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第一章思考题与习题1.1 下列系统中哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？家用电冰箱 家用空调器 家用洗衣机 抽水马桶 普通车床 电饭煲 多速电风扇 高楼水箱 调光台灯开环控制：家用洗衣机普通车床多速电风扇调光台灯闭环控制：家用电冰箱 家用空调器抽水马桶电饭煲高楼水箱1.2 图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。 图1-14 压力自动控制系统 图1-15 加热炉温度自动控制系统被控对象：容器P被控变量：罐内压力操纵变量：物料输入流量扰动变量：出口流量系统框图如下：1.3 图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。被控对象：加热炉被控变量：炉内温度操纵变量：燃料流量扰动变量：进料量系统框图如下：1.4 按设定值的不同情况，过程控制系统分为哪几类？过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。1.5 什么是过程控制系统的过渡过程？有哪几种基本形式？过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单调衰减。1.6 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间（设定值为200）。图1-16 题1.6图最大偏差：30余差：5衰减比：5：1振荡周期：15min调整时间：22min第二章思考题与习题2.1 求取图2-55所示电路的传递函数，图中物理量角标代表输入，代表输出。a） b）图2-55 习题2.1图a）（由分压公式求取）上式中 ， ， 。b）上式中 ， ，2.2 惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？又在什么条件下可近似为积分环节？惯性环节在T很小的时候可近似为比例环节；T很大的时候条可近似为积分环节。2.3 一个比例积分环节和一个比例微分环节相连接能否简化为一个比例环节？一个比例积分环节和一个比例微分环节相连接不能简化为一个比例环节。2.4 化简图2-56a、b、c所示系统的框图，并求取系统的闭环传递函数。习题2.4图a）a）习题2.4图b）b）习题2.4图c）c）2.5 已知系统的零极点形式的传递函数如下，试将其输入到MATLAB的工作空间中，并转换成有理函数形式。有理函数式：2.6 求下列两个传递函数在串联、并联和负反馈连接时的等效传递函数。（1）串联时的等效传递函数（2）并联时的等效传递函数（3）负反馈连接时的等效传递函数或2.7已知系统的开环传递函数如下所示，判别各闭环系统的稳定性。闭环传递函数：特征方程：特征根：根的实部为负，系统稳定。闭环传递函数：特征方程：特征根：根的实部为0，系统不稳定。闭环传递函数：特征方程：特征根：，s3=-10.8实根为负，但两个虚根的实部为正，系统不稳定。闭环传递函数：特征方程：特征根：，s3=-6.1实根为负，两个虚根的实部为负，系统稳定。闭环传递函数：特征方程：特征根：，s3=-2.2实根为负，两个虚根的实部为负，系统稳定。2.8 试绘制下列系统的对数频率特性曲线。由一个比例环节和一个惯性环节组成。（1）对数幅频特性的绘制低频段：K=5，斜率为0dB/dec。中高频段：T=2s，则交接频率=0.5rad/s。在低频段为0dB/dec的直线，经=0.5rad/s处，遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-20dB/dec的斜线。（2）对数相频特性的绘制交接频率=0.5rad/s处绘制惯性环节的-45位置。将传递函数整理为由一个比例环节和两个惯性环节组成。（1）对数幅频特性的绘制低频段：K=10，斜率为0dB/dec。中高频段：T1=5s，则交接频率1=0.2rad/s；T2=0.2s，则交接频率2=5rad/s。在低频段为0dB/dec的直线，经1=0.2rad/s处，遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-20dB/dec的斜线。再经2=5rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-40dB/dec的斜线。（2）对数相频特性的绘制交接频率1=0.2rad/s处绘制第一个惯性环节的-45位置。交接频率2=5rad/s处绘制第二个惯性环节的-135位置。将传递函数整理为由一个比例环节、一个比例微分环节、一个惯性环节和两个积分环节组成。（1）对数幅频特性的绘制低频段：K=0.5，斜率为-40dB/dec。中高频段：T1=5s，则交接频率1=0.2rad/s；T2=0.1s，则交接频率2=10rad/s。在低频段为-40dB/dec的斜线，经1=0.2rad/s处，遇一比例微分环节，增加20dB/dec，成为-20dB/dec的斜线。再经2=10rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-40dB/dec的斜线。