《过程控制系统及仪表》张勇（课后习题答案）.docx

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1、过程控制系统及仪表张勇（课后习题答案）第一章绪论1-1什么是过程控制系统，过程控制系统一般指工业过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流 量、液位、成分等这样一些变量的系统。1-2典型的过程控制系统由哪几部分组成,请举例说明。典型过程控制系统由被控过程、检测元件和变送器、控制器和执行器组成。给定值被控量操纵量控制器执行器被控对象检测元件、变送器如下图所示的加热炉温度控制系统。加热炉温度变送器控制器TT TC原料执行器燃料1-3与其他自动控制系统相比，过程控制有哪些主要特点，过程控制系统主要有如下一些特点：1）过程特性多样性。2）过程存在滞后：当控制量改变时，输出量经历一段时间才发生变化。3

2、）过程特性非线性:当负荷变化时，对象特性（K, T,）发生变化，或随时间发生 变化。，4）控制系统比较复杂或无法得到传递函数。1-4试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统的性 能时更关注其动态特性，动态:被控量随时间变化的不平衡状态，也叫瞬态。稳态:被控量不随时间变化的平衡状态，也叫静态。研究控制系统的动态更为重要。因为系统在过渡过程中，会不断受到干扰的频 繁作用，系统自身通过控制装置不断地调整控制作用去克服干扰的影响，使被控变 量保持在工艺生产所规定的技术指标上。所以在分析过程控制系统的性能时更关注 其动态特性。1-5评价过程控制系统的常用性能指标有哪些,其中哪些是动态

3、指标，哪些是 静态指标，1评价过程控制系统的常用性能指标有递减比（即衰减比）、动态偏差、调整时 间、静态偏差。其中递减比（即衰减比）、动态偏差、调整时间是动态指标，而静态偏差是静态 指标。1-6试说明过程控制系统的分类方法，按设定值的形式不同可将过程控制系统 分成哪几类，过程控制系统的分类方法:按控制的参数分类、按控制系统任务分类、按控制 器动作规律分类、按控制系统是否构成闭合回路分类、按处理信号不同分类、按是 否采用计算机分类、按设定值的形式不同分类。按设定值的形式不同分:1）定值控制系统:设定值不变；2）随动控制系统:设定值是无规律变化的；3）程序控制系统:设定值按生产工艺要求有规律变化。

4、1-7简述过程控制系统的发展简史及各个阶段的主要特点。过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程，按 照过程控制装置与系统的发展过程也可以将过程控制系统的发展过程分为三个阶段:1）局部自动化阶段（20世纪50, 60年代）自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。适用于小规模、局部过程控制。2）模拟单元仪表控制阶段（20世纪60, 70年代）自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制 室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。适用于生产规模较大的多回路控制系统。3

5、）集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取 代所有回路的控制仪表,实现直接数字控制（DDC, Direct Digita1. Contro1.）。但 DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫 痪，使生产过程风险加大。因此，DDC系统并未得到广泛应用。80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪 表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基 础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS, Distributed Contro1. Sys

6、tem） o DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广 泛应用。随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控 制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS, Fie1.d bus Contro1. System）0 FCS2系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络一一现场总线，将分散在现场的控制系 统的通信连接起来，实现信息集中管理。第二章信号的联络、传输及转换2-1什么是信号制，信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。2-2电压信号传输和电流信号传输各

7、有什么特点,使用在何种场合，电压信号传输特点：D电压信号传输时，仪表并联，所以某台仪表故障时基本不影响其它仪表；2）有公共接地点；3）传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。DDZ-III型仪表属于电压信号传输方式。电流信号传输的特点：D电流信号传输时，仪表串联，所以某台仪表出故障时，影响其他仪表；2）无公共地点。若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直 流隔离措施。3）电流信号适合远距离传输。DDZ-H型仪表属于电流信号传输方式。-3说明现场仪表与控制仪表之间的信号传输及供电方式。O1.OrnA的直流信号 能否用2于两线制传输方式,为什么，变送器与控制仪表之间的信号传输及供电

