第一章
1.简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动(干扰)量、设定(给定)值和偏差的含义? 答:自动控制系统中常用的几个术语其含义是:
被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值：被控变量的预定值。
偏差：被控变量的设定值与实际值之差。
3.自动控制系统主要由哪些环节组成?各部分的作用是什么?
答：自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等;另一部分是受自动化装置控制的被控对象。
在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等)。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)发送给执行器。执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出)被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。 4。什么是自动控制系统的过渡过程?在阶跃扰动作用下，其过渡过程有哪些基本形式?哪些过渡过程能基本满足控制要求?
答:把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。
过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。
①发散振荡过程如图1-3 (a)所示。它表明当系统受到扰动作用后。被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。
②非振荡发散过程如图1-3 (b)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一俩作非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。
③等幅振荡过程如图1-3(c)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。
④衰减振荡过程如图1-3(d)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。
⑥非振荡衰减过程如图1-3(e)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。
在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程。能墓本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长
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时间偏离给定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。\\
5、衰减振荡过程的品质指标有哪些?各自的含义是什么?
答：衰减振荡过程的品质指标主要有:最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。其各自的含义是:
最大偏差：是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。
衰减比：是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。 余差：是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。
过渡时间：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。
振荡周期(或频率)：是指过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。
6，什么是自动控制系统的方块图?它与工艺管道及控制流程图有什么区别?
答:自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线(带有箭头的线段)、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式;方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同。
1．图1-6所示为一自力式贮槽水位控制系统。
(1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么? (2)试画出该系统的方块图。
(3)试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的?
解:(1)该系统中贮槽为被控对象;贮槽中水的液位为被控变量;进水流量为操纵变量。 (2)贮槽水位控制系统方块图如图1-7所示。
(3)当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量。使水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。
2.在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定的数值上。图1-8是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15?1.5）℃，如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响;如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。
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(1)指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么? (2)试画出该控制系统的组成方块图。
(3)试比较图1-8及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。 解：(1)在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器;被控变量为乙烯裂解气的出口温度;操纵变量为气态丙烯的流量。 (2)该系统方块图如图1-9所示。
(3)在图1-8中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。
3.图1-10所示是一反应器温度控制系统示意图。A, B两种物料进人反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。图中TT表示温度变送器，TC表示温度控制器。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么?
解：反应器温度控制系统中被控对象为反应器;被控变量为反应器内温度;操作变量为冷却水流量;干扰为A, B物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。反应器的温度控制系统的方块图如图1-11所示。
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4、某发酵过程工艺规定操作温度为(40士2) C。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6 ℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1-12所示.试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(按被控变量进入?2%)新稳态值即达到稳定来确定)和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求?
解：由反应曲线可知:
最大偏差A=45一40=5 'C 余差C=41一40=1℃
衰减比 第一个波峰值B =45一41=4℃ 第二个波峰值B' = 42一41=1℃
2.锅沪是化工，炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液。降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-15是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求:
（1）画出该控制系统方块图;
(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?
(3)当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。 答：(1)锅护汽包水位控制系统方块图如图1-23所示。
(2)被控对象:锅炉汽包。 被控变量:锅炉汽包水位。 操纵变量:锅炉给水量。
扰动量:冷水温度、压力，蒸汽压力、流量。燃烧状况等。
3.图1-16所示为离心泵出口流量控制系统。控制的目的是保持泵流量恒定。 (1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量及干扰各是什么? (2)画出流量控制系统方块图;
（3）结合本题，试说明该流量控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统·
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答：(1)被控对象:管道(从检测点到控制阀之间)。 被控变量:泵出口流量。 操纵变量:泵出口流量。
扰动量:管路压力波动、(泵的)原动机转速等。 (2)离心泵出口流量控制系统方块图如图1-24所示。
5.某炼油厂常减压装置加热护如图1-18所示.工艺要求严格控制加热炉出口温度T，T可以通过改变燃油量来控制。据此设计一个定值温度控制系统，其中被控变量为加热炉出口物料温度，操纵变量为燃料油流量。要求: (1)画出工艺管道及控制流程图;
(2)试画出该控制系统的方块图。
答：(1)工艺管道及控制流程图如图1-26所示。(2)控制系统的方块图如图1一27所示。
6。图1-19为一组在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线。 (1}指出每种过程曲线的名称;
(2)试指出哪些过程曲线能基本满足控制要求?哪些不能?为什么? (3)你认为哪个过渡过程最理想，试说明其理由。
答：(1).(a)等幅振荡，（2)衰减振荡;(c)非振荡衰减;(d)发散振荡。
(2).(b).(c)能基本满足控制要求，(a), (d)不能。因为(b)、 (c)对应的过渡过程是稳定的。
(3).(b)最理想。略。
第二章
3、描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?