（2）对数相频特性的绘制有两个积分环节，相位从-180开始绘制，在交接频率1=0.2rad/s处绘制比例微分环节的-135位置。交接频率2=5rad/s处绘制第二个惯性环节的-135位置。2.9 已知某调节器的对数幅频特性如图2-57所示，试写出该调节器的传递函数。图2-57 习题2.9图此环节有4个交接频率，分别是：1=0.8rad/s（T1=1.25s），2=4rad/s（T2=0.25s），3=8rad/s（T3=0.125s），4=100rad/s（T4=0.01s）。此环节低频渐近线为0dB/dec水平线，所以不含积分环节。另由水平线高度为20dB，则可得K=10。因此，由图可得出其传递函数为2.10 已知某系统的开环传递函数为试绘出系统的开环对数幅频特性。该传递函数由一个比例环节、两个积分环节、两个比例微分环节及三个惯性环节组成。低频段：K=0.001，斜率为-40dB/dec。中高频段：T1，2=100s，则交接频率1，2=0.01rad/s；T3=10s，则交接频率3=0.1rad/s；T4=0.125s，则交接频率4=8rad/s；T5=0.05s，则交接频率5=20rad/s。在低频段为-40dB/dec的斜线，经1，2=0.01rad/s处，遇两个比例微分环节，增加40dB/dec，成为0dB/dec的直线。再经3=0.1rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-20dB/dec的斜线。再经4=8rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-40dB/dec的斜线。再经5=20rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec，成为-60dB/dec的斜线。2.11 已知系统框图如图2-58所示，试用开环对数频率特性曲线判断闭环系统的稳定性。图2-58 习题2.11图K=10，有一个积分环节，斜率为-20dB/dec。T=0.5s，交接频率=2rad/s，=0.25。由开环对数频率特性曲线可知，当L()过0dB线时，()在-180线的下方，即num=4 den=1,1,0 G1=tf(num,den) G2=feedback(G1,1) step(G2)可得到阶跃响应曲线如下：则系统各项动态性能指标为：上升时间tr=0.943s，峰值时间tp=1.61s，超调量%=44.4%，调整时间ts=7.06s（2%误差带）。2.14 某最小相位系统的开环对数幅频特性的渐近特性如图2-60所示，试写出系统开环传递函数，并求此系统的相位稳定裕量。图2-60 习题2.14图由交接频率1=0.1rad/s，得T1=10s；由交接频率2=20rad/s，得T2=0.05s；穿越频率c=1rad/s。2.15 已知某系统框图如图2-61所示，设输入量为（将t2改成t），扰动量为单位阶跃信号，试求系统的稳态误差及稳态值。图2-61 习题2.15图由系统的结构图可知：，则在输入信号作用下的稳态误差为在扰动信号作用下的稳态误差为总稳态误差为2.16 如图2-62所示，已知系统I和II的开环对数幅频特性，试比较这两个系统的性能。（图中原改为，c=70rad/s改为c=62rad/s）图2-62 习题2.16图稳态性能：从系统到系统，系统由0型变为I型，对阶跃信号由有静差转变为无静差，稳态性能明显改善。稳定性：从系统到系统，增益减小，使相位裕量有所增加（由48.159.0），稳定性改善，与均有减小。快速性：从系统到系统，c由62rad/s30rad/s，调整时间ts，快速性变差。第三章思考题与习题3.1 图3-31为某单位负反馈系统校正前、后的开环对数幅频特性曲线，比较系统校正前后的性能变化。图3-31 习题3.1图加入串联P校正装置，提高系统增益后：1）使系统的相对稳定性降低，超调量增加。2）增益提高，系统的稳态精度改善。3.2 什么是比例控制规律、积分控制规律和微分控制规律？它们各有什么特点？当控制器的输出变化量与输入变化量（即设定值和测量值之间的偏差）成比例时，这就是比例（P）控制。比例控制能实现被控变量在过渡过程结束后，能稳定在某一个值上。积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值随时间的变化成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。在积分控制时，余差最终会等于零。理想微分控制是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成正比的控制规律。微分控制却是根据偏差的变化趋势进行动作的。从而有可能避免产生较大的偏差，且可以缩短控制时间。3.3 什么是比例度、积分时间和微分时间？它们对过渡过程有什么影响？比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。比例度来衡量比例控制作用的强弱。使用比例控制器控制系统时，控制器在闭环运行下比例度对系统过渡过程的影响。1）比例控制是有余差的控制，余差的大小与比例度有关，与负荷的变化量有关。在同样的负荷变化扰动下，比例度越小，比例增益越大，余差越小；在相同比例度下，负荷变化量越大，余差越大。