8、方式有如下两种：四线制传输和两线 制传输。(0mA的直流信号不能用于两线制传输方式。因为在两线制方式中，变送器与 控制室之间仅用两根导线连接。两根导线既是信号线又是电源线。电源供给变送器 的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流下限OmA时，信号电流过低，不 能保证其内部的半导体器件正常工作。第三章控制系统防爆措施3-1防爆电气设备如何分类,防爆标志ExiaIIAT5和ExdIIBT4是何含义，防爆电气设备分为两大类:I类一一煤矿用电气设备；II类一一工厂用电气设 备。ExiaIIAT5表示本质安全型设备适用于气体组别不高于II类ia等级A级，气 体引燃温度不低于T5(100?)的O区危险

9、场所。ExdIIBT4表示隔爆型设备适用于气体组别不高于H类B级，气体引燃温度不 低于T4 (135?)的危险场所。3-2安全火花是什么概念,电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所，所谓安全火花是指火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。3安全火花电动仪表从电路设计开始就考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作 等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，从爆炸发生的 根本原因上采取措施解决防爆，这样才能用于易燃易爆场所。3-3常用的防爆控制仪表有哪几类,各有什么特点，常用的防爆控制仪表有隔爆型和本质安全型两类仪表。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，防爆

10、壳能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向 外壳周围爆炸性混合物传播。本质安全型仪表的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 表在正常工作或发生短路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致引 起其周围爆炸性气体混合物爆炸。3-4什么是安全栅,说明常用安全栅的构成和特点。安全栅是本安仪表的关联设备，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，以确保系统的防爆性能。安全栅的构成形式有多种，有电阻式、齐纳式、隔离式等。电阻式安全栅最简单，通过串联电阻来限制电流，但在正常工况下电源电压受 到衰减，且防爆定额低，

11、使用范围不大。齐纳式安全栅利用齐纳式二极管的击穿特性进行限压，用电阻进行限流，当电 流过大时快速熔断器动作，熔丝很快熔断，使危险电压与现场隔离。齐纳式安全栅 结构简单，价格便宜，防爆定额可以做得比较高，但是对熔断丝的要求很高，制造 上有一定难度，可靠性不理想。隔离式安全栅采用变压器将输入、输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量 直接进入现场，同时采用晶体管限压限流电路。这种安全栅线路复杂，体积大，成 本较高，但不要求特殊元件，便于生产，工作可靠，防爆定额较高，应用广泛。3-5如果一个控制系统在现场全部选用了安全火花防爆仪表，是否就组成了安 全火花防爆系统,为什么，一个控制系统在现场全部选用了安

12、全火花防爆仪表，不一定就是安全火花防爆 系统。因为对一台安全火花防爆仪表来说，它只能保证自己内部不发生危险火花， 对控制室引来的电源线是否安全是无法保证的。如果从控制室引来的电源线没有采 取限压限流措施，那么在变送器接线端子上或传输途中发生短路、开路时，完全可 能在现场产生危险火花，引起燃烧或爆炸事故。3-6安全防爆系统指构成系统的所有设备都应该是安全防爆的设备吗,为什么，安全防爆系统的并不是所有设备都是安全防爆的设备，安全防爆系统只需在危 险场所采用安全防爆仪表，在危险场所和控制室之间采用安全栅进行隔离即可，而 控制室中的控制器4和显示器等设备不需要是安全防爆的设备。3-7如何控制系统实现本

13、安防爆的要求，要实现本安防爆要求，需要下面三个条件。1）在危险场所采样本安防爆仪表。2）在危险场所和控制室之间采用安全栅进行隔离。3）要注意系统的安装和布线:正确安装安全栅，并保证接地良好;正确选择连 接电缆的规格和长度，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，防止本安回路与非本安回路混接。第四章变送器4-1变送器和转换器的作用是什么，变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量（如温度、压力、流量、液位）和 电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号，以供显 示、记录和控制之用。4-2什么是量程调整、零点调整和零点迁移。试举例说明。最程调

