本構(gòu)成:通常就是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電源及

信號調(diào)理/轉(zhuǎn)換電路組成。

(2)真值就是如何定義得?誤差有哪些表現(xiàn)形式?各自得意義就

是什么？儀表得精度與哪種誤差直接有關(guān)？

答：

1)真值指被測物理量得真實(或客觀)取值。

2)誤差得各表現(xiàn)形式與意義為：

最大絕對誤差：絕對誤差就是指儀表得實測示值與真值得差值，

記為，如式(2—1)所示：

(2-1)

相對誤差：相對誤差一般用百分?jǐn)?shù)給出，記為，如式(2—2)所

示：

0

(2-2)

引用誤差：引用誤差就是儀表中通用得一種誤差表示方法.它就

是相對儀表滿量程得一種誤差，一般也用百分?jǐn)?shù)表示，記為，如

式(2—3)所示：

(2-3)式中，儀表測量范圍得上限值;儀表測量范圍得下限值.

基本誤差:基本誤差就是指儀表在國家規(guī)定得標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時

所出現(xiàn)得誤差。

附加誤差附加誤差就是指儀表得使用條件偏離了規(guī)定得標(biāo)準(zhǔn)條

件所出現(xiàn)得誤差.

3)儀表得精度與最大引用誤差直接有關(guān).

(3)某臺測溫儀表測量得上下限為500℃~1000℃,它得最大

絕對誤差為±2℃,試

確定該儀表得精度等級；

答：

根據(jù)題意可知：最大絕對誤差為±2℃

則精度等級

所以儀表精度等級為0、4級

(4)某臺測溫儀表測量得上下限為100℃?1000℃,工藝要

求該儀表指示值得誤差不得超過±2℃,應(yīng)選精度等級為多少得

儀表才能滿足工藝要求？

答：

由題可得:儀表精度等級至少為0、001級?；蛘?、002

(5)有一臺DDZ—川型兩線制差壓變送器，已知其量程為20?1

OOkPa,當(dāng)輸入信號為40kPa與80kPa時，變送器得輸出分別

就是多少？

答：

由題可得：變送器輸出得分別就是8mA與16mA.

(6)設(shè)有某DDZ一川型毫伏輸入變送器，其零點遷移值mVDC,

量程為12mVDC。現(xiàn)已知變送器得輸出電流為12mADCo試問：

被測信號為多少毫伏？

答：

由題可得：被測信號為12毫伏。

(7)智能溫度變送器有哪些特點？簡述TT302溫度變送器得工作

原理。

答：

1）智能溫度變送器特點為：

a）通用性強(qiáng)；

b）使用靈活；

c）多種補(bǔ)償校正功能；

d）控制功能；

e）通信功能；

f）自診斷功能；

2）TT302溫度變送器得工作原理：

a）在結(jié)構(gòu)上，它由輸入模板、主電路模板與顯示器三部分組成。

其中，輸入模板由多路轉(zhuǎn)換器（MUX）、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換

器與隔離部分組成。主板由微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號整

形電路、本機(jī)調(diào)整與電源等組成，它就是變送器得核心部件。顯

示器為液晶式微功耗數(shù)字顯示器，可顯示四位半數(shù)字與五位字

母。

b）軟件分為系統(tǒng)程序與功能模塊兩大部分。系統(tǒng)程序使變送器

各硬件電路能正常工作并實現(xiàn)所規(guī)定得功能，同時完成各部分之

間得管理;功能模塊提供了各種功能，用戶可以

通過選擇以實現(xiàn)所需要得功能。

（8）1151智能式差壓變送器有哪些特點？它得硬件構(gòu)成有哪幾

部分？

答：

1)1151智能式差壓變送器具有如下特點：

a)測量精度高，基本誤差僅為±0、1%,而且性能穩(wěn)定、可靠；

b)具有溫度、靜壓補(bǔ)償功能，以保證儀表精度；

c)具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信；

d)具有數(shù)字微調(diào)、數(shù)字阻尼、通信報警、工程單位換算與有關(guān)

信息得存儲等功能。

2)硬件構(gòu)成分為6部分：傳感器部分，A/D轉(zhuǎn)換器,CPU,HART

通信部分，數(shù)/模轉(zhuǎn)換及電壓調(diào)整電路，監(jiān)控電路。

(9)溫度變送器接受直流毫伏信號、熱電偶信號與熱電阻信號時

有哪些不同？

答：

直流毫伏信號與熱電偶信號得兩點區(qū)別就是輸入信號由直流毫

伏信號變?yōu)闊犭娕嫉脽犭妱觿菪盘枺撔盘枙S熱電偶冷端溫度

得變化而變化，因而需要對其進(jìn)行矯正，其矯正電壓由銅電阻變

化得阻值來提供.而熱電阻信號由于其她不同：它用三限制接入

電路取代了冷端溫度補(bǔ)償電路。對銷電阻測溫進(jìn)行了非線性校

正。非線性校正不就是采用折線擬合方法而就是采用正反饋方

法.

(10)什么叫壓力？表壓力、絕對壓力、負(fù)壓力之間有何關(guān)系？

答：

所謂得壓力就是指垂直作用與單位面積上得力。表壓力就是指絕

對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ睢＝^對壓力就是指相對于絕對真空所

測量得到得壓力.負(fù)壓就是指絕對壓力小于大氣壓力之時，大氣

壓力與絕對壓力之差。

(11)體積流量、質(zhì)量流量、瞬時流量與累積流量得含義各就是

什么？

答：

體積流量就是以體積表示得瞬時流量.質(zhì)量流量就是以質(zhì)量表示

得瞬時流量,瞬時流量與累積流量可以用體積表示，也可以用重

量或質(zhì)量表示.

瞬時流量：單位時間內(nèi)流過工藝管道某截面積得流體數(shù)量。

累積流量：某一段時間內(nèi)流過工藝管道某截面積得流體總量。

(12)某被測溫度信號在40?80℃范圍內(nèi)變化，工藝要求測量

誤差不超過±1%,現(xiàn)有兩臺測溫儀表，精度等級均為0、5級，

其中一臺儀表得測量范圍為。?100℃,另一臺儀表得測量范圍

為0~200℃,試問：這兩臺儀表能否滿足上述測量要求？

答：

由題可得:這兩臺儀表均不能滿足上述測量要求.

