第 1 章1 . 什么是過程控制系統(tǒng)？簡述其組成與特點；答：過程控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程自動化的簡稱，主要由被控過程和自動化儀表（包括計算機）兩部分組成，其中自動化儀表負責對被控過程的工藝參數(shù)進行自動測量、自動監(jiān)視和自動控制等。2 . 過程控制系統(tǒng)的指標有哪些？是如何定義的？答：單項性能指標：衰減比、最大動態(tài)偏差和超調(diào)量、殘余偏差、調(diào)節(jié)時間、峰值時間和振蕩頻率。綜合性能指標：偏差絕對值積分、偏差平方積分、偏差絕對值與時間乘機積分、時間乘偏差平方積分。3 . 過程控制有哪些類型的被控量？答：溫度、壓力、流量、液位、物位、物性、成分4 . 簡述DDZ-III電動單元組合儀表及其控制系統(tǒng)的組成；答：圖中，被調(diào)量一般是非電的工藝參數(shù)，必須經(jīng)過一定的監(jiān)測元件，將其變換為易于傳送和顯示的物理量。換能器是工藝參數(shù)在監(jiān)測元件上進行了能量形式的轉(zhuǎn)換，一次儀表是檢測元件安裝在生產(chǎn)第一線，直接與工藝介質(zhì)相接觸，取得第一次的測量信號。5 . 單元組合式儀表的統(tǒng)一信號是如何規(guī)定的？答：各個單元模塊之間用統(tǒng)一的標準信號進行聯(lián)絡(luò)。1）模擬儀表的信號：氣動0.02-0.1MPa、電動型：4-20mADC或1-5VDC。2）數(shù)字式儀表的信號：無統(tǒng)一標準。6 . 舉一過程控制的實例，并指出其被控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)及干擾作用，畫出其控制流程圖和系統(tǒng)框圖。答：圖為液位控制系統(tǒng)，由儲水箱（被控過程）、液位檢測器（測量變送器）、液位控制器、調(diào)節(jié)閥組成的反饋控制系統(tǒng)，為了達到對水箱液位進行控制的目的，對液位進行檢測，經(jīng)過液位控制器來控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)q1（流量）來實現(xiàn)液位控制的作用。2） 框圖：3）控制器輸入輸出分別為：設(shè)定值與反饋值之差e(t)、控制量u(t)；執(zhí)行器輸入輸出分別為：控制量u(t)、操作變量q1(t)；被控對象的輸入輸出為：操作變量q1(t)、擾動量q2(t)，被控量h；所用儀表為：控制器（例如PID控制器）、調(diào)節(jié)閥、液位測量變送器。7 . 某液態(tài)冷卻器控制系統(tǒng)如圖所示。請回答：1) 該過程控制系統(tǒng)由哪些基本單元組成？請具體說明。2) 請指出該控制系統(tǒng)的被控變量和控制變量（操縱變量）。3) 畫出該過程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖。第 2 章1 儀表精度與測量精度之間有什么聯(lián)系和區(qū)別？答：測量精度就是真實值和測量值之間的差值除以儀表量程，它的值是一個百分比。儀表的精度是國家標準規(guī)定的，例如可以是0.2,0.5,1.0,2.0等。2 儀表的基本性能指標有哪些？答：精確度、非線性誤差、靈敏度和分辨力、變差、漂移以及動態(tài)誤差等。3 什么是傳感器？什么是變送器？答：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用的輸出限號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。變送器是將輸出信號變成統(tǒng)一標準信號的傳感器。4 請說明熱電偶測溫的基本原理。答：將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在 回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。5 熱電偶的三個基本定律是什么？答：均質(zhì)導體定律、中間導體定律、中間溫度定律6 熱電偶為什么要進行冷端補償？為什么要采用補償導線？答：熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。因此，常采用一些措施來消除冷鍛溫度變化所產(chǎn)生的影響，如冷端恒溫法、冷端溫度校正法、補償導線法、補償電橋法。為了使熱電偶冷端溫度保持恒定（最好為0），可將熱電偶做的很長，使冷端遠離工作端，并連同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動比較小的地方。但這種方法使安裝使用不方便，而且可能耗費許多貴重的金屬材料。