14、整:使变送器的输出信号上限值y与测量范围的上限值X相对应。maxmax使变送器的输出信号下限值y与测量范围的下限值X相对应，在x=0时，称为零mininin点调整，在x?0时,称为零点迁移。min4-3差压变送器的作用是什么，差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一 的标准信号，作为指示记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变 量的显示、记录或自动控制。54-4电容式差压变送器如何实现差压-位移转换,差压-位移转换如何满足高准 确度的要求，由感压膜片将输入差压信号转换成位移信号。测量膜片是平膜片，平膜片形状 简单，加工方便，但压力和位移是非线性的，只有在

15、膜片位移小于膜片厚度的情况 下是线性的。所以采用了具有预紧应力的平膜片，提高了线性，减小了误差。4-5试述电容式差压变送器的结构特点与工作原理。调零和迁移信号电流电容信号变化1+位移y放大和输出电容-电流感压膜片差动电容限制电路 转换电路-反馈信号测量部分转换放大部分反馈电路电容式差压变送器的结构特点:敏感元件的中心感压膜片是在施加预张力的条 件下焊接的，其最大位移量为O. bum,既可使感压膜片的位移与输入压差成线性关 系，又可以大大减小正负压室法兰张力和力矩影响而产生的误差。中心感压膜片两 侧的固定电极为弧形电极，可以有效地克服静压的影响和更有效地起到单向过电压 的保护作用。电容式差压变送

16、器的工作原理:输入差压信号作用在感压膜片上会产生位移， 两个固定弧形极板和感压膜片分别构成了两个可变电容，感压膜片的位移变化导致 了电容极板间距离发生变化，进而导致了两个电容的变化，再经过电容-电流转换 电路，将差动电容转换成了差动电流，再经过负反馈电路放大后输出。输出电流和 输入压差信号之间成线性关系。4-6简述敞口容器与密闭容器的安装方法与工作原理。敞口容器：安装方法:差压变送器正压室接容器下部，负压室不用接。工作原理：69OOOQIBB84 20 mA P P H IOPB + -P2=P 气 P1.P1.=P+PB=P+PgH P2=P ?P=P1.-P2= PgH 气气气密闭容器：安

17、装方法:差压变送器正压室接容器下部，负压室接到容器上端。工作原理：IOP AP4、20 mA HP BP1. P2P=P+P=P+ P gH P=P ?P=P-P=PgH 1ABA2A124-7热电偶测量温度的基本原理和基本条件是什么,热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体（称为热电偶丝材或热电极） 组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通 过，此时两端之间就存在电动势一一热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不 同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（也称为测量端），温度较低 的一端为自由端（也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据

18、热电动 势与温度的函数关系，制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0?时的条件下得 到的，不同的热电偶具有不同的分度表。4-8热电偶的基本定律有哪些，D均质导体定律由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何 以及温7度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。2）中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间 导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。3）中间温度定律热电偶回路两接点（温度为T、T）间的热电势，等于热电偶在温度为T、T时的 热电On势与在温度为T、T时的热电势的代数和。T称中间温

19、度。nn4）参考电极定律简单说明就是:用高纯度钠丝做标准电极，假设银铭-银铭热电偶的正负极分别 和标准电极配对，他们的值相加是等于这支银铭-银铭的值。4-9热电偶参考温度补偿的方法有哪些,冷端恒温法(冷端温度冰浴法)：常常将冷端置于冰水混合物中，使其温度保持为恒定的0?。在实验室条件下，通常把热电偶的冷端放在盛有绝缘油的试管中， 然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0?0计算修正法:如果某介质的温度为t,用热电偶进行测量，其冷端温度为t,测得的热0),EAB (t ,0),得出电势为E(t,t)根据中间温度定律，有E(t ,0),EAB(t , tOOABOAB标准热电势E(t

