过程控制系统及仪表王再英等课后答案全Word下载.docx
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系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控
制过程的动态特性。
二者之间的关系：
1-7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得性能时更关注
其动态特性？
稳态：
对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能
达到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状
态，这种状态称为稳态（或静态）。
动态：
从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系
统又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环
节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。
在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。
只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。
1-8评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？
各自的定义是什么？
单项性能指标主要有：
衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振
荡频率、上升时间和峰值时间等。
衰减比：
等于两个相邻的同向波峰值之比n；
过渡过程的最大动态偏差：
对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A；
超调量：
第一个波峰值
y与最终稳态值y（）之比的百分数；
1
y
1100%y（）
残余偏差C：
过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（）与设定值之间的
偏差C称为残余偏差，简称残差；
调节时间：
从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；
振荡频率：
过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周
期，其倒数称为振荡频率；
峰值时间：
过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
1-10某被控过程工艺设定温度为900℃，要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过
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1-4
所示。
试求该系统过渡过程的单项性能指标：
最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该
系统能否满足工艺要求？
○1最大动态偏差A：
A950C900C50C
950900
○2衰减比n：
5:
n
910900
○3振荡周期T：
T45936（min）
A<
80C,且n>
1（衰减振荡），所以系统满足工艺要求。
第2章思考题与习题
2-1①最大绝对误差=806-800=6②基本误差=6/1000=0.6%；
1.0级③不能用，只能用0.5
级的仪表
2-2求：
1）变差；
2）基本误差；
3）该表是否符合1.0级精度？
2-3某压力表的测量范围为0～10MPa，精度等级为1.0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5MPa时，标准压力计上读
数为5.08MPa，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？
1）基本误差=100%
最大绝对误差?
max＝0.01×
10＝0.1MPa
5.85
2）校验点为5MPa时的基本误差：
100%0.8%
10
0.8％<
1％，所以符合1.0级表。
2
2-4间接导致精度等级下降。
例如：
量程0~1000的1级仪表用在测量范围在0~100时，
精度变成了10级！
2-5有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为
1）1.0级，0～250mA2）2.5级，0～75mA
现要测量50mA的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？
分析它们的最大误差：
2.5
1）?
max＝250×
1％＝2.5mA；
100%5%
50
0.9
2）?
max＝75×
2.5％＝1.875mA；
100%3.75%
2号表精度低，价格相对便宜，但2号仪表的最大误差小，而且被测参数的数值在2号
表量程内，所以选择2号表。
2-6①将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会
产生电势。
此电势称为热电势。
镍铬—镍硅K0～+100040μV/℃价廉,，可在氧化及中性气氛中使用
铜—康铜T-200～+40050μV/℃价廉,但铜易氧化,常用于150℃以下温度测量
③热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。
所以使用时，需保持
热电偶冷端温度恒定。
但热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。
为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。
2-8①金属热电阻测温精度高。
②热电阻导线过长时，导线电阻过大，对测量带来较大
误差，采用三线制接法，可有效消除线路电阻对测量的影响。
2-9①查阅Cu100电阻分度表，得到140°
对应电阻为159.96欧姆②查阅Pt100电阻分度表，
得到电阻为159.96欧姆对应157°
2-11某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃，输出为4～20mA。
当变送器输
出电流为10mA时，对应的被测温度是多少？
1000200T
20410
；
T=500C。
2-12试简述弹簧管压力计的工作原理。
现有某工艺要求压力范围为1.2±
0.05MP，a可
选用的弹簧管压力计精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五个等级，可选用的量程规格有0～
1.6MPa、0～2.5MPa和0～4MPa。
请说明选用何种精度和量程（见附录E）的弹簧管压力计
最合适？
1）工作原理：
2）根据题意：
压力范围为1.2＋0.5MPa，即允许的最大绝对误差?
max＝0.05
3
○1分析选用不同量程的表所需的精度等级：
3.
0～1.6MPa量程：
100%3.125%
0.10
，可选2.5级表；
0.05
0～2.5MPa量程：
100%2%
1.7
，可选1.5或2.0级表；
0.5
0～4.0MPa量程：
100%1.2%
4.1
，可选1.0级表。
○2量程选择：
被测最大压力＝1/3～2/3量程上限
0～1.6MPa量程：
1.2
1.6
4
0～2.5MPa量程：
0～4.0MPa量程：
0.3
综合分析，选用1.5级或2.0级，0～2.5MPa量程的表最合适。
2-13如果某反应器最大压力为1.0MPa，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，问能否符合工艺要求？
若采用一台测
量范围为0～1.0MPa，精度为1级的压力表，能符合要求吗？
试说明其理由。
工艺要求：
最大压力为1.0MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。
分别求出两台仪表的最大允许误差，进行判断。
1）精度为1级，量程为0～1.6MPa的表，其最大绝对误差：
?