2）不论是在设定值变化还是负荷（扰动）变化的情况下，比例度越小，系统的振荡也越剧烈，稳定性越差。当太小时，系统可能出现等幅振荡，甚至发散振荡；反之，则系统越稳定。积分时间Ti定义为：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间。积分时间Ti对系统过渡过程的影响。随着Ti减小，积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；Ti过小，可能导致系统不稳定。Ti小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。微分时间Td是时间常数的Kd倍。微分时间Td的大小对系统过渡过程的影响。若取Td太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微；选取适当的Td，系统的控制指标将得到全面的改善；但若Td取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡。3.4 某混合器出口温度控制系统如图3-32a所示，系统框图如图3-32b所示，其中，min，min，调节器比例增益为，F为一扰动信号，利用Simulink仿真辅助分析：1）当，分别为2.4和0.48时系统的干扰阶跃响应。2）当时的系统设定值阶跃响应。3）分析调节器比例增益对设定值阶跃响应和干扰阶跃响应的不同影响。a) 混合器出口温度控制系统示意图b) 系统框图图3-32 习题3.4图1）当，为2.4时系统的干扰阶跃响应当，为0.48时系统的干扰阶跃响应2）当，为2.4时的系统设定值阶跃响应当，为0.48时的系统设定值阶跃响应3）比例增益不管对设定值阶跃响应和干扰阶跃响应都基本相同，比例增益越大，振荡越剧烈、稳态误差越小。第四章思考题与习题4.1 什么是标准信号？各种标准信号是多少？标准信号是为了方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间的统一信号。标准气压信号：20100kPa标准电动信号：DC 420mA或DC 020mA4.2 电动模拟信号传输方式有哪几种？各自的优缺点及适用场合。电动模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。直流电流信号抗干扰能力强，便于进行模数转换，且适合于远距离传输；在过程控制仪表及装置中广泛应用。直流电压信号便于进行模数转换，但抗干扰能力差，适合于近距离传输；在过程控制仪表及装置中广泛应用。交流信号抗干扰能力差，容易传输线路中的电感、电容及负荷性质的影响，不适合过程控制仪表及装置使用。4.3 测量误差有哪几种分类方法?按出现的规律可分为系统误差、过失误差和随机误差三类；按表示方法分为绝对误差、相对误差及引用误差。4.4 某压力计的测压范围为04MPa，精确度等级为1级，如果用标准压力计来校验该压力计，当被校表读数为2MPa时，标准表读数为2.03MPa，试问被校压力计在这一点是否符合1级精度?并说明理由。由于，去掉“”号与“”号，其值为0.75，小于1，因此，被校压力表在这一点符合1级精度。4.5 一台自动平衡式温度计的精度等级为0.5级，测量范围为0500，经校验发现最大绝对误差为4，问该表是否合格?应定为几级?由于，去掉“”号，其值为0.8，大于0.5，因此该表不合格，应定为1级。4.6 某反应器的工作压力为15MPa，要求测量误差不超过0.5MPa，现选用一只2.5级，025MPa的压力计进行压力测量，是否能满足工艺上对误差的要求?如不满足，应选用几级的压力计?由于，去掉“”号，其值为2，如果选择精度等级为2.5级的仪表，其允许的误差为2.5，超过了工艺上允许的数值，故应选择1.5级仪表才能满足工艺要求。4.7 测量温度的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?测量温度的仪表按工作原理，可分为膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、辐射高温计和光学高温计等。膨胀式温度计是根据气体、液体或金属受热时膨胀产生压力或体积变化而工作的；热电偶温度计是根据热电效应工作的；热电阻温度计是根据导体或半导体的电阻值随温度而改变而工作的；辐射高温计是根据加热体的辐射能量随温度高低而变化的原理工作的；光学高温计是根据加热体的亮度随温度高低而变化的原理工作的。4.8 常用的热电偶有哪些？常用热电偶有铂铑30-铂铑6（B）、铂铑10-铂（S）、镍铬-镍硅（K）、镍铬-康铜（E）、铜-康铜（T）等。4.9 热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿，其补偿方法常采用哪几种?在实际使用中，热电偶的冷端是暴露在装置外的，受环境温度波动的影响，不可能保持恒定，更不可能保持在0，而热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表都要求冷端温度恒为0，否则将产生测量误差。因此，必须采取措施，对热电偶的冷端温度的影响进行补偿。常用的补偿方法有冰浴法、查表修正法、校正仪表零点法和补偿电桥法等。