合肥工业大学过程仪表复习题

6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求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系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大）时，该系统如何实现自动控制的？

蒸汽 TC TT 冷物料 热物料 干扰Ts 温度控制器 执行器 换热器 T 答：如图所示为该控制系统的方框图。

温度测量变送装置 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T升高，从而实现控制。 7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求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？

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qv1 LT LC qv2 （1）如图所示为该控制系统的方框图；

液位测量变送装置 hs 液位控制器 执行器 贮槽 h f -

（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。

例1管式加热炉出口温度串级控制系统。

1）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？ 2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向；

3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。

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3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度T2升高，原料油出口温度T1也会随之提高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器TC1， e1增大，主控制器输出u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差e2增大，副控制器的输出信号u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量燃料油m减小，炉膛温度T2下降，从而炉管内原料油出口温度T1也会随之下降。

例题2：如图1-5所示的夹套反应器温度控制系统图

1）指出该系统中主被控对象、副被控对象、主被控变量、副被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向；3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制。

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3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制。

当蒸汽负荷突然增加，反应器内的温度T1将升高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器TC1， e1增大，主控制器输出u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差e2增大，副控制器的输出信号u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量m减小，夹套内的蒸汽温度T2下降，从而反应器内的温度T1也会随之下降。

例题3：如图所示为聚合釜温度控制系统，冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问： （1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。

（2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关形式。 （3）确定主、副控制器的正、反作用。 （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程。

（5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？

（6）如果选择夹套内的温度作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反方向。

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例题1：若被测介质的实际温度为500℃，仪表的指示值为495℃，仪表的量程为0～1000℃，试确定绝对误差、相对误差、折合误差和对仪表的读数的修正值。

解: 绝对误差: △= X指－ X0 = 495－500=－5℃仪表读数的修正值: C= X0 － X指 = 5 ℃相对误差: y=△/X0 = -5/500×100% = -1%

引用误差: δ=△max/ （x上－x 下）= -0.5%

例2：某台测温仪表的测温范围为200~700℃。校验该表时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的精度等级。 解：该仪表的允许的引用误差为： 允

max4100%100%0.8%x上x下7002000.5＜0.8＜1.0

所以，该测温仪表的精度等级为1.0级。

例3 ：某反应器内的最高温度500℃。根据工艺要求，最大允许误差不超过+7℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解：根据工艺要求：

仪表的量程上限：X上=2 X Max= 1000℃ 仪表的允许引用误差为： 

允max7100%100%0.7%x上x下10000去掉±、%，0.5＜0.7＜1.0，所以选精度等级0.5的仪表才能满足工艺要求。精度等级1.0的仪表，其允许引用误差为±1.0%，超过了工艺上允许的数值.

小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。

例4 ：一台精度等级为0.5，量程范为600~1200℃的电子电位差计，校验时，其中的某一点最大绝对误差是 4℃，问此表是否合格？

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解：根据工艺上的要求，仪表的允许误差为： △允max=N×δ%

=（1200－600）× 0.5% =3 ℃

而△测max= 4℃＞ 3 ℃，所以此表不合格，需重新进行校验。

补充题1：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℃。现设计的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如下图所示。

（1）分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间Ts（温度进入±1%新的稳定值即示为系统已稳定）和震荡周期T。

（2）分析此温度控制系统是否满足工艺要求？

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（1）分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间Ts（温度进入±1%新的稳定值即示为系统已稳定）和震荡周期T。解：最大偏差：A =845－800 = 45℃

超调量：σ=（845 － 805）/805 = 4.97%

衰减比：n= B/B’= （845 － 805） / （815 － 805） = 4：1 余差： C= 805－800= 5 ℃ 过渡时间：Ts = 25 min 震荡周期：T = 20 －7=13 min

(2)符合要求：①系统新的稳定值是805 ℃，符合工艺规定操作温度为

（800±10）℃的要求

② 845 ℃＜850 ℃，符合控制中温度最高不得超过850℃的要求

6.什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？

答：随着送经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。气开式，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，输出过程或设备比较危险的应选择气关式。

