控制儀表課后答案第1,2,3章部分

1、.思考與練習題參考答案第1章 模擬式控制器思考與練習題(1)工業(yè)上常用控制器的控制規(guī)律有哪幾種？答：工程上常用的控制器的控制規(guī)律有比例（p）、比例積分（pi）、比例微分（pd）以及比例積分微分（pid）四種，由此產生相應的四種常用控制器。(2)在模擬控制器中，一般采用什方式實現(xiàn)各種控制規(guī)律？答uourufr2r1放大器k：可以用負反饋放大器來實現(xiàn)。其原理組成如圖3.1所示。uo 圖3.1（a）負反饋放大電路圖uiufkf圖3.1(b)負反饋放大電路方框圖由圖可知：精品.o根據上述三個關系式可求得輸出與輸入的關系為： 當放大器的放大倍數足夠大時， fk1, 則上式分母中的1可忽略不計，上式可近似

2、表示為： 這就是說，只要放大器的放大倍數足夠大，那么在引入負反饋構成閉環(huán)后，其閉環(huán)放大倍數k就只與反饋系數f有關。而反饋系數就是前面分析的分壓系數，這樣就實現(xiàn)了比例控制規(guī)律。由于閉環(huán)放大倍數k與反饋系數f成倒數關系，即后者衰減，前者放大，或者是，后者為除的關系，則前者就是乘的關系。換句話說，兩者之間互成逆運算關系。由此得到了啟發(fā)，若要閉環(huán)放大器起積分運算作用，它的反饋電路應是微分運算電路。反之，要得到微分運算關系的放大電路，其反饋電路應該用積分電路。(3) 試述ddz型控制器的功能。精品.答： ddz型控制器的作用是將變器送來的15vdc測量信號與15vdc給定信號進行比較得到偏差信號，然后再

3、將其偏差信號進行pi d運算，輸出420madc信號，最后通過執(zhí)行器，實現(xiàn)對過程參數的自動控制。一臺ddz型工業(yè)控制器除能實現(xiàn)pid運算外，還具有如下功能，以適應生產過程自動控制的需要。獲得偏差并顯示其大小顯示控制器的輸出提供內給定信號并能進行內外給定選擇進行正/反作用選擇進行手動操作，并具有良好的手動/自動雙向切換性能(4)基型控制器由哪幾部分組成？各部分的主要作用是什么？答：基型控制器由控制單元和指示單元兩大部分組成?？刂茊卧ㄝ斎腚娐贰⒈壤⒎郑╬d）電路與比例積分（pi）電路、軟手動與硬手動操作電路和輸出電路等，指示電路包括測量信號指示電路和給定信號指示電路。輸入電路的主要作用是將測

4、量信號與給定信號相減，獲得偏差信號。并將兩個以零伏為基準的輸入電壓轉換成了以電平vb=10v為基準的偏差電壓輸出，從而實現(xiàn)了信號的電平移動，使運算放大器的輸入端電壓進入其共模電壓范圍內。精品.比例微分運算電路的作用是接受由輸入電路送來的以10v電平為基準的輸出信號對它進行比例微分運算，再經比例放大的后輸出，送給比例積分電路。比例積分運算電路主要是給控制器的控制規(guī)律引入積分作用。手動操作是由手動操作電路實現(xiàn)的。輸出電路其作用是將比例積分電路送來的以10v為基準的15vdc電壓信號轉換成以0v為基準的420madc輸出電流送給執(zhí)行機構。指示電路的作用是將以零伏為基準的420madc轉換成以vb=1

5、0v為基準的15madc的輸出電流信號，用電流表加以指示（5）ddz型控制器的輸入電路為什么要采用差動輸入方式？為什么要進行電平移動？答： 采用差動輸入方式，使引線電阻rcn上的壓降vcm以共模電壓形式加入輸入電路，由于輸入電路對共模電壓信號有很強的抑制作用，使vcm不致引起誤差。輸出電壓v01與引線電阻上的附加壓降vcm1、vcm2無關，因而消除了它們對輸出電壓v01的影響。在輸入電路中進行電平移動，將偏差電平抬高到+10v的基準上，這樣在同樣條件下，運算放大器的輸入端電壓數值就在共模電壓范圍要求之內，輸入電路就能正常工作了。輸入電路將兩個以零伏為基準的輸入電壓轉換成了以電平vb=10v為基

