化工过程控制复习答案1

第1章 自动控制系统基本概念

填空题：

1. 自动控制系统主要由测量元件与变送器、控制器、执行器和被控对象组成。

2. 自动控制系统中，将工艺参数需要控制的设备、机器或生产过程等，称为被控对象。

3. 自动控制系统的干扰作用是指除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的一切因素。 4. 自动控制系统中的操纵变量是指受执行器控制，用以克服干扰的影响，使被控变量保持给定值的物料流量或能量。

5. 自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 6. 仪表符号除了图形外，圆圈之中还有一串由字母和数字组成的代号，称为仪表位号。

7. 自动控制系统的动态是指被控变量随时间变化的不平衡状态。

8. 自动控制系统的静态是指被控变量不随时间变化的平衡状态。

9. 在分析和设计控制系统时，最常选用的干扰形式是阶跃干扰。

10. 一般来说，自动控制系统在阶跃干扰作用下，希望得到的过渡过程是衰减振荡过程。

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11. 衰减振荡过渡过程的衰减比一般取4：1至10：1范围内为宜。 选择题：

1. 下列图形符号中，表示集中仪表盘面安装仪表的是（ C ） A．D． B．

C．

2. 下列图形符号中，表示就地仪表盘后安装仪表的是（ B ） A．D． B．

C．

3. 自动控制系统方块图中带有箭头的线条表示（ A ）

A．信号的相互关系，箭头指向方块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个 环节的输出

B．物料从一个设备进入另一个设备 C．能量从一个设备进入另一个设备

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D．既表示方框之间的物料流动方向，又表示方框之间的信号流向，两者是一致的

4. 自动控制系统可分为定值系统、随动系统和程序系统，其分类标准是（ D ）

A．被控变量的名称 B．控制器的控制规律

C．控制系统的复杂程度 D．给定值的特点

简答题：

1. 简述自动控制系统中都采用负反馈控制的原因。 答：采用负反馈，是因为当被控变量受到干扰作用后，若使其升高，则反馈信号升高，经过比较，偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用，其作用方向与干扰作用方向相反，致使被控变量下降，这样就达到了控制的目的。

2. 附图所示为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。

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题4图

答：PI-307：第3工段第07号压力指示仪表，就地安装；TRC-303：第3工段第03号具有指示、记录功能的温度控制器，集中仪表盘面安装；FRC-305：第3工段第05号具有指示、记录功能的流量控制器，集中仪表盘面安装。

3. 在研究控制系统时，为什么常采用阶跃信号作为系统的输入信号？

答：因为阶跃信号具有突发性，比较危险，且持续时间较长，对被控变量的影响较大。如果一个控制系统能够有效地克服这种扰动的影响，那么对于其他比较缓和的扰动也一定能够很好地克服。另外，阶跃信号的数学表示形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。

4. 自动控制系统衰减振荡过渡过程主要有哪些品质指标？

答：最大偏差或超调量、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或频率。

5. 某温度控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如附图所示。已知系统给定值为

题8图

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40℃，试问该过渡过程的最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（按温度进入 2% 新稳态值即视为达到稳定来确定）和振荡周期分别是多少？

解：最大偏差：A=45-40=5℃；余差：C=41-40=1℃；衰减比：n=B/B=(45-41)/(42-41)=4:1；过渡时间：ts=23min；振荡周期：T=18-5=13min

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第2章 被控对象的数学模型

填空题：

1. 对象的通道是指由对象的输入变量至输出变量的信号联系。

2. 对象的干扰通道是指干扰作用至被控变量的信号联系。

3. 对象的控制通道是指操纵变量至被控变量的信号联系。

4. 描述对象特性的三个参数分别是放大系数、时间常数、滞后时间。

5. 时间常数是表示对象受到输入作用后，其输出变化快慢的参数。

6. 对象纯滞后产生的原因是物料的输送或热的传递需要一段时间。

7. 对象容量滞后产生的原因是物料或能量的传递需要通过一定的阻力。

8. 已知某一阶对象的时间常数为5，放大系数为10，则描述该对象特性的微分方程式为

5dytyt10xtdt 。

选择题：

1. 被控对象的特性是指（ A ）

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A．被控对象的输入与输出之间的关系 B．扰动变量与操纵变量之间的关系

C．操纵变量与被控变量之间的关系 D．整个自动控制系统的输入与输出之间的关系 2. 控制通道是指（ B ）

A．操纵变量至扰动变量的信号联系 B．操纵变量至被控变量的信号联系

C．扰动变量至被控变量的信号联系 D．输入变量至被控变量的信号联系 3. 不具有自衡特性的是（ C ）

A．一阶对象 B．二阶对象 C．积分对象 D．纯滞后一阶对象

4. 属于对象的静态特性参数的是（ A ）

A．放大系数 B．时间常数 C．纯滞后时间 D．容量滞后时间

5. 对于控制通道来说，放大系数 K 大，说明（ C ） A．操纵变量对被控变量的影响小 B．干扰变量对被控变量的影响小

C．操纵变量对被控变量的影响大 D．干扰变量对被控变量的影响大

6. 干扰通道的放大系数 K 小，表明（ B ） A．操纵变量对被控变量的影响小 B．干扰变

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量对被控变量的影响小

C．操纵变量对被控变量的影响大 D．干扰变量对被控变量的影响大

7. 某被控对象用阶跃响应曲线法测取对象特性，现得如附图所示的响应曲线，则该对象的放大系数和时间常数分别为（ D ）

A．6，5 B．5，3 C．10，6 D．5，6

题8图

8. A．5dytyt6xt B．6dytyt5xt

dtdtC．3dytyt5xt D．6dytyt10xt

dtdt题9图

9. 某被控对象用阶跃响应曲线法测取对象特性，现得

x 2 y 10 6.32 0 t / min 0 5 10 t / min 题10图

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如下图所示的响应曲线，则该对象的放大系数、时间常数和纯滞后时间分别为（ D ）

