第一章自动控制系统基本概念

什么是化工自动化？它有什么重要意义？

答:在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。

实现化工自动化，能加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量、减轻劳动强度、保证生产安全，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

化工自动化主要包括哪些内容？

答:化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。

自动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作用？

答:自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。

在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号(如气压信号或电压、电流信号等)。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)发送给执行器,执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流人(或流出)被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。

什么叫操纵变量？

受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。（或：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量）

4.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？

答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。

闭环自动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。如图1-1 ( a)即是一个闭环自动控制。图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物料出口温度回到设定值上。从图1-1, (b)所示的控制系统方块图可以清楚看出，操纵变量(蒸汽流量)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。

(a)                                   (b)

图1-1  闭环自动控制基本结构

开环控制系统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。

开环控制系统分为两种，一种按设定值进行控制，如图1-2 (a)所示。这种控制方式的操纵变量(蒸汽流量)与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量。另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2 (b)所示。这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量。

(a)按设定值进行控制的开环系统   (b)按扰动进行控制的开环系统

图1-2开环控制系统基本结构

开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。

什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？

答:把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。

反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。

根据设定值的形式，闭环控制系统可以分为哪几类？

在闭环控制系统中，按照设定值的不同形式又可分为：(1)定值控制系统；(2)随动控制系统；(3)程序控制系统。

什么是控制系统的静态与动态？

答:在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。在这种状态下，自动控制系统的输人(设定值和干扰)及输出(被控变量)都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输人、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。

系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值，此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间中整个系统都处于变动状态中。

9.控制系统运行的基本要求是什么？

答:自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的，并应保证满足一定的精度要求或某些规定的性能指标，但最基本的要求是稳定的，也就是说系统投人运行后，被控变量不致失控而发散。

10.在阶跃扰动作用下，自动控制系统的过渡过程有哪些基本形式？哪些过渡过程能基本满足控制要求？

答:过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。①发散振荡过程；②非振荡发散过程；③等幅振荡过程；④衰减振荡过程；⑤非振荡衰减过程。

在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。

11.衰减振荡过程的品质指标有哪些？

答:衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。

12、什么是传递函数？

答:对于如图1-6所示的线性系统，在初始条件为零时，它的输出与输入的拉普拉斯式之比，即系统在复数s域的输出与输人之比，称为系统的传递函数，记为。

图1-6  系统的输人输出关系

第一节例 题 分 析

在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定的数值上。

图1-9是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在(15±1.5)℃。如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。

图1-9丙烯冷却器温度控制系统示意图

(1)指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？

(2)试画出该控制系统的组成方块图。

(3)试比较图1-9及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。

解

(1)在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。

(2)该系统方块图如图1-10所示。

图1-10丙烯冷却器温度控制系统方块图

注：θ为乙烯裂解气的出口温度；θsp为乙烯裂解气的出口温度设定值

(3)在图1-9中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。

某化学反应器工艺规定的操作温度为(900±10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-13所示。试求最大偏差、衰减比和振荡周期等过渡过程品质指标，并说明该控制系统是否满足题中的工艺要求。

图1-13  过渡过程曲线

解 由过渡过程曲线可知

最大偏差    A=950-900=50℃

衰减比        第一个波峰值B=950-908=42℃

             第二个波峰值B'=918-908=10℃

衰减比n=42:10=4.2

振荡周期    T=45-9=36min

余差        C=908-900＝8℃

过渡时间为    47min。

由于最大偏差为50℃，不超过80℃，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。

第二节习            题

2.锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-27是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：

(1)画出该控制系统方块图；

(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？

图1-27  锅炉汽包水位控制示意图

答：(1)锅炉汽包水位控制系统方块图如图1-36所示。

图1-36锅炉汽包水位控制系统方块图

注：h为锅炉汽包水位；h0为锅炉汽包水位设定值

(2)被控对象：锅炉汽包。

被控变量：锅炉汽包水位。

操纵变量：锅炉给水量。

扰动量：冷水温度、压力，蒸汽压力、流量，燃烧状况等。

6.图1-31为一组在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线。

(1)指出每种过程曲线的名称；

(2)试指出哪些过程曲线能基本满足控制要求？哪些不能？为什么？

(a)                   (b)                    (c)                 (d)