答：描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间?
放大系数K：放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之
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比，即
由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系.所纵放大系数是描述对象静态特性的参数。
时间常数T：时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值 的63.2 %所需时间。
时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数。因此它是对象的一个重要的动态参数。 滞后时间?：滞后时间?是纯滞后时间?o和容量滞后?c的总和。
输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。
滞后时间?也是反映对象动态特性的重要参数。
4.什么是控制通道和扰动通道〔干扰通道)?对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、?）对控制有什么不同的影响?
答：对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道;扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。
一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数（K, T, ?)对控制作用的影响是不同的。 对于控制通道:
放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小;放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。
在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长;若时间常数'I'小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或大小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。
滞后时间?的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间?。 对于扰动通通道;
放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大;而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。
时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。
纯滞后的存在，相当于将扰动推迟?时间才进入系统，并不影响控制系统的品质;而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些。因此，对系统是有利的。
1.图2-1所示RC电路，设输入变量为Vi输出变量为V0，试列写出该对象输出与输入变量之间的微分方程。
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解:对象的输出变量为V0，输人变量为Vi
根据基尔霍夫定律可得:
V.i=iR+Vo (1)
中间变量为i，因为: 消除中间变量，将(2)式代入(1)得:
(3)式即为RC电路的微分方程。
4.图2-1所示RC 电路，若已知R=5, C=2.
(1}试绘出Vi突然由0阶跃变化到5V时，V。的变化曲线。 (2)计算出t=T, t=2T, t=3T时的V。
解：(1)由题意，描述RC电路特性的方程式为: 方程的解为:
由方程解得到如下数据:
据此，可有如下曲线:
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(2)
（3）
5。为了测定某物料干燥简的对象特性，在to时刻突然将加热蒸汽量从25m3/h增加到28m3/h,物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图2-4所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程(温度变化量作为输出变量，加热蒸汽量的变化量作为输入变量;温度测量仪表的测量范围0---200C;流量测量仪表的测量范围0~40m/h)。
1.已知某化学反应器的特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为4. 15。放大系数为8.5，纯滞后时间为3.5，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。
答：y为输出变量，x为输人变量：4.15dy (t+3.5) /dt十y (t+3. 5) =8- 5x (t)
2. RC电路如图2-5所示。Vi为输人量，V。为输出量。在时间t=。时，闭合开关K.电容开始充电。此时，电压V。随时间的变化规律为:
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答：
4.某被控对象用实验方法测取对象特性，现得到如图2-7所示的响应曲线，试从图中求出对象的放大系数K、时间常数T及纯滞后时间r
答：
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第三章
2.什么叫仪表的基本误差、测量误差和附加误差?有何区别?