20、 ,),再查分度表就可得出被测温度。ABO电桥补偿法:补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温 度变化而引起的热电势变化值。4-10在热电偶测温电路中采用补偿导线时，应如何连接,需要注意哪些问题，补偿导线是用热电性质与热电偶相近的材料制成的导线。根据中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延长至控制室等需要的地方，可以使热电偶的冷端远离 热源，从而保证冷端稳定，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。补偿 导线在一定温度范围内(0, 150?)具有和所连接的热电偶相同的热电性能，若是用廉 价金属制成的热电偶，则可用其本身的材料作为补偿导线。补偿导线在使用中注意事项D补偿导线的

21、选择:补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合 进行正确选择。补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，可参考国际电工委员 会制定的标准。2)接点连接:与热电偶接线端2个接点尽可能近一点，尽量保持2个接点温度 一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致，仪表柜有风扇的地方，接点处要保护 不要使得风扇直吹到接点。3）使用长度:因为热电偶的信号很低，为微伏级，如果使用的距离过长，信号 的衰减和环境中强电的干扰耦合，足可以使热电偶的信号失真，造成测量和控制温 度不准确，在控制中严重时会产生温度波动。84）布线:补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方， 也尽可能采用交叉方式，不

22、要平行。5）屏蔽补偿导线:为了提高热电偶连接线的抗干扰性，可以采用屏蔽补偿导 线。对于现场干扰源较多的场合，效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地，否则 屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用，反而增强干扰。4-11与金属热电阻相比，热敏电阻的优缺点有哪些，半导体热敏电阻的主要特点是：1）电阻温度系数大，灵敏度高。2）电阻率大，体积小，热惯性小，响应快。3）温度特性分散，互换性差，稳定性不好。4）非线性较严重，影响精度。4-12试简要分析DDZTH型温度变送器的主要特点及工作原理。1） DDZTII型温度变送器有如下特点：主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定 性。在热电偶和热

23、电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号 和被测温度呈线性关系，便于指示和记录。在线路中采用了安全火花防爆措施，故可用于危险场所中的温度测量，从而扩 大了应用领域。2) DDZ-III型温度变送器的工作原理：DDZ-III型温度变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两部分，二者分 别设置在两块印刷电路板上，用接插件相连接。其中放大单元是通用的，量程单元 随着测温范围和测温元件的不同而不同。放大单元的工作原理:放大单元将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压及功 率放大，然后整流输出统一的420mA标准电流信号和5V的标准电压信号。量程单元的工作原理:量程单元根据输入信号的不同而实

24、现信号补偿、测量信 号线性化、整机调零和调量程等。其中热电偶温度变送器实现冷端温度补偿。热电 阻温度变送器实现引线电阻补偿。4-13什么是一体化温度变送器，一体化温度变送器由测温元件和变送器模块两部分组成，将变送器模块安装在 测温元件接线盘或专用接线盒内，测温元件受温度影响产生热电阻或热电势，变送 器模块将测温元件输出信号转换成统一标准信号，主要为420mA直流电流信号。4-14 一体化温度变送器对现场环境的要求是什么，由于一体化温度变送器直接安装在现场，在一般情况下变送器模块内部集成电 路的正常。工作温度为-2080C,超过这一范围，电子元件的性能会发生变化，变送器将 不能正常工作，9因此在

25、使用中应该特别注意变送器模块所处的环境温度不能超过电路的正常工 作范围。4-15试述TT302温度变送器的硬件构成。TT302智能式温度变送器的硬件主要由输入板、主电路板和液晶显示器组成。输入板包括多路转换器、信号调理板、A/D转换器和信号隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，再传送给CPU,并实现输入板与主电路板的 隔离。主电路板包括微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整部分和电 源部分，它是变送器的核心部件。CPU与信号整形之间是通信控制器，通过信号整 形产生并输出满足FF（基金会现场总线）标准的数字信号。显示板是一个从CPU接收数据的微功耗液晶显示器，用于接收CP