A．5，10，5 B．10，5，10 C．10，10，10 D．5，5，5

10. 某被控对象特性可用微分方程4dy(t)y(t)2x(t)表示，则

dt该对象的放大系数和时间常数分别为（ B ）

A．4，2 B．2，4 C．2，1 D．4，1 简答题：

1. 已知某对象特性可用微分方程Tdy(t)y(t)Kx(t)来表示，

dt试写出其阶跃响应函数（阶跃输入时刻t0 = 0），并说明各符号的含义。

答：ytKA1e。式中，y为对象输

tT蒸汽流量/(m3h-1) 28 出变化量，K为放大系数，T为时间常数，t为时间，A为阶跃输入的幅值。

2. 为了测定某物料干燥筒的对象特性，在t0 = 0时刻突然将加热蒸汽量从25 m3/h增加到28 m3/h，

25 t / min 温度/oC 150 120 0 2 6 t / min 题4图

物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程。

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答：放大系数Ky()A(150120)(2825)10，时间常数T = 6-2 = 4 min，纯滞后时间 =2 min。

所以，对象特性的微分方程为4dyt2yt210xt

dt式中，y是物料干燥筒温度变化量；x是加热蒸汽流量变化量。 计算题：

1. 某温度对象在单位阶跃输入信号作用下，其被控变量的变化曲线如附图所示。试求该对象的放大系数和时间常数。（已知

ln51.61）

解：从图中可以看出，该对象是一阶对象，动态方程为

TdytytKxtdt。其阶跃响应函数

（温度变化量与时间的关系）为

ytKA1etT。

题1图

放大系数：KyA8060120

将 t = 5 min，y(t) = 76-60=16 代入阶跃响应函数，即

16201e5T

可解出时间常数：T = 3.1 min。 分析题：

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1. 试分析不同通道的对象特性参数（K、T和）对自动控制系统的影响。

答：控制通道：放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响大，即控制作用对干扰的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。在相同的控制作用下，时间常数T大，则响应慢、控制作用迟缓、过渡时间长、超调量大；时间常数T小，则响应快、控制及时、过渡时间短、超调量小；但T太小，会使响应过快、容易引起振荡、降低系统稳定性。滞后时间 的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间 。干扰通道：放大系数K大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；放大系数K小，既使干扰较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。时间常数T大，干扰作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。纯滞后的存在，相当于将干扰推迟0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质，而容量滞后h的存在，则将使干扰的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，

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因此，对系统是有利的。

试

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第3章 检测仪表与传感器

填空题：

1. 仪表的精确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪表的 测量范围 有关。

2. 工业上将仪表绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示，称为 相对百分误差 。

3. 某压力表量程为0～100 kPa，在50 kPa处计量检定值为49.5 kPa，那么该表在50 kPa处的相对百分误差等于 0.5% 。

4. 仪表的允许误差是指 在规定的正常情况下仪表允许的最大相对百分误差 。

5. 标准信号是指 物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号 。

6. 弹性式压力计中，常用的三种弹性元件分别是 弹簧管、薄膜、波纹管 。

7. 弹性式压力计是根据 弹性元件受力变形 原理，将被测压力转换成位移信号来进行测压的。 8. 压力传感器的作用是 把压力信号检测出来，并转换成电信号输出 。

9. 差压式流量计是基于流体流动的 节流 原理来进行流量测量的。

10. 节流式流量计中，常用的三种节流元件分别是

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孔板、喷嘴、文丘里管 。

11. 差压式液位变送器零点迁移的目的是 使H=0时，变送器输出为I0, min（如4mA） 。

12. 差压式液位变送器零点迁移的实质是 改变变送器的零点 。

13. 热电偶温度计是根据 热电效应 原理来测量温度的。

14. 热电偶产生热电势的条件是 两热电极材料不同且两接点温度不同 。

15. 热电偶的分度表是以冷端温度等于 0℃ 为基准来分度的。

16. 在0～100℃范围内，补偿导线与其所连接的热电偶应具有相同的 热电特性 。

17. 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。

18. 热电阻温度计是利用 金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性 来测量温度的。 选择题：

1. 某压力表刻度为0～100 kPa，在50 kPa处计量检定值为49.5 kPa，那么在50 kPa处仪表的绝对误差、

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相对误差、相对百分误差分别是（ D ） A．0.5 kPa，0.5%，1% B．0.5 kPa，0.5%，0.5%

C．0.5 kPa，1%，1% D．0.5 kPa，1%，0.5%

2. 压力传感器的作用是（ C ）

A．把压力信号检测出来，并转换成位移信号输出 B．把电信号检测出来，并转换成压力信号输出 C．把压力信号检测出来，并转换成电信号输出 D．把位移信号检测出来，并转换成电信号输出 3. 下列属于弹性式压力计的是（ C ）