图1-31  过渡过程曲线

答：

(1) (a)等幅振荡；(b)衰减振荡；(c)非振荡衰减；(d)发散振荡。

(2) (b)，(c)能基本满足控制要求，(a), (d)不能。因为(b), (c)对应的过渡过程是稳定的。

8.某化学反应器工艺规定操作温度为(800±10)℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。现运行的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1-33所示。

(1)分别求出最大偏差、余差、衰减比、过渡时间(温度进入按±2％新稳态值即视为系统已稳定来确定)和振荡周期。

(2)说明此温度控制系统是否满足工艺要求。

图1-33  温度控制系统过渡过程曲线

答：最大偏差：A=45℃。

余差：C=5℃。

衰减比：n=4:1。

过渡时间：Ts=25min。

振荡周期：T=13min。

该系统满足正艺要求。

第二章过程特性及其数学模型

1.问题解答

什么是被控对象特性？什么是被控对象的数学模型？ 

答:被控对象特性是指被控对象输人与输出之间的关系。即当被控对象的输人量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输人量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。

定量地表达对象输人输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。

什么是控制通道？什么是干扰通道？在反馈控制系统中它们是怎样影响被控变量的？

答:干扰变量与控制变量都是作用于被控对象的输人量，它们都会引起被控变量变化。由干扰变量影响被控变量变化的通道称干扰通道，由控制变量影响被控变量变化的通道称控制通道，如图2-1所示。

图2-1 干扰输人变量、控制输人变量与对象输出变量之间的关系

在反馈控制系统中，干扰变量总是通过干扰通道破坏系统的平衡状态，使被控变量离开设定值。为了对抗和抵消干扰变量的影响，就必须由自动化装置不断地施加控制作用(即操纵变量)通过控制通道，力图使被控变量始终保持在工艺生产所要求控制的技术指标(即设定值)上。

简述建立对象数学模型的主要方法。

答:一是机理分析法。二是实验测取法。以上两种方法又称机理建模和实验建模，将以上两种方法结合起来，称为混合建模。

稳态数学模型与动态数学模型有什么不同？

答:稳态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输人量改变以后输出量的变化情况。稳态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。

6.为什么说放大系数K是对象的静态特性？而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？

答:放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

时间常数T    是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间,是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。

滞后时间τ是指对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这种现象的参数。因此它是反映对象动态特性的重要参数。

7.何谓系统辨识和参数估计？

答:应用对象的输人输出的实测数据来确定其数学模型的结构和参数，通常称为系统辨识。在已知对象数学模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。

8.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？

答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。在控制通道，如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。

对象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。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低。T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的。

2.例题分析

已知一个具有纯滞后的一阶过程的时间常数为4min，放大系数为10，纯滞后时间为lmin，试写出描述该过程特性的一阶微分方程式。

解  该过程特性仍为一阶微分方程式，但由于存在纯滞后lmin，故输出y(t)比输人x(t)在时间坐标上平移了lmin，假定方程式中的时间量纲为min，则微分方程式为

已知一个对象为具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5，放大系数为10，纯滞后时间为2。

(1)试写出描述该对象的微分方程；

(2)求出描述该对象的传递函数。

解(1)与题6类似，该对象的微分方程式数学模型为

                            [1]

式中y表示输出变量，x表示输入变量。

(2)将式[1]在零初始条件下，两端都取拉普拉斯变换，则有

则对象的传递函数为

第三章检测仪表与传感器

1.问题解答

什么叫测量过程？

答    测量过程实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般它都是利用专门的技术工具，即测量仪表将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。

何谓仪表的精度等级？

答    仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。任何测量过程都存在着测量误差。在使用仪表测量生产过程中的工艺变量时，不仅需要知道仪表的指示值，而且还应该了解仪表的精度。

仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。目前中国生产的仪表精度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。仪表的精度等级是将仪表允许相对百分误差的“±”号及“%”去掉后的数值，以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许相对百分误差为1.0%。