(13)熱電偶測溫時為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？其補(bǔ)償方法常

采用哪幾種？

答：

1)只有當(dāng)熱電偶得冷端溫度恒定時，其熱電動勢才就是單值函

數(shù)。依據(jù)等值替換原理制成得補(bǔ)償導(dǎo)線，雖然可以將冷端延伸到

溫度相對穩(wěn)定得地方，但還不能保持絕對不變.因此，為了消除

冷端溫度不為零或變化時對測量精度得影響，可以進(jìn)行冷端溫度

校正。

2）補(bǔ)償方法常采用查表校正法與電橋補(bǔ)償法。

（14）熱電阻測溫電橋電路中得三線制接法為什么能減小環(huán)境溫

度變化對測溫精度得影響？

答：

三線制接法就就是在熱電阻根部得一端引出一根導(dǎo)線，而在另一

端引出兩根導(dǎo)線，分別與電橋中得相關(guān)元件相接。這種接法可利

用電橋平衡原理較好得消除導(dǎo)線電阻得影響，所以這種接法就是

目前工業(yè)過程中最常用得接線方式。

20綜合練習(xí)題

（1）某一標(biāo)定為100~600℃得溫度計出廠前經(jīng)校驗，各點得測量

結(jié)果值如下：

被校表讀數(shù)/℃1

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃1296403495606

1）試求該儀表得最大絕對誤差.

2）確定該儀表得精度等級。

3）經(jīng)過一段時間使用后，儀表得最大絕對誤差為±7℃,問此時

儀表得精度等級為多少？

答：

1）儀表得最大絕對誤差為：±6℃.

2）根據(jù)，可知：儀表得精度等級1、2級。

3）此時儀表得精度等級不變，仍然為1、2級。

(2)用分度號Pt100得熱電阻測溫，卻錯查了Cu50得分度

表，得到得溫度就是250℃。問實際溫度就是多少？

答：

根據(jù)題意可知：實際溫度為720、8℃o

(3)若被測壓力得變化范圍為0、5~1、4MPa,要求測量誤差

不大于壓力示值得±5%,可供選用得壓力表規(guī)格：量程為0?1、

6MPa,0~2、5MPa,0?4MPa,精度等級為1、0、1、5、2、5。

試選擇合適量程與精度得壓力表。

答：

根據(jù)題意可知：

=1、4X(+5%)=+。、07Mpa

最大測量誤差為A

max

1)量程確定：

應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程得2/3處，即1、4MPaX3/2

二2、1MPa

可以選量程為。?2、5MPa得彈簧壓力表。

2)精度等級確定：

求出基本誤差，以確定滿足要求得精度等級.

,允許得精度等級為2、5級。

綜上分析，選擇量程為。?2、5MPa,精度等級為2、5級得彈

簧壓力表。

該表得最大絕對誤差：Amax=2、5X(+2、5%)=+0、0625MP

a,〈0、07MPa所以滿足要求。

(4)已知某負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在溫度為298K時阻值；當(dāng)溫

度為303K時阻值。試求該熱電阻得材料常數(shù)B與298K時得

電阻溫度系數(shù)。

答：

根據(jù)半導(dǎo)體熱敏電阻得電阻值與溫度得函數(shù)近似關(guān)系如式(2—4)

所示：

(2-4)得該熱電阻得材料常數(shù)

溫度系數(shù)

在298K時，。

(5)用差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)孔板配套測量管道介質(zhì)流量。若差壓

變送器量程為。?Pa,對應(yīng)輸出信號為4~20mADC,相應(yīng)流量為

O^320m3/ho求差壓變送器輸出信號為8mADC時，對應(yīng)得差

壓值及流量值各就是多少？

答:根據(jù)題意可知：

斜率

差壓值y=25O0pa

流量值

(6)什么就是FSK信號？HART協(xié)議得通信方式就是如何實現(xiàn)

得？

答：

FSK信號：頻移鍵控，就就是用數(shù)字信號去調(diào)制載波得頻率.就

是信息傳輸中使用較早得一種傳輸方式。HART協(xié)議得通訊方

式就是由調(diào)制器、解調(diào)器、載波檢測電路與時基電路構(gòu)成，實現(xiàn)

二進(jìn)制得數(shù)字信號與FSK信號之間得相互轉(zhuǎn)化。

（7）利用壓力表測量某容器中得壓力，工藝要求其壓力為1、

3±0、06MPa,現(xiàn)可供選擇壓力表得量程有0~1、6MPa,0~2、

5MPa,0~4、OMPa,其精度等級有1、0、1、5、2、0、2、

5、4、。，試合理選用壓力表量程與精度等級。

答：

根據(jù)題意可知：

最大測量誤差為Amax二±0、06Mpa

1）量程確定：

應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程得2/3處，即1、36MPaX3

/2=2、04MPa可以選量程為0?2、5MPa得壓力表。

2）精度等級確定：

求出基本誤差，以確定滿足要求得精度等級。

,允許得精度等級為2、0級。

綜上分析，選擇量程為。?2、5MPa,精度等級為2、0級得壓

力表.

=2、5X（±2、0%）=±0、05MPa,〈0、06MPa該表得

最大絕對誤差：△

max

所以滿足要求。

3.設(shè)計題

(1)用分度號為K得銀絡(luò)一鍥硅熱電偶測量溫度,在無冷端溫度

補(bǔ)償?shù)们闆r下，顯示儀表指示值為600℃,此時冷端溫度為

50℃o試問：實際溫度就是多少？如果熱端溫度不變，使冷端溫

度為20℃時，此時顯示儀表指示值應(yīng)為多少？

答：

1)已知冷端溫度為50℃,由分布表可查得

又已知熱電動勢E=24、902+2、022=26.924mV

所以實際溫度為648℃°

2)當(dāng)冷端溫度為20℃時，熱電勢為0、798mV

26、924-0.798=26、126mV

26、176—25、751=0、425mV

當(dāng)冷端溫度為20℃時，顯示儀表指示值為629℃.