A．U型管压力计 B．热电偶 C．波纹管式压力计 D．霍尔片式压力传感器

4. 根据“化工自控设计技术规定”，测量稳定压力时，压力计的测量上限值应大于等于最大工作压力的（ A ）

A．3/2倍 B．2倍 C．5/3倍 D．3倍

5. 根据“化工自控设计技术规定”，测量脉动压力时，压力计的测量上限值应大于等于最大工作压力的（ B ）

A．3/2倍 B．2倍 C．5/3倍

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D．3倍

6. 关于压力表的安装说法有误的是（ C ） A．测量液体压力时，取压点应在管道下部 B．测量气体压力时，取压点应在管道上部 C．测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向平行

D．导压管水平安装时应保证有一定的倾斜度 7. 下列不属于速度式流量计的是（ D ）

A．差压式流量计 B．转子流量计 C．涡轮流量计 D．椭圆齿轮流量计 8. 节流式流量计是根据（ A ）

A．流体流经节流装置时产生的压力差来测量流量的

B．压降不变，节流面积的变化来测量流量的 C．流体流经节流装置时产生的速度变化来测量流量的

D．流体流经节流装置时产生的机械能损失来测量流量的

9. 在节流面积不变的条件下，以差压的变化来反映流量大小的是（ C ）

A．转子流量计 B．旋涡式流量计 C．孔板流量计 D．电远传式转子流量计

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10. 在节流式流量计中，要用到节流元件，常用的节流元件是（ C ）

A．转子、孔板、喷嘴 B．孔板、皮托管、文丘里管

C．孔板、喷嘴、文丘里管 D．转子、孔板、皮托管

11. 关于转子流量计，下列叙述不正确的是（ D ） A．基于节流原理 B．不适宜测脏污介质

C．适用于小流量测量 D．是标准化仪表 12. 使用时要注意“零点迁移”问题的液位计是（ C ）

A．玻璃式液位计 B．浮标式液位计

C．差压式液位计 D．电气式液位计 13. 附图所示的差压变送器测量液位时，差压变送器的零点（ A ）

A．需要正迁移 B．需要负迁移 C．不需要迁移 D．不能进行迁移 14. 热电偶温度计是根据（ D ）

A．物体受热时体积膨胀的性质来测量温度的 B．金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来

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测量温度的

C．半导体元件的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的

D．热电效应来测量温度的

15. 在热电偶回路中接入第三种导线，以便测量其热电势。为了保证热电势的数值不受影响，所接入的第三种导线应满足的条件是（ A ）

A．两端温度相同 B．与热电偶具有相同热电特性

C．纯金属，不含任何杂质 D．无需满足任何条件

16. 用热电偶测温时，常采用补偿导线。补偿导线的作用是（ B ）

A．为了接入其他测量仪表 B．为了延伸冷端，使冷端远离热端

C．与第三导线的作用相同 D．为了改变整个回路中的热电势

17. 工业热电阻温度计是根据（ B ）

A．物体受热时体积膨胀的性质来测量温度的 B．金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的

C．半导体元件的电阻值随温度变化而变化的特性

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来测量温度的

D．热电效应来测量温度的

18. 一支分度号为Pt100的热电阻，说明它（ D ） A．在室温时的电阻值为100 Ω B．在100℃时的电阻值为100 Ω

C．在20℃时的电阻值为100 Ω D．在0℃时的电阻值为100 Ω 简答题：

1. 简述差压式流量计测量流量的原理。

答：差压式流量计的测量原理，是基于在充满流体的管道内安装节流装置，当流体流过该节流装置时，由于流体流束的局部收缩而使流速加快、静压力降低，于是在节流装置前后便产生了静压差。此静压差的大小与流体流量有关，流量愈大，静差压也愈大，因此只要测出静差压就可以确定流体流量。

2. 简述转子流量计与差压式流量计在工作原理上的区别。

答：差压式流量计采用的是恒节流面积、变压差的流量测量方法，即在节流面积（如孔板流通面积）不变的条件下，以压差变化来反映流量的大小。而转子流

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量计采用的是恒压差、变节流面积的流量测量方法，即以压差不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。

3. 如何判断差压式液位变送器的“无迁移”、“正迁移”和“负迁移”？

答：当液位高度H=0时，若变送器正、负压室的压差p=0，则为无迁移；当H=0时，若p<0，则为负迁移；当H=0时，若p>0，则为正迁移。

4. 简述热电偶温度计的测温原理。

答：以热电效应为基础进行测温的。两种不同材料的导体A和B，将两端连接在一起，组成闭合回路。如果将两个接点分别置于温度为 t 和 t0 （t  t0）的热源中，则该回路内就会产生热电势。对于确定的热电偶，若冷端温度t0保持不变，则热电势就成为热端温度t的单值函数，而与热电偶的长短、直径无关。因此，只要测出热电势的大小，就能确定被测温度的高低。

5. 在使用热电偶补偿导线时，需要注意哪几点？ 答：应注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿

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导线连接端所处温度不应超过100℃。

6. 简述热电偶与热电阻在测温原理上的区别。 答：热电偶是以热电效应为基础，将温度的变化转化为热电势的变化来测量温度的；热电阻是以电阻热效应为基础，将温度的变化转化为电阻值的变化来测量温度的。 计算题：

