控制仪表及系统1、2章习题

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。 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。
ⅡA、ⅡB、ⅡC三级：见最大试验安全间隙和 最小点燃电流比。 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 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。
PD
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 间 和 微 分 时 间 ？ 如 何 定 这 些 参 数 ？ 时 测 min 1 解 ： 例 度 ： max 比 100% 100% 100% y y Kp ymax ymin 积 分 时 间 ： I mCI R I ，y T 1 TI
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. mA所引起的输出变化量是多少？ 6 解： 0.6 0.6mA引起的输出相对变化量为： 1mA； 60% 1mA 转化为1 ~ 5V对应电压值, 即输出变化量为： 4V 0.25V； 16mA 控制器输出值为： 25V 1V 1.25V。 0. 答:输出变化量是0. V。 25
图1-8 变压器隔离式安全栅
安全栅
电阻式安全栅 电阻限流
防爆措施 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
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
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 P PI 特点 控制作用及时迅速，只要有偏 差就有输出。 在控制系统中的作用 快速消除偏差，但有余差， Kp大，余差小。
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。
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。
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 I的物理意义是： 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： y () KI ，K I 越大越接近理想积分，消除静差的能力越强。 y (0) 微分增益K D的物理意义是： 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： y (0) KD ，K D 越大 y () 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？ MAX 1 答：控制器的控制精度为： 100% U 03 () K P min K Im in 1 0.05% （不考虑漂移、积分电容漏 4 0.2 10 电的影响，此时 MAX 2mV, P 27）； 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K I ，CI 漏电。 AC 注： 正常使用时，K I 3 M ，m 1，10 ，K I 104或105；K P由决定，设定 mCI 后为定值，一般情况下，K P 0.2。 控制精度与K D无关，K D只影响动态偏差。
《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（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。 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 杂的控制任务。
I i 100%; I o
积 分 时 间 ： 置（ % 、TI， 输 入 i， 输 出 从 o ΔI i 增 加 ， 待 o 增 加 到 P 100 ） ΔI I I 微 分 时 间 ： 置（ % 、TD， 在 阶 跃 作 用 下 （ i 1mA)，ΔI o 从 最 大 值 P 100 ） ΔI 下 降 到 微 分 输 出 幅 度 63.2%所 需 时 间 ， 乘 以 D即 为 微 分 时 间 。 的 K
表0-2 Ⅱ类电气设备的最高表面温度分组
组别 引燃温度 t/℃
T1
450
T2
300
T3
200
T4
Байду номын сангаас135
T5
100
T6
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、 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。
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。 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。
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。
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。 D作用快，输出与偏差的变化 速度成正比，可使动态最大偏 差大大减小，故有超前作用。 D作用可改善系统动态特性， 使最大动态偏差大大减小。
加热炉 给定值 控制器 变送器 控制对象 执行器 温度 变送器 控制器 TC
TT
原料
被控变量
被控介质 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
1-2.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： 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。

1 dt ， 代 表 积 分 速 度 ，I 称 为 积 分 时 间 。 T TI
微 分 时 间 ： D nC D R D ，y TD T 测定方法：
d ，TD 称 为 积 分 时 间 。 dt
比 例 度 ： 置 , 输 入ΔI i， 测 输 出 为 o， 则 P ΔI 2I i 时 ， 所 需 的 时 间 即 为; TI