答：仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。仪表在制造厂出厂前，都要在规定的条件下进行校验。规定条件一般包括环境温度、相对湿度、大气压力、电源电压、电源频率、安装方式等.仪表的基本误差是仪表本身所固有的，它与仪表的结构原理，元器件质量和装配工艺等因素有关，基本误差的大小常用仪表的精度等级来表示。
使用仪表测量参数时，侧量的结果不可能绝对准确。这不仅因为仪表本身有基本误差，而且还因为从开始测量到最后读数，要经过一系列的转换和传递过程，其中受到使用条件、安装条件、周围环境等一系列因索影响，也要产生一定的误差。所以在很多情况下，仪表的显示数值与标准值(真实值)之间存在着一个差值，这个差值称为测量误差。
通常情况下，仪表的侧量误差大于基本误差，因为测量过程还产生一些附加误差。
附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。如电源波动附加误差，温度附加误差等。
3、什么是仪表的反应时间?用什么方法表示?
答：当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总要经过一段时间后才能准确地显示出来。反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快地反应出参数变化的品质指标。反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。反应时间的表示方法有两种。
(1)当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新稳态值。仪表的输出信号(即指示值)由开始变化到新稳态值的63.2%所用的时间，即为反应时间。
(2)用变化到新稳态值的95%所用的时间来表示反应时间。
11.简述压阻式压力传感器的工作原理及特点。
答：压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。
它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等。更可适应于恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。
20、试简述电磁流量计的工作原理及其特点。
答：电磁流量计是基于电磁感应定律工作的。它是将流体的流速转换为感应电势的大小来进行测量的。
电磁流量计的特点有;
(1)电磁流量计由于没有可动部件和插入管道的阻力件，没有使流体收缩和改变流体的流束，所以压力损失小，也很少堵塞.对测量导电性液体是较为适用的。另外.由于电磁流量计的衬里和电极是防腐的，所以也用来测量腐蚀性介质的流量。
(2）电磁流量计流速测量范围很宽((0. 5~10m/s)，口径从lmm到2m以上，反应快、惰性小。可用于测量脉动流体、双相流体以及灰浆等含固体颗粒的液体流量。
25.什么是液位测量时的零点迁移问题?怎样进行迁移?其实质是什么?
答:在使用差压变送器测量液位时，一般压差
态??与液位高度H之间的关系为:△P=H?g.这就是一般的“无迁移”的情况。当H=0时，作用在正、负压室的压力是相等的。
实际应用中，有时为防止容器内液体和气体
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进入变送器而造成管线堵塞或腐蚀，并保持负压室的液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。如图3-7所示。设被测介质密度为?1，隔离液密度为?2，此时正、负压室的压力分别为:
正、负压室间的压差为:
I0=20mA
可调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差
的作用，此为“零点迁移”方
法。这里迁移弹簧的作用，其实质就是改变测量范围的上、下限，相当于侧量范围的平移，它不改变量程的大小。
26.“正迁移”和“负迁移”有什么不同?如何判断?
答:正、负迁移的区别在于,负迁移时，当H=0时，固定压差迁移时，当H=0时，固定压差
正
正、负迁移的判断如下:当H=0时，若△p
36、热电偶温度计为什么可以用来测量温度？它由哪几部分组成?各部分有何作用?
答：热电偶温度计是根据热电效应这一原理来测量温度的。
热电偶温度计由三部分组成:热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线。
热电偶是系统中的测温元件，测量仪表3是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式仪表或电位差计，导线2用来连接热电偶与测量仪表。为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。
38.用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种?
答：采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较
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稳定的操作室内，但冷端温度还不是0℃。而工业上常用的各种热电偶的温度一热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。
冷端温度补偿的方法有以下几种:(1）冷端温度保持为0℃的方法;(2)冷端温度修正方法;（3)校正仪表零点法;(4)补偿电桥法;(5)补偿热电偶法.
37.常用的热电偶有哪儿种?所配用的补偿导线是什么?为什么要使用补偿导线?并说明使用补偿导线时要注意哪几点?