26、U的数据并加 以显示。第五章控制器5-1基型调节器由几部分组成,各组成部分的作用如何，基型调节器由控制单元和指示单元组成。控制单元:输入电路、PD电路、PI电路、输出电路以及软手操电路和硬手操电 路等。调节器在“自动”状态下，测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由 比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和P1.运算后，再经过输出电路转换 为4,20m直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。指示单元:测量信号指示电路、给定信号指示电路，用双指针表显示测量信号 和给定信号，两指示值之差为控制器的输入误差。5-2基型调节器的输入电路为什么采用差动输入和电平移动方式,偏差差动电 平移动电路

27、怎样消除导线电阻引起的运算误差，输入电路采用偏差差动输入方式，是为了消除集中供电引入的误差。采用电平 移动方式，目的是使输入电路中的运算放大器工作在允许的共模输入电压范围内。实际的偏差差动电平移动电路的连接方式，是将输入信号Ui跨接在运算放大 器的同相和反相输入端上，而将给定信号US反极性地跨接在这两端。这样两导线 电阻的压降均成为输入电路的共模电压信号，由于差动放大器对共模信号有很强的 抑制能力，因此这两个附加电压不会影响运算电路的精度。5-3什么叫无扰动无平衡切换,全刻度指示调节器怎样实现这种操作的，所谓无平衡切换，是指在两种工作状况之间切换时，无需事先调平衡，即不需 要手动消除系统偏差或

28、使手、自动输出相等就可以随时切换至所要求的工作状况而 不会引起扰动。所谓无扰动切换，是指在切换瞬间控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰 动。在全刻度指示调节器中，自动?软手操，软手操？自动，硬手操?软手操，硬手 操？自动的切换都是无平衡无扰动切换。自动?硬手操，软手操?硬手操切换时，要 做到无扰动切换，必须事先平衡。切换前先调整硬手操电位器的滑动端，使硬手操 输出电流等于自动输出电流（或软手操输出电流）后立即切换，使得切换瞬间控制器 输出不变化，实现了无扰动切10换。5-4什么是硬手动操作和软手动操作,各用在什么条件下，软手动操作:可以通过选择键位调节器处于“保持”（即它的输出保持切换前瞬

29、间的数值）状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺 过程进行手动控制。硬手动操作:调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位 置一一对应。当需要调速的场合，如升速、降速，或是多级调速，可用软手动操作实现。当测定对象特性时，可通过硬手动操作实现阶跃输入。当需要紧急停车时，可 通过硬手动操作输入为0实现。5-5在基型调节器的PD电路中，如何保证开关S从断位置切至通位置时输出 信号保持不变，S断时：即不加微分只有比例作用时，运算放大器同相端电压U= Un, U通过,，To1.o1.R向C充电，稳态时C两端电压为:U=(n-1) ,Un IDDCDoIS接通:加入微

30、分时，电容两端电压不能突变。所以U仍为,U/n。To1.在切换瞬间运算放大器同相端电压U保持不变，使得输出信号保持不变。T5-6试分析基型控制器产生积分饱和现象的原因。若控制器的输出加以限幅， 能否消除这一现象,为什么，怎样解决，基型控制器产生积分饱和现象的原因:带有积分作用的控制器对偏差随时间不 断累积，只要偏差存在，控制器的输出就不断累积，最终导致输出被限制住，从而 产生积分饱和现象。控制器处于失控状态，控制品质变坏。若控制器的输出电压被限幅，不能消除积分饱和现象。因为只要输入信号不改 变极性，积分电容继续充电或放电，积分电容两端的电压继续上升或下降，而控制 器的输出仍然被限制着，无法消除

31、积分饱和。消除积分饱和方法:限制积分电容两端充电电压或是切除积分作用。5-7与模拟P1.D控制将相比，数字P1.D控制器有哪些优点，数字P1.D控制器和模拟P1.D控制器比较:对于纯滞后控制对象，模拟控制器控 制效果不理想。而数字PID控制器由于采用软件实现控制，很容易实现复杂的控制 规律，对纯滞后进行补偿，提高了控制性能。而且数字PID控制器可在线修改控制 方案和P1.D参数，从而更好地满足控制要求。5-8与位置式P1.D相比，增量式算式具有哪些优点，增量式PID算法的优点：1）位置式PTD算法每次输出与整个过去状态有关，容易产生较大的累积计算 误差。而增量式P1.D只需计算增量，计算误差或