(2)某容器得正常工作壓力范圍為1、0—1.5MPa,工藝要求

就地指示壓力，并要求測量誤差小于被測壓力得±5%,試選擇

一個合適得壓力表(類型、量程、精度等級等)，并說明理由。

答：

根據(jù)題意知：壓力范圍1、。?1、5MPa

允許最大誤差：emax=1、5X(5%)=0、075MPa

1)量程確定：

應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程得2/3處，即1、5MPaX

3/2=2、21MPa

可以選量程為。?2、5MPa得彈簧壓力表。

2)精度等級確定：

求出基本誤差，以確定滿足要求得精度等級。

,允許得精度等級為3級.

綜上分析，選擇量程為0?2、5MPa,精度等級為3級得彈簧壓

力表。

該表得最大絕對誤差：Amax=2、5X(3%)=0、075MPa,<=0>

075MPa

所以滿足要求.

(3)如圖2—1所示，利用雙室平衡容器對鍋爐汽包液位進(jìn)行測

量。已知MPa,kg/m3,kg/m3,kg/m3,m,mo試求差壓變

送器得量程，并判斷零點遷移得正負(fù)方向，計算遷移量。

答：

1)差壓液位計得量程為：

0()1液汽0.6800.44.529.84679.77PhgPapp=-=x-x=

當(dāng)液位最低時，差壓液位計得正、負(fù)壓室得受力為：

則遷移量

變送器得量程為Pa

2)因為P+VP-,故為負(fù)遷移；遷移量為.

(4)某控制系統(tǒng)中有一個量程為20~1OOkPa、精度等級為0、

5級得差壓變送器，在校驗時發(fā)現(xiàn)，該儀表在整個量程范圍內(nèi)得

絕對誤差得變化范圍為一0、5~+0、4kPa,試問：該變送器能

否直接被原控制系統(tǒng)繼續(xù)使用？為什么？

答：

允許最大誤差：Amax=100X(0、5%)二0、5kPa

這個范圍大于-0、5?+0、4kPa,所以該變送器能直接北苑控

制系統(tǒng)繼續(xù)使用。

(5)用K型熱電偶測量兩點溫差，其連接線路如圖2—2所示.

已知°C,°C,測得兩點溫差電勢為15、24mV,試求兩點溫差

為多少？后來發(fā)現(xiàn)，溫度下得那只熱電偶錯用E型熱電偶，其它

都正確，試求兩點實際溫差。

d

圖2-1鍋爐汽包液住得測量。。，圖2-2兩點溫差檢測

答：

1)

經(jīng)查表得：

故而兩點溫差為

2)()()()()1020t,0t,0t,0t,015.24ABABCDCDeeee

mv—*■=

則：()()()()21OOt,Ot,Ot,Ot,015.2414.708CDABABCDe

eeemv=-+-=

經(jīng)查表得：

故而兩點溫差為

第3章思考題與習(xí)題

1o基本練習(xí)題

（1）在過程控制中，哪些儀表就是屬于過程控制儀表？在過程控

制系統(tǒng)中，大多數(shù)調(diào)節(jié)器就是電動得，而執(zhí)行器多數(shù)就是氣動得,

這就是為什么？氣動單元組合儀表與電動單元組合儀表各單元

之間得標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號又就是如何規(guī)定得？

答：

1）在過程控制中，過程控制儀表有：調(diào)節(jié)器、電/氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)

行器、安全柵等.

2）調(diào)節(jié)器選電動得因為電源得問題容易解決，作用距離長，一般

情況下不受限制；調(diào)節(jié)精度高，還可以實現(xiàn)微機(jī)化。執(zhí)行器多數(shù)

就是氣動得，因為執(zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，常常在高溫、高

壓、深冷、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、易爆等惡劣條件下工

作，選氣動得執(zhí)行器就沒有電壓電流信號，不會產(chǎn)生火花，這樣

可以保證安全生產(chǎn)與避免嚴(yán)重事故得發(fā)生。

3）氣動儀表得輸入輸出模擬信號統(tǒng)一使用0、02~0、1MPa得

模擬氣壓信號。電動儀表得輸入輸出模擬信號有直流電流、直流

電壓、交流電流與交流電壓四種。各國都以直流電流與直流電壓

作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。過程控制系統(tǒng)得模擬直流電流信號為4~20

m

ADC,負(fù)載250。；模擬直流電壓信號為1?5VDCo

⑵某比例積分調(diào)節(jié)器得輸入、輸出范圍均為4?20mADC,若

設(shè)、，穩(wěn)態(tài)時其輸出為6mA;若在某一時刻輸入階躍增加1m

A,試求經(jīng)過4min后調(diào)節(jié)器得輸出。

答：

由比例積分公式(3—1)所示：

(3-1)依題意：，即Kp=1,e=1;

穩(wěn)態(tài)時：y0=6mA,

4min后：

(3)簡述DDZ-III型全刻度指示調(diào)節(jié)器得基本組成、工作狀態(tài)以

及開關(guān)?得作用。

答：

1)調(diào)節(jié)器由控制單元與指示單元組成.控制單元包括輸入電路、

PD與PI電路、輸出電路、軟手動與硬手動操作電路；指示單元

包括輸入信號指示電路與給定信號指示電路。

2)工作狀態(tài)：自動、軟手動、硬手動三種。

3)~為自動、軟手動、硬手動聯(lián)動切換開關(guān).

(4)圖3—1所示輸入電路得輸入/輸出關(guān)系為，試問：推導(dǎo)這

一關(guān)系得假設(shè)條件有哪些？當(dāng)輸入導(dǎo)線電阻不可忽略時，還有上

述關(guān)系嗎？請證明您得結(jié)論。

圖3—1輸入電路圖

答：

假設(shè)運(yùn)算放大器就是理想得即輸入阻抗無窮大，T點與F點同電

位,.