答：工业上常用的热电偶有如下几种: 铂铑30-铂铑6热电偶(也称双铂铑热电偶); 铂铑10-铂热电偶;镍铬一镍硅(镍铬-镍铝)热电偶;镍铬一康铜（镍铬一铜镍)热电偶。
在实践中，人们找到了适合与各种型号的热电偶配用的补偿导线。详
见下表; 由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料口解决这一间题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃
39.试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表? 输入、输出信号各是什么? 答：热电偶温度计包括感温元件热电偶、补偿导线及铜线和测量仪表。
热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转化为热电势的变化来侧量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是热电势。
热电阻温度计包括感温元件热电阻、连接导线和显示仪表。
热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是电阻值。
1，什么叫绝对误差、相对误差和引用误差?
解：（1）绝对误差 对同一参数进行测量时，仪表指示值x与标准表的指示值之差称为绝对误差 ，即 ??x?x。
标准表的指示值 x。称作为标准值或真实值。
绝对误差的单位与指示值的单位相同，有正、负之分。符号为“+”时，表示指示值高 于标准值;符号为“一”时，表示指示值低于标准值.
（2）相对误差 绝对误差的大小并不能完全精确地判断测量的准确程度。原因是，同样的绝对误差，相对于很大的被测量来说是小的，甚至可以忽略不计，但相对较小的被测量来说，则是很大的，应引起足够多的重视，这样就引出了相对误差。说，仪表某点指示值的相对误 差?就是该点的绝对误差与该点的标准值之比的百分数，可表示为:
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相对误差没有单位
（3）引用误差 即折合误差，又称相对百分误差。它是校验过程中仪表的最大绝对误差相对仪表标尺范围（量程范围）的百分数。
5.什么是仪表的精度和精度等级，怎样进行计算?
解:仪表的精度是衡量仪表准确程度的一个品质指标。精度是相对百分误差的最大值，去掉百分号(%)可确定仪表的精度等级K。每台仪表都有自己的精度和精度等级，例如某台仪表在说明书中给出精度为士1.5%，相应的在仪表的刻度盘上标出精度等级1. 5o
我国仪表精度等级常用的有以下几种:
仪表的精度等级愈小侧量精度愈高。它是仪表本身固有的技术指标。
知道仪表的精度等级和量程范围就可算出仪表允许的最大绝对误差。反之，知道允许的最大绝对误差和量程范围，就可以求出仪表的精度等级。
10.在DDZ--- III型仪表中，为什么现场与控制室之间采用4~20mA电流信号，而控制室内部都采用1---5V电压信号?
解:4~20mA电流信号适宜在现场和控制室之间远距离传输，可以避免传输导线上压降损失引起的误差。
1~5V电压信号适宜于控制室内部短距离联络，仪表之间可以并联连接，便于设计安装和维修。
42.用分度号为K的镍铬一镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。试问:实际温度应为多少?如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃;，此时显示仪表的指示值应为多少?
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43、用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25 `C，求设备的温度?如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少?
44.现用一支镍铬一铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表为动圈仪表(即XCZ-101），此仪表的机械零位为0℃，这时指示为400℃ ,若认为换热器内的温度为430℃，对不对?为什么?正确值为多少?
查表可得:t=422℃.
由上面分析可看出，换热器的实际温度不是简单的仪表指示值与冷端温度之和。而是热电势之和。即仪表指示值所对应的热电势E(t、30)加上热端为30℃、冷端为30C时的热电势，
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由此才能得到实际温度下的热电势E (t,0)，这样查表即可得到实际温度t值。
20.用镍铬一镍硅热电偶测量炉温，热电偶在工作时，其冷端温度t。为30C ，测得的热电势为33. 29mV,求被测炉子的实际温度。 答：t=830C
22.若用铂锗10一铂热电偶测量温度，其仪表指示值为600℃ ,而冷端温度为65℃，在没有冷端温度补偿的情况下，则实际温度为665℃，对不对?为什么?正确值应是多少? 答：不对。t=639C
第五章
1.试简述控制器在自动控制系统中的作用。
答：控制器是自动控制系统中的核心组成部分。它的作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制器根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。
3.控制器的控制规律是指什么?常用的控制规律有哪些?