21.何为阻塞流？他有什么意义？

答：阻塞流是指当阀入口压力P1保持恒定，并逐步降低出口压力P2时，流过阀的流量会增加到一个最大值，此时若继续降低出口压力，流量不再增加，此极限流量称为阻塞流。

意义：在阻塞流条件下，流经阀的流量不随阀后压力的降低而增加，因此在计算流量系数时，首先要确定调节阀是否处于阻塞流状态。 - - -专业资料-

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22.流量叙述的定义是什么？试写出不可压缩流体系数计算的基本公式。

答：我国规定的流量系数定义为：在给定行程下，阀两端的压差为0.1Mpa，流体密度为1000kg/m时流经调节阀的流量数(m/h),以C表示，它表示流体通过调节阀的流通能力，不可压缩流体：

2pF(p1FFpv),c10qvlL/(p1p2)l

22pFl(p1Ffpv),c10qvlL/FL(p1FFpv)3

3

c10qvlL/FL2(p1FFpv)

1.计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分有什么作用？

答：计算机控制系统是由工业对象和工业控制计算机两大部分组成。工业控制计算机主要由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分主要包括计算机主机，外部设备，外围设备，工业自动化仪表和操作控制台，软件是指计算机系统的程序系统，各部分作用参见课本P234-235。

9．试列出一些改进的PID算法，并分析其改进特点及适用场合

答：改进的PID算法有：（1）带有死区的PID控制——当控制偏差在某个阀值以内时，系统不进行调节；当超过这个阀值时，系统按照PID进行调节，表示为p(k)式中B为阀值，O-B的区间称为死区。

该控制方式适用于要求控制作用尽可能少变动的场合，如在中间器皿的液面控制。（2）饱和作用的抑制（A）PID位置算法的积分饱和作用机器抑制——采用遇限削弱积分法和积分分离法。（B）PID增量算法的饱和作用及其抑制（C）干扰的抑制——四点中的差分法。该控制方式适用于可能出现饱和效应的场合，即控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围以内，Umax<=U<=Umax，控制器执行的控制量不再是计算值。︱△U︱<=△Umax.

p(k)...当|e(k)|B,PID控制动作

0.........当|e(k)|B，无控制输出值第二章

所谓简单控制系统是指单输入-单输出的线性控制系统，这是控制系统的基本形式，也是应用最广泛的形式。 所谓被控对象的特性，就是当被控对象的输出变量发生变化时，其输出变量随时间变化的规律。

对一个被控对象来说，其输出变量就是控制系统的被控变量，而其输入变量则是控制系统的操纵变量和干扰作用。被控对象输入与输出变量之间的联系称为通道，操纵变量与被操纵变量之间的联系称为控制通道，干扰作用与被控变量之间的通道称为干扰通道。通常所讲的对象特性是指控制通道的对象特性。

被控对象的特性参数：放大系数K 时间常数T 滞后时间τ（滞后分为传递滞后和容量滞后）

加入的激励信号不一样，实验数据的分析方法也不一样，据此分类，常用的实验测定法主要有以下几种：时域分析

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法频域分析法统计分析法

单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。

被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数

在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制工程作用的变量就是操纵变量。 执行器：接收调节器送来的控制信号，调节管道中介质的流量，从而实现生产过程的自动控制。 执行器通常为调节阀，包括执行机构和阀两个部分

调节器是控制系统的心脏，他的作用是将测量变送信号与给定值相比较产生偏差信号，然后按一定的运算规律产生输出信号，推动执行器，实现对生产过程的自动控制。调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。 基本的调节规律可归为四种：位式、比例、积分、微分。其中，除位式是断续调节外，其他都是连续调节规律。 对于输入输出信号都是统一标准信号的调节器，比例度与比例互为倒数关系，即调节器的比例度越小，则比例放大倍数越大，比例控制作用越强 比例度减小，系统的余差也随之减小