當(dāng)輸入導(dǎo)線電阻不可忽略時：

(3-2)

(3—3),依然可以得到原結(jié)論

(5)什么叫無平衡無擾動切換？全刻度指示調(diào)節(jié)器就是怎樣保

證由自動到軟于動、由軟手動到硬手動、再由硬手動到軟手動、

由軟手動到自動之間得無擾切換得？

答：

在無平衡就是非平衡狀態(tài)下切換不產(chǎn)生干擾得狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換無

沖擊。

因為全刻度指示調(diào)節(jié)器中有PID電路，用與兩個電容保證。當(dāng)

調(diào)節(jié)器由“軟手動”切向“硬手動”時其輸出值將由原來某一數(shù)

值跳躍到硬手動電位器所確定得數(shù)值，這將會使內(nèi)部過程產(chǎn)生內(nèi)

部繞動。如要這一過程就是無擾動得話，必須在切換之前就先調(diào)

整電位器得位置，使其與調(diào)節(jié)器得瞬時輸出一致。換句話說，就

就是先平衡在切換，方可保證輸出無擾動。當(dāng)調(diào)節(jié)器由“硬手動”

切向“軟手動”時，由于切換后得積分器具有保持特性，即能保

證切換前得硬手動輸出狀態(tài)，故由硬手動切換軟手動時。無需“平

衡”即可做到輸出無擾動.

(6)調(diào)節(jié)器得正、反作用就是如何規(guī)定得？

答：

若調(diào)節(jié)器輸出隨反饋值輸入得增加而增加，稱為正作用調(diào)節(jié)器，

反之為反作用調(diào)節(jié)器。

正作用：偏差二測量值一給定值；

反作用：偏差二給定值-測量值。

(7)數(shù)字式控制器有哪些主要特點？簡述其硬件得基本構(gòu)成。

答：

1)數(shù)字式控制器得主要特點：采用了模擬儀表與計算機(jī)一體得設(shè)

計方法，使數(shù)字式控制器得外形結(jié)構(gòu)、面板布置、操作方式等保

留了模擬調(diào)節(jié)器得特征；與模擬調(diào)節(jié)器相比具有更豐富得運(yùn)算控

制功能；具有數(shù)據(jù)通信功能，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；可靠性高具有自診斷

功能，維護(hù)方便。

2)數(shù)字式控制器得硬件電路由主機(jī)電路,過程輸入通道、過程輸

出通道、人/機(jī)聯(lián)系部件、通信部件等。

(8)SLPC數(shù)字式調(diào)節(jié)器得模塊指令有幾種主要類型？它們得

操作都與什么有關(guān)?試舉一例加以說明。

答：

1)SLPC可編程調(diào)節(jié)器得功能模塊指令可分為四種類型，即信

號輸入指令LD、信號輸出指令ST、結(jié)束指令END與各種功能

指令。

2）所有指令都與五個運(yùn)算寄存器~有關(guān)。

3）如加法運(yùn)算得實現(xiàn)。加法運(yùn)算得實現(xiàn)過程如圖3—2所示.圖

中?得初始狀態(tài)分別為A、B、C、D、Eo

輸入存儲器輸

1

運(yùn)算前LDX,?LDX2+

圖3—2加法運(yùn)算得實現(xiàn)過程

加法運(yùn)算程序為

LD;讀取數(shù)據(jù)

LD；讀取數(shù)據(jù)

+;對、求與

ST;將結(jié)果存入；

END;運(yùn)算結(jié)束

（9）執(zhí)行器由哪幾部分組成？它在過程控制中起什么作用？常

用得電動執(zhí)行器與氣動執(zhí)行器有何特點？

答：

1）執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成.在過

程控制系統(tǒng)中，她接受調(diào)節(jié)器輸出得控制信號，并轉(zhuǎn)換成直線位

移或角位移來改變調(diào)節(jié)閥得流通面積，以控制流入或流出被控過

程得物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數(shù)得自動控制.

2)特點：氣動執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜、維護(hù)

方便、防火防爆得等優(yōu)點，電動執(zhí)行器優(yōu)點就是能源取用方便.

信號傳輸速度快與便于遠(yuǎn)傳，缺點就就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。價格貴，適

用于防爆要求不高或缺乏氣源得場所。

(10)簡述電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)得組成及各部分得工作原理.

答：

主要由伺服放大器與執(zhí)行器兩大部分組成，電動執(zhí)行器就是電動

單元組合儀表中得執(zhí)行單元，以伺服電動機(jī)為動力得位置伺服機(jī)

構(gòu)。電動執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器來得。?10mA或4~20MA得直流信

號，將其線性地轉(zhuǎn)換成0?900得機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角或直線位置位移，用

以操作風(fēng)門、擋板、閥門等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

(11)什么叫氣開式執(zhí)行器與氣關(guān)式執(zhí)行器？它們就是怎樣組

合得？試舉兩例分別說明它們得使用.

答：

1)所謂“氣開”，就是指當(dāng)前氣壓信號p>0、02MPa時，閥由關(guān)

閉狀態(tài)逐漸打開；“氣關(guān)”則相反，即指當(dāng)前氣壓信號p>0、02M

Pa時，閥由全開狀態(tài)逐漸關(guān)閉。

2)組合如表3—1所示：

表3—1執(zhí)行器組合表

執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式閥體作用方式執(zhí)行器氣開、氣關(guān)形式

正正氣關(guān)

正反氣開

反正氣開

反反氣關(guān)

3）舉例：一般加熱器選用“氣開”式，這樣當(dāng)控制信號中斷時,

執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不會因為溫度過高發(fā)生

事故或危險。

又如,鍋爐進(jìn)水得執(zhí)行器則應(yīng)選用“氣關(guān)”式，即當(dāng)控制信號中

斷時，執(zhí)行器處于打開狀態(tài)，保證有水進(jìn)入鍋爐，不致產(chǎn)生燒干

或爆炸事故.