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答：所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即：P=f(e)=f (z-x)
式中 z——测量值信号; x—给定值信号;f——是指某种函数关系。
常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I).微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例PI, PD, PID等。
5.什么是比例控制规律?它有什么特点?
答：比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号变化量e之间成比例关系，即 p=Kp·e 式中Kp—比例放大系数。
比例控制的优点是反应快、控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在。余差的产生是由比例控制本身的特性所决定的。这是由于比例控制器的P与e成一一对应关系，当负荷改变后，需要产生一定的控制作用P，与之对应必然要有一定的偏差e存在。
比例控制规律是一种基本的控制规律。但它有余差存在，故只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制作用
6.何为比例控制器的比例度?它的大小对系统过渡过程或控制质量有什么影响?
答:比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的一个参数。在数值上比例度等于输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为:
式中?—比例度、e—输入(偏差)变化量、 p—相应的输出变化量; xrna、一xmin输入的最大变化量，即仪表的量程;
Pmax -- Pmin输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。
比例度也可以理解为使控制器的输出变化满刻度(也就是使控制阀从全关到全开或相反)时，相应所需的输入偏差变化量占仪表测量范围的百分数。 比例度?越大，表示比例控制作用越弱。减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应地减小余差，使系统的静态准确度提高。
7.什么是积分控制规律?什么是比例积分控制规律?它有什么特点?
答：积分控制规律是指控制器的输出变量P与输入偏差e的积分成正比，即，式中K1—积分比例系数。
在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律，其输出P与输
入e的关系为;
积分控制规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。比例积分控制规律的特点是控制既及时，又能消除余差。
8.什么是微分控制与比例微分控制?它有什么特点?
答：微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输入偏差e的变化速度成正比，
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即:
式中TD—微分时间
在比例控制的基础上。再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律。其输出p与输
入e扩的关系为:
微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性(但微分作用不宜过强)。在控制系统中，一般不单独使用微分作用，而是与比例作用同时使用。如果要消除余差，就得再加上积分控制作用，构成比例积分微分三作用控制规律(PID)
9、什么是积分时间T1?它对系统过渡过程有什么影响?
答：积分时间T1，是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。积分时间越小，表示积分控制作用越强，数值上
T，式中K1是积分比例系数。
积分时间T1的减小.会使系统的稳定性下降，动态性能变差.但能加快消除余差的速度。提高系统的静态准确度。
10、什么是微分时间TD？它对系统过渡过程有什么影响?
答：微分时间是用来表示微分控制作用强弱的一个参数。微分时间TD越大，表示微分控制作用越强。
增加微分时间TD,，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。但微分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。 对系统过渡过程的影响 比例度?越大，表示比例控制作用越弱。减小比例度，会使系统的稳定性和动比例度? 态性能变差，但可相应地减小余差，使系统的静态准确度提高。 积分时间积分时间T1的减小.会使系统的稳定性下降，动态性能变差.但能加快消除余差T1 的速度。提高系统的静态准确度。 微分时间增加微分时间TD,，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳TD 定性。但微分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。 12.试分别写出QDZ , DDZ- II型、DDZ-Ⅲ型仪表的信号范围。 型号 信号范围 QDZ 20 ~100kPa气压信号 现场传输信号 控制室内联络信号 DDZ-II 0~10mA DC 0~2V DC DDZ-III 4~20mA DC 1~5V DC 14.与DDZ-II型仪表相比，DDZ一 III型仪表有何特点? 答:其主要特点有;