4.10 用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况，显示仪表指示值为600，此时冷端温度为50。试问：实际温度是多少，如果热端温度不变，使冷端温度为20。此时显示仪表指示值应为多少？由附录B可以查得E（t，50）=E（600，0）=24.902mVE（50，0）=2.022mV由E（t，50）=E（t，0） E（50，0）可得E（t，0）= E（t，50）+ E（50，0）=24.902+2.022=26.924 mV由附录B可得实际温度如果热端温度不变，使冷端温度为20。E（647.7，20）= E（647.7，0） E（20，0）=26.924-0.798=26.126 mV则仪表显示温度为628.84.11 热电阻Cu100中Cu代表什么？100代表什么？Cu代表热电阻的材料为铜，100代表温度t=0时的电阻值为100。4.12 温度检测仪表安装要求是什么？1）与工艺管道垂直安装时，取源部件中心线应与工艺管道轴线垂直相交；在工艺管道的拐弯处安装时，应逆着介质流向，取源部件中心线应与工艺管道中心线相重合；与工艺管道成45斜安装时，应逆着介质流向，取源部件中心线应与工艺管道中心线相交。2）热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上。3）为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。 4）测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性。4.13 温度检测仪表如何选型？应根据安装环境、测量范围、操作要求等因素综合考虑。4.14 常用的压力物理量有哪些？其含义是什么？常用的压力物理量有：绝对压力：以完全真空（即绝对零压）作参考点的压力称为绝对压力。大气压力：由地球表面大气层空气重力所产生的压力，称为大气压力。表压力：以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压力称为表压力。真空度：当被测压力低于大气压力的压力值，称为负压，也叫真空度。差压（力）：任意两个相关压力之差称为差压。4.15 检测压力的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?依据压力检测仪表的工作原理可分为液柱式压力计、弹性式压力计、活塞式压力计、电气式压力计等四大类。液柱式压力计是依据液体静力平衡原理工作的，弹性式压力计是依据弹性元件弹性变形原理工作的，活塞式压力计是根据液体静力平衡原理工作的，电气式压力计是根据应变效应、霍尔效应或将压力转换为电容、电感、电阻等参数的原理工作的。4.16 如何用差压变送器来测量压力?将被测介质的高、低两个压力信号分别通入左、右两个压室时，压力差就可被转换为电参量，再通过转换电路将电参量转换成420mA的统一标准信号，作为变送器的输出，从而实现了压力的测量。4.17 压力检测仪表如何选型？压力检测仪表应从类型、量程及准确度三方面进行选择。仪表的选型必须满足生产过程的要求，量程应由生产过程需要测量的压力大小来决定，准确度应根据生产过程对压力测量所能允许的最大误差来决定。4.18 表示流量的物理量有哪些？表示流量的物理量有体积流量和质量流量。按单位时间还是累计可分为瞬时流量和累积流量。4.19 检测流量的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?测量流量的仪表可分为差压式、容积式、转子式、速度式、旋涡式、靶式、电磁式等。差压式是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。容积式采用容积分界的方法，转子每转一周都可送出固定容积的流体，则可利用转子的转速来实现流量的测量。转子式是基于流体流动的节流原理，利用流体流经转子时，截流面积的变化来实现流量测量。速度式是利用叶轮或涡轮被液体冲转后，转速与流量的关系来实现流量测量。旋涡式是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体的流量。靶式是利用流体的流量与靶所受到的力之间的关系来实现流量的测量。电磁式利用电磁感应原理来实现流量的测量。4.20 什么是物位？物位有哪几种？物位是指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。物位有液位、料位、界位三种。4.21 检测液位的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?检测液位的仪表分为直读式、差压式、浮力式、电气式、核辐射式、超声波式、光学式等类型。直读式是利用连通器原理工作的。差压式是利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作的。浮力式是利用浮球或沉筒随液位的高低而产生位移的原理而工作的。电气式是通过将物位的变化转换成电阻、电容、电感等电量的变化来实现物位测量的。核辐射式利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理工作的。超声波式是利用超声波在气、液、固体中的衰减程度、穿透能力和辐射声阻抗各不相同的性质工作的。