《过程控制与自动化仪表》习题答案0Word文件下载.docx
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d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测
量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。
1-2热电阻测温有什么特点？
为什么热电阻要用三线接法？
a、在-200到+500摄氏度范围内精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温范
围比热电偶低，存在非线性。
b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥
路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。
1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。
在什么情
况下要做零点迁移？
a、结构：
其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大
电路及反馈电路三部分。
b、工作原理：
应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻，热敏电阻集成温
度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信
号或标准电压信号。
c、由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处，当冷端温度变化时，利用铜丝电阻
随温度变化的特性，向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿。
桥路左臂由稳压
电压电源Vz（约5v）和高电阻R1（约10K欧）建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu，在Rcu
上产生一个电压，此电压与热电动势Et串联相接。
当温度补偿升高时，热电动势Et下降，
但由于Rcu增值，在Rcu两端的电压增加，只要铜电阻的大小选择适当，便可得到满意的补
偿。
d、当变送器输出信号Ymin下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值不相对应
时要进行零点迁移。
1-5力平衡式压力变送器是怎样工作的？
为什么它能不受弹性元件刚度变化的影响？
在测
量差压时，为什么它的静压误差比较大？
a、被测压力P经波纹管转化为力Fi作用于杠杆左端A点，使杠杆绕支点O做逆时针旋
转，稍一偏转，位于杠杆右端的位移检测元件便有感觉，使电子放大器产生一定的输出电流
I。
此电流通过反馈线圈和变送器的负载，并与永久磁铁作用产生一定的电磁力，使杠杆B
点受到反馈力Ff，形成一个使杠杆做顺时针转动的反力矩。
由于位移检测放大器极其灵敏，
杠杆实际上只要产生极微小的位移，放大器便有足够的输出电流，形成反力矩与作用力矩平
衡。
b、因为这里的平衡状态不是靠弹性元件的弹性反力来建立的，当位移检测放大器非常灵敏
时，杠杆的位移量非常小，若整个弹性系统的刚度设计的很小，那么弹性反力在平衡状态的
建立中无足轻重，可以忽略不计。
1-6试述差动电容式和硅膜片压阻式压力变送器的工作原理,他们与力平衡式压力变送器相
比有何优点？
硅：
被测介质的压力直接作用与传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，
使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应与这一压力的
标准测量信号。
差：
电容式压力变送器主要由完成压力/电容转换的容室敏感元件及将电容转换成二线制
4-20mA电子线路板构成，当进程压力从从测量容室的两侧（或一侧）施加到隔离膜片后，
经硅油灌充液传至容室的重心膜片上，重心膜片是个边缘张紧的膜片，在压力的作用下，发
生对应的位移，该位移构成差动电容变化，并经历电子线路板的调理、震荡和缩小，转换成
4-20mA信号输入，输入电流与进程压力成反比。
优点：
他们不存在力平衡式变送器必须把杠杆穿出测压室的问题
1-7试述节流式,容积式,涡轮式,电磁式,漩涡式流量测量仪表的工作原理,精度范围及使用特
点？
a、节流式工作原理：
根据流体对节流元件的推力或在节流元件前后形成的压差等可以
测定流量的大小。
差压流量计：
根据节流元件前后的压差测流量。
精度：
正负%到1%使用特点：
保证节流元件前后有足够长直管段
靶式流量计：
使用悬在管道中央的靶作为节流元件精度：
2%到3%
使用特点：
可用于测量悬浮物，沉淀物的流体流量
转子流量计：
以一个可以转动的转子作为节流元件
可从转子的平衡位置高低，直接读出流量数值
b、容积式工作原理：
直接安装固定的容积来计量流体。
精度：
可达2%较差时亦可保证%~1%使用特点：
适用于高黏度流体的测量
c、涡轮式工作原理：
利用导流器保证流体沿轴向推动涡轮，并且根据磁阻变化产生脉冲
的输出。
%~1%
只能在一定的雷诺数范围内保证测量精度。
由于有转子，易被流体中的颗粒及污
物堵住，只能用于清洁流体的流量测量。
d、电磁式工作原理：
以电磁感应定律为基础，在管道两侧安放磁铁，以流动的液体当作
切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测管内液体的流量。
只能测导电液体的流量
e、漩涡式工作原理：
根据漩涡产生的频率与流量的关系测定流量精度：