32、精度不足时对控制量的计算影响较 小。112）控制从手动切换到自动时，位置式P1.D算法必须先将输出值置为原始阀门 开度时，才能保证无扰动切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到 自动的无扰动切换。3）采用位置式P1.D算法，计算机出现故障，输出量大幅度变化，调节阀门突 然加大或减小，可能会给生产造成损失。采用增量式算法时所用的执行器本身都具 有保持功能，即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣 影响。5-9采样周期的选择受哪些因素的影响，选择采样周期时的考虑因素：1）根据香农采样定理，采样频率达到系统信号最高频率的两倍或以上时，可 不失真地复现原来的信号。采样周期

33、应比对象的时间常数小得多。2）从执行机构的特性要求来看，如果采样周期过短，执行机构来不及响应。 所以，采样周期不能过短。3）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。一般扰动信 号周期与采样周期成整数倍关系。4）从计算机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些， 保证有足够的时间完成必要的计算。5）当系统纯滞后占主导地位时，尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的 整数倍。第六章执行器6-1执行器在过程控制中起什么作用，常用的电动执行器与气动执行器有何特 点，执行器将控制器输出的控制信号进行功率放大，并转换成输出轴相应的转角或 直线位移，连续或断续地去推动各种控制机构，

34、如控制阀门、挡板，控制操纵量变 化，以完成对各种被控参量的变化。气动执行器特点:结构简单、动作可靠、性能稳定、价格低廉、维修方便和防 火防爆等。电动执行器特点:能源取用方便、信号传输速度快、便于远传、结构复杂、价 格昂贵、安全防爆性能差。6-2执行器由哪几部分组成,各部分的作用是什么，执行器分为两部分:执行机构和调节机构。1）执行机构一一执行器的驱动部分，按照控制器的输出信号产生推力或位移；2）调节机构执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下， 改变阀芯和阀座间的流通面积，从而调节工艺介质的流量。6-3简述电动执行器的构成原理，伺服电动机的转向和位置与输入信号有什么 关系，伺服放大器

35、将输入信号I和反馈信号I相比较，所得差值信号经功率放大后，驱使两相if伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角 o若差值为正，电机 正转，输出轴转角增大，若差值为负，电机反转，输出轴转角减小。输出轴转角经位置发送器转换成反馈电流I,回送到伺服放大器的输入端，从 而构成负f反馈系统。最终输出轴转角O与输入信号I为比例关系，即O=K*1。其中K 为比例系数。ii伺服放大器还可以通过电动操作器实现自动和手动的切换。当切换到手动操作 时，通过手动操作按钮来控制电机正反转，调节输出轴转角。6-4伺服放大器如何控制电动机的正反转，输入信号和反馈信号分别经过信号隔离后，再经过综合放大电路放大后，经过

36、 触发电路控制两个固态继电器的导通与关断。当输入信号大于反馈信号，固态继电 器1导通，伺服电动机正转;当输入信号小于反馈信号时，固态继电器2导通，伺 服电动机反转。并且设置了死区，当输入信号和反馈信号之间的偏差小于死区时， 两个固态继电器均不动作，伺服电动机不动作。6-5确定控制阀的气开、气关作用方式有哪些原则,试举例说明。确定控制阀的气开、气关作用方式原则：气源中断、控制器故障无输出时，应确保设备安全。如锅炉供水控制阀，为了 保证故障时不致把锅炉烧坏，应选择气关阀。从保证产品质量考虑。如精微塔回流量控制系统长选用气关阀。一旦发生故 障，阀门全开，使生产处于全回流状态，这就防止了不合格产品被蒸