电动模拟式变送器、数字式变送器二者的输出信号有什么不同？

答    模拟式变送器的输出信号一般为统一标准的模拟量信号，例如：DDZ- II型仪表输出0~10mA DC，DDZ-III型仪表输出4~20mA DC等，在一条电缆上只能传输一个模拟量信号。智能式变送器的输出信号则为数字信号，数字通信可以实现多个信号在同一条通信电缆(总线)上传输，但它们必须遵循共同的通信规范和标准。

11.电动模拟式变送器的电源和输出信号的连接方式有哪几种？目前在工业现场最常见的是哪一种？

答    电动模拟式变送器传输电源和输出信号有四线制和二线制两种连接方式。目前大多数变送器均为二线制连接方式。

15.测压仪表有哪几类？各基于什么原理？

答    测压仪表按其转换原理不同，主要有四大类：液柱式压力计，它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的；弹性式压力计，它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移来进行测量的；电气式压力计，它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的；活塞式压力计，它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量来进行测量的。

16.作为感受压力的弹性元件有哪几种？各有什么特点？

答    主要的弹性元件有：①弹簧管，可分单圈弹簧管与多圈弹簧管，它们的测压范围较宽，最高可测量高达1000MPa的压力；②膜片，可分平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器；③波纹管，这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。

24.体积流量、质量流量、瞬时流量、累积流量的含义各是什么？

答    流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量；在某一段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。

以体积表示的瞬时流量称为体积流量，以质量表示的瞬时流量称为质量流量。

26.什么叫节流现象？流体经节流装置时为什么会产生静压差？

答    节流现象流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

流体经节流装置时，由于流速发生变化，使流体的动能发生变化，根据能量守恒定律，动能的变化必然引起静压能变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。

27.试述差压式流量计测量流量的原理。并说明哪些因素对差压式流量计的流量测量有影响？

答    根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程，可以导出流体流经节流装置时的压差与流量之间有一定的对应关系，其定量关系符合流量基本方程式。根据这个方程式，就可以由测量得到的压差来计算出流过的流量值，这就是差压式流量计测量流量的原理。

由于流量基本方程是在一定的条件下推导而得的，这些条件包括节流装置的形式、尺寸、取压方式以及流体的工艺条件(密度、温度、压力、雷诺数等)，当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。

37.根据工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型？

答    按其工作原理主要有下列几种类型。

(1)直读式物位仪表(2)差压式物位仪表(3)浮力式物位仪表(4)电磁式物位仪表(5)核辐射式物位仪表(6)声波式物位仪表(7)光学式物位仪表。

40.在液位测量中，如何判断“正迁移”和“负迁移”？

答    在液位测量中，当被测液位H=0时，如果差压变送器的输人信号△p>0，则为“正迁移”；反之，当H=0时，△p 50.热电偶补偿导线的作用是什么？在选择使用补偿导线时需要注意什么问题？

答    由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。茬实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。

在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。

52.用热电偶测温时，要进行冷端温度补偿，其冷端温度补偿的方法有哪几种？

答    冷端温度补偿的方法有以下几种：(1)冷端温度保持为0℃的方法；(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。

56.试述DDZ-III型温度变送器的用途。

答    DDZ-III型温度变送器的用途在于它与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度转换成4~20mA和1~5V的统一标准信号，又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，使其转换成4~20mA和1~5V的统一输出信号。然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度及其他各种参数进行显示、控制。

2.例题分析

如果有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得出下列数据：

(2)问该压力表是否符合1. 0级精度？

解(1)首先计算出各点正、反行程标准表读数的差值，找出其中的最大差值(指绝对值)。本题的最大绝对差值发生在6MPa处，其值为6.06-5.94=0.12(MPa)。

(2)由于该表的变差已超过1.0级表的允许误差，故不符合1.0级精度。

某压力表的测量范围为0~1MPa，精度等级为1级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为0.5MPa时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？

解    最大绝对误差

在0.5MPa处，校验得到的绝对误差为0.508-0.5=0.008(MPa)，此值小于该压力表的允许最大绝对误差，故在这一校验点符合1级精度。

如果某反应器最大压力为0.8MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。现用一台测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。