(1)采用国际电工委员会(IEC)推荐的统一标准信号，现场传输信号为4~20mA DC: ,控制
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室内联络信号为1~5V DC;
(2)采用线性集成电路，使可靠性提高、维修工作量减少;
(3)由电源箱集中统一供给24V DC电源，并有蓄电池作为备用电源; (4)结构合理、功能多样;
(5)整套仪表可构成安全火花型防爆系统。
1.目前在化工生产过程中的自动控制系统，常用控制器的控制规律有位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。试分别说明它们的输入输出关系·在阶跃输入下的响应、优缺点及使用场合。 控制规输入e与输出阶跃作用下的响应优缺点 适用场合 律 p(或Δp)的关（阶跃幅值为A） 系式 位式 P=Pmax(e>0) ü 结构简单 ;价格便对象容量大 ,负荷变化P=Pmin(e<0) 宜 ;控制质量不小 ,控制质量要求不高 ,高 ;被控变量会振允许等幅振荡 荡 比例（P） 结构简单 ;控制及对象容量大 ,负荷变化不时 ;参数整定方大、纯滞后小 ,允许有余差便 ;控制结果有余存在 ,例如一些塔釜液位、差 贮槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽压力控制系统等 比例积 分PI 能消除余差 ;积分对象滞后较大 ,负荷变化作用控制缓慢 ;会较大 ,但变化缓慢 ,要求使系统稳定性变差 控制结果无余差。 此种规律广泛应用于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象 响应快、偏差小、对象滞后大,负荷变化不能增加系统稳定大,被控变量变化不频繁,性;有超前控制作控制结果允许有余差存在 用,可以克服对象的惯性;控制结果有余差 控制质量高;无余对象滞后大;负荷变化较差;参数整定较麻大,但不甚频繁;对控制质烦 量要求高。例如精馏塔、反应器、加热炉等温度控制系统及某些成分控制系统 比例微 分PD 比例积 分微分PID 分别说明比例、积分、微分控制对控制系统的作用。
答案：比例控制影响系统的动态特性和系统的稳定性；积分控制的作用是可以消除系统余差；微分控制可以提高系统的响应速度，克服对象容量滞后的影响。
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答案：
第六章
1．气动执行器主要由哪两部分组成?各起什么作用?
答:气动执行器由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。执行机构是执行器的推动装置.它根据控制信号(由控制器来)压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置.控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
10.什么叫气动执行器的气开式与气关式?其选择原则是什么?
答:随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式;阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。
14.试述电一气转换器及电一气阀门定位器在控制系统中的作用。
答:电一气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，其输出信号为0~10mA DC或4 ~ 20mA DC，但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为20~100kPa。这时就需要采用电一气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应的气信号，才能为气动执行器所接受。
电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输入信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。
4。图6-2表示一受压容器，采用改变气体排出量以维持容器内压力恒定，试间控制阀应选择气开式还是气关式?为什么?
解:在一般情况下，应选择气关式。因为在这种情况下，控制阀处于全关时比较危险，容器内的压力会不断上升，严重时会超过受压容器的耐压范围，以致损坏设备，造成不应有的事故。选择气关式，可以保证在气源压力中断时，控制阀自动打开，以使容器内压力不至于过高而出事故.