正负%~正负1%
量程比达到30:
1，可测液体和气体。
1-8简述液位的测量方法
答:
有压差液位计、超声波液位计、激光液位计、雷达料位计、浮球液位计和音叉料位计等，后两种只能输出开关量，其他的可以输出模拟量也可以输出开关量。
2-3PID调节器中，比例度p，积分时间常数Ti,微分时间常数Td,积分增益Ki,微分增益Kd分别有什么含义？
在调节器动作过程中分别产生什么影响？
若令Ti取∞，Td取0，分别代表调节器处于什么状态？
1在比例积分运算电路中，RI,CI组成输入电路，CM为反馈元件
1）比例度P=Cm/CiX100%表示在只有比例作用的情况下，能使输出量做满量程变化的输入量变化的百分数。
2）积分时间Ti=RICITi愈小，由积分作用产生一个比例调节效果的时间愈短，积分作用愈强。
Ti越大，积分作用越弱。
3）积分增益Ki=CM/CIXAA为放大器增益，Ki越大，调节静差越小。
比例微分运算电路中，由RdCd及分压器构成无源比例微分电路
4）kd为比例微分调节器输出地最大跳变值与单纯由比例作用产生的输出变化值之比。
5）微分时间Td=KdRdCd
2,Ti取无穷时，调节器处于PD状态。
Td取零时调节器处于PI状态。
2-4什么是PID调节器的干扰系数？
用PI，PD串联运算获得PID调节规律时，在整定参数上存在相互干扰的现象，常用干扰系数F=1+Td/Ti表示
2-5调节器为什么必须有自动/手动切换电路？
怎样才能做到自动/手动双向无扰切换？
为了适应工艺过程启动、停车或发生事故等情况，调节器除需要“自动调节”的工作状态外，还需要在特殊情况时能由操作人员切除PID运算电路，直接根据仪表指示做出判断，操纵调节器输出的“手动”工作状态。
在DDZ-III型调节器中，自动和手动之间的平滑无扰切换是由比例积分运算器上的开关S1实现的，如下图所示
其中开关接点“A”为自动调节；
“M”为软手动操作；
“H”为硬手动操作。
切换分析：
“A”→“M”为保持，无扰切换。
“M”→“A”：
S1、2在M，S2把CI接VB，VO2以10V起对CI充电，但CI右端电位被钳位不变（10V），A3的V-≈V+=10V，当“M”→“A”，两点电位几乎相等，所以为无扰切换。
“M”→“H”：
断开前，必然先断开S4，M为保持。
切换后,接入“H”，V-与RH的电位相同时，则为无扰切换，所以切换前应平衡RPH，有条件无扰切换。
“H“→”M“：
切换后，S41~S44瞬间是断开的，CM和V-为保持状态，所以为无扰切换。
2-7什么是调节器的正/反作用？
调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式？
输出电路是怎样将输出电压转换乘4-20mA电流的？
（1）测量值增加（偏差信号e减少），调节器输出增加，则调节器静态放大放大系数为负，KC为负值，称正作用调节器；
反之，测量值增加（偏差减小），调节器输出减小，则调节器静态放大系数为正，KC为正值，称反作用调节器。
（2）由于所有的仪表都用同一个电源供电，在公共电源地线上难免出现电压降，为了避免这些压降带来误差，输入电路需要采用差动输入方式。
（3）调节器的输出电路是一个电压-电流转换器，它将PID电路在1-5V间变化的输出电压转换为4-20mA的电流，输出电路实际就是一个比例运算器，通过强烈的电流负反馈使输出电流保持在4-20mA，输出电路的电路图如下：
其中经过运算得出
取Rf=，则当V03=1-5V时，输出电流为4-20mA。
2-9给出使用的PID数字表达式,数字仪表中常有哪些改进型PID算法？
1）P672）P68-70
4-1执行器在控制系统处于什么地位？
其性能对控制系统的运行有什么影响？
执行器是安全测控中不可缺少的重要部分，它在系统中的作用是根据调节器
的命令，直接控制被测物体的状态和参数。
4-2调节有哪些结构形式？
分别适用于什么场合？
执行机构是指执行器中的哪一部分？
执行器选用气开,气关的原则是什么？
调节阀根据结构分为九个大类：
（1）单座调节阀；
适用于泄漏要求严、工作压差小的干净介质场合
（2）双座调节阀；
适用于泄漏要求不严、工作压差大的干净介质场合（3）套筒调节阀；
适用于单座阀场合（4）角形调节阀；
适用于泄漏要求些压差不大的干净介质场合及要求直角配管的场合（5）三通调节阀；
用于分流和合流及两相流、温度差不大于150℃的场合（6）隔膜阀；
适用于不干净介质、弱腐蚀介质的两位切断场合（7）蝶阀；
适用于不干净介质和大口径、大流量、大压差的场合（8）球阀；
适用于不干净、含纤维介质、可调比较大的控制场合（9）偏心旋转阀。
故适用于不干净介质、泄漏要求小的调节场合
执行机构是执行器的推动部分
规则P178最顶上一段（气开，气闭的选择主要从生产安全角度考虑）
4-3什么是调节阀的固有流量特性和工作流量特性？
为什么流量特性的选择对控制系统的工作至关重要？
①在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。
在各种具体的使用条件下，阀芯位移对流量的控制特性，称为工作流量特性。
②从自动控制的角度看，调节阀一个最重要的特性是他的流量特性，即调节阀阀芯位移与流量之间的关系，值得指出调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响
4-4为什么合理选择调节阀的口径，也就是合理确定调节阀的流通能力C非常重要？
在控制系统中，为保证工艺操作的正常进行，必须根据工艺要求，准确计算阀门的流通能力，合理选择调节阀的尺寸。
如果调节阀的口径选的太大，将是阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。
如果口径选的太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。