解    测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表的允许最大绝对误差为

已经超出了工艺上允许的最大绝对误差，故不能符合工艺上的误差要求。若采用一台测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表，这时允许的最大绝对误差为

故能符合工艺上的误差要求。

某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0~100m3/h的流量计，流量检测误差小于±0.6m3/h，试问选择何种精度等级的流量计才能满足要求？

解    工艺上允许的相对百分误差为

因此选择0.5级精度的流量计才能满足要求。

某温度控制系统，最高温度为700℃，要求测量的绝对误差不超过±10℃，现有两台量程分别为0~1600℃和0~1000℃的1.0级温度检测仪表，试问应该选择哪台仪表更合适？如果有量程均为0~1000℃，精度等级分别为1. 0级和0.5级的两台温度变送器，那么又应该选择哪台仪表更合适？试说明理由。

解    对于量程为0~1600℃和0~1000℃的l.0级仪表，其允许的最大绝对误差分别为：(1600-0)×1%=16(℃)和(1000-0) ×1%=10(℃)，因此。0~1600℃量程的仪表其绝对误差已经超出了工艺上允许的绝对误差(±10℃)，故不能选用。另外，对于最高温度仅为700℃的温度控制系统，其量程也没有必要选0~1600℃这么大量程的仪表。因此，本温度控制系统应该选择0~1000℃量程的1.0级温度检测仪表，这时其绝对误差也能满足要求(±10℃)。

如果有量程均为0~1000℃，精度等级分别为1.0级和0.5级的两台温度变送器，应该选择1.0级的更为合适。这时两台仪表都能满足工艺要求，应该选择其中精度较低的仪表，这样可以节省投资，日常维护也比较方便。

某一标尺为0~500℃的温度计出厂前经过校验，其刻度标尺各点的测量结果值为

(2)确定仪表的允许误差及精度等级；

(3)经过一段时间使用后重新校验时，仪表最大绝对误差为±8℃，问该仪表是否还符合出厂时的精度等级？

解(1)首先计算出各点的绝对误差，找出其中的最大绝对误差是在400℃这一点，其值为(℃)；

(2)故该温度计的精度等级确定为1.5级；

(3)当仪表最大绝对误差变为±8℃后，相对百分误差，已经超过了1.5级仪表的最大允许相对百分误差1.5%，故已不符合仪表出厂时的精度要求。

如何根据待测工艺变量的要求来选择仪表的量程和精度？现欲测往复泵出口压力(约1.2MPa)，工艺要求±0.05MPa，就地指示。可供选择的弹簧管压力表的精度为：1.0级，1.5级，2.5级，4.0级，测量范围为0~1.6MPa，0~2.5MPa，0~4.0MPa。试选择压力表的量程和精度。

解    量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。一般而言，仪表的上限应为被测工艺变量的4/3倍或3/2倍，若工艺变量波动较大，例如测量泵的出口压力，则相应取为3/2倍或2倍。为了保证测量值的准确度，通常被测工艺变量的值以不低于仪表全量程的1/3为宜。

仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。一般来说，所选用的仪表越精密，则测量结果越精确、可靠。但不能认为选用的仪表准确度越高越好，因为越精密的仪表，一般价格越贵，操作和维护越费事。因此，在满足工艺要求的前提下，应尽可能选用准确度较低、价廉耐用的仪表。

当往复泵的出口压力为1.2MPa时，由于往复泵的出口压力波动较大，可取仪表上限为正常压力的2倍，即2.4MPa，所以应选择测量范围为0~2.5MPa的弹簧管压力表。由于出口压力不低出2.5MPa的1/3，故能保证测量值的准确度。

根据题意，允许的相对百分误差，故应选择的精度等级为1.5级。

10.某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过0.4MPa，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度级)。

解    由于合成塔内的压力比较平稳，故压力测量上限可选工作压力的3/2倍，即14×3/2=21(MPa)，测量范围可选0~25MPa。

根据所选量程和误差要求，算得允许相对百分误差

，压力表的精度等级应选1.5级。

由于所测的介质是氨气，由产品目录可选氨用压力表YA-100。

11.有一台DDZ-III型两线制差压变送器，已知其测量范围为20~100kPa，当输人信号为40kPa和70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？