1. 某压力变送器测量范围为0～400 kPa，在校验时测得的最大绝对误差为 -5 kPa，试计算该变送器的最大相对百分误差，并确定其精度等级。（已知国产仪表常用精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等）

解：校验所得，仪表的最大相对百分误差为5100%1.25%

4000去掉“”和“%”，该变送器的精度等级应为1.25级，但国家规定的精度等级中没有1.25级，因而应取低一级的精度，即1.5级

2. 现有一只以水标定的转子流量计用来测量某液体的

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流量，已知转子材料的密度为10.0 g/cm3，被测液体的密度为2.0 g/cm3，试问流量计读数为3.6 L/s时，被测液体的实际流量是多少？ 解：修正公式Qfw(tf)Qf(tw)0

因此Qf1(102)3.62.4(L/s)2(101)

3. 现有A、B和C三种导体构成热电偶回路，各接点温

度如附图所示。已知eAB(240℃) = 9.747 mV，eAB(50℃) = 2.023 mV，eAC(50℃) = 3.048 mV，eAC(10℃) = 0.591mV。试求该回路的总热电势。 解法一：E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)， 而eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0

E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV

题7图

解法二：利用中间导体定律

E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10) = 10.181 mV

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4. 用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势EK为20 mV，冷端（室温）为25℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势EE为多少？已知两种热电偶的分度表中部分数据如下：

温度25 285 300 485 509 510 /℃ EK /mV EE /mV 解：（1）由题意知，E所以，t509℃ （2）E

5. 某现场采用Cu50的铜热电阻测量温度，已测得热电阻Rt为80 ，试计算现场测温点处的实际温度为多少？（已知R100 = 71.4 ）

E1.0 11.6 12.2 20 1.5 20 21 21.1 21 35.7 37.7 37.8 K(t,25)20mV；

EK(t,0)EK(t,25)EK(25,0)20121mV

(509,25)EE(509,0)EE(25,0)37.71.536.2mV

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RtR01tt0解：根据电阻值与温度的关系 将R0 = 50 ，R100 = 71.4 代入，可得

RtR071.4504.28103 R0(tt0)50(1000)RtR080500140.2℃ 3R04.281050所以，tt

0分析题：

1. 在热电阻使用过程中，经常会出现如下一些问题，试分析其产生原因。

（1） 显示仪表指示值低于实际值或者指示不稳定； （2） 显示仪表指示无穷大； （3） 显示仪表指示负值； （4） 阻值与温度的关系有变化。

答：（1）可能是由于保护管内有金属屑、灰尘或接线柱间积灰，以致造成接触不良，接触电阻增大，也可能是由于热电阻短路造成的。（2）由于热电阻断路或是引出线断路造成的。（3）显示仪表与热电阻接线有错误，或是热电阻短路了。（4）可能是由于电阻丝受腐蚀变质造成的。

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第4章 显示仪表

填空题：

1. 配热电阻的动圈仪表是根据 不平衡电桥 原理来测量热电阻变化的。

2. 热电阻测温常采用三线制接法，其目的是 消除连接导线电阻造成的附加误差 。

3. 为了消除连接导线电阻造成的附加误差，热电阻测温常采用 三线制 接法。

4. 自动电子电位差计是根据 电压平衡 原理来测量热电势的。

5. A/D转换的功能是 使连续变化的模拟量转换为断续变化的数字量 。

6. 数字式显示仪表主要由 模-数转换、非线性补偿和标度变换 三大部分组成。 选择题：

1. 热电阻测温常采用“三线制”接法，其目的在于（ C ） A

．

使

回

路

电

阻

为

定

值

B．获得线性刻度

C．消除连接导线电阻造成的附加误差 D．使工作电流为定值

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2. 自动电子电位差计是根据（ B ）

A．平衡电桥原理测量热电阻变化的

B．电位平衡原理来测量被测电势的

C．不平衡电桥原理测量热电阻变化的 D．平衡电桥原理测量被测电势的

3. 图示为我国统一设计的XW系列自动电子电位差计的测量桥路原理图，图中，热电偶的冷端温度补偿电阻是（ C ） A．RG B．R4 C．R2 D．RB

4. 自动电子电位差计的测量桥路与热电偶之间的连接方式是（ C ）

A．热电偶连接在测量桥路中 B．三线制连接

C．热电偶连接在测量桥路的输出回路中 D．连接方式应视具体情况而定

5. 自动电子平衡电桥的测量桥路与热电阻之间的连接方式是（ A ）

600℃ 60℃ - 26 -

25℃ 补偿导线 60℃ 25℃ 题8图

显示 仪表 题11图

A．热电阻连接在测量桥路中 B．热电阻采用两线制连接在测量桥路的输出回路中

C．热电阻采用三线制连接在测量桥路的输出回路中 D．连接方式应视具体情况而定

6. 某热电偶测温系统如附图所示，显示仪表应选用（ D ）

A．动圈式仪表 B．不平衡电桥 C．电子平衡电桥 D．电子电位差计 7. 在数字式显示仪表中，A/D转换的主要任务是（ C ）

A．将信号处理成线性特性，以提高仪表测量精度 B．将工艺变量转换为电压或电流值

C．使连续变化的模拟量转换为断续变化的数字量 D．将较小的输入信号放大至伏级电压幅度 简答题：

1. 简述热电阻的三线制接法及其采用原因。 答：三线制接法就是从热电阻引出三根导线，其中与热电阻两端相连的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂上，而第三根导线与稳压电源的负极相连。采用三线制接法是为了消除连接导线电阻造成的附加误差。