37、发，从而保证 了塔顶产品的质量。从降低原料和动力的损耗考虑。如精馈塔进料的控制阀常采用气开式。因为一 旦故障，阀门处于关闭状态，不再给塔投料，从而减少了浪费。6-6直通单座、双座调节阀有何特点，适用于哪些场合，直通单座阀:适用于泄漏量要求较小和阀前后压降较小的场合。直通双座阀:适用于泄漏量要求不严和阀前后压降较大的场合。不适用于高黏 度或含悬浮颗粒的流体。6-7什么是控制阀的可调比，串联或并联管道时会使实际可调比如何变化,控制阀的可调比（可控比）：阀所能控制的流量上限与流量下限之比。串联或并 联管道时会使实际可调比下降。6-8什么是控制阀的流通能力,确定流通能力的目的是什么，流量系数的大小反映

38、了流过阀的流量，即控制阀的流通能力。确定流通能力的目的是为了计算控制阀的口径，从而选择合适的控制阀。6-9什么是控制阀的流量特性,什么是控制阀的理想流量特性和工作流量特性, 为什么说流量特性的选择是非常重要的，控制阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（即推 杆的相对位移）之间的函数关系。理想流量特性:阀前后差压不变时的流量特性，也叫固有流量特性。工作流量特性:阀装在管道中，前后差压变时的流量特性，也叫实际流量特 性。控制阀的理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。选择了控制阀流量特性，从而 确定阀芯13形式。6-10为什么要使用阀门定位器,它的作用是什么，阀门定位器的作用和应用

39、场合：1）增加执行机构的推力:提高定位器的气源压力增大执行机构的输出力。2）加快执行机构的动作速度:改变了原来调节阀的一阶滞后特性，使之成为比 例特性。克服信号传递滞后，加快执行速度。3）实现分程控制:用一台控制仪表去操作两台控制阀。使用阀门定位器，使得 在信号的某一区段完成全行程动作。4）改善控制阀流量特性:改变反馈凸轮的几何形状可改变流量特性。第七章被控对象7-1什么是过程建模，为什么研究被控过程的数学模型,过程建模的目的和要 求是什么，过程建模:就是建立描述被控过程特性的数学模型，用数学方法对过程特性进 行描述、分析。研究被控过程的数学模型，是为了了解和掌握被控过程的特性。过程建模的目的

40、:设计过程控制系统和整定调节器参数;进行工业过程优化;进 行被控过程仿真研究。过程建模的要求:简单且准确可靠，在线模型还要求实时性。7-2过程建模的方法有哪些,其适用场合分别是什么，过程建模的方法:机理法建模、实验法建模、机理法和实验法相结合建模。机理法可用于简单的被控过程。实验法可用于当不十分清楚被控过程的内部机 理，或是被控过程非常复杂时。当采样单一的机理法或实验法无法建立复杂过程的 数学模型时，可采用机理法和实验法相结合的方法建立数学模型。7-3什么叫过程的自平衡特性和非自平衡特性,什么叫单容过程和多容过程，自平衡特性:过程受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠过程本

41、身自动平衡的倾向，逐渐达到新的平衡状态的性质，称为自平衡能 力。否则称为非自平衡特性。有一个储存容量的过程，称为单容过程。对象的输入输出可以用一阶微分方程 式来描述。有一个以上储存容量的过程称为多容过程。7-4机理法建模与实验法建模的基本原理分别是什么，机理法建模又称数学分析法建模或理论建模，它原则上采用数理方法，根据过 程的内部机理(运动规律)，运用一些已知的定律、原理，经过推演和简化而得到描 述过程动态特性的数学模型。实验法建模是根据被控对象输入/输出的实验测量数据，进行某种数学处理后 得到模型，14此方法又称为系统辨识。7-5影响控制性能的主要模型参数有哪些，其工作机理分别是什么，K,

42、,S WSe(), Ts, 1响控制性能的主要模型参数有放大系数K、时间常数T和纯滞后时间。，放大系数K:过程输出量变化的新稳态值与输入量变化值之比，称为过程的放大 系数。时间常数T：指被控量保持起始速度不变而达到稳态值所经历的时间。T反映的 是过程受到阶跃扰动作用后被控量变化的快慢速度。纯滞后时间:所谓纯滞后是一种时间上的延迟，这种延迟是从引起动态要素变 化的时，刻到输出开始变化的时刻这一段时间。7-6试简要分析温度、流量、压力过程模型特性。温度过程模型特性:加热炉是一个典型的温度过程。该过程是典型的大惯性、含纯滞后K, S的控制对象。其传递函数为。惯性可认为是对象储存能量的能力体现，对WS