解    当输入为40 kPa时，其输出为

当输入为70kPa时，其输出为

18.图3-15所示的液位测量系统中采用双法兰差压变送器来测量某介质的液位。已知介质液位的变化范围h=0~950mm，介质密度ρ=1200kg/m3，两取压口之间的高度差H=1200mm，变送器毛细管中填充的硅油密度为ρ1= 950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。

图3-15  液位测量系统

解    

因此变送器量程可选0~16kPa。

负迁移量为

19.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？

解((1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即

查表可得                  

因为                   

由此电势，查表可得t=509℃，即设备温度为509℃。

(2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。查表可得

设备温度为509℃，查表可得

因为             

即E热电偶测得的热电势为36.2mV。

22.测温系统如图3-17所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶的分度号为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度tx为多少度？(室温为25℃)

图3-17  测温系统图

解    这是工业上用的热电偶温度计。查分度号E，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是由K热电偶产生的，即

查分度号K，可得，由此可见，

由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。

第四章显示仪表

1.问题解答

自动电子电位差计是如何基于补偿测量法工作的？线路电阻(即外阻)值的变化，对电子电位差计的测量有无影响？为什么？

答    图4-1是自动电子电位差计的简单原理图。当热电势Et与已知的直流压降相比较时，若Et≠ECB，其比较之后的差值(即不平衡信号)经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，使可逆电机又通过一套传动系统去带动滑动触点C的移动，直到Et=ECB时为止。这时放大器输入端的输入信号为零，可逆电机不再转动，测量线路就达到了平衡，这样ECB就可以代表被测量的Et值。

图4-1 电子电位差计原理图

由此可知，电子电位差计是利用已知的电压ECB去补偿未知的热电势Et的，故是基于补偿测量法工作的。由于当Et=ECB时，热电偶回路是没有电流流过的，因此线路电阻值的变化，对电子电位差计的测量不会造成影响的。

10.数字式显示仪表主要由哪几部分组成？各部分有何作用？

答    数字式显示仪表通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模/数(A/D)转换、标度变换、数字显示、电压/电流(V/I)转换及各种控制电路等部分。

信号变换电路是为了将生产过程中的工艺变量经过检测变送后的信号，转换成相应的电压或电流值；前置放大电路是为了将输入的微小信号放大至伏级电压信号；非线性校正电路一般是为了校正检测元件的非线性特性；开方运算电路通常是为了将差压信号转换成相应的流量值；A/D转换是为了将模拟量转换成断续变化的数字量；标度变换电路实质上就是进行比例尺的变更，使数显仪表的显示值和被测原始参数统一起来；数字显示部分就是被测数据以数字形式显示出来；V/I转换电路是为了将电压信号转换成直流电流标准信号；控制电路可以根据PID控制规律或其他控制规律进行运算，输出控制信号。

11.试简述无纸记录仪的主要特点。

答    无纸记录仪是一种以CPU为核心、采用液晶显示的新型显示记录仪表，完全摒弃了传统记录仪的机械传动、纸张和笔。其记录信号是通过CPU来进行转化和保存的，记录信号可以根据需要在屏幕上放大或缩小，便于观察，并且可以将记录曲线或数据送往打印机进行打印，或送往个人计算机加以保存和进一步处理。无纸记录仪精度高，价格与一般记录仪相仿。

2.例题分析

对于配有镍铬一镍硅热电偶，且标尺始端为0℃的电子电位差计，当热电偶的热端为0℃，冷端为25℃时，问这时应指示多少度？输人信号为多少？若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示多少度？输人信号为多少？

解    因为自动电子电位差计的冷端温度补偿是按冷端为25℃设计的，所以当热电偶的热端温度为0℃，冷端温度为25℃时，指示的应是热端温度0℃，这时放大器的输入信号为0。若热端和冷端均为0℃时，送到放大器的输人信号约为＋1000μV，这时应指在25℃。

图4-7所示为一自动平衡电桥的测量桥路示意图，请问在下列情况仪表的指针、起点温度、量程会如何变化？为什么？(1)温度升高；(2)仪表停电；(3)加大R6; (4)减小R5；(5) A线断；(6) B线断；(7) C线断。