1.6max＝1.6×
1％＝0.016MPa，>
0.01MPa,所以不符合要求；
2）精度为1级，量程为0～1.0MPa的表，其最大绝对误差：
1.0max＝1.0×
1％＝0.01MPa，＝0.01MPa,所以最大误差符合要求，但是压力表的最
大测量值应≤2/3仪表量程，否则压力波动会使测量值超出仪表量程。
所以，该表也不符合要求。
2-14某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.0～1.6MPa，工艺要求就地观察罐内
压力，并要测量结果的误差不得大于罐内压力的±
5%。
试选择一块合适的压力表（类型、测
量范围、精度等级），并说明其理由。
根据题意知：
压力范围1.0～1.6MPa，
允许最大误差：
?
max＝1.6×
（＋5％）＝＋0.08MPa
1）量程确定：
应满足工作最大压力小于仪表量程的2/3处，即1.6MPa×
2/3＝2.4MPa
可以选量程为0～2.5MPa的弹簧压力表。
2）精度等级确定：
求出基本误差，以确定满足要求的精度等级。
0.08
100%3.2%
，允许的精度等级为2.5级。
综上分析，选择量程为0～2.5MPa，精度等级为2.5级的弹簧压力表。
该表的最大绝对误差：
max＝2.5×
（＋2.5％）＝＋0.0625MPa，<
0.08MPa
所以满足要求。
2-15①电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。
②特点：
灵敏度高，量程宽，过载能力强，测量精度高，可达0.2级。
2-17什么叫标准节流装置？
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？
1）标准节流装置：
包括节流件和取压装置。
2）原理：
基于液体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流
量测量的。
3）影响因素：
P47
○1流量系数的大小与节流装置的形式、孔口对管道的面积比m及取压方式密切相关；
○2流量系数的大小与管壁的粗糙度、孔板边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩
性相关；
○3流量系数的大小与流体流动状态有关。
2-19为什么说转子流量计是定压式流量计？
而差压式流量计是变压降式流量计？
1）转子流量计是定压式流量计（P47）
虽然转子流量计也是根据节流原理测量流量的，但它是利用节流元件改变流体的流通
面积来保持转子上下的压差恒定。
所以是定压式。
2）差压式流量计是变压降式流量计（P45）
是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置是产生的压差实现流量测量的。
所以是变压降式。
2-21椭圆齿轮流量计的特点是什么？
对被测介质有什么要求？
1）特点：
流量测量与流体的流动状态无关，这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被
测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。
5
粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此核测介质的粘皮
愈大，泄漏误差愈小，对测量愈有利。
椭圆齿轮流量计计量精度高，适用于高粘度介质流量的测量。
2）对被测介质的要求：
不适用于含有固体颗粒的流体（固体颗粒会将齿轮卡死，以致
无法测量流量）。
如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。
2-22电磁流量计的工作原理是什么？
它对被测介质有什么要求？
P511）原理：
利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动是
测量流速。
导电液体，被测液体的电导率应大于水的电导率（100cm），
不能测量油类或气体的流量。
2-24超声波流量计的特点是什么？
超声波流量计的非接触式测量方式，不会影响被测流体的流动状况，被测流体
也不会对流量计造成磨损或腐蚀伤害，因此适用范围广阔。
测量液体流量精度可达0.2级，测
量气体流量精度可达0.5级。
2-25Δp=p1-p2=（h1r1g+Hr1g+p0）－（h2r2g+p0）
H=0时，Δp=h1r1g-h2r2g，若r1=r2，则Δp<
0，需要负迁移。
2-26用法兰式差压变送器测液位的优点是什么？
P57测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体的液位，在膜
盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，使被测介质不进入毛细
管与变送器，以免堵塞。
可节省隔离罐。
2-27试述电容式物位计的工作原理。
利用电容器的极板之间介质变化时，电容量也相应变化的原理测物位，可测量
液位、料位和两种不同液体的分界面。
2-28超声波液位计适用于什么场合？
P60适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体的测量。
第3章习题与思考题
3-1什么是控制器的控制规律？
控制器有哪些基本控制规律？
1）控制规律：
是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。
6
2）基本控制规律：
位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微
分控制。
3-2双位控制规律是怎样的？
有何优缺点？
1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。
2）缺点：
在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在
设定值上。
这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，
总是过量调节所致。
3）优点：
偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，
延长控制器中运动部件的使用寿命。
3-3比例控制为什么会产生余差？
产生余差的原因：
比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系：
yKpe
为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例
控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存
在余差。
3-4试写出积分控制规律的数学表达式。
为什么积分控制能消除余差？
1）积分控制作用的输出变化量y是输入偏差e的积分：
yedt
T
2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。
当偏差为零时，输出停止变
化，保持在某一值上。
因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。
3-5什么是积分时间？
试述积分时间对控制过程的影响。
1）yedt
7
积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或