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2. 图示为国产电子电位差计的测量桥路原理图，试问电阻R2、RG、RM、RP和R4各起什么作用？ 答：R2：热电偶冷端温度补

题3图

偿；RG：决定仪表测量下限；RM：决定仪表量程范围；RP：滑线电阻；R4：上支路限流电阻。 3. 图示为国产电子电位差计的测量桥路原理图，试问它是如何实现对热电偶冷端温度自动补偿的？

题4图

答：电阻R2用铜丝绕制，让R2与热电偶冷端处于同一温度。铜电阻的阻值随着温度升高而增加，则R2上的电势也增加，而热电偶的热电势却随冷端温度的升高而降低。如配置得当（因温度变化而引起的铜电阻R2上的电势变化量恒等于热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值），就可以达到温度补偿的目的。

4. 简述电子电位差计与电子平衡电桥在工作原理上的

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区别。（电子电位差计是根据电压平衡原理来测量热电势的，而电子平衡电桥是根据平衡电桥原理来测量热电阻变化的。在测量时，两者的测量桥路所处的状态有何区别？）

答：电子电位差计是根据电压平衡原理来测量热电势的，而电子平衡电桥是根据平衡电桥原理来测量热电阻变化的。前者在测量时，测量桥路处于不平衡状态，有不平衡电压输出，它与被测电势大小相同，而极性相反，这样才能与被测电势相补偿，从而使仪表达到平衡状态。而后者，当仪表达到平衡时，测量桥路本身处于平衡状态，无输出。

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第5章 自动控制仪表

填空题：

1. 比例积分控制规律的输出与输入之间的关系是

1pKPeedtTI 。

2. 比例积分微分控制规律的输出与输入之间的关系是

1depKPeedtTDTdtI 。

3. 单元组合式比例控制器的放大倍数KP与比例度 的关系为

1100%KP 。

4. 某单元组合式比例控制器的比例度 = 50%，则其比例放大倍数KP = 2 。

5. 积分 控制规律具有能消除余差的优点。 选择题：

1. 积分控制规律的特点是（ D ）

A．反应快，控制及时，有余差存在 B．反应慢，控制不及时，有余差存在

C．反应快，控制及时，能消除余差 D．反应慢，控制不及时，但能消除余差 2. 微分控制的特点（ A ）

A．按偏差变化的速度进行控制，具有超前控制之称；当偏差固定时，没有输出，因而

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控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用 B．按偏差的大小进行控制，偏差大，控制作用也强；控制及时，但控制结果存在余差

C．按偏差的积分进行控制，当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。当偏

差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而其可以消除余差

D．当偏差固定时，没有输出，因而控制比较缓慢且不能消除偏差

3. 比例积分控制规律的特点是（ C ）

A．反应快，控制及时，有余差存在 B．反应慢，控制不及时，有余差存在

C．反应快，控制及时，能消除余差 D．反应慢，控制不及时，但能消除余差

4. 比例控制器的比例度越大，表明比例控制作用（ D ）

A．越大 B．不变 C．越强 D．越弱

5. 一台比例积分控制器，若其比例度保持不变，将积分时间分别置为2 min、4 min、6 min、8 min，则积分控制作用最强的积分时间为（ A ） A．2 min B．4 min C．6 min D．8

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min

题16图

6. 控制系统在控制器不同比例度情况下，分别得到两条过渡过程曲线如附图所示，比较两条曲线所对应的比例度大小和比例作用强弱（ A ） A．图(a)曲线对应的比例度较小，比例作用较强 B．图(a)曲线对应的比例度较小，比例作用较弱 C．图(a)曲线对应的比例度较大，比例作用较强 D．图(a)曲线对应的比例度较大，比例作用较弱 简答题：

1. 何谓比例控制器的比例度？

答：比例度是表示比例控制作用强弱的一个参数。在数值上比例度等于控制器输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。比例度也可以理解为使控制器的输出变化满刻度时（即控制阀从全关到全开或相反），相应所需的输入偏差变化量占仪表测量范围的百分数。

2. 写出PID控制器的输入、输出之间的数学表达式，并说明其中KP、TI、TD的意义。

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1答：pKeedtTPTIDdedt；KP是放大倍数，TI是积分时间，

TD是微分时间。 计算题：

1. 一台DDZ-II 型液位比例控制器，测量范围为0～2.0 m，若指示值从0.4 m增大到0.6 m，控制器的输出相应从5 mA增大到7 mA，试求控制器的比例度及放大倍数。 解：

2. 一台具有比例积分控制规律的DDZ-II 型控制器，其比例度 为200%，稳态时输出为5 mA。在某瞬间，输入突然变化了0.5 mA，经过30 s后，输出由5 mA变为6 mA，试求该控制器的积分时间TI。