光学式是利用物位对光波的遮断和反射原理工作。第五章思考题与习题5.1 试写出DDZ-型仪表的信号范围。现场传输信号为420mA直流电流，控制室联络信号为15V直流电压。5.2 试述DDZ型电动单元控制器的调校步骤。（1）接线；（2）测量、给定双针指示表的校验；（3）手动操作特性和输出指示表的校验；（4）P、I、D特性校验；（5）自动软手动硬手动切换特性校验；（6）闭环跟踪特性校验。5.3 DDZ-型电动单元控制器故障检查的基本步骤及思路。故障检查的思路：在排除仪表外故障的前提下，首先应分析故障情况，估计仪表故障部位，然后作停电检查。停电检查就是通过目测看是否有元件损坏、虚焊等现象，是否有断线和元件烧焦等异常情况。排除这些异常情况后，再作通电检查。通电检查，主要是通过“眼看”、“手摸”、“鼻闻”、“表测”迅速找出故障部件及损坏的元件。故障检查的基本步骤：1）检查电源电压，包括各级运算放大器和集成稳压电源的供电电压是否为24V。2）检查控制单元和指示单元电平UB是否为10V。3）把测量标定开关置“标定”，检查两指针是否指在50%。如果不是，应首先排除指示电路故障，方可继续进行检查。4）使输入信号和给定信号相等，检查输入电路的输出是否接近0V且可调，改变输入或给定信号，输出是否为偏差2倍左右，且输出幅度能否达到8V。5）当输入信号和给定信号相等时，检查比例微分电路的输出是否在0.1V（比例度为2%）或0V（比例度为50%）左右。6）扳软手动操作键和硬手动操作杆，检查积分电路的输出是否在15V范围内升降。7）检查输出电路能否把15V输入信号转换成420mA。8）检查所有集成运算放大器两输入端电压是否在几毫伏范围内（必须用高输入阻抗的数字电压表）。9）当怀疑跟踪及自动与手动切换有问题时，还可进行有关项目的校验。5.4 数字式控制器的主要特点。1）实现了模拟仪表与计算机一体化；2）具有丰富的运算控制功能；3）使用灵活方便，通用性强；4）具有通信功能，便于系统扩展；5）可靠性高，维护方便。5.5 AI系列智能仪表调节仪手动/自动切换操作步骤。在显示状态2下，按A/M键（即“”键），可以使仪表在自动及手动两种状态下进行无扰动切换。在显示状态2且仪表处于手动状态下，直接按“”或“”键可增加及减少手动输出值。5.6 调节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？调节阀的结构型式主要有以下几种：1）直通单座调节阀。其特点是结构简单、泄漏量小，易于保证关闭，甚至完全切断。但是在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。一般应用在小口径、低压差的场合。2）直通双座调节阀。其特点是不平衡力小，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。适用于对泄露量要求低和差压较大的场合。3）角形调节阀。其特点是流路简单、阻力较小。适用于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。4）三通调节阀。其特点是可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。5）隔膜调节阀。其特点是结构简单、流阻小、流通能力大、无泄漏、耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。6）蝶阀。其特点是结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小，但泄漏量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。7）球阀。其特点是结构紧凑，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于高黏度和污秽介质的控制。8）凸轮挠曲阀。其特点是密封性好、重量轻、体积小、安装方便，适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。9）笼式阀。其特点是可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好、噪音小，特别适用于要求低噪音及压差较大的场合，但不适用高温、高强度及含有固体颗粒的流体。5.7 什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？有压力信号时阀开、无压力信号时阀关的为气开式。反之，为气关式。气开、气关的选择主要从工艺生产安全的角度出发。考虑的原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。5.8 试简述电动执行器的组成与主要功能。电动执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两部分组成。它的主要功能是接收来自控制器的010mA或420mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。5.9什么是调节阀的理想流量特性和工作流量特性？系统设计时应如何选择调节阀的流量特性？