（12）在過程控制系統(tǒng)中，為什么要使用電-氣轉(zhuǎn)換器？試簡述

其工作原理。

答：

1）由于氣動執(zhí)行器有一系列優(yōu)點，絕大多數(shù)使用使用電動調(diào)節(jié)

儀表得系統(tǒng)也就是用氣動執(zhí)行器，為使氣動執(zhí)行器能夠接受電動

調(diào)節(jié)器得控制信號，必須把調(diào)節(jié)器輸出得標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為

20~100kPa得標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號.這個過程由電氣轉(zhuǎn)換器完成。

2）工作原理：它就是按力平衡原理設(shè)計與工作得.在其內(nèi)部有一

線圈，當(dāng)調(diào)節(jié)器（變送器）得電流信號送入線圈后，由于內(nèi)部永

久磁鐵得作用，使線圈與杠桿產(chǎn)生位移，帶動擋板接近（或遠(yuǎn)離）

噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部得氣動

功率放大器上，放大后得壓力一路作為轉(zhuǎn)換器得輸出，另一路饋

送到反饋波紋管。輸送到反饋波紋管得壓力，通過杠桿得力傳遞

作用在鐵芯得另一端產(chǎn)生一個反向得位移，此位移與輸入信號產(chǎn)

生電磁力矩平衡時，輸入信號與輸出壓力成一一對應(yīng)得比例關(guān)

系。即輸入信號從4mA、DC改變到20mA、DC時,轉(zhuǎn)換器得輸出

壓力從。、02?0、1MPa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換成氣動信

號得過程。

（13）在過程控制系統(tǒng)中，為什么要使用閥門定位器？它得作用

就是什么？

答：

1）電氣閥門定位器除了能將電信號轉(zhuǎn)換為氣信號外，還能夠使

閥桿位移與送來得信號大小保持線性關(guān)系，即實現(xiàn)控制器來得輸

人信號與閥門位置之間關(guān)系得準(zhǔn)確定位，故取名為定位器。

2）定位器可以使用在閥得不平衡力較大或閥桿移動摩擦力較大

等場合，同時還可以利用定位器來改變閥得流量特性，改變執(zhí)行

器得正、反作用.在分程控制中，利用定位器可以使閥在不同得信

號段范圍內(nèi)作全行程移動。

（14）什么就是調(diào)節(jié)閥得流通能力，確定流通能力得目得就是什

么？它就是怎樣計算得？

答：

1）調(diào)節(jié)閥得流通能力指：調(diào)節(jié)閥全開、閥前后壓差為0、1MPa.

流體重度為1g/cm3時,每小時通過閥門得流體流量（m3或kg）。

2）確定流通能力得目得就是其調(diào)節(jié)閥得容量。

3）由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時，通過調(diào)節(jié)閥得體

積流量如式(3—4)所示：

(3-4)式中，為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥得結(jié)構(gòu)形狀與流體

流動狀況，可從有關(guān)手冊查閱或由實驗確定；為調(diào)節(jié)閥接管截面

積；為重力加速度；為流體重度。

(15)什么就是調(diào)節(jié)閥得流量特性？調(diào)節(jié)閥得理想流量特性有哪

幾種？它們各就是怎

樣定義得？調(diào)節(jié)閥得工作流量特性與阻力系數(shù)有關(guān)，而阻力系數(shù)

又就是怎樣定義得？它得大小對流量特性有何影響？

答：

1)理想流量特性：在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定得情況下得出得流量特

性稱為固有流量特性，也叫理想流量特性。

2)常用理想流量特性：直線流量特性、等百分比(對數(shù))流量特

性、快開特性.

3)直線流量特性就是指流過調(diào)節(jié)閥得相對流量與閥門得相對開

度成直線關(guān)系.等百分比流量特性就是指單位行程變化所引起得

相對流量變化與該點得相對流量成正比關(guān)系.快開流量特性就是

指在小開度時就有較大得流量隨著開度得增大，.流量很快達(dá)到

最大，故稱為快開特性。

4)阻力系數(shù)S定義為閥全開時閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差得比

值。

5)S=1時，工作流量特性為理想流量特性。當(dāng)SV1時，閥全開時

流量特性減小，隨著S減小，直線特性趨向快開特性，對數(shù)特性

趨向直線特性，S值愈小，流量特性變形程度愈大。

(16)直通雙座調(diào)節(jié)閥與直通單座相比，有何優(yōu)點？它們各自適

用什么場合？

答：

1)直通雙座調(diào)節(jié)閥與直通單座相比,主要優(yōu)點為：允許壓差大。

2)直通單座適用于泄漏要求較嚴(yán)、壓差不大得干凈介質(zhì)場合；直

通雙座調(diào)節(jié)閥適用于泄漏要求不嚴(yán)、壓差較大得干凈介質(zhì)場合。

(17)智能電動執(zhí)行器有哪些主要特點？它依據(jù)什么可以實現(xiàn)

“一機(jī)多用”?

答：

1)主要特點為：具有智能化與高精度得控制功能；一體化得結(jié)構(gòu)

設(shè)計思想;具有智能化得自診斷與保護(hù)功能；具有靈活得組態(tài)功

能，“一機(jī)多用”，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2)通過軟件組態(tài)來實現(xiàn)“一機(jī)多用”。

(18)過程控制系統(tǒng)得所有儀表與裝置就是否都應(yīng)考慮安全防

爆？為什么？

答：

不就是?，F(xiàn)場得所有儀表應(yīng)考慮安全防爆。非危險場所得儀表則

不一定要防爆，現(xiàn)場儀表與非危險場所(包括控制室)之間必須

經(jīng)過安全柵。

(19)安全柵有在安全防爆系統(tǒng)中得主要作用就是什么？簡單齊

納式安全柵有何缺點？它就是如何改進(jìn)得？

答：

1）安全柵得作用就是將送到現(xiàn)場信號能量限制在可能引起爆炸

得極限能量之內(nèi)。

2）缺點：一就是固定得限流電阻大小難以選擇?二就是接地不合

理通常一個信號回路只允許一點接地，兩點以上接地會造成信號

通過過大得縮短或形成干擾。

3）改進(jìn)：第一點改進(jìn)，由四個齊納二極管與四個快速熔絲組成雙

重限壓電路并取消了直接接地點，改為背靠背接地得齊納二極管

中心接地。第二點改進(jìn)，用雙重晶體管限流電路代替固定電阻,

以達(dá)到近似理想得限流效果。

（20）與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵有何優(yōu)點？

答：

隔離式安全柵與齊納式安全柵相比較，有如下優(yōu)點：

1）可以在危險區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適得任何一個地方按地，使用方

便，通用性強(qiáng)；

2）隔離式安全柵得電源、信號榆入、信號輸出均可通過變壓器耦

合，實現(xiàn)信號得輸入、輸出完全隔離，使安全柵得工作更加安全

可靠；

3）隔離式安全柵由于信號完全浮空，大大增強(qiáng)了信號得抗干擾能

力，提高了控制系統(tǒng)正常運(yùn)行得可靠性。

2.綜合練習(xí)題

(1)用一個放大器組成得PID運(yùn)算電路如圖3-2所示。試推導(dǎo)