；其阶跃响应为1解：比例积分控制规律为pKeedtPzzmaxzminp0.60.475100%100%50%pmaxpmin2.00100；KP11250%

TIpKPAKPAtTI。

由题意知，A = 0.5 mA，t = 30 s，KP = 1/ = 0.5，p = 6-5 =1 mA，

10.50.50.50.530TI，所以TI = 10 s

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分析题：

1. 试述自动控制系统中最常用的三种控制规律及其特点和应用场合。

答：控制系统中常用的控制规律有比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）控制规律。比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号（给定值与测量值的偏差）成比例。它的特点是控制及时，克服干扰能力强，但在系统负荷变化后，控制结果有余差。这种控制规律适用于对象控制通道滞后较小、负荷变比不大、对控制要求不高的场合。比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例，而且与输入信号对时间的积分成比例。它的特点是能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。这种控制规律适用于对象滞后较小、负荷变化不大、控制结果不允许有余差存在的系统。比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用，微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。这种控制规律适用于对象容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。

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第6章 执行器

填空题：

1. 气动执行器主要由 执行机构和控制机构 两部分组成。

2. 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之间的关系 。 3. 控制阀的理想流量特性取决于 阀芯的形状 。 4. 控制阀所能控制的最大流量与最小流量的比值 ，称为控制阀的可调范围。

5. 执行器的气开、气关选择原则是由 工艺生产上安全要求 决定的。

6. 流量系数 是表示控制阀的容量大小和流通能力的参数。

7、三通控制阀是指 有三个出入口与工艺管道相连流通方式有合流和分流 选择题：

1. 在理想情况下，直线流量特性控制阀的相对流量与相对开度之间的关系为（ A ） A．

QdQmaxKldLQdQmaxKQlQmaxdL B． C．

Q1dQQ2maxKQlmaxdL

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D．

Qd1QQmaxKQlmaxdL

QdQmaxKldL2. 直线流量特性控制阀的放大系数，随着阀门

相对开度的增加，放大系数（ C ）

A．逐渐减小 B．逐渐增大 C．保持不变 D．可能增大，也可能减小 3. 等百分比流量特性控制阀的放大系数

QdQKmaxldL，随着

阀门相对开度的增加，放大系数（ B ）

A．逐渐减小 B．逐渐增大 C．保持不变 D．可能增大，也可能减小

4. 对于并联在管道上的控制阀来说，随着分流比 x 减小，意味着（ D ）

A．控制阀放大系数减小，管路总流量减小，实际可调比减小

B．控制阀放大系数增大，管路总流量增大，实际可调比增大

C．控制阀放大系数减小，管路总流量增大，实际可调比增大

D．控制阀放大系数减小，管路总流量增大，实际可调比减小

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5. 气关阀是指当信号压力增大时阀的开度逐渐减小，无信号压力时阀（ C ）

A．保持原来开度 B．开度减小 C．全开 D．全关

6. 气开阀是指当信号压力增大时阀的开度逐渐增大，无信号压力时阀（ D ）

A．保持原来开度 B．开度增大 C．全开 D．全关

7. 执行器的气开、气关选择原则是由（ A ） A．工艺生产设备和人身安全决定的 B．控制机构的正、反作用决定的 C．执行机构的正、反作用决定的

D．执行机构的正、反作用和控制机构的正、反作用组合决定的 简答题：

1. 气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？ 答：气动执行器主要由执行机构和控制机构两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号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。控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，

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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。

2. 何谓控制阀的流量特性、理想流量特性和工作流量特性？

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（相对位移）之间的关系：

QQmaxf(l/L)，式中相对流量QQ是控制阀某一开度时

max流量Q与全开时流量Qmax之比，相对开度l/L是控制阀某一开度时的阀杆行程l与阀杆全行程L之比。阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性。在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特性称为工作流量持性。

3. 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、气关的选择主要是由工艺生产上安全要求决定的。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。

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4. 附图所示加热炉出口温度控制系统，控制阀控制的是燃料油的流量，则控制阀应选择气开还是气关式？并简述理由。

题6图

答：应选气开式控制阀。因为当控制器发生故障或仪表供气中断时，应立即停止燃料油加入炉内，否则炉温继续上升会导致炉管烧坏。 分析题：

1. 在实际生产中，如果由于负荷的变动，使原设计的控制阀尺寸不能相适应，会有什么后果？为什么？ 答：控制阀的尺寸是按负荷的大小、系统提供的压差、配管情况、流体性质等设计的。如果由于生产负荷的增加，使原设计的控制阀尺寸显得太小时，会使控制阀经常工作在大开度，控制效果不好，当出现控制阀全开仍满足不了生产负荷的要求时，就会失去控制作用。此时若企图开启旁路阀，来满足对负荷的要求，就会使控制阀特性发生畸变，可调范围大大降低；当生产中由于负荷减少，使原设计的控制阀尺寸显得太

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大时，会使控制阀经常工作在小开度。控制显得过于灵敏（对于直线流量特性的控制阀，尤为严重），控制阀有时会振动，产生噪声，严重时发出尖叫声。此时为了增加管路阻力，有时会适当关小与控制阀串联的工艺阀门，但这样做会使控制阀的特性发生严重畸变，甚至会接近快开持性，控制阀的实际可调范围降低，严重时会使阀失去控制作用。所以当生产中负荷有较大改变时，在可能的条件下，应相应地更换控制阀，或采用其他控制方案，例如采用分程控制系统，由大、小两个控制阀并联，就可以在较大范围内适应负荷变动的要求。

