【精选】控制仪表及系统1、2章习题11

图1-1（a）表示由控制仪表与控制对象组成的简单控制系统框 图。控制对象代表生产过程中的某个环节，控制对象输出的是被控 变量，如压力、流量、温度等工艺变量。这些被控变量首先由检测 元件变换为易于传递的物理量，再经变送器转换成相应的电信号。 该信号送到控制器中与给定值相比较。控制器按照比较后得出的偏 差，以一定的控制规律发出控制信号，控制执行器的动作，改变被 控介质物料或能量的大小，直至被控变量与给定值相等为止。
控制器输出值为：0.25V 1V 1.25V。 答:输出变化量是0.25V。
2 5.说明积分增益和微分增益的物理意义。他们的大小对控制器的
输出有什么影响？
答：积分增益K
的物理意义是：
I
在阶跃信号作用下，PI控制器输出变化的最终值与初始值之比：
KI

y () y(0)
，K
I
越大越接近理想积分，消除静差的能力越强。
差就有输出。
Kp大，余差小。
PI
I作用动作缓慢，但可消除静差。I作用可大大减小系统余差，
PI作用有P作用迅速和I作用消 故用于系统静差要求较高的
除静差的特点。I作用影响系统 系统中。
稳定性。
注：实际积分不能消除静差， 但可使余差大大减小。
PD
D作用快，输出与偏差的变化 D作用可改善系统动态特性，
速度成正比，可使动态最大偏 使最大动态偏差大大减小。
变压器隔离式安全栅的一种电路结构如图0-8所示。来自 变送器的直流信号，由调制器调制成交流信号，经变压器 耦合，再由解调器还原为直流信号，送入安全区域。
变压器隔离式安全栅的特点是线路较复杂，但其性 能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，使用也较方便。
图1-8 变压器隔离式安全栅
安全栅 电阻式安全栅 齐纳式安全栅 中继放大器式安全栅 光电隔离式安全栅 变压器隔离式安全栅 线性光偶合隔离放大器
与爆炸性气体引燃温度的分组相对应，Ⅱ类电气设备 可按最高表面温度分为T1～T6六组，如表0-2所示。
表0-2 Ⅱ类电气设备的最高表面温度分组
组别
T1 T2 T3 T4
T5
T6
引燃温度 t/℃ 450 300
200 135
100
85
防爆标志ExiaIIAT5 表示II类（工厂用电气设备）本质安全 型ia等级A级T5组，其设备适用于A级气体级别、（不适用于B、
《控制仪表及系统》习题
第一篇 控制仪表 第一章习题
1-1.举例说明控制仪表与控制系统的关系。 答：在自动控制系统中，检测仪表将被控变量转换成测量信号后， 还需送控制仪表，以便控制生产过程的正常进行，使被控变量达到 预期的要求。这里所指的控制仪表包括在自动控制系统中广泛使用 的控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。
图1-1（b）为由加热炉、温度变送器、控制器和执行器构成的 一个单回路温度控制系统。温度变送器将温度信号转换为电信号， 在控制仪表的作用下，通过执行器将加热炉的出口温度控制在规定 的范围内。
因此，控制系统是由控制仪表、检测仪表和控制对象组成的。 一个控制系统除了图中表示的几类控制仪表外，还可以根据需要设 置转换器、运算器、操作器、显示装置和各种仪表系统，以完成复
电流信号传输的特点：发送仪表相当于恒流源，连线电阻在一 定范围内变化时，仍能保证信号传输精度，因此电流信号适于 远距离传输；缺点是无公共接地点，当一台仪表出故障时，可 能影响其它仪表工作。
电压信号：适用于近距离传输信号； 电流信号：适用于远距离传输信号； 1 4.说明现场仪表与控制室仪表之间的信号传输及供电方式。0 ~ 10mA的直流信号能否用于两线制传输方式？为什么？ 答：现场变送器的信号传输及供电方式有以下两种： 1.四线制传输，见图1 4。 2.两线制传输，见图1 5。 0 ~ 10mA的直流信号不能用 于两线制传输方式。因为两线制 传输方式的信号下限不能为零。
杂的控制任务。
给定值
控制器
变送器
执行器
控制对象 被控变量
被控介质
原料
加热炉
温度 变送器
控制器
TT TC
执行器
燃料
（a）简单控制系统框图
（b）单回路温度控制系统
图1-1 控制系统简图
1ຫໍສະໝຸດ Baidu2.控制仪表与装置有哪些类型，各有什么 特点？P10（思考题）
答：P2-3，第二节。
1 3.控制仪表与装置采用何种信号进行联络？电压信号传输 和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？ 答：在成套仪表系列中，仪表之间由统一的联络信号来进行 信号传输，采用统一的联络信号，不仅可使同一系列的各类 仪表组成系统，而且还可以通过各种转换器，将不同系列的 仪表连接起来，混合使用，可以与计算机控制系统方便的连 接，从而扩大了仪表的应用范围。目前，控制仪表和装置常 用的联络信号有：
max min
y