6、準的偏差電壓輸出，從而實現(xiàn)了信號的電平移動，使運算放大器的輸入端電壓進入其共模電壓范圍內。精品.（6）ddz型控制器有哪幾種工作狀態(tài)？什么是軟手動狀態(tài)和硬手動狀態(tài)？答： ddz型控制器有自動（a）、軟手動（m）和硬手動（h）三種工作狀態(tài)，軟手動操作又稱速度式手操，是指控制器的輸出電流隨手動輸入電壓成積分關系而變化。硬手動操作又稱比例式手操，是指控制器的輸出電流隨手動輸入電壓成比例關系而變化。（7）什么是控制器的無擾動切換？ddz型控制器如何實現(xiàn)“手動/自動”無擾動切換？為什么從軟手動方式向硬手動方式切換需要事先平衡？答：所謂無擾動切換是指在切換時控制器的輸出不發(fā)生變化，對生產過程無擾動。型控制

7、器由自動或硬手動向軟手動的切換（ahm）以及由軟手動或硬手動向自動的切換(mha)均為無平衡無擾動的切換方式。所謂無平衡切換，是指在自動、手動切換時，不需要事先調平衡，可以隨時切換至所需要位置。當從任何一種操作狀態(tài)切換到軟手動操作時，運算放大器ic的反向端為浮空狀態(tài)，03都能保持切換前的值，所以，凡是向軟手動（m方式）方向的切換，均為無平衡無擾動的切換。控制器處于軟手動（m方式），或硬手動（h方式）時，電容ci兩端電壓值等于v02，而且ci的一端與v相連，在從手動向自動切換的前后是等電位的，在切換瞬間，ci沒有放電現(xiàn)象，v精品.03不會突變，控制器的輸出信號也不會突變。所以，凡是向自動（a方式

8、）的切換也均為無平衡無擾動的切換。凡是向硬手動方向的切換，從自動到硬手動或從軟手動到硬手動（a、mh），均為有平衡的無擾動切換。即要做到無擾動切換，必須事先平衡。因為硬手動操作撥盤的刻度（即vh值），不一定與控制器的輸出電流相對應，因此在由其它方式向硬手操方式切換前，應撥動硬手動撥盤（即調wh電位器），使它的刻度與控制器的輸出電流相對應，才能保證切換時不發(fā)生擾動。第2章 變送器思考與練習題（1）變送器主要包括哪些儀表？各有何用途？答：變送器主要包括壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送器、溫度變送器等；各自將被測工藝參數，如壓力、差壓、流量、液位、溫度等物理量轉換成相應的統(tǒng)一標準信號，并

9、傳送到指示記錄儀、運算器和控制器，供顯示、記錄、運算、控制、報警等。（2）變送器是基于什么原理構成的？如何使輸入信號與輸出信號之間呈線性關系？精品.答：變送器都是基于負反饋的原理來工作的；保證放大器的放大系數和反饋系數為常數可使輸入信號與輸出信號之間呈線性關系。（3）何謂零點遷移？為什么要進行零點遷移？零點遷移有幾種？答：使變送器輸出信號的下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應,即在xmin0時，使y=ymin的調整，為零點遷移；零點遷移是為了保證變送器的在不同的輸入范圍時其輸出仍是標準信號；零點遷移有正遷移和負遷移。（4）何謂量程調整和零點調整？答：量程調整是使變送器輸出信號的上限值

10、ymax與測量范圍的上限值xmax相對應。零點調整是使變送器輸出信號的下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應,即在xmin=0時，使y=ymin。（5）電容式、擴散硅式、電感式、振弦式差壓變送器與矢量機構式差壓變送器相比有什么優(yōu)點？答：與矢量機構式差壓變送器相比，電容式差壓變送器是微位移式變送器，無杠桿系統(tǒng)，體積小，它以差動電容膜盒作為檢測元件，并且采用全密封熔焊技術，因此整機的精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗振性強，其基本誤差一般為0.2或土0.25。擴散硅式差壓變送器也是微位移式兩線制差壓變送器。它的檢測元件采用硅杯壓阻傳感器，由于單晶硅材質純、功耗小、滯后和蠕變極小、機械穩(wěn)定性好、