其傳遞函數(shù)，并簡化成實際PID運(yùn)算電路得標(biāo)準(zhǔn)形式。

圖3-2用二個運(yùn)算放大器組成得PID運(yùn)算電路

答：

根據(jù)題意，將圖3—2可分解為如下兩部分，如圖3—3所示：

圖3—3(a)比例微分

圖3-3(b)比例積分電路

經(jīng)推導(dǎo)可知：

(3—5)

(3-6)即

簡化成實際PID運(yùn)算電路得標(biāo)準(zhǔn)形式為式(3—7):

(3—7)

其中，(微分增益)一，

(2)已知某比例微分調(diào)節(jié)器得傳遞函數(shù)為

試求單位階躍輸入作用下得輸出響應(yīng)表達(dá)式，畫出響應(yīng)曲線，并

用實驗得方法確定其微分時間，寫出實驗步驟及所用儀器。

答：

1)根據(jù)題意知，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式(3—8):

(3—8)階躍輸入表達(dá)式如式(3-9):

(3-9)

在單位階躍輸入作用下得輸出響應(yīng)如式(3—10):

(3-10)

經(jīng)拉式反變換得到，單位階躍輸入作用下得輸出響應(yīng)表達(dá)式如式

(3—11):

(3—11)

2)響應(yīng)曲線如圖3—4所示：CDKKe

(1)CDKKe-0.63(1)0DKKe-D

DTKCKe

u

圖3-4系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖

(3)在比例積分電路中，若運(yùn)算放大器不就是理想

得,積分電容得漏電阻也不就是無窮大,其保持狀態(tài)得

簡化電路如圖3-5所示。

經(jīng)理論分析得到如下關(guān)系：

1)；2);

3);4).

若已知偏置電流pA,失調(diào)電壓mV,輸入阻抗C,

開環(huán)增益，積分電容nF,漏電阻；當(dāng)電路輸出V時，

上述四種因素分別作用，使輸出產(chǎn)生0、5%得誤差時得

保持時間各為多少小時？

答：

當(dāng)輸出產(chǎn)生。、5%得誤差時：

由得：

(3—12)由得：

(3-13)

由得：

(3—14)

由得：

(3—15)

(4)如圖3-6所示得輸出電路中，試證明：當(dāng)kC時，可以獲得

精確得轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

圖3-5保持狀態(tài)得簡化電路

圖3—6輸出電路

答：略

⑸如圖3-7所示，冷物料通過加熱器用蒸汽對其加熱。在事故

狀態(tài)下，為了保護(hù)加熱器設(shè)備得安全即耐熱材料不被損壞，現(xiàn)在

蒸汽管道上有一只氣動執(zhí)行器，試確定其氣開、氣關(guān)形式，并畫

出由PID電動器構(gòu)成得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

答：

1)應(yīng)選用氣開形式，當(dāng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號中斷時，執(zhí)行器處于關(guān)

閉狀態(tài)，保證耐熱材料不被損壞.

2)框圖如圖3—8所示：

PID控制器

氣動執(zhí)行器

加熱器

液位變送器

設(shè)定值

-e

實際值

u(t)

圖3—8系統(tǒng)框圖

⑹現(xiàn)測得三種流量特性得有關(guān)數(shù)據(jù)如表3T所示.試分別計算

其相對開度在10%、50%、80%各變化10%時得相對流量得變

化量，并據(jù)此分析它們對控制質(zhì)量得影響與一些選用原則。

表調(diào)節(jié)閥得相對開度與相對流量(R=30)

相對開度(I/L)(%)

相對流量(q/qmax)(%)

60

70

80

90

100

直線流量特性3、313、022、732、342、。51、761、

3

71、0

80、6

90、3

100

對數(shù)流量特性3、34、676、589、2613、018、3

25、636、2

50、871、2100

快開流量特性

3、3

21、7

38、1

52、6

65、2

75、8

84、5

91、3

96、13

99、03

100

圖3-7蒸汽加熱器

答：

1）直線流量特性：

在10%開度

在50%開度

在80%開度

線性調(diào)節(jié)閥在小開度時流量得相對變化量大，靈敏度高，控制作

用強(qiáng)，容易產(chǎn)生振蕩；而在大開度時流量得相對變化量小，靈敏

度低，控制作用較弱。由此可知，當(dāng)線性調(diào)節(jié)閥工作在小開度或

大開度時，它得控制性能較差，因而不宜用于負(fù)荷變化大得過程.

(2)對數(shù)流量特性

在10%開度

在50%開度

在80%開度

對數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時其放大系數(shù)Kv較小，因而控制

比較平穩(wěn)；在大開度工作時放大系數(shù)Kv較大，控制靈敏有效，

所以它適用于負(fù)荷變化較大得過程。

(3)快開流量特性

在10%開度

在50%開度

在80%開度

快開流量特性就是指在小開度時候就有較大得流量，隨著開度得

增大，流量很快達(dá)到最大，快開流量特性得調(diào)節(jié)閥主要用于位式

控制。

3.設(shè)計題

(1)某加熱過程，其控制介質(zhì)(熱流量)與被控溫度之間呈變增

益關(guān)系，若采用PID調(diào)節(jié)，希望調(diào)節(jié)器得增益隨溫度得升高而

下降，以補(bǔ)償過程增益得變化。試用SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器得模

塊指令設(shè)計控制程序，并假定：用10段折線函數(shù)模塊作成過程

增益變化曲線得反函數(shù)，調(diào)節(jié)器得當(dāng)前增益存入寄存器.