对积分调节器来说，其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还取决于偏差存在时间的长短。只有在偏差等于零的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳定。因此可以认为，积分控制作用是力图消除余差。 比例积分调节规律（PI） 比例积分微分调节规律（PID） 串级控制系统的主要特点： 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

均匀控制特点：1.表征前后供求矛盾的两个变量都应该是变化的，且变化是缓慢的 2.前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内

实现均匀控制，可行方案1.简单均匀控制2.串级均匀控制3双冲量均匀控制

第三章

仪表环节：感受器（传感器）、中间件（变送器或变换器）、显示件（显示器）、传输通道。 传感器要求：灵敏性准确性稳定性其他。传感器也往往被称为敏感元件、一次仪表

显示仪表常被称为二次仪表。显示方式有三种类型：指示式(模拟式显示)、数字式、屏幕式（图像显示式） 测量结果与被测变量真值之差称为误差 误差：系统误差随机误差粗大误差

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传感器由敏感元件、转换元件、测量电路与其他辅助部件组成 敏感元件是整个传感器核心

热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶

热电偶基本定律：1.均匀导体定律2.中间导体定律3.中间温度定律4.标准电极定律

中间温度定律两种匀质导体A与B构成的热电偶，两端温度为t和t0,如果存在一个中间温度tn,则热电势存在以下关系

转子式流量计的测量原理：转子式流量器由一个锥形管和一个可在锥形管中上下自由运动的转子两个基本部分组成。当被测流体通过锥形管时，流体从转子与锥形管的环隙中流过，转子受到一个向上的力而浮起。当转子在流体中受到的向上作用力与转子在流体中的重量相等时，转子就静止在某一高度上。这样通过转子的重力、浮力求得转子两边的压差后，可以根据压差求得流体通过环隙的速度，进而求得所测的流量。 物位是液位、料位及界位的统称，其中液位指容器内液体介质液面的高低。

电容式液位计由电容式液位传感器和测量电路两部分组成，传感部件结构简单，动态响应快，能够连续、及时地测量液位的变化。

电容法测液位原理：电容器由两个同轴的金属圆筒组成，两圆筒半径分别为R，r，高为L。当两筒之间充满介电常

数为ε的介质时，则两筒之间电容量为

2L2(1)hc若圆筒电极的一部分被介电常数为ε>ε1）的另一种介1（设εRRlnlnrr在ε、ε1、R、

质充满，在保证电容不放电的情况下，电容量发生变化，则两式相减得

r均为常数时，电容变化量ΔC与液位高度h成正比。当测得电容变化后，可以测得h的大小。

选择液位计主要考虑：仪表特性工作环境输出方式

过程控制装置与被控对象构成了过程控制系统的基本要素。测量变送单元、调节器和执行器三个环节构成了过程控制装置的硬件

差压变送器用来把差压、流量、液位等被测参数转换成统一标准信号，并将此统一信号输送给指示、记录仪表或调节器等，以实现对上述参数的显示、记录或调节。

DDZ-Ⅲ型系列差压变送器是两线制安全火花型变送器，主要用于测量液体、气体或蒸汽的差压、流量、液位、相对

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密度等物理量。其主要性能指标：输出信号4~20mA;供电电压24V DC±10%;负载电阻250~350Ω；基本误差±0.5%；变差±0.25%；灵敏度±0.05%；长期稳定性±0.3%

防爆安全栅的作用

防爆安余栅分输入式安全栅和输出式安伞栅两种.图1-4是安全栅作用示意图。

电动仪表中的变送器、执行器、电气转换器、安全栅属安全火花防爆仪表.安全栅安装在安全场所，作为控制室仪表和现场仪表的关联设备。一方面传输信号，另一方面把流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的安全火花性能.安全姗起隔离危险场所和安全场所的作用。