图4-7 自动平衡电桥

解    (1)当温度升高时，指针向M方向移动。因为温度升高，Rt增加，只有减小与Rt串联的电阻才能使电桥达到新的平衡。

(2)仪表停电时，指针随拨随停，因为此时UOD=0，放大器没有输出信号。

(3)加大R6，指针向M方向移动，因为R6与Rt串联，当R6增加时，UOD增加，指针只有左移电桥才能达到新的平衡。这样使得M点的起点温度降低。

(4)减小R5，流过RP的电流减小，量程也就减小。

(5)A线断开，相当于Rt→∞，温度升高，这时指针指到N点。

(6) B线断开，UOD不能为零，而是正数，这样指针左移直到M点。

(7) C线断开，UOD永远为零，指针可停留在任何位置。

热电阻短路或断路时，电子自动平衡电桥指针分别指在何处？

解    热电阻短路，相当于Rt =0，指针会直指向始端，直到受到限位为止，相当于温度非常低。

热电阻断路，相当于Rt→∞，指针会直指向终端，直到受限位为止，相当于温度非常高。

3.习题

1.一台与热电偶配套的自动平衡电子电位差计，其冷端温度补偿是按冷端为25℃设计的。问在下列两种情况下，其温度指示值会偏低或偏高？

(1)实际冷端温度低于25℃；

(2)实际冷端温度高于25℃。

答：1. (1)偏高；(2)偏低。

3.在自动电子平衡电桥中，连接电源的线路电阻若发生变化，对测量的结果有否影响？

答：没有影响。

第五章自动控制仪表

1.问题解答

从控制仪表的发展及结构原理来看，主要有哪几种类型？ 

答    主要有三种类型：基地式控制仪表、单元组合式仪表和以微处理器为基础的控制装置。

控制器的控制规律是指什么？常用的控制规律有哪些？

答    所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即

式中，z为测量值信号；x为给定值信号；f为某种函数关系。

常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例PI, PD, PID等。

什么是比例控制规律？ 

答    比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量p与输人偏差信号变化量e之间成比例关系，即

式中，Kp为比例放大系数。

什么是积分控制规律？什么是比例积分控制规律？ 

答    积分控制规律是指控制器的输出变量p与输人偏差e的积分成正比，即

式中，KI为积分比例系数。

在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律，其输出p与输入e的关系为：

什么是微分控制与比例微分控制？ 

答    微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输人偏差e的变化速度成正比，即

式中，TD为微分时间。

在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出p与输入e的关系为

14.试写出比例积分微分(PID)三作用控制规律的数学表达式。

答

2.例题分析

一台DDZ-III型温度比例控制器，测量的全量程为0~1000℃，当指示值变化100℃,控制器比例度为80%，求相应的控制器输出将变化多少？

解    根据比例度的定义

代人有关数据，得

可解得输出变化量△I0=2(mA)

某比例控制器输入信号为4~20mA，输出信号为1~5V，当比例度为60％时，输入变化6mA，所引起的输出变化量是多少？

解    代人比例度的公式，有

可解得△U=2.5V。

一台DDZ-III型温度比例控制器，测温范围为200~1200℃。当温度给定值由800℃变动到850℃时，其输出由12mA变化到16mA。试求该控制器的比例度及放大系数。该控制器是高于正作用还是反作用控制器，为什么？

解    根据比例度的定义，并代人有关数据，可得比例度为

由于是单元组合式仪表，输人到温度控制器的信号是由温度变送器来的4~20mA DC信号，与输出信号一样，都是统一的标准信号，所以温度控制器的放大系数与其比例度成倒数关系，故有

该控制器当给定信号增加时，其输出信号也是增加的。由于给定信号与测量信号在进行比较时，是相减的运算，控制器的输人信号(偏差)等于测量信号减去给定信号，所以当给定信号增加时，控制器的偏差信号是减小的，而这时输出信号反而增加，故该控制器属于反作用式控制器。