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第7章 简单控制系统

填空题：

1. 广义对象包括 被控对象、测量变送装置和执行器 。 2. 在简单控制系统中，确定控制器正、反作用的目的是 使控制系统构成负反馈 。

3. 被控变量随操纵变量的增加而增加的对象为 正 作用方向。 选择题：

1. 有关简单控制系统中操纵变量的选择，不正确的是（ C ）

A．操纵变量应是可控的 B．应使控制通道的放大系数大一些

C．应使控制通道的时间常数尽量小 D．应使控制通道的纯滞后时间尽量小 2. 附图为一加热炉的温度控制系统，原料油在炉中被加热。如原料油不允许过热，则（ B ）

A．执行器的作用方向是正，控制器的作用方向是正

B．执行器的作用方向是正，控制器的作用方向是反

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原料油

题3图

燃料油

C．执行器的作用方向是反，控制器的作用方向是正

D．执行器的作用方向是反，控制器的作用方向是反

3. 广义对象包括（ C ）

A．检测与变送装置、控制器、执行器 B．被控对象、被控参数、控制器

C．检测与变送装置、执行器、被控对象 D．控制器、执行器、被控对象 4. 控制器参数整定的任务是（ A ）

A．确定合适的比例度、积分时间TI 和微分时间TD

B．确定合适的控制规律

C．确定合适的测量元件及变送器 D．确定控制阀的气开、气关形式 简答题：

1. 被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是如何规定的？

答：被控对象的正、反作用方向规定为：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；

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反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。气开阀为“正”方向；气关闭为“反”方向。如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。

2. 控制器的正、反作用方向是如何规定的？ 答：如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。

3. 如何选择控制器的正、反作用？

答：选择控制器正、反作用的一般步骤是首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合后为“负”来选择控制器的正、反作用。

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分析题：

1. 图示为一蒸汽加热器温度控制系统。

（1） 指出该系统中的被控变量、操纵变量、被控对

象各是什么？

（2） 该系统可能的干扰有哪些？ （3） 该系统的控制通道是指什么？ （4） 画出该系统的方块图。

（5） 如果被加热物料过热易分解，试确定执行器的

气开、气关型式和控制器的正、反作用。 （6） 试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控

制过程以及各环节间作用信号的变化情况。 答：（1）被控对象是蒸汽加热器，被控变量是被加热物料的出口温度，操纵变量是加热蒸汽的流量。（2）可能的干扰有加热蒸汽压力的变化、冷物料流量及温度的变化、加热器内传热状况的变化（如结垢状况）、

环境温度的变化等。（3）控制通道是指由加热蒸汽流量变化到热物料的温度变化的通道。（4）方块图如下图所示。（5）执行器为气开型，控制器为反作用的。（6）当冷物料流量突然增大时，会使热物料出口温度

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T下降。这时由于温度控制器TC是反作用的，故当测量值z下降时，控制器的输出信号p上升，即控制阀膜头上的压力上升。由于阀是气开型式的，故阀的开度增加，通过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料出口温度上升，起到因物料流量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用。所以该系统由于控制作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定的数值上。

2. 附图为一反应器温度控制系统。 （1） 指出该系统中的被控变量、

操纵变量、被控对象各是什么？ （2） 该系统可能的干扰有哪

些？

（3） 该系统的控制通道是指什么？ （4） 画出该系统的方块图。

（5） 如反应器内物料温度过高，会有爆炸危险，试

确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。

答：（1）被控对象为反应器，被控变量为反应器内温度，操纵变量为蒸汽流量；（2）可能的干扰有原料流

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题2图

量及温度的变化、蒸汽压力的变化、搅拌速度的变化、环境温度的变化等。（3）控制通道是指由蒸汽流量变化到反应器内温度变化的通道。（4）方块图如下。（5）

反应器

执行器为气开型，控制器为反作用的。

3. 图示为一加热器出口物料温度控制系统。 （1） 指出该系统中的被控变

量、操纵变量、被控对象各是什么？

（2） 该系统可能的干扰有哪

些？

（3） 该系统的控制通道是指什么？ （4） 画出该系统的方块图。

（5） 如果要求物料温度不能太低，否则对后续生产

不利，试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。

答：（1）被控对象是加热器，被控变量是被加热物料

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题5图

的出口温度，操纵变量是加热剂的流量。（2）可能的干扰有加热剂温度及压力的变化、被加热物料流量及温度的变化、加热器内传热状况的变化（如结垢状况）、环境温度的变化等。（3）控制通道是指由加热剂流量变化到物料出口温度变化的通道。（4）方块图如下图所示。（5）执行器为气关型，控制器为正作用的。

加热器

4. 附图为一精馏塔塔釜液位控制系统。 （1） 指出该系统中的被控变量、操

纵变量、被控对象各是什么？ （2） 该系统的控制通道是指什么？ （3） 画出该系统的方块图。

（4） 如工艺上不允许塔釜液体被抽空，试分析各环

节的作用方向。

答：（1）被控对象为精馏塔下部，被控变量为塔釜液位，操纵变量为出料流量；（2）控制通道是指由出料流量变化到塔釜液位变化的通道。（3）方块图如下。（4）测量元件及变送器为正作用方向，被控对象为反作用方向，执行器应采用气开阀、所以为正作用方向，