因此，一般使用一種稱為補償導線的連接線將熱電偶冷端延伸出來。這種導線在一定溫度范圍內(nèi)（0150）具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，若是用廉價金屬制成的熱電偶，則可用其本身的材料作為補償導線，將冷端延伸到溫度恒定的地方。7 請說明熱電阻的測溫原理。熱電阻測溫為什么要采用三線制接法？答：熱電阻是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一原理制成的將溫度量轉(zhuǎn)換成電阻量的溫度傳感器。溫度變送器通過給熱電阻施加一已知激勵電流測量其兩端電壓的方法得到電阻值（電壓/電流），再將電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值，從而實現(xiàn)溫度測量。熱電阻三線制是為了削弱引線電阻阻值及該阻值隨環(huán)境溫度的波動對測量精度的影響8 說明變送器的總體構(gòu)成。它在結(jié)構(gòu)上采用何種方法使輸入信號與輸出信號之間保持線性關(guān)系？答：1變送器包括測量部分即輸入轉(zhuǎn)換部分放大器和反饋部分。2如果轉(zhuǎn)換系數(shù)C和反饋系數(shù)F是常數(shù)則變送器的輸出與輸入將保持良好的線性關(guān)系。9 何謂量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移，試舉例說明。答：量程調(diào)整(即滿度調(diào)整)的目的是使變送器輸出信號的上限值Ymax，即統(tǒng)一標準信號的上限值與測量范圍的上限值 Xmax 相對應(yīng)。零點調(diào)整使變送器輸出信號的下限Ymin 即統(tǒng)一標準信號的下限值與測量范圍的下限值Xmin 相對應(yīng)。在Xmin=0 時為零點調(diào)整。零點遷移使變送器輸出信號的下限Ymin即統(tǒng)一標準信號的下限值與測量范圍的下限值Xmin相對應(yīng)。在Xmin0時為零點遷移。10 簡述力平衡式差壓變送器的結(jié)構(gòu)和動作過程，并說明零點調(diào)整和量程調(diào)整的方法。答：力平衡式差壓變送器的結(jié)構(gòu)包括測量部分、杠桿系統(tǒng)、位移檢測放大器、電磁反饋機構(gòu)等測量部分將被測壓差轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的作用力，該力與反饋機構(gòu)輸出的作用力一起作用于杠桿系統(tǒng)，引起檔桿上檢測片產(chǎn)生微小位移，在經(jīng)過位移檢測放大器將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電流或電壓信號。11 說明電容式差壓變送器的測量原理。答：電容式差壓變送器的被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在敏感元件的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。差壓變送器由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。12 簡述擴散硅差壓變送器的工作原理。答：被測介質(zhì)的壓力直接作用于變送器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標準測量信號。13 氣動儀表的基本元件有哪些？說明噴嘴擋板機構(gòu)和功率放大器的作用原理。答：1表的基本元件氣阻、氣容、彈性元件、噴嘴-擋板機構(gòu)和功率放大器等。2噴嘴擋板機的作用原理把微小的位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力信號;功率放大器的作用原理將噴嘴擋板的輸出壓力和流量都放大。14 簡述電/氣轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和動作過程。答：1由電流-位移轉(zhuǎn)換部分、位移-氣壓轉(zhuǎn)換部分、氣動功率放大器和反饋部件組成。2工作過程：輸入電流進入動圈時產(chǎn)生的磁通與永久磁鋼在空氣隙中的磁通相互作用而產(chǎn)生向上的電磁力帶動杠桿轉(zhuǎn)動，安裝在杠桿右端的擋板靠近噴嘴使其背壓升高，經(jīng)氣動放大器放大后輸出壓力P。P送給反饋波紋管產(chǎn)生向上的負反饋力同時送正反饋波紋管產(chǎn)生向上的正反饋力以抵消一部分負反饋的影響。