1
100% 100% 100%
y
Kp
ymax ymin
积分时间：TI

mC IR I ，y

1 TI
dt
，1 TI
代 表 积 分 速 度 ，TI 称 为 积 分 时 间 。
微分时间：TD
nCDR D ，y
TD
d dt
，TD
称
为
积
分
时
间
。
1-5.防爆电气设备如何分类？防爆标志ExiaⅡAT5 和 ExdIIBT4是何含义？ 答：按照国家标准GB3836.1规定，防爆电气设备分为两大 类。 ①Ⅰ类 煤矿用电气设备。 ②Ⅱ类 工厂用电气设备。 Ⅱ类电气设备按爆炸性气体特性，可进一步分为ⅡA、ⅡB、 ⅡC三级。
工厂用设备的防爆形式共有八种：隔爆型（d）本质安 全型（i）增安型（e）正压型（p）充油型（o），充砂型 （q），浇封型（m）和无火花型（n）。本质安全型设备按 其使用场所的安全程度又可分为ia和ib两个等级。
ia是指在正常工作、一个故障和两个故障时
均不能点燃爆炸性气体混合物； ib是指在正常工作和一个故障时不能点燃
爆炸性气体混合物。
1-6.常用的防爆型控制仪表有哪几类？各有什么特点？ 答：常用的防爆型控制仪表有隔爆型和本质安全型两类仪表。 （一）隔爆型仪表
隔爆型仪表具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防 爆壳体内，其表壳的强度足够大，隔爆结合面足够宽，它能承受仪 表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆 炸向外壳周围爆炸性混和物传播。这类仪表适用于1区和2区危险场 所。隔爆型仪表安装及维护正常时，能达到规定的防爆要求，但当 揭开仪表外壳后，它就失去了防爆性能，因此不能在通电运行的情 况下打开表壳进行检修或调整。 （二）本质安全型仪表
注：正常使用时，K I

A3CM mCI
，m
1，10
，K I
104或105；K P由决定，设定
后为定值，一般情况下，KP 0.2。
控制精度与K
D无关，K
只影响动态偏差。
D
1 .
2 7.某PID控制器（正作用）输入、输出信号均为4 ~ 20mA，控制器初始 值Ii Io 4mA， 200%, TI 2 min，TD 2 min，K D 10，在t 0 时输入2mA的阶跃信号，即I（i 0） 2mA，分别求取t 12s时（1）PI 工况下（2）PD工况下的输出值。 解：
1-8.什么是安全栅？说明常用安全栅的构成和特点。 答：安全栅作是本安型仪表的关联设备，它一方面传输信号，另一方面 控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确 保系统的本安防爆性能。
安全栅的构成形式有多种，常用的有齐纳式安全栅和隔离式安全栅 两种。 1、齐纳式安全栅
齐纳式安全栅是基于齐纳二极管反向击穿性能而工作的。如图0-7 所示。在正常工作时，安全栅不起作用。
当现场发生事故，如形成短路时，由R限制过大电流进入危险侧，以 保证现场安全。当安全栅端电压U1高于额定电压Uo时，齐纳二极管击穿， 进入危险侧的电压将被限制在Uo值上。同时，安全侧电流急剧增大，使 FU很快熔断，从而使高电压与现场隔离，也保护了齐纳二极管。
齐纳式安全栅结构简单、经济、可靠、通用性强，使用方便等特点。
测定方法：
比例度：置P, 输入ΔIi，测输出为ΔIo，则