答:略

(2)常規(guī)執(zhí)行器得調(diào)節(jié)閥芯形狀一旦制造好就難以改變，因而

給實際應(yīng)用帶來不便.現(xiàn)有一種數(shù)字閥，它就是由一系列并聯(lián)安

裝、按二進(jìn)制排列得閥門組成。試設(shè)計一個8位數(shù)字閥得構(gòu)成方

案，并簡述其設(shè)計原理。

答：略

(3)請參照圖3-9檢測端安全柵電路原理圖與圖3—10執(zhí)行端

安全柵結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計一個執(zhí)行端安全柵電路原理圖，并簡述各部

分得工作原理。

圖3—9檢測端安全柵電路原理圖

調(diào)制花吧__控利室

整漁池被

圖3—10執(zhí)行端安全柵構(gòu)成原理框圖

答：略

第4章思考題與習(xí)題

1.基本練習(xí)題

⑴什么就是被控過程得特性？什么就是被控過程得數(shù)學(xué)模型？

為什么要研究過程得數(shù)學(xué)模型？目前研究過程數(shù)學(xué)模型得主要

方法有哪幾種？

答：

1）過程控制特性指被控過程輸入量發(fā)生變化時，過程輸出量得

變化規(guī)律。

2）被控過程得數(shù)學(xué)模型就是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾

動輸入）作用下，其狀態(tài)與輸出（被控參數(shù)）變化得數(shù)學(xué)表達(dá)式。

3）目得：

錯誤!設(shè)計過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù)；

錯誤!指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備得設(shè)計與操作；

錯誤!對被控過程進(jìn)行仿真研究；

\o\ac（O,4）培訓(xùn)運(yùn)行操作人員；

錯誤!工業(yè)過程得故障檢測與診斷.

4）機(jī)理演繹法與實驗辨識法。

（2）響應(yīng)曲線法辨識過程數(shù)學(xué)模型時，一般應(yīng)注意哪些問題？

答：

1）合理地選擇階躍輸入信號得幅度，幅值不能過大以免對生產(chǎn)得

正常進(jìn)行產(chǎn)生不利影響。但也不能太小，以防其她干擾影響得比

重相對較大而影響試驗結(jié)果。一般取正常輸入信號最大幅值得1

0%;

2）試驗時被控過程應(yīng)處于相對穩(wěn)定得工況；

3）在相同條件下進(jìn)行多次測試，消除非線性；

4）分別做正、反方向得階躍輸入信號試驗，并將兩次結(jié)果進(jìn)行比

較，以衡量過程得非線性程度；

5）每完成一次試驗后，應(yīng)將被控過程恢復(fù)到原來得工況并穩(wěn)定

一段時間再做第二次試驗。

（3）怎樣用最小二乘法估計模型參數(shù)，最小二乘得一次完成算法

與遞推算法有何區(qū)別？

答：

1）最小二乘法可以將待辨識過程瞧作“黑箱利用輸入輸出數(shù)

據(jù)來確定多項式得系數(shù)利用來確定模型參數(shù)。

2）區(qū)別：一次完成要知道所有得輸入輸出數(shù)據(jù)才能辨識參數(shù)，即

只能離線辨識。遞推算法可以只知道一部分?jǐn)?shù)據(jù)即進(jìn)行辨識，可

用于在線辨識。

（4）圖4―1所示液位過程得輸入量為，流出量為、，液位為被

控參數(shù)，為容量系數(shù),并設(shè)、、均為線性液阻。要求：

1）列寫過程得微分方程組；

2）畫出過程得方框圖；

3）求過程得傳遞函數(shù)。

答：

1)過程得微分方程組如式(4—1)所示：

(4—1)

2)過程控制框圖如圖4—2所示：

圖47基本練習(xí)題(4)液位過程

圖4-2過程控制框圖

3)傳遞函數(shù)如式(4—2)所示：

(4—2)

1

09、58869598

其中階躍擾動量為穩(wěn)態(tài)值得10%。

1)畫出水位得階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線；

2)若該水位對象用一階慣性環(huán)節(jié)近似，試確定其增益K與時間

常數(shù)T。

答：

1)水位階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線如圖4-3所示：

菱通的賒M0叵除2億曲共

圖4-3水位階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線圖

2)一階無延時環(huán)節(jié)得輸入輸出關(guān)系如式(4—3)所示:

(4—3)有題意知：

則

又

通過階躍響應(yīng)曲線查找得：，，，故可得：

01246810

09、58

若該對象用一階慣性環(huán)節(jié)近似,試確定其傳遞函數(shù)。

答：

一階慣性傳遞函數(shù)如式(4—4)所示：

(4—4)

又0、01,可得

放大系數(shù),達(dá)到穩(wěn)態(tài)值63%得時間T=6s,

所以傳遞函數(shù)如式(4-5)所示：

(4~~5)

(

7）某溫度對象矩形脈沖響應(yīng)實驗為:

、527080

0、461、73、7

9、

0

19、

O

26、

4

36

37、

5

3

3、

5

2

7、

2

2110、

4

5、

12、8

1、1

0、5

矩形脈沖幅值為2(無量綱)，脈沖寬度為10min.

(1)試將該矩形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線；

(2)用二階慣性環(huán)節(jié)寫出該溫度對象傳遞函數(shù)。

答：

t(min)o5Y(℃)0。461.73O79。019.026.436.0

37.5Y1(t)Oo461.73.79o019o026.4——

t(min)27080Y(℃)33。527.221。010.45.12.

81.10.5

Y1(t)59、9-80、991、396、499、2100、

3100、

8

2)繪出階躍響應(yīng)曲線如圖4-4所示：

圖4-4階躍響應(yīng)曲線如圖

由圖y(t1)=0>4y(8),y(t2)=0>8y(<?)處可得:t1=14

min,t2=30>5,t1/t2^0>46

故二階系統(tǒng)數(shù)字模型為：

(4—5)