11、體積小、重量輕、結構簡單和精度高。精品.采用微位移式電平衡工作原理，沒有機械傳動、轉換部分；外形美觀、結構小巧，重量輕；調整方便，零點、滿量程、阻尼均在儀表外部調整，且零點和滿量程調整時互不影響；具有獨特的電感檢測元件，敏感檢測元件所在的測量頭部分采用全焊接密封結構；計算機進行溫度、壓力補償，不需要調整靜壓誤差。振弦式差壓變送器通過振弦去改變諧振電路的諧振頻率，將差壓的變化轉換成振弦張力的變化，輸出可以是頻率或電流。（6）電容式差壓變送器如何實現(xiàn)差壓-位移轉換？差壓-位移轉換如何滿足高精度的要求？答：在電容式變送器中，電容膜盒中的測量膜片是平膜片，平膜片形狀筒單，加工方便，但壓力和位移是非線性

12、的，只有在膜片的位移小于膜片的厚度的情況下是線性的，膜片在制作時，無論測量高差壓、低差壓或微差壓都采用周圍夾緊并固定在環(huán)形基體中的金屬平膜片做感壓膜片，以得到相應的差壓-位移轉換。由于膜片的工作位移小于0.1mm，當測量較低差壓時，則采用具有初始預緊應力的平膜片；在自由狀態(tài)下被繃緊的平膜片；具有初始張力。這不僅提高線性，還減少了滯后。對厚度很薄，初始張力很大的膜片，其中心位移與差壓之間也有良好的線性關系，滿足高精度的要求。(7)電容式差壓變送器如何保證位移-電容轉換關系是線性的？精品.答：中心感壓膜片位移s與差動電容的電容量變化示意圖如圖2.1所示。設中心感壓膜片與兩邊弧形電極之間的距離分別為

13、s1、s2。圖2.1 差動電容變化示意圖當被測差壓pi0時，中心感壓膜片與兩邊弧形電極之間的距離相等，設其間距為s0，則sls2=s0；在有差壓輸入，即被測差壓pi0時，中心感壓膜片在pi作用下將產生位移s， 則有sls0+s和s2s0s。若不考慮邊緣電場影響，中心感壓膜片與兩邊弧形電極構成的電容ci1和ci2，可近似地看成是平行板電容器，其電容量可分別表示為 精品.可見，兩電容量的差值與中心感壓膜片的位移s成非線性關系。顯然不能滿足高精度的要求。但若取兩電容量之差與兩電容量和的比值，則有 差動電容的相對變化值與s成線性關系，要使輸出與被測差壓成線性關系，就需要對該值進行處理。（8）對于不同測

14、量范圍的1151電容式差壓變送器，為什么整機尺寸無太大差別？答：由于膜片的工作位移小于0.1mm，當測量較低差壓時，則采用具有初始預緊應力的平膜片；在自由狀態(tài)下被繃緊的平膜片；具有初始張力。這不僅提高線性，還減少了滯后。對厚度很薄，初始張力很大的膜片，其中心位移與差壓之間也有良好的線性關系。當測量較高差壓時，膜片較厚，很容易滿足膜片的位移小于膜片的厚度的條件，所以這時位移與差壓成線性關系?？梢姡?151變送器中，通過改變膜片厚度可得到變送器不同的測量范圍，即測量較高差壓時，用厚膜片；而測量較低差壓時，用張緊的薄膜片；兩種情況均有良好的線性，且測量范圍改變后，其整機尺寸無多大變化。（9）簡述擴

15、散硅式、電感式、振弦式差壓變送器力-電轉換的基本原理。精品.答 對于擴散硅式，當被測差壓p 作用于測量室內隔離膜片時，膜片通過硅油將壓力傳遞給硅杯壓阻傳感器，于是電橋就有電壓信號輸出到放大器。當硅杯受壓時，壓阻效應作用使其擴散電阻（即應變電阻）阻值發(fā)生變化，使檢測橋路失去平衡，產生不平衡電壓輸出。對于電感式，被檢測的工業(yè)過程流體（液體、氣體或蒸汽）的壓力或差壓通過膜盒的隔離膜片和灌充液體（硅油）傳遞到中心敏感膜片上，從而使中心敏感膜片變形，即產生位移，其位移的大小與過程壓力（或差壓）成正比，中心敏感膜片的中央部位裝有鐵淦氧磁片，它與兩側固定的電磁回路組成一差動變壓器。差動變壓器電感量的變化與中