在不考虑调节阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。系统设计时一般是先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。使调节阀安装在实际的管道系统中，畸变后的工作流量特性能满足控制系统对它的要求。5.10 安全栅的作用是什么？常见的安全栅有哪几种形式？安全栅的作用是对送往现场的电压和电流进行严格限制，保证各种状态下进入现场的电功率在安全的范围之内。常见的安全栅主要有电阻式、齐纳式、中继放大式和隔离式四种形式。5.11 检测端安全栅有何作用？试简述其工作原理。检测端安全栅的作用是为变送器提供电源及将来自变送器的DC 420mA信号经隔离变压器线性地转换成420mA（或15V）DC信号传送给控制室仪表。检测端安全栅由直流/交流变换器及变压器T1、整流滤波电路、电压电流限制电路、隔离变压器T2、解调放大器、调制器等部分组成。24V直流电源先由DC-AC变换器变成8kHz的交流方波电压，经整流滤波后又被转换成直流电压，通过电流限制回路后作为现场变送器的电源电压（仍为DC 24V）。来自现场变送器的DC 420mA信号经限流限压电路、调制器被调制成交流信号，由隔离变压器T2耦合到解调放大器，经解调后，还原成DC 420mA信号，作为输出送给控制室仪表。5.12 试比较执行端安全栅和检测端安全栅在功能和原理上的异同点。从整机功能来看，执行端安全栅和检测端安全栅一样，是一个变换系数为1的带限压限流装置的信号传送器，为了实现输入、输出、电源电路之间的隔离，对信号和电源都进行了直流交流直流的变换处理。不同之处是检测端安全栅是将现场变送器与控制室仪表联系的纽带，执行端安全栅与安全火花型电/气转换器或电/气阀门定位器配合使用。5.13 电/气转换器由哪些部分组成？试简述电/气转换器的动作原理。力平衡式电-气转换器由杠杆、电磁线圈、挡板、喷嘴、波纹管、重锤、气动功率放大器等部分组成。其动作原理是：将来自电动仪表的DC 420mA信号通入测量线圈中，测量线圈固定在杠杆上，并能在永久磁钢的空隙中自由地上下运动；当输入电流增加时，测量线圈的电流和磁钢的恒定磁场相互作用，产生电磁力，使杠杆绕十字簧片支承逆时针方向偏转，则挡板靠近喷嘴，使喷嘴的背压升高；喷嘴的背压经气压功率放大器放大后，即为输出信号P，P同时进入反馈波纹管中，产生一个使杠杆绕支承顺时针偏转的力矩；当电磁力产生的力矩与P产生的反馈力矩相平衡时，P稳定在一个数值上，使输入电流成比例地转换为20100kPa的气压信号。5.14 电/气阀门定位器在结构和原理上有何特点？电/气阀门定位器在结构和原理上都必须有反馈通路，将调节阀阀杆的位移状态反馈到阀门定位器，使阀门位置能按系统输出的控制信号进行正确定位。第六章思考题与习题6.1 读图6-1，试回答以下问题：1）该控制流程图中，各仪表的位号是什么？各有什么功能？什么安装方式？温度指示仪表，集中仪表盘面安装压力指示仪表，集中仪表盘面安装压力指示仪表，集中仪表盘面安装2）该控制流程图中，有哪些设备，是如何标注的。 6.2 如图6-57所示，为精馏塔塔釜液位控制系统示意图。若工艺上不允许塔釜液位被抽空，试确定控制阀的气开、气关形式和控制器的正反作用方式。控制阀为气开阀，控制器采用正作用方式。6.3如图6-58所示，为冷却器出口物料温度控制系统示意图。若工艺上不允许物料温度太低，试确定控制阀的气开、气关的形式及控制器的正、反作用方式。控制阀为气开阀，控制器采用正作用方式。6.4 什么是控制器参数的工程整定，常用的控制器参数整定的方法有哪几种?对于工程整定法，工程技术人员无需确切知道对象的数学模型，无需具备理论计算所必需的控制理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛使用。常用的工程整定法有经验法、衰减曲线法、临界比例度法等。6.5 巳知控制对象传递函数G(s)=10/(s+2)(2s+1)，通过仿真、用临界比例度法；整定PI调节器参数。建立仿真模型。调节Kp=3，Ki=3（Ti=1）。6.6 某控制系统用临界比例度法整定参数，已知25、5min，请分别确定PI、PID作用时的控制器参数。P=2.2=55TI=0.8=4 min6.7 简单控制系统的投运步骤是什么?（1）投入运行前的准备工作 投运前，首先应熟悉工艺过程，了解主要工艺流程和对控制指标的要求，以及各种工艺参数之间的关系熟悉控制方案，熟悉测量元件、控制阀的位置及管线走向，熟悉紧急情况下的故障处理。（2）控制系统的投运1）检测系统投运。2）阀门手动遥控。3）控制器的投运。6.8 什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的框图。串级控制系统有什么特点?将最主要、最强的扰动（蒸汽流量波动）以副环的方式预先处理（粗调），稳定住副变量，以减少对主变量的影响，而其他扰动的影响最终用主环方式彻底解决（细调），即将主控制器的输出串接在副控制器的外给定上，使副控制器随主控制器的需要而动作。由于出现了信号相串联的形式，故称这种系统为串级控制系统。串级控制系统的框图如下：串级控制的特点1）主回路为定值控制系统，而副回路是随动控制系统。2）结构上是主、副控制器串联，主控制器的输出作为副控制器的外设定，形成主、副两个回路，系统通过副控制器操纵执行器。