43、e(), Ts, 1加热炉来说就是对热能的储存能力，加热炉的热容量较大，当增大或减小燃料流量时，加热炉各段炉温的上升或下降需要较长时间。对象含有纯滞后时，控制信 号发出后，被控物理量需要经过一段时间的延迟才会产生响应。流量过程模型:一阶非线性方程。压力过程模型:对于炼焦过程，集气管压力与鼓风机吸力间的耦合比较明显。7-7如图所示液位过程的输入量为q,输出量q, q,液位h为被控参数，C为 容量系123数，并设R、R、R为线性液阻。要求：1231)列出过程的微分方程组；2)画出过程的框图；3)求过程的传递函数W(S)=H(S)q(s)。o1.R1.qi hRRC32qq32D过程的微分方程组为：

44、15,d, h, q, q, q, C, 123dt, h, q, 2R2, h, q3, R3,拉氏变换为：,q(s)q(s)q(s)CsH(s), 123, H(s), q(s), 2R2, H(s),q(s), 3, R3, 2)过程框图 为:Rs3 (s) q-3H(s) (s) q1. 1+Cs-q(s)21Rs2 3)过程的传递函数为：H(s)H(s)q(s),CsH(s) 1RR23RR23H(s)1.KR, R23W(s), o1.1.RRCsq(s)Ts, 1231Cs, , , IRRR, R2323RRRR2323T, CK, R, R, RR23237-8如图所示的单容

45、过程,若其输入量为Q、输 出量为Q,试列写其微分方程组。根i。据微分方程组画出框图并求其数学模型W(S)=Q(S)/ Q (s)o ooi16Q , ,Q控制阀ii，X,h h。负载阀A , ,Q Q 00 1)微分方程组为：d, h, Q, Q, Aio, dt, 1, Q, ho, R,拉氏变换为：Qs, Qs, AsHs O O O, io, Hs O Qs, O o, R, 2)系统框图为：Q(s)oQ(s)H(s)i1.1.+RAs3)数学模型为：11, Q(s)1.IoAsRW(s), o1.1.Q(s)RAs, ITs, 1.i1., , AsRT, RA 7-9两只水箱串联工作

46、，各个参数如图所示。若过程的输入量为q、输出 量为q,并设2液阻R、R、R均为线性，试列写过程的微分方程组;根据方程组画出过程的框 图，并求其12数学模型 W(s)=q(s)q (s)。o217qRhRh1.1.2CCq1.2R22q1.D微分方程组为：d, h, 1, q, , q, CU, dt, d, h2, q, , q, C122, dt, h1., q, IR, 1 , h2, q, 2, R2, 拉氏变换为：Q(s),Q(s), CsH(s), 1.1.1.,Q(s),Q(s), CsH(s) 1222,H(s)1.Q(s), ,1R1,H(s)2Q(s),2R2,2)系统框图为

47、：(s) H (s) QQ (s) 2 (s) Q2H(s)1.1.1.1.1.1.RRCsCs2121-Q(s)1.3)数学模型为：1111, , Q(s)1.1.CsRCsR21122W(s), , ,o1.1.1.1.Q(s) (RCs, 1), (RCs, 1) (Ts, 1)(Ts, 1)1122121, , 1, , CsRCsRI122T, RCT, RC 111222第八章 单回路控制系统8-1何谓控制通道,何谓干扰通道,它们的特性对控制系统质量有什么影响，18控制通道:被控量与输入控制作用之间的联系被称为“控制通道”。干扰通道:被控量与扰动之间的联系被称为“干扰通道”。控制通道对控制系统质量的影响：1）控制通道的放大系数大一点，以加强控制作用。2）控制通道的时间常数小，控制作用强，克服干扰快，过