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题5图

控制器为正作用方向。

液位控制器

精馏塔

被控变量H

液位测量变送

5. 附图为一加热炉的温度控制系统，原料油在炉中被加热。

（1） 指出该系统中的被控变量、操纵变量、被控对

象各是什么？

（1） 该系统可能的干扰有哪些？ （2） 该系统的控制通道是指什么？ （3） 画出该系统的方块图。 （4） 如原料油不允许

过热，试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 答：（1）被控对象为加热

题8图

原料油

燃料油

炉，被控变量为原料油出口温度，操纵变量为燃料油流量；（2）可能的干扰有原料油流量及入口温度的变化、燃料油压力以及热值的变化、炉内通风和燃烧状

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况的变化等。（3）控制通道是指由燃料油流量变化到原料油出口温度变化的通道。（4）方块图如下。（5）执行器为气开型，控制器为反作用的。

6. 附图为一加热炉的温度控制系统，原料油在炉中被加热。

（2） 指出该系统中的被控变量、操纵变量、被控对

象各是什么？

（5） 该系统可能的干扰有哪些？ （6） 该系统的控制通道是指什么？ （7） 画出该系统的方块图。 （8） 如原料油不允许

过热，试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 答：（1）被控对象为加热

原料油

燃料油

炉，被控变量为原料油出口温度，操纵变量为燃料油流量；（2）可能的干扰有原料油流量及入口温度的变化、燃料油压力以及热值的变化、炉内通风和燃烧状

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况的变化等。（3）控制通道是指由燃料油流量变化到原料油出口温度变化的通道。（4）方块图如下。（5）执行器为气开型，控制器为反作用的。

复杂调节系统

1、什么是串级调节系统？画出串级调节系统方块图： 答：串级调节系统是由主副两个控制器串联工作的，主控制器的输出作为付控制器的给定值。付控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。（方块图略）

2、什么是分程调节：一台控制器的输出同时控制两台或两台以上的控制阀

分程控制应用1： 1 提高控制阀的可调比，

2用于控制两种不同的介质， 3用于控制两种不同的介质

4、DCS的主要特征是 管理集中 控制过程 危险分散

三通控制阀是指 有三个出入口与工艺管道相连流通方式有合流和分流

选择性控制的实现需要：有选择功能的自选动选择器

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和有关的切换装置

5、串级调节系统的主要特点与使用场合

1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。

2在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。

3在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。 4串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。

6、当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的

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7、前馈控制特点

1根据干扰作用的大小进行控制

2在干扰还未影响到被控变量以前，直接改变操纵变量，以使被控变量不受或少受外部干扰的影响 3控制作用与干扰作用同步（无需等到出现偏差、干扰作用的瞬间，就产生控制作用）

8、前馈控制主要应用在什么场合？

答：主要应用研究于：1干扰幅值大而频繁。对控量影响剧烈。单纯的反馈控制达不到要求时。2）主要干扰是可测不可控的变量，3）对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，质量差时可采用前馈控制。

9、均匀控制的要求

1、两个变量在控制过程中都应该是缓慢变化的。 （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波动。

10、串级均匀控制系统协调两个变量间的关系是通过控制器参数整定来实现的。

11、什么是生产过程软保护 P100

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12、前馈-反馈控制系统与串级控制系统的不同点 ➢ 串级控制系统是由内、外（或主、副）两个反馈回路所组成；

➢ 而前馈-反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。

13、双闭比值调节的持点

1它能实现副流量随主流量的变化而变化，还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。

2 结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。

3 虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化

14、混合型选择性控制系统

在这种混合型选择性控制系统中，既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的内容

15、积分饱和的产生及其危害性

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一个具有积分作用的控制器，处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出的极限值为止，该现象称为“积分饱和”。

16、产生积分饱和的条件 其一是控制器具有积分作用；

其二是控制器处于开环工作状态，其输出没 有被送往执行器；

其三是控制器的输入偏差信号长期存在。

17、目前防止积分饱和的两种方法

限幅法 通过一些专门的技术措施对积分反馈信号加以限制，从而使控制器输出信号被限制在工作信号范围之内。

（2）积分切除法 当控制器处于开环工作状态时，就将控制器的积分作用切除掉，这样就不会使控制器输出一直增大到最大值或一直减小到最小值，就不会产生积分饱和问题了。

18、多冲量控制系统指在控制系统中，有多个变量信- 54 -

号，经过一定的运算后，共同控制一台执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。

19、三冲量控制系统的一种实施方案（前馈——串级）

汽包液位是被控变量，给水流量是串级控制系统中的副变量，蒸汽流量是作为前馈信号引入的。 汽包液位是被控变量，串级的主变量，给水流量 是串级中的付变量 。引入是为了利用副回路来及时克服给水压力变化对液位的影响， 蒸汽流量信号作为前馈信号时克服蒸汽负荷的变化对汽包液位的影响，

20、试用OMRON CPM2A指令系统编写控制梯形图。 21、当开关A闭合后。输出阀门B立即导通。开关A断开后，阀门B延时2秒断开，按照上述控制要求，编写一控制梯形图。

22、 根据下列的梯形图写出相应珠指令

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00000 00001 00002 00003 00004 00005 00006 03000

LD 00000

OR NOT 00001 1 LD NOT 00002

OR 00003 2 AND LD LD 00004 AND NOT 00005

OR 00006 3 AND LD OUT 03000

23、画出集散系统DCS基本构成图并解释各部分作用

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