16、心敏感膜片的位移量成正比。從而實現(xiàn)了將壓力（或差壓）變化轉換成電參數（電感量）變化的目的。對于振弦式，振弦式差壓變送器的基本原理，就是將壓力或差壓的變化轉換成振弦張力的變化，從而使振弦的固有諧振頻率變化，并通過振弦去改變諧振電路的諧振頻率。檢測出這個電信號的頻率就檢測到了差壓的大小。實際使用中可以將這個頻率直接輸出，也可以變換成電流輸出。（10）溫度變送器接受直流毫伏信號、熱電偶信號和熱電阻信號時應該有哪些不同？答：直流毫伏溫度變送器用于把直流毫伏信號轉換為420ma直流電流信號，由檢測元件送來的直流毫伏信號和調零與零點遷移電路產生的調零信號的代數和同由反饋電路產生的反饋信號進行比較，其差值送

17、入電壓放大器進行放大，再經功率放大器各隔離輸出電路轉換得到整機的420ma直流電流輸出信號。精品.熱電偶溫度變送器與各種熱電偶配合使用，可以把溫度信號轉換為420ma、15v的標準信號。它在直流毫伏溫度變送器的電路基礎上做了如下改動：在輸入回路增加了由rcu電阻組成的熱電偶冷端補償電路；同時在電路安排上把調零電位器wi移到了反饋回路的支路上；在反饋回路中增加了運算放大器構成的線性化電路。熱電阻溫度變送器與各種熱電阻配合使用，可以把溫度信號轉換為420ma、15v的標準信號。它在直流毫伏溫度變送器的電路基礎上做了如下改動，輸入回路增加了線性化電路，熱電阻導線電阻補償電路，同時零點調整電路有所改變

18、。（11）采用熱電偶測量溫度時，為什么要進行冷端溫度補償？一般有哪些冷端溫度補償方法？答:熱電偶產生的熱電勢et，與熱電偶的冷端溫度有關。當冷端溫度不固定時，et也隨之變化，從而帶來測量誤差。因此，需對熱電偶的冷端溫度進行補償，以減小熱電偶冷端溫度變化所引起的測量誤差。冷端溫度補償方法，在輸入回路增加了由rcu電阻組成的熱電偶冷端補償電路精品.(12)采用熱電阻測量溫度時，為什么要進行引線電阻補償？一般有哪些引線電阻補償方法？答:采用熱電阻測量溫度時，若不考慮引線電阻補償，引線電阻的壓降會帶來測量誤差，考慮引線電阻補償，熱電阻與橋路之間采用三線制的連接方式。第3章 執(zhí)行器（1）執(zhí)行器在過程控制

19、中起什么作用？常用的電動執(zhí)行器與氣動執(zhí)行器有何特點？答： 執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中一個重要的組成部分，它的作用是接受來自控制器輸出的控制信號，并轉換成直線位移或角位移來改變調節(jié)閥的流通面積，以改變被控參數的流量，控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現(xiàn)對過程參數的自動控制，使生產過程滿足預定的要求。電動執(zhí)行器能源取用方便，動作靈敏，信號傳輸速度快，適合于遠距離的信號傳送，便于和電子計算機配合使用。但電動執(zhí)行器一般來說不適用于防火防爆的場合，而且結構復雜，價格貴。氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣作為動力能源的執(zhí)行器，具有結構簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、輸出力大、成本較低、安裝維修方便和防火防爆等優(yōu)點，在過

