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）兩部份組成，其中自動化儀表負(fù)責(zé)對被控過程的工藝參數(shù)進(jìn)

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(biāo)有哪些？是如何定義的？

答：單項性能指標(biāo)：衰減比、最大動態(tài)偏差和超調(diào)量、殘存偏差、調(diào)節(jié)時間、

峰值時間和振蕩頻率.

綜合性能指標(biāo)：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、成份

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)量普通是非電的工藝參數(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(jìn)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，育接與工藝介質(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(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。1）摹擬儀表的信號：氣

動Oo02—0.IMPa、電動HI型:4-20mADC或者1—5VDC。2）數(shù)字式儀表的

信號：無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

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(dá)到對水箱液位進(jìn)行控制的目的，對液

位進(jìn)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)ql（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ql（t）;被控對象的輸入輸出為:噪作

變量ql仕）、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（控制變量）。

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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，例如可以是0.205,1.0,2o。等。

2.儀表的基本性能指標(biāo)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。

3.什么是傳感潛?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

的器件或者裝置，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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體或者半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，

當(dāng)導(dǎo)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，

于是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(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律

6.熱電偶為什么要進(jìn)行冷端補償？為什么要采用補償導(dǎo)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(dǎo)線法、補償電橋法。

為了使熱電偶冷端溫度保持恒定（最好為0C）,可將熱電偶做的很長，使

冷端遠(yuǎn)離工作端，井連同測量儀表一起放置到恒溫或者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，普通使

用一種稱為補償導(dǎo)線的連接線將熱電偶冷端延伸出來。這種導(dǎo)線在一定溫度范圍

內(nèi)（0~150℃）具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，若是用便宜金屬制成的

熱電偶，則可用其本身的材料作為補償導(dǎo)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變送器包括測量部份即輸入轉(zhuǎn)換部份放大器和反饋部份。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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)信號的下限值與測量范圍的下限值Xmin相對應(yīng)。

在Xmin=O時為零點調(diào)整。零點遷移使變送器輸巴信號的下限Ymin即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

信號的下限值與測量范圍的下限值Xmin相對應(yīng)。在XminWO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)包括測量部份、杠桿系統(tǒng)、位移檢測放大器、電

磁反饋機構(gòu)等測量部份將被測壓差轉(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)生弱小位移，在經(jīng)過位移檢測

放大器將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電流或者電壓信號。

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--個電容器。當(dāng)兩側(cè)壓力不--

致時，導(dǎo)致測量膜片產(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,和用電子路線檢測這i變化，并轉(zhuǎn)換輸出一

個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)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弱小的位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力信號；功率放大器的作月原

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由電流一位移轉(zhuǎn)換部份、位移一氣壓轉(zhuǎn)換部份、氣動功率放大器和反饋部

件組成.2工作過程：輸入電流進(jìn)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挨近

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(fù)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份負(fù)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(dǎo)管、差壓變送器組成.當(dāng)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，于是流速增加，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(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有哪些？說明它們各自的特點。

答：標(biāo)準(zhǔn)孔板，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jì)。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（外部擾動或者系統(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(dāng)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(dāng)控制變量增加時，被控變量也增加的

對象屬于“正作用”的;反之，被控變量隨控制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，那末當(dāng)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份組成？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（氣開或者氣關(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（或者方框圖）

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(dāng)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(dāng)加熱器的出口溫度從70c提

高到80c時，需要將注入的蒸汽量在原有的基礎(chǔ)上增加10%.當(dāng)蒸汽量階躍變化

10%后，經(jīng)過Imin,出口溫度已經(jīng)達(dá)到78.65℃0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(dāng)時

輸出變化量℃=8o65℃

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I,輸送帶速度為v。寫出溶液濃度y⑴與加料量x⑴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(jìn)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)蓄存量的變化去，因此有：

如果流入流出量q為一常數(shù)，且令：

則有：

其中T一時間常數(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(dǎo)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x⑴的關(guān)系為：

當(dāng)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(dǎo)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(jìn)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(dāng)大些，時

間常數(shù)適當(dāng)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(dāng)大的K。和適當(dāng)小的丁。，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(dāng)大，適當(dāng)小，而盡可能小,盡可能大的情況下，上式可近似為：

分母大，而份子小,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?jǐn)?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)或者相反時，

相應(yīng)所需的控制偏差變化量占儀表量程的百分?jǐn)?shù)。

3.一臺里程為0—800mm的YTO型浮筒式液面計，用水校驗。當(dāng)水柱高

度從400mm增至600mm時，控制部份輸出由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(dāng)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；若攙大；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)只浮現(xiàn)在干擾通道傳函的份子上，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(dāng)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.已知摹擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，