4-5电-气阀门定位器（含电-气转换器和阀门定位器）是怎样工作的？
它们起什么作用？
答:
①由电动调节器送来的电流I通入线圈，该线圈能在永久磁铁的气隙中自由地上下运动，当输入电流i增大时，线圈与磁铁产生的吸引增大，使杠杆作逆时针方向旋转，并带动安装在杠杆上的挡板靠近喷嘴，改变喷嘴和挡板之间的间隙
②使气动执行器能够接收电动调节器的命令，必须把调节器输出的标准电流信号转换为20~100kPa的标准气压信号。
4-6电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所？
安全火花是什么概念？
具有一定的防燃防爆措施安全火花：
不会引起引燃、爆炸等事故的火花
4-7试述安全火花防爆仪表的设计思想和实现方法。
如果一个控制系统中的仪表全部采用了安全火花防爆仪表,是否就构成了安全火花防爆系统？
P188划线与打五角星段落
篇二：
练习题及参考答案
一、填空题
1、过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送等环节组成。
2、仪表的精度等级又称准确度级，通常用引用误差作为判断仪表精度等级的尺度。
3、过程控制系统动态质量指标主要有衰减比n、超调量σ和过渡过程时间态质量指标有稳态误差ess。
4、真值是指被测变量本身所具有的真实值，在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。
5、根据使用的能源不同，调节阀可分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀三大类。
6、过程数学模型的求取方法一般有机理建模、试验建模和混合建模。
7、积分作用的优点是可消除稳态误差（余差），但引入积分作用会使系统稳定性下降。
8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为单闭环比值控制、双闭环比值控制和变比值控制三种。
9、Smith预估补偿原理是预先估计出被控过程的数学模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后进行补偿。
10、随着控制通道的增益K0的增加，控制作用增强，克服干扰的能力最大，系统的余差减小，最大偏差减小。
11、从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。
12、建立过程对象模型的方法有机理建模和系统辨识与参数估计。
13、控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速和可靠。
14、控制阀的选择包括结构材质的选择、口径的选择、流量特性的选择和正反作用的选择。
15、防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。
16、如果对象扰动通道增益Kf增加，扰动作用，
最大偏差增大。
17、在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是通过旁路控制。
二、名词解释题
1、衰减比
衰减比n定义为：
ts；
静
B1n?
B2衰减比是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。
为保证系统足够的稳定程度，一般取衰减比为4:
1～10:
1。
2、自衡过程
当扰动发生后，无须外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡性。
称该类被控过程为自衡过程。
3、分布式控制系统
分布式控制系统DCS，又称为集散控制系统，一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网络通信的计算机综合控制系统。
DCS的设计思想是“控制分散、管理集中”
三、简答题
1、电气阀门定位器有哪些作用
①改善阀的静态特性
②改善阀的动态特性
③改变阀的流量特性
④用于分程控制
⑤用于阀门的反向动作
2.简述串级控制系统的设计原则。
（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；
（2）主、副对象的时间常数应匹配；
（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；
（4）要注意生产上的经济性。
3.简单控制系统由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调节器组成。
检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。
控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。
执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。
4.前馈控制和反馈控制各有什么特点？
为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？
前馈控制的特点是:
根据干扰工作;
及时;
精度不高,实施困难;
只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;
不及时:
精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补,所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.