20、程控制中獲得最廣泛的應用。但氣動執(zhí)行器有滯后大、不適于遠傳的缺點，為了克服此缺點，可采用電精品./氣轉換器或閥門定位器，使傳送信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動，這是電/氣結合的一種形式，也是今后發(fā)展的方向。（2）執(zhí)行器由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？答： 執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構（又稱為調節(jié)閥）兩個部分組成執(zhí)行機構是執(zhí)行器的推動裝置，它根據控制信號的大小，產生相應的推力，推動調節(jié)機構動作。調節(jié)機構是執(zhí)行器的調節(jié)部分，在執(zhí)行機構推力的作用下，調節(jié)機構產生一定的位移或轉角，直接調節(jié)流體的流量。（3）簡述電動執(zhí)行器的構成原理，伺服電機的轉向和位置與輸入信號有什么關系？答： 電動執(zhí)行機構由伺服放大器

21、和執(zhí)行機構兩部分組成。伺服放大器是由前置磁放大器、觸發(fā)器，可控硅主回路及電源等部分組成。執(zhí)行機構又包括兩相伺服電動機、減速器和位置發(fā)送器。伺服放大器綜合輸入信號和反饋信號，并將該結果信號加以放大，使之有足夠大的功率來控制伺服電動機的轉動。根據綜合后結果信號的極性，放大器應輸出相應極性的信號，以控制電動機的正、反運轉前置級磁放大器是一個增益很高的放大器，來自控制器的輸入信號和位置反饋信號在磁放大器中進行比較，當兩者不相等時，放大器把偏差信號進行放大，根據輸入信號與反饋相減后偏差的正負，放大器輸出電壓，控制兩個晶體管觸發(fā)電路中一個工作，一個截止。使主回路的可控硅導通，兩相伺服電動機接通電源而旋轉，

22、從而帶動調節(jié)機構進行自動控制?？煽毓柙陔娐分衅馃o觸點開關作用。伺服放大器有兩組開關電路，即觸發(fā)器與主回路有兩套，各自分別接受正偏差或負偏差的輸入信號，以控制伺服電動機的正轉或反轉。與此同時，位置反饋信號隨電動機轉角的變化而變化，當位置反饋信號與輸入信號相等時，前置放大器沒有輸出，伺服電機停轉。精品.伺服電動機是執(zhí)行器的動力裝置，它將電功率變?yōu)闄C械功率以對調節(jié)機構作功。但由于伺服電機轉速高，滿足不了較低的調節(jié)速度的要求，輸出力矩小帶動不了調節(jié)機構，故必須經過減速器將高轉速，小力矩轉化為低轉速大力矩的輸出。位置發(fā)送器的作用是輸出一個與執(zhí)行器輸出軸位移成比例的電信號，一方面借電流來指示閥位，另一方面

23、作為位置反饋信號至輸入端，使執(zhí)行器構成一個位置反饋系統(tǒng)。來自控制器的電信號id作為伺服放大器的輸入信號，與位置反饋信號if進行比較，其差值（正或負）經放大后去控制兩相伺服電動機正轉或反轉，再經減速器減速后，使輸出產生位移，即改變調節(jié)閥的開度（或擋板的角位移。）與此同時，輸出軸的位移又經位置發(fā)送器轉換成電流信號if，作為反饋信號，被返回到伺服放大器的輸入端。當反饋信號if與輸入信號id相等時，電動機停止轉動，這時調節(jié)閥的開度就穩(wěn)定在與控制器輸出信號id成比例的位置上。伺服電機的轉向和位置與輸入信號的關系：如輸入電信號增加，則輸入信號與反饋信號的差值為正極性，伺服放大器控制電動機正轉；相反，輸入電

24、流信號減小，則差值信號為負，伺服放大器控制電動機反轉，即電動機可根據輸入信號與反饋信號差值的極性產生正轉或反轉，以帶動調節(jié)機構進行開大或關小閥門。精品.（4）伺服放大器是如何控制電機的正反轉？答： 伺服放大器綜合輸入信號和反饋信號，并將該結果信號加以放大，使之有足夠大的功率來控制伺服電動機的轉動。根據綜合后結果信號的極性，放大器應輸出相應極性的信號，以控制電動機的正、反運轉。伺服放大器是由前置磁放大器、觸發(fā)器，可控硅主回路及電源等部分組成。前置級磁放大器是一個增益很高的放大器，來自控制器的輸入信號和位置反饋信號在磁放大器中進行比較，當兩者不相等時，放大器把偏差信號進行放大，根據輸入信號與反饋相