减小）。
只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
2）在实际的控制器中，常用积分时间Ti来表示积分作用的强弱，在数值上，Ti=1／Ki。
显然，Ti越小，Ki就越大，积分作用就越强，反之亦然。
3-6某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA，若将比例度设为100%、积分时
间设为2min、稳态时输出调为5mA，某时刻，输入阶跃增加0.2mA，试问经过5min后，输
出将由5mA变化为多少？
11
由比例积分公式：
yeedt
PT
分析：
依题意：
p100%，即Kp=1,TI=2min,e＝＋0.2；
K
p
稳态时：
y0＝5mA，
P
e
edt
5min后：
51（0.2
4.5）
（50.7）mA
3-7比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？
调整比例度时要注意什么问题？
P74
1）控制器的比例度P越小，它的放大倍数
就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也
越强，反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P实现。
2）比例度不但表示控制器输入输出间的放大倍数，还表示符合这个比例关系的有效输入区
间。
一表的量程是有限的，超出这个量程的比例输出是不可能的。
所以，偏差的变化使控制器的输出可以变化全量程（16mA），避免控制器处于饱和状态。
3-8理想微分控制规律的数学表达式是什么？
为什么常用实际为分控制规律？
1）
yTD
de
dt
8
2）由于理想微分运算的输出信号持续时间太短，往往不能有效推动阀门。
实际应用中，
一般加以惯性延迟，如图3-7所示，称为实际微分。
3-9试写出比例、积分、微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。
yeedtTD
3-10试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点，积分和微分为什么不单独使用？
1）比例控制及时、反应灵敏，偏差越大，控制力越强；
但结果存在余差。
2）积分控制可以达到无余差；
但动作缓慢，控制不及时，不单独使用。
3）微分控制能起到超前调节作用；
但输入偏差不变时，控制作用消失，不单独使用。
3-11DDZ-Ⅲ型基型控制器由哪几部分组成？
各组成部分的作用如何？
P79
1）组成如图3-11所示。
2）作用参照P79。
3-12DDZ-Ⅲ型控制器的软手动和硬手动有什么区别？
各用在什么条件下？
1）软手动操作是指调节器的输出电流I0与手动操作的输入信号成积分关系；
硬手动操作是指调节器的输出电流I0与手动操作的输入信号成比例关系。
2）软手动操作：
系统投运
硬手动操作：
系统故障
3-13什么叫控制器的无扰动切换？
在DDZ-Ⅲ型调节器中为了实现无扰切换，在设计
PID电路时采取了哪些措施？
P84
1）调节器进行状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲击。
2）CM、CI。
P85中。
3-14PID调节器中，比例度P、积分时间常数TI、微分时间常数TD分别具有什么含义？
在调节器动作过程中分别产生什么影响？
若将TI取∞、TD取0，分别代表调节器处于什么
状态？
9
比例度P含义：
使控制器的输出变化满量程时（也就是控制阀从全关到全开
或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。
比例作用的强弱取决于比例度
的大小。
积分时间常数
T含义：
TI越小，积分作用越强；
越大积分作用越弱；
若将TI取∞，则
I
积分作用消失。
微分时间常数
TD越大，微分作用越强；
TD取0，微分作用消失。
D
3-15什么是调节器的正/反作用？
在电路中是如何实现的？
1）正作用：
偏差=测量值-给定值；
反作用：
偏差=给定值-测量值。
2）运放输入端的切换开关实现的。
3-16调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式？
输出电路是怎样将输出电压转换
成4～20mA电流的？
1）采用差动输入方式，可以消除公共地线上的电压降带来的误差。
2）参
照P83下的输出电路。
3-18给出实用的PID数字表达式，数字仪表中常有哪些改进型PID算法？
1）P91式（3-18）2）改进的算法：
P91~93
第4章思考题与习题
4-1气动调节阀主要由哪两部分组成？
各起什么作用？
1）执行机构和调节机构。
2）执行机构的作用：
按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作；
调节机构的作用：
由阀芯在阀体内的移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而
改变被控介质的流量。
4-2试问调节阀的结构有哪些主要类型？
各使用在什么场合？
1）类型：
直通单座阀、直通双座阀。
2）直通单座阀使用场合：
小口径、低压差的场合；
直通双座阀使用场合：
大口径、大压差的场合。
4-4什么叫调节阀的理想流量特性和工作流量特性？
常用的调节阀理想流量特性有哪
些？
1）理想流量特性：
在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，
也叫理想流量特性。
工作流量特性：
在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连
使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称为工
作流量特性。
2）常用理想流量特性：
直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、
快开特性
4-5单位相对行程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：
等百分比
阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。
4-6什么叫调节阀的可调范围？
在串联管道中可调范围为什么会变化？
1）可调范围：
反映调节阀可控制的流量范围，用R＝Qmax/Qmin之比表示。
R越大，调
节流量的范围越宽,性能指标就越好。
2）由于串联管道阻力的影响。
4-7什么是串联管道中的阀阻比S？
S值的变化为什么会使理想流量特性发生畸变？
1）阀阻比：
用阀阻比SpTmin/po表示存在管道阻力的情况下，阀门全开时，阀门
前后的最小压差
p占总压力po的比值。
Tmin
2）在S＜1时，由于串联管道阻力的影响，使阀门开大时流量达不到预期的值，也就
是阀的可调范围变小。
随着S值的减小，直线特性渐渐区于快开特性，等百分比特性渐渐趋
近于直线特性。
4-8什么叫气动调节阀的气开式与气关式？
其选择原则是什么？
1）气开式：
无压力信号时阀门全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀
为气开式。
气
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