Ii Io
100%;
积
分
时
间
：
置P（100%）
、TI，
输
入ΔI
，
i
输
出
从I
o

ΔIi增加，待Io增加到
2Ii时，所需的时间即为TI ;
微分时间：置P（100%）、TD，在阶跃作用下（ΔIi 1mA )，ΔIo从最大值
下
降
到
微
分
输
C级气体级别）引燃温度不低于T5（100℃）的0区危险场所；
防爆标志ExdIIBT4表示II类（工厂用电气设备）隔爆型B级 T4组，其设备适用于A、B级气体级别、（不适用于C级气体级别） 引燃温度不低于T4（135℃）的1（包含2区，不含0区）区危险场 所。
ⅡA、ⅡB、ⅡC三级：见最大试验安全间隙和 最小点燃电流比。
1-7.如何使控制系统实现本安防爆的要求？ 答：要使控制系统具有本安防爆性能，应满足两个条件：①在危险 场所使用本质安全型防爆仪表，如本安型变送器、电-气转换器、 电气阀门定位器等；②在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全 栅，以限制流入危险场所的能量。图0-6表示本安防爆系统的结构。
图1-6 本安防爆系统 应当指出，使用本安仪表和安全栅是系统的基本要求，要真正 实现本安防爆的要求，还需注意系统的安装和布线：按规定正确安 装安全栅，并保证良好接地；正确选择连接电缆的规格和长度，其 分布电容、分布电感应在限制值之内；本安电缆和非本安电缆应分 槽（管）敷设，慎防本安电路与非本安电路混触等。详细规定可参 阅安全栅使用说明书和国家有关电气安全规程。
防爆措施 电阻限流 齐纳管限压、电阻限流 放大器的高输入阻抗 光电隔离、限流、限压 变压器隔离、限流、限压 光电隔离
第二章习题
2-1.说明P、PI、PD控制规律的特点及这几种控制规律在控制系统中的作用。
解：见下表。
调节规律
特点
在控制系统中的作用
P
控制作用及时迅速，只要有偏 快速消除偏差，但有余差，
1
100%
U03 () K K P min Imin

1 0.2 104

0.05%（不考虑漂移、积分电容漏
电的影响，此时MAX 2mV, P27）；
控制器指标给出的控制精度为： 0.5% （考虑漂移、积分电容漏电
等因素影响，此时MAX 20mV）。 不能消除偏差，因为KI ，CI漏电。
本质安全型仪表（简称本安仪表）的全部电路均为本质安全电 路，电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围内，以保证仪表 在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和 热效应不致引起其周围爆炸性气体混合物爆炸。本安仪表不需要笨 重的隔爆外壳，具有结构简单、体积小、质量轻的特点，可在带电 工况下进行维护、调整和更换仪表零件的工作。
微分增益K
的物理意义是：
D
在阶跃信号作用下，PD控制器输出变化的初始值与最终值之比：
KD

y (0) y()
，K
越大
D
越接近理想微分，消除最
大动态偏差的能力越强。
2 6.什么是控制器的调节精度？实际PID控制器用于控制系统中，控制结 果能否消除余差？为什么？
答：控制器的控制精度为： MAX
差大大减小，故有超前作用。
2-2.控制器输入一调节信号，作用一段时间后突然消失，在上述情 况下，分别画出P、PI、PD、控制器的输出变化过程。如果输入一 随时间线性增加的信号时，控制器的输出将做何变化。
解：见下图。
2 3.什么是比例度、积分时间和微分时间？如何测定这些参数？

解：比例度：
气动仪表：20~100kPa； 电动仪表：IEC将4 ~ 20mA(DC)和1 ~ 5V（DC）确定为控 制系统模拟信号的统一标准。 电压信号传输的特点：接收仪表是并联连接，有公共接地 点，安装简单，增加或取消某台仪表不会影响其他仪表工作； 因接收仪表输入电阻一般较高，易引入干扰，故电压信号不易 远距离传输。
图1-7 齐纳式安全栅
2、隔离式安全栅 隔离式安全栅是通过隔离、限压和限流等措施来保
证安全防爆性能的。通常采用变压器隔离的方式，使其输 入、输出之间没有直接电的联系，以切断安全侧高电压窜 入危险侧的通道。同时，在危险侧还设置了电压、电流限 制电路，限制流入危险场所的能量，从而实现本安防爆的 要求。
出幅
度
的63.2%所需
时
间
，
乘
以K
即
D
为
微分
时
间
。
2 4.某P控制器的输入信号为4 ~ 20mA，输出信号为1 ~ 5V,当比 例度 60%时，输入变化0.6mA所引起的输出变化量是多少？ 解：
0.6mA引起的输出相对变化量为：0.6 1mA； 60%
转化为1 ~ 5V对应电压值,即输出变化量为：1mA 4V 0.25V； 16mA