第六章执行器

1.问题解答

气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？

答    气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。

气动执行机构主要有哪几种结构形式？各有什么特点？

答    气动执行机构主要有薄膜式和活塞式两种结构形式。

薄膜式执行机构的结构简单、价格便宜、维修方便、应用最为广泛。它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜控制阀。

气动活塞式执行机构的特点是推力大，主要适用于大口径、高压降的控制阀或蝶阀的推动装置。

除薄膜式和活塞式执行机构外，还有长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适用于输出转角（00~900）和力矩的场合，如用于蝶阀或风门的推动装置。

何谓正作用执行器？何谓反作用执行器？

答    当输人信号增大时，执行器的流通截面积增大，即流过执行器的流量增大，称为正作用；当输入信号增大时，流过执行器的流量减小，称为反作用。

控制阀的结构形式主要有哪些？各有什么特点？主要使用在什么场合？

答    简单列表说明如下：

答    控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系，即

式中相对流量是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量Qmax之比。相对开度是控制阀某一开度时的阀杆行程l与阀杆全行程L之比。

10．为什么说等百分特性又叫对数特性？与线性特性比较起来有什么优点？

答    等百分比流量特性是指单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增加，即

将上式积分得

由上式可以看出，等百分流量特性的相对流量的对数值与相位行程成正比，故又称对数特性。

由于等百分比流量特性的控制阀，其放大系数随相对流量的增加而增加，在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和；流量大时，流量变化大，控制灵敏有效，这是它比起线性特性的控制阀来说所具有的优点。

12．什么是串联管道中的阻力比s？s值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？

答    s值表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比。当s=1时，说明系统总压差全部降在控制阀上，所以控制阀在工作过程中，随着阀开度的变化，阀两端的压差是不变的，故工作流量特性与理想流量特性是一致的。当s值小于1时，系统的总压差一部分降在控制阀，另一部分降在与控制阀串联的管道上。随着阀的开度增大，流量增加，降在串联管道上的压差增加，从而使降在控制阀上的压差减少，因而流过控制阀的流量也减少。所以随着s值减小，会使理想流量特性发生畸变，阀的开度越大，使实际流量值离开理想值越大。具体来说，会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线特性。

13．什么是并联管道中的分流比x?试说明x值的变化对控制阀流量特性的影响。

答    x值表示并联管道时，控制阀全开时流过控制阀的流量与总管的总流量之比，当x=1时，说明流过控制阀的流量等于总管的流量，即旁路流量为零，如果这时阀的流量为理想流量特性，那么，随着x值的减少，说明流过旁路的流量增加。这时，控制阀即使关死，也有一部分流体从旁路通过，所以控制阀所能控制的最小流量比原先的大大增加，使控制阀的可调范围减小，阀的流量特性发生畸变。

15．什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？

答    随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。

18．试述电-气转换器的用途与工作原理。

答    电-气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，其输出信号为0~10mA DC或4~20mA DC，但所选择的执行器为气动执行器，其输人信号一般为20~l00kPa。这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应的气信号，才能为气动执行器所接受。

电-气转换器是接力矩平衡原理工作的。当由输入电流所产生的电磁力与由输出气压所产生的反馈力相平衡时，就建立了输出气压信号与输人电流信号的一一对应关系。

19．试述电-气阀门定位器的用途。

答    电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。

20．试述电一气阀门定位器的基本原理与工作过程。

答    电-气阀门定位器的基本原理是力矩平衡原理。当由输人电流所产生的电磁力与由阀门位置所产生的反馈力在杠杆系统中建立力矩平衡时，就使一定的输人电流信号对应于一定的阀门位置。

23．什么是数字阀？它有哪些特点？

答    数字阀是一种位式的数字执行器，由一系列并联安装而且按二进制排列的阀门所组成。

数字阀的特点是分辨率高、精度高、反应速度快、关闭特性好、没有滞后、线性好、噪声小、可以与计算机相连。

但是数字阀结构复杂、部件多、价格贵。此外由于对控制信号过于敏感，容易造成误操作。

24．    阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性，理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等几种。图2中的(    )表示的是(    )特性。

A. 曲线1；B. 曲线2； C. 曲线2；D. 曲线4

图2　理想流量特性下载本文