25、減后偏差的正負，放大器輸出電壓，控制兩個晶體管觸發(fā)電路中一個工作，一個截止。使主回路的可控硅導通，兩相伺服電動機接通電源而旋轉，從而帶動調節(jié)機構進行自動控制?？煽毓柙陔娐分衅馃o觸點開關作用。伺服放大器有兩組開關電路，即觸發(fā)器與主回路有兩套，各自分別接受正偏差或負偏差的輸入信號，以控制伺服電動機的正轉或反轉。與此同時，位置反饋信號隨電動機轉角的變化而變化，當位置反饋信號與輸入信號相等時，前置放大器沒有輸出，伺服電機停轉。（5）確定調節(jié)閥的氣開、氣關作用方式有哪些原則？試舉例說明。精品.答： 執(zhí)行器分氣開式和氣關式兩種。它的選擇主要根據調節(jié)器輸出信號為零（或氣源中斷）時使生產處于安全狀態(tài)的原則確定

26、。如果發(fā)生斷電或其他事故引起供氣系統(tǒng)發(fā)生故障信號壓力中斷時，調節(jié)閥的開閉狀態(tài)應避免損壞設備和傷害操作人員。調節(jié)閥處于全開位置造成的危害較小，則選用氣關式，反之選用氣開式。例如：一般蒸汽加熱器選氣開式，一旦氣源中斷，閥門處于全關狀態(tài)，停止加熱，使設備不致因溫度過高而發(fā)生事故或危險。鍋爐進水的調節(jié)閥則選用氣關式，當氣源中斷時，仍有水進入鍋爐，不致產生燒干或爆炸事故。 （6）直通單、雙座調節(jié)閥有何特點，適用于哪些場合？答： 直通單座閥閥體內只有一個閥芯和閥座，這一結構特點使它容易保證密閉，因而泄漏量很小（甚至可以完全切斷）。同時，由于只有一個閥芯，流體對閥芯的推力不能像雙座閥那樣相互平衡，因而不平衡

27、力很大，尤其在高壓差、大口徑時，不平衡力更大。因此，直通單座閥適用于泄漏要求嚴、閥前后壓差較小、小管徑的場合。直通雙座閥閥體內有兩個閥芯和閥座，雙座閥的閥芯采用雙導向結構，只要把閥芯反裝，就可以改變它的作用形式。因為流體作用在上、下兩閥芯上的不平衡力可以相互抵消，因此雙座閥的不平衡力小，允許使用壓差較大，流通能力比同口徑的單座閥大。但雙座閥上、下閥不易同時關閉，故泄漏量較大，尤其使用于高溫或低溫時，材料的熱膨脹差更容易引起較嚴重的泄漏。所以雙座閥適用于兩端壓差較大的、泄漏量要求不高的場合，不適用于高粘度介質和含纖維介質的場合。精品.（7）什么是調節(jié)閥的可調比？串聯(lián)或并聯(lián)管道時會使實際可調比如何

28、變化？答： 調節(jié)閥的可調比就是調節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量之比。可調比也稱為可調范圍，用r表示。調節(jié)閥串聯(lián)管道工作情況由于流量的增加，管道的阻力損失也增加。若系統(tǒng)的總壓差p不變，則分配到調節(jié)閥上的壓差相應減小，這就使調節(jié)閥所能通過的最大流量減小，所以串聯(lián)管道時調節(jié)閥實際可調比就會降低，并聯(lián)管道實際可調比與調節(jié)閥本身的可調比無關。調節(jié)閥的最小流量一般比旁路流量小得多，所以可調比實際上只是總管最大流量與旁路流量之比值。（8）什么是調節(jié)閥的流通能力？確定流通能力的目的是什么？答： 流通能力為：當調節(jié)閥全開時，閥前后壓差p為0.1mpa、流體重度為1g/cm3時，每小時通過調節(jié)閥流體的流量數，以m3/h或kg/h計。調節(jié)閥口徑的大小決定于流通能力c。所以確定流通能力的目的是合理的選擇調節(jié)閥的口徑，精品.（9）什么是調節(jié)閥的流量特性？什么是調節(jié)閥的理想流量特性和工作流量特性？為什么說流量特性的選擇是非常