根據(jù)經(jīng)驗公式有：

故可得二階系統(tǒng)數(shù)字模型為：

(4-6)(8)已知某換熱器得被控變量為出口溫度，控制變量就

是蒸汽流量.當(dāng)蒸汽流量作階躍變化時，其出口溫度得響應(yīng)曲線

如圖4—31所示。試用計算法求其數(shù)學(xué)模型。

答:略

2.綜合練習(xí)題

(1)如圖4—6所示，為過程得流入量，為流出量，為液位高度,

C為容量系數(shù).若以為過程得輸入量，為輸出量(被控量)，設(shè)、

為線性液阻，求過程得傳遞函數(shù)。

圖4-6綜合練習(xí)題(1)液位過程

答：

根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系：流入量二流出量

過程得微分方程得增量形式如式(4—7)所示：

(4—7)中間變量：

(4-8)傳遞函數(shù)如式(4—9)所示：

(4-9)如果考慮管道長度I,即出現(xiàn)純時延，由于管道流量恒

定，所以

其傳遞函數(shù)如式(470)所示：

（4-10）（2）已知兩只水箱串聯(lián)工作（如圖4—7所示），其輸入

量為，流出量為、，、分別為兩只水箱得水位，為被控參數(shù)，、

為其容量系數(shù)，假設(shè)、、、為線性液阻。要求：1）列寫過程得

微分方程組；

2）畫出過程得方框圖；

3）求液住過程得傳遞函數(shù)。

圖4一7綜合練習(xí)題（2）液位過程

1）過程得微分方程組如式（4—11）所示:

12121

2

2

12

12

12

2

2

3

7

7?9?-9?-9?=

9*

7

Q?9?-9?=

?*

7?9?

7

9*=

?

Q*

7?9?-7?

7=

7

9

7?9?

?=

Q*

9?9?

dh

qqqC

dt

dh

qqC

dt

h

q

R

hh

q

R

h

(4-11)

2)方框圖如圖4―8所示:

圖4一8液位過程方框圖

3)

消去式(4—11)中得有

(4-12)在上述方程中消去有

2

2312

21122122

12121221

2

3223

0

++

9?9?

+++++?=?

RRR

dhCRCRdh

CCRCChq

dtRRdtRR

(4—13)

對上式進(jìn)行拉式變換可得：

2

22312

112212

1

121212

3223

()1

0

00

HS

Gs

RRR

CRCR

QsCCRSCCS

RRRR

++

+++++

(4—14)

(3)有一復(fù)雜液位對象，其液位階躍響應(yīng)實驗結(jié)果為:

1

0。0、2

0、

8

2、0

3、6

5、

4

8、811、

8

14、

4

16、

6

18、

4

1

9、

2

19、

620

1）畫出液位得階躍響應(yīng)標(biāo)么值曲線；

2）若該對象用帶純時延得一階慣性環(huán)節(jié)近似，試用作圖法確定純

時延時間與時間常數(shù).

3）定出該對象增益與響應(yīng)速度（為時間常數(shù)得倒數(shù)）。設(shè)階躍擾

動量為穩(wěn)態(tài)值得15%。

答：1）

MatIab程序cic;clear;

t=[O1020406080100140180250300400500

600];h1=[000、20、82、03、65、48、811、

814、416、618、419、219、6];

h=h1、/19、6;plot(t,h,'b')xIabeI(11/s1)y

IabeI('h')

titIe（'液位得階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線’）圖如下

t/s

h

液位的階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線

圖4-9階躍響應(yīng)標(biāo)么值曲線

2)matIab程序如下：clc;cIear;

t=[0102040608010014018025030040

0500600];hi=[000、20、82、03、65、48、

811、814、416、618、419、219、6];

h=h1>/19、6;fori=1:13

m(i)=h(i+1)―h(i);q(i)=t(i+1)—t(i);

x(i)=m(i)/q(i)end

[z,a]=max(x)plot(t(a),h(a),'rx')ho

Idon

qie=1:0、1:280;y=0、0046*qie-0、18449;plot(qie,

y,'r')holdonplot(1:600,1,k1)hoIdon

plot(258,—0、2:0、01:1,'r—')holdon

plot(40,―0、2:0、01:1,,r—')hoIdon

plot(1:6O0,0,'k')pIot(t,h,,b,)xlabeI('

t/s')yIabel('h')

h

液位的階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線

圖4—10階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線

如圖，T=40S,T=258—40=218s.3)

(4—15)

(4)已知溫度對象得輸出階躍響應(yīng)實驗結(jié)果為:

60708090

00、160、651、151、521、7

5

1、881、941、971、99

2、0

階躍擾動量，試用二階或更高階慣性環(huán)節(jié)求出它得傳遞函數(shù)。

答：

由得

繪制階躍響應(yīng)曲線，如圖4—11所示：由圖可知，

又，采用三階化解求取過程得傳遞函數(shù)。

清位的階躍哨由曲線

2

18

1.6

0.6

06

04

02

0

圖4—11階躍響應(yīng)曲線圖

故而，對象得傳遞函數(shù)如式(4-16)所示：

(4-16)

1

000、20、61、21、61、82、01、91、7

22380

0、80、70、70、60、60、40、20、20、150.15

已知矩形脈沖幅值為階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值得10%,脈沖寬度。

1）試將該矩形沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線；

2）若將它近似為帶純遲延得一階慣性對象,試分別用作圖法與計

算法確定其參數(shù)、與得數(shù)值，并比較其結(jié)果。

答：

1）階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)如表4—1所示：

表4—1階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)

t/S1

h/000、2。、61、21、61、82、01、91、7

cm

000、0、82、03、65、17、19、311

Y

2

t/s22380400

h/0、0、70、70、60、60、40、0、20、150、15

cm82

14、31515、16、16、17、317、17、717、18

Y

739585

由于160到220之間少點，所以應(yīng)用直線y=-0、。15x+4、

1差值，得到中間180對應(yīng)h=1、4,2。0對應(yīng)h=1、1。階躍

響應(yīng)曲線如圖4—12所示（其中紅色曲線為系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線）：

圖4-12階躍響應(yīng)曲線圖

由圖可知T=46s,T=226-46=180s。

計算法：

(4-17)

(4-18)先將階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值。找兩點(60,0.11

11),(120,0、4111)代入解得T=145、7272

T=80、3826

(6)電偶得輸出電勢E可用下列模型描述：

其中，為熱電偶冷、熱端之間得溫差；與就是模型參數(shù)。試將熱

電偶輸出電勢模型化成最小二乘格式。

答：

有題意知：

系統(tǒng)參數(shù)為：，輸入?yún)?shù)為，與線性無關(guān)，取，系統(tǒng)輸出為：，因此,

熱電偶