15 說明流量測量的特點及流量測量儀表的分類；答：一方面用測量和控制流量來確定物料的配比與消耗，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和最優(yōu)控制；另一方面，還需要將介質(zhì)流量作為生產(chǎn)操作和控制其他參數(shù)的重要依據(jù)。常用的流量測量儀表包括容積式流量計、速度式流量計、直接式質(zhì)量流量計16 說明差壓式流量計的組成環(huán)節(jié)及作用；答：由節(jié)流裝置、引壓導管、差壓變送器組成。當流體劉靜管道內(nèi)的節(jié)流件時，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓力愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。17 常用標準節(jié)流裝置有哪些?說明它們各自的特點.答：標準孔板,標準噴嘴,標準文丘里管等。第3 章1 什么是開環(huán)控制，什么是閉環(huán)控制？簡述各自特點。答：如果系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟。 缺點是無法消除干擾所帶來的誤差。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。2 簡述閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成，并畫出閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成。答：閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由被控對象、被控量、干擾量、檢測裝置、給定量、比較環(huán)節(jié)和控制器組成。3 被控對象、執(zhí)行器、控制器的正反作用各自是如何規(guī)定的？答：被控對象的正、反作用方向規(guī)定為：當操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的；反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”的。執(zhí)行器的作用方向由它的氣開、氣關(guān)型式來確定。氣開閥為“正”方向；氣關(guān)閥為“反”方向。如果將控制器的輸入偏差信號定義為測量值減去給定值，那么當偏差增加時，其輸出也增加的控制器稱為“正作用”控制器；反之，控制器的輸出信號隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”控制器。4 在過程控制系統(tǒng)中,哪些儀表屬于過程控制儀表？答：在過程控制中，過程控制儀表：調(diào)節(jié)器、電/氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等。5 某比例積分調(diào)節(jié)器的輸入輸出范圍均為4-20mADC，設(shè)，,穩(wěn)態(tài)時，其輸出為6mA；若在某一時刻輸入階躍信號，增加1mA，試求4min后，調(diào)節(jié)器的輸出。答：6. 伺服放大器由哪些部分組成？它是如何起放大作用的？7. 分析減速器中行星齒輪傳動機構(gòu)的原理，它有什么特點？8. 簡述位置發(fā)送器的工作原理。9. 氣動執(zhí)行機構(gòu)有哪幾種？10. 閥門定位器應(yīng)用在什么場合？簡述氣動及電/氣閥門定位器的動作過程。11. 何謂控制閥的流量系數(shù)？如何定義和計算？12. 選擇氣動執(zhí)行器作用方式（氣開或氣關(guān)）的依據(jù)是什么？13. 如何選擇選擇控制閥的流量特性？14. 說明s值的物理意義和合理的取值范圍15. 如何計算控制閥的口徑？16. 畫出用電動單元組合儀表構(gòu)成一復(fù)雜控制系統(tǒng)的流程示意圖（或方框圖）及儀表接線圖，并說明變送器量程及比值器比值系數(shù)的計算方法。第 4 章1 為確定某對象的動態(tài)特性，實驗測得的相應(yīng)曲線如圖所示。（1） 試判斷被控對象有無自衡能力？（2） 根據(jù)圖中給的數(shù)據(jù)，試估算該對象的特性參數(shù)值。答：（1）從圖中可以看出，當被控對象受到階躍擾動時，平衡狀態(tài)遭到破壞，在沒有任何外力作用下，依靠對象自身的能力，對象的輸出（被控制量）自發(fā)恢復(fù)到了新的平衡狀態(tài)，因此該被控對象有自衡能力。（2） 從圖中可見，對象特性可以用一階慣性環(huán)節(jié)來描述。拐點處切線與實軸焦點為3min，與輸出穩(wěn)態(tài)值交點在實軸上的投影為12min，故：，/kPa對象模型為：2 某直接蒸汽加熱器具有一階對象特性，當加熱器的出口溫度從70提高到80時，需要將注入的蒸汽量在原有的基礎(chǔ)上增加10%。