3）副回路对象时间常数小，动作迅速，但控制不一定精确，具有先调、粗调、快调的特点；主回路对象时间常数大，动作滞后，但主控制器能进一步消除副回路没有克服掉的干扰，具有后调、细调、慢调的特点。4）抗扰动能力强，对进入副回路的扰动抑制力更强，控制精度高，控制滞后小。因此，它特别适用于温度对象等滞后大的场合。6.9 如图6-59所示为精馏塔提馏段温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产要求一旦发生事故，应立即关闭蒸汽供应。1）画出该控制系统的框图。2）确定控制阀的气开、气关形式。控制阀为气开式。3）选择控制器的正、反作用。FC为反作用方式，TC为反作用方式。6.10 某串级控制系统采用两步法进行整定，测得4:1衰减过程的参数为=8%，=42%，=12min，8min。若该串级控制系统中，主控制器采用PID规律，副控制器采用P规律。试求主副控制器的参数值是多少?主控制器参数：P=0.8=6.46，TI=0.3=3.6 min，TD=0.1=1.2 min副控制器参数：P=426.11 均匀控制系统的控制方案有哪些？均匀控制方案有简单均匀控制系统和串级均匀控制系统两种。6.12 什么叫比值控制系统。凡是用来实现两个或两个以上的物料按一定比例关系关联控制以达到某种控制目的的控制系统，称为比值控制系统。6.13 前馈控制系统有什么特点?与单闭环比值控制系统比较有什么特点?前馈控制的特点1）前馈控制是按照干扰作用的大小和方向进行控制的，控制作用及时。2）前馈控制属于开环控制系统。3）前馈控制器是专用控制器。4）一种前馈作用只能克服一种干扰。与单闭环比值控制系统比较如下：控制形式控制所依据的信号检测的信号控制系统组态控制作用发生的时间反馈控制被控变量的偏差大小被控变量闭环偏差出现之后前馈控制干扰量的大小干扰量开环偏差出现之前6.14 与单纯前馈控制系统比较，前馈-反馈控制系统有什么优点？用前馈来克服主要扰动，而用反馈来克服其他扰动，并检验控制效果，可获得更好的控制效果。6.15 前馈控制系统适用于什么场合?1）系统中存在频繁且幅值大的干扰，这种干扰可测但不可控，对被控变量影响比较大，采用反馈控制难以克服，但工艺上对被控变量的要求又比较严格，可以考虑引入前馈回路来改善控制系统的品质。2）当采用串级控制系统仍不能把主要干扰包含在副回路中时，采用前馈-反馈控制系统，可获得更好的控制效果。3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可采用前馈-反馈控制系统，以提高控制质量。6.16 离心泵的控制方案有几种?各有什么特点?控制阀能否安装在入口管线?对离心泵的控制方案主要有三种。（1）改变泵的转速的控制方案 采用这种方案时，机械效率较高。（2）改变管路特性的控制方案 该方案简单易行，应用广泛，但机械效率低，能量损失较大，特别是在控制阀开度较小时，阀上压降较大，对于大功率的泵，损耗的功率更大，所以不经济。（3）改变旁路流量的控制方案 总的机械效率低，能量损失更大，不经济。离心泵的流量控制一般是控制出口阀的，控制进口阀时在将进口流量降得太多时容易容易产生汽蚀。6.17 叙述离心式压缩机防喘振方案。采用如下图所示方案：为了防止喘振现象发生，应限制入口流量Qp不低于压缩机发生喘振时的最低流量QB。图中防喘振控制器FC的设定值就是Qp。正常情况下，FV控制阀是关闭的，一旦压缩机流量减至Qp以下时，FV阀开启，使排出的气体一部分回流，直到进气量高于设定值Qp为止，从而避免喘振现象发生。6.18 两侧无相变换热器常采用哪几种控制方案?各有什么特点?（1）控制载热体流量 适用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏的场合。（2）控制载热体旁路流量 当载热体是利用工艺介质回吸热量时，可以将载热体分路，以控制冷流体的出口温度。（3）将工艺介质分路 适用于工艺介质流量和载热体流量均不允许控制，而且换热器传热面积有较大裕量时。6.19 低温冷却器常采用哪几种控制方案?各有什么特点?（1）控制冷剂的流量 根据出口温度来控制液氨的进口流量，应带有液位指示或连锁报警，或采用选择性控制方案。（2）控制传热面积 可以限制液位上限，保证氨冷器有足够的蒸发空间，使得气氨中不带液氨。（3）控制汽化压力 迅速、灵敏，但对氨冷器的耐压要求高。6.20 精馏塔操作过程中主要干扰有哪些?1）进料量波动的影响2）塔的蒸气速度和压力波动的影响3）回流量及冷剂量波动的影响4）塔顶（或塔底）产品量的影响6.21 精馏塔的精馏段温度控制和提馏段温度控制各有什么特点?分别适用在什么场合?（1）提馏段温度控制系统是将塔底温度作为被控变量，其测温元件装在提馏段，塔釜热剂量作为操作变量。适用于当要求塔底产品纯度比塔顶要求严格，且进料全部为液相进料时。（2）精馏段温度控制系统是将塔顶温度作为被控变量，其测温元件在精馏段，操作变量为回流量。适用于当要求塔顶产品纯度比塔底要求严格，且进料全部为气相进料时。6.22 釜式反应器的自动控制方案有哪些?（1）控制进料温度（2）控制夹套温度（3）串级控制 常用釜温-加热剂（或冷却剂）流量串级控制系统和釜温-夹套温度串级控制系统两种方案。第七章思考题与习题7.1 计算机控制系统分为哪几类，各有何特点？