2.防爆安全结构的分类（1）隔爆型（2）本质安全防爆

防爆安全栅放在安全场所的入口处，他不会影响到仪表的正常工作，只会起到防止危险能量由安全场所进入危险场所的作用。目前用得最多的防爆安全栅有齐纳式安全栅与变压器隔离式安全栅 标准仪表的信号标准：目前大多数模拟仪表遵循4~20mA DC的标准信号范围。

调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值（给定值）相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。假如被调参数的测量值增加时，调节器的输出信号也增加，则称为正作用调节器，反之为反作用调节器。 调节器分类：直接作用调节器间接作用调节器

集成运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点。 PID调节器从整定方式来分，有普通型和电整定型

PID调节器主要由输入电路 PID运算电路和输出电路三部分组成

执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操纵量，达到对被调参数进行调节的目的。 执行器按照工作能源分类：液动启动电动执行器

气动执行器由气动执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按调节器输出气压信号（20~100kPa）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生相应位移，推动调节机构动作，因此是将信号压

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力大小转换为阀杆位移的装置。调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被调介质接触，调节流体的流量，是将阀杆位移转换为流过阀的流量的装置。

气动薄膜执行机构：调节信号压力增大，阀杆向下移动的，称为正作用式；反之称为反作用式，正作用式的信号压力通入波纹膜片上方的薄膜气室，而反作用式的信号压力通入波纹膜片下方的薄膜气室

调节阀有正作用和反作用两种，当阀芯向下位移时，阀芯与阀座之间的流通截面积减少时，称为正作用式或正装；反之，则称为反作用式或反装

调节阀的流量特性是指被调介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）之间的关系，表示为

在调节阀前后压差一定情况下的流量特性称为调节阀理想流量特性。根据阀芯形状的不同，主要有直线、等百分比、抛物线及快开四种理想流量特性。

中国规定的流量系数定义为：在给定行程下、阀两端的压差为0.1MPa、流体密度为1000kg/m时每小时流经调节阀的流量数（m/h）,以C表示。当调节阀全开时的流量系数称为额定流量系数，以C100表示。C100反应了调节阀容量的大小，是确定调节阀口径大小的主要依据

阻塞流：当阀入口压力p1保持恒定，并逐步降低出口压力p2时，流过阀的流量会增加到一个最大值；这时若继续降低出口压力，流量不在增加，此极限流量称为阻塞流。在阻塞流的条件下，流经阀的流量不随阀后压力的降低而增加

在过程控制系统中，由于调节执行单元品种繁多，电气信号常常混用，因而需要进行电-气或气-电信号之间的转换。电-气转换器可以把从电动变动器来的电信号（0~10mA或4~20mA）变成气信号（0.02~0.1MPa）,送到气动调节器或气动显示仪表；也可以把电动调节器输出信号变成气信号去驱动气动调节阀，此时常用电-气阀门定位器

电动阀门定位器主要功能：1.用来改善调节阀的定位精度2.改善阀门的动态特性3.改变阀门动作方向4.用于分程控制

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第五章

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计算机控制系统的控制过程分为下列三个步骤：

（1）实时数据采样：测量被控变量的当前值，通过A /D转化为离散的数字化信号。 （2）实时判断：判断被控变量的当前值与给定值的偏差。

（3）实时控制：根据偏差，作为控制决策。即按照预定的算法（如PID）对偏差进行运算，以及适时适量地向执行机构发出控制信号。

实际PID的位置式p199

积分分离PID的基本思想是设定一个偏差e的阀值，当e大于这个阀值时，消去积分项的作用；当e小于或等于这个阀值时，引入积分项的作用。应用场合：在实际过程控制中，一般当起动、给定值突变时消去积分项作用；当进入稳定值附近调节时，引入积分项的作用，可以消除静差。这样一方面防止了调节一开始就有过大的控制量；另一方面即使进入饱和，因积分累加小，也能较快退出，从而减小超调量。 积分分离法可表示为

>A时，消去积分项，采用PD控制 当e(k)=|R-y(k)|

≥A时，引入积分项，采用PID控制

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