5、PID调节器的参数Kp、TI、TD对控制性能各有什么影响？
（1）比例增益Kp反映比例作用的强弱，Kp越大，比例作用越强，反之亦然。
比例控制克服干扰能力较强、控制及时、过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差；
（2）积分时间TI反映积分作用的强弱，TI越小，积分作用越强，反之亦然。
积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；
（3）微分时间TD反映积分作用的强弱，TD越大，积分作用越强，反之亦然。
微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；
但对噪声干扰有放大作用。
6、与反馈控制系统相比，前馈控制系统有哪些特点？
（1）反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差，而前馈控制是基于扰动来消除扰动对被控量的影响；
（2）反馈控制是“不及时”的，而前馈控制器可“及时”动作；
（3）反馈控制属闭环控制，而前馈控制属开环控制；
（4）反馈控制对闭环内扰动均有校正作用，而前馈控制具有制定性补偿的局限性；
（5）反馈控制规律通常有P、PI、PD、PID等，而前馈控制规律比较复杂。
7、简述“积分饱和现象”产生的内因和外因。
造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。
在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值引起积分饱和。
8、如图所示的压力容器，采用改变气体排出量以维持
容器内压力恒定：
（1）调节阀应选择气开式还是气关式？
请说明原因。
（2）压力控制器（PC）应为正作用还是反作用？
（1）应选择气关式。
因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，
以使容器内压力不至于过高而出事故。
（2）调节阀应选择气关式，则压力控制器（PC）应为反作用。
当检测到压力增加时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使容器
内压力稳定。
或：
当检测到压力减小时，控制器应增大输出，则调节阀开小，使容器内压力稳定。
9、在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成分的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加入一定量的酸、碱，使药物呈酸性或碱性。
这种注入过程一般都在混合槽中进行。
工艺要求生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例，同时在混合过程中不允许药物流量突然发生变化，以免混合过程产生局部的化学副反应，为此设计如下图所示的控制系统。
试分析：
1图中停留槽的作用是什么？
2图中有几个控制系统，分别是什么系统，各系统的作用如何？
停留槽的作用是稳定药物流量,防止其发生急剧变化.图中共有两个控制系统,一个是停留槽液位与出口流量的均匀控制系统,是药物流量缓慢变化;
另一个是药物与添加剂的比值控制系统,保持二者的比例关系.
四、分析与计算题
1、有一台温度变送器，量程为400－600℃，输出为4－20mA，当温度从500℃变化到550℃时，变送器从多少变为多少？
500℃时输出为：
（20－4）×
［（500－400）/（600－400）］＋4＝12mA
500℃时输出为：
［（550－400）/（600－400）］＋4＝16mA
即：
当温度从500℃变化到550℃时，变送器从12mA变为16mA。
2.某仪表的测量范围为—200--600℃，仪表的精度为级，在600℃该仪表指示为604℃，问该仪表是否超差？
某仪表的测量范围为—200--600℃，仪表的精度为级，在600℃该仪表指示为604，问该仪表是否超差？
（600—（—200））×
=4℃
该仪表不超差。
3.某测量仪表的测量范围是+200~+500℃精度等级为为，求当其示值为200℃和500℃时,被测点的真实温度（真值）大约为多少？
3、答：
某测量仪表的测量范围是+200~+500℃,精度等级为为，求当其示值为200℃和500℃时,被测点的真实温度（真值）大约为多少？
△max=±
%（500-200）=±
15
示值为200℃时真值在185和215℃之间
示值为500℃时真值在485和515℃之间
4、如下图所示的隔焰式隧道窑烧成带温度控制系统，烧成带温度是被控变量，燃料流量为操纵变量。
试分析：
（1）该系统是一个什么类型的控制系统？
画出其
方框图；
（2）确定调节阀的气开、气关形式，并说明原因。
（1）该系统是一个串级控制系统，其方框图为：
（2）当调节阀气源出现故障失去气源时，为保证系统安全，应使阀门处于关闭位置，故调节阀采用气开式。
5、如下图所示的液体储罐，设进水口和出水口的体积流量分别是qi和qo，输出变量为液位h，储罐的横截面积为A。
试建立该液体储罐的动态数学模型H（s）。
Qi（s）
完整解答过程如下（含评分标准）：
液位的变化满足动态物料平衡关系：
液罐内蓄液量的变化率＝单位时间内液体流入量－单位时间内液体流出量：
A?
dh?
qi?
qo（2分）dt
d?
h?
?
qo（式1）（2分）dt以增量形式表
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