當蒸汽量階躍變化10%后，經(jīng)過1min，出口溫度已經(jīng)達到78.65。試寫出相應(yīng)的微分方程式，并畫出輸出階躍響應(yīng)曲線。答：設(shè)該對象的輸出溫度為出口溫度y(),輸入為蒸汽量x(%).已知輸入的階躍幅值為10%，輸出的最終變化量為參考教材知該對象為一階慣性環(huán)節(jié)則有（/%）當時輸出變化量=8.65則有：解得：由此可以得到對象的動態(tài)方程： 該對象的輸出階躍響應(yīng)曲線如圖所示。3 圖所示為溶解槽溶解系統(tǒng)。料斗中的溶質(zhì)用皮帶輸送至加料口。輸送帶長度為l,輸送帶速度為v。寫出溶液濃度y(t)與加料量x(t)的動態(tài)關(guān)系。答：考慮到加入的溶質(zhì)很少，故流出量等于溶劑的加入量q，由于攪拌均勻，故流出的濃度等于曹彰溶液濃度c，而流入液的濃度假設(shè)為0.根據(jù)物料平衡，單位時間進入槽中的溶質(zhì)量減去單位時間流出槽的溶質(zhì)量應(yīng)該等于槽中溶質(zhì)蓄存量的變化率，因此有：如果流入流出量q為一常數(shù)，且令：則有：其中T-時間常數(shù)；K-放大系數(shù)；其傳遞函數(shù)為：解：若在料斗處加大送料量，溶解槽中的溶液濃度要等增加的溶質(zhì)由料斗送到加料口并落入槽中中才改變，也就是說，溶液濃度的變化比加料量的改變滯后，滯后的時間等于輸送帶輸送的時間，這就是純滯后現(xiàn)象，純滯后時間為：下面推導該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。首先不考慮純滯后，即假設(shè)料斗的溶質(zhì)直接落入溶解槽，可知溶液濃度y(t)與料斗加料量x(t)的關(guān)系為：當溶質(zhì)由輸送機輸送時，既考慮純滯后，其微分方程應(yīng)為由拉氏變換實數(shù)位移定理可導出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：即：4 某溫度對象矩形脈沖響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)如下表為試求其階躍響應(yīng)曲線。第5章1 在進行控制系統(tǒng)設(shè)計時，通常要選過程通道的放大系數(shù)要適當大些，時間常數(shù)適當小些，而擾動通道的要盡可能小，要盡可能大。請根據(jù)單回路控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)給出說明。答：設(shè)單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。其閉環(huán)傳函為：若選擇適當大的K0和適當小的T0，則，故能較好地實現(xiàn)定值控制。系統(tǒng)干擾通道的傳遞函數(shù)在適當大，適當小，而盡可能小，盡可能大的情況下，上式可近似為：分母大，而分子小，保證了干擾對被控過程的影響盡可能小。2 給出比例帶的定義，并舉例說明其物理意義？答：比例帶是反應(yīng)比例調(diào)節(jié)器比例作用強弱的一個參數(shù)，在數(shù)值上等于輸入偏差變化相對值與相應(yīng)的輸出變化相對值之比的百分數(shù)。其物理意義：調(diào)節(jié)器輸出變化滿刻度，即控制閥從全開到全關(guān)或相反時，相應(yīng)所需的控制偏差變化量占儀表量程的百分數(shù)。3 一臺里程為0-800mm的YTO型浮筒式液面計，用水校驗。當水柱高度從400mm增至600mm時，控制部分輸出由6mA增至14mA，問比例度多大？4 單回路系統(tǒng)框圖如圖所示。試問，當系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)質(zhì)量會有何變化，為什么？若增大；若增大；若增大；若增大；若增大；若增大。答：系統(tǒng)控制通道的傳遞函數(shù)為（6）若增大，因被控參數(shù)只出現(xiàn)在干擾通道傳函的分子上，故只是將系統(tǒng)輸出受干擾影響的幅值增大，系統(tǒng)其它動態(tài)特性無變化。5 設(shè)某比例積分調(diào)節(jié)器的比例增益，積分時間常數(shù)min，當調(diào)節(jié)器的輸入信號為圖所示波形時，試問調(diào)節(jié)器的輸出波形如何？相應(yīng)的輸出波形如圖所示。6 位置式PID算式和增量式PID算式有什么區(qū)別？增量式PID算式有何優(yōu)點？答：位置式PID算式為：增量式PID算式為：7 已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，采用數(shù)字PID實現(xiàn)控