过程计算机控制系统大致分成计算机巡回检测和操作指导系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等几类。计算机巡回检测和操作指导系统属于是计算机应用于工业生产过程最早和最简单的一类系统。可以用于试验新方案、新系统或试验新的数学模型和调试新的控制程序。其缺点是仍需要人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。直接数字控制系统实现计算机直接参与闭环控制，实现了多个单回路控制，通过改变控制程序实现较复杂的控制，给操作人员带来了极大的方便，可与计算机监督控制系统结合起来构成分级控制系统，实现最优控制；其缺点是要求工业控制计算机的可靠性很高。监督控制系统在计算时可以考虑许多常规控制器不能考虑的因素；可以进行过程操作的在线优化；可以实现复杂的先进控制规律，满足产品的高质量控制要求；可以进行故障的诊断与预报。要求有较大的内存与外存和较为丰富的软件。集散控制系统既有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。而且容易实现复杂的控制规律。并且DCS是积木式结构，构成灵活，易于扩展，系统的可靠性高，操作、监视方便，处理信息量大，电缆和敷缆成本较低，便于施工。现场总线控制系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，降低了系统总成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正意义上的开放式互连系统结构。7.2 集散控制系统的体系结构分为几级，各级的功能如何？DCS的体系结构通常为三级：第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。（1）分散过程控制级 直接与生产过程现场的传感器、执行器相连，完成生产过程的数据采集、闭环控制、顺序控制等功能。（2）集中操作监控级 通常采用较大屏幕、较高分辨率的显示器和工业键盘，计算机系统配有较大存储容量的硬盘或软盘。确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估等。（3）综合信息管理级 主要完成的功能有市场分析、用户信息收集、定单能力与定货平衡、生产和分销渠道的监督、生产合同、定货的各种统计报表、生产效率、产值、经营额、利润/成本以及其他财政分析报表。7.3 HOLLiASMACS系统中的站有哪些，各起什么作用？1）工程师站。运行相应的组态管理程序，对整个系统进行集中控制和管理。2）操作员站。运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。3）服务器。运行相应的管理程序，对整个系统的实时数据和历史数据进行管理。4）现场控制站。运行相应的实时控制程序，对现场进行控制和管理。5）通信站。作为MACS系统与其他系统的通信接口，可以连接企业的ERP系统和实时信息系统Real MIS，或者接入Internet/Intranet/Extranet。7.4 HOLLiASMACS系统的软件有哪些，各完成什么功能？HOLLiASMACS系统的软件主要包括：组态软件、操作员站软件、数据站软件和控制站软件。组态软件安装在工程师站上，可实现数据库总控、设备组态、数据站算法组态、控制器算法组态、报表组态、图形组态、工程师在线下装等功能。操作员站软件是安装在操作员站上的用于完成用户对人机交互界面监控的软件。主要包括流程图、趋势图、参数列表、报警、日志的显示及控制调节、参数整定等操作功能。数据站软件是安装在数据站上的用于完成对系统实时、历史数据的集中管理和监视的软件，同时还为各站的数据请求提供服务。控制站软件是安装在现场控制站主控单元中的软件，主要用于完成数据采集、转换、控制、运算等功能。7.5 现场总线的定义是什么？现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。7.6 现场总线的国际标准包括几类，分别是哪些现场总线？现场总线的国际标准包括8类：Type 1，FF H1；Type 2，ControlNet；Type 3，PROFIBUS；Type 4，P-Net；Type 5，FF HSE；Type 6，Swift Net；Type 7，WorldFIP；Type 8，Interbus。7.7 PROFIBUS有三个部分组成，分别是哪些？各用于解决什么任务？（1）PROFIBUS-FMS 主要是用来解决车间级通用性通信任务。可用于大范围和复杂的通信。（2）PROFIBUS-DP 这是一种经过优化的高速和便宜的通信总线。它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的。（3）PROFIBUS-PA 是专门为过程自动化设计的。它可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，甚至在本质安全领域也可接上。7.8 现场总线控制系统的硬件主要由哪几部分组成？现场总线控制系统的硬件主要由测量系统、控制系统、管理系统和通信系统等部分组成。7.9 现场总线控制系统的软件主要有哪些？现场总线控制系统的软件包括操作系统、网络管理、通信软件和监控组态软件等。