5.图6-3表示一精馏塔的塔顶温度控制系统，试选择控制阀的气开、气关型式。
解:该系统的目的是通过改变回流量来维持塔顶温度恒定，其最终目标是为了保证塔顶产品的成
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分(纯度)恒定。采用这种控制方案，说明该精馏过程的操作中。对塔顶产品成分的要求是较高的，如果塔顶产品的纯度不能达到一定要求，则说明没有达到精馏过程的预定目标。回流量的大小将直接影响塔顶温度，也即影响塔顶产品的纯度。如果回流量等于零，就会有大量不合格的产品从塔顶采出，这是不介许的.从这一点考虑，回流量的控制阀处于全关状态比较危险，所以应选择气关阀。当气源压力中断时，控制阀处于开启状态，回流量很大，以避免大量不合格产品从塔顶采出。由于这时回流量超过规定数值，使塔顶产品的纯度(轻组分)比要求的还要高，所以会造成一定的能量浪费，降低生产效率，但这是为了在事故状态下仍能保证产品质量所付的代价，是不可避免的。当然，以上关于控制阀开、关型式的选择只是从一般的情况来考虑的，不是绝对的，有时还要从工艺状况的综合考虑才能最终确定控制阀的气开、气关型式。
6、对于一台现有的气动薄膜式执行器，可以通过哪些方法来改变它的气开、气关型式？ 解：一般可以通过下列三种方法来较方便地改变气动薄膜式执行器的气开、气关型式。图6-4是直通双座控制阀与执行机构的组合方式示意图。气动薄膜式执行器的气关、气开型式是由执行机构的正、反作用和控制阀的正装、反装组合而定的。其中图(a)、(d )都是气关阀，因为随着气压信号的增加，这两种情况下，阀芯与阀座之间的流通面积都是减小的，故是气关型控制阀。图(b),(c)都是气开阀，因为随着气压信号的增加，这两种情况下，阀 芯与阀座之间的流通面积都是增加的，故是气开型控制阀。
改变阀芯的正装、反装方式，可以改变控制阀的气开、气关型式。例如图(a)的阀芯是正装的，为气关阀，如果将阀芯反装，便成了图(b)，成了气开阀。同样如果将图(c)中的阀芯由正装改为反装，便成了图(d),图(c)为气开阀，图(d)为气关阀。一般控制阀的阀芯与阀杆是采用螺纹连接的，并用圆柱销固定，根据需要可以改变其连接方式，这样就可以改变阀芯的正装、反装方式了。
在条件允许时，通过改变执行机构的正、反作用也可以改变控制阀的气开、气关型式。当气体压力从
膜片上方引进时，为正作用执行机构，如果将气体压力改为从膜片下方引进，就可以将执行机构由正作用改为反作用，相应就可以改变控制阀的气开、气关型式。
另外，通过改变阀门定位器中的凸轮安装方式，可以改变引入膜头的气压信号的变化方向与控制器来的气压信号的变化方向之间的关系。例如控制器来的信号增加时.凸轮正装，膜头上的气压信号如果是增加的，若将凸轮反装，膜头上的气压信号就会减小。这样亦可以相应地改变控制阀的气开、气关型式。
5、图6-10为一加热炉原料油出口温度控制系统，试确定系统中控制阀的气开、气关型式。
答：一般情况下，应选气开阀，以免烧坏炉子。
第七章
1.何为简单控制系统?试画出简单控制系统的典型方块图。
答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器(或变送器)、一
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个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，因此有时也称为单回路控制系统。
简单控制系统的典型方块图如图7-1所示。
5.试述自动控制系统中常用的控制规律及其特点和应用场合。
答:控制系统中常用的控制规律有比例(P)、比例积分(PI )、比例积分微分(PID)控 制规律。
比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号(给定值与测量值的偏差)成比例。它的特点是控制及时，克服干扰能力强，但在系统负荷变化后，控制结果有余差。这种控制规律适用于对象控制通道滞后较小、负荷变化不大、对控制要求不高的场合。
比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例，而且与输人信号对时间的积分成比例。它的特点是能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。这种控制规律适用于对象滞后较小、负荷变化不大、控制结果不允许有余差存在的系统。
比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用，微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。这种控制规律适用于对象容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。
6.为什么要考虑控制器的正、反作用?如何选择?
答:在控制系统中，要正确选择控制器的作用方向.即“正”、“反”作用。选择控制器的正、反作用的目的是使系统中控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在系统中起负反馈的作用。
选择控制器正、反作用的一般步骤是首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合后为“负”来选择执行器的正、反作用。
7.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的?
答:被控对象的正、反作用方向规定为:当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的;反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。
执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。气开阀为“正”方向;气关阀为“反”方向。
如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器;反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为反作用”控制器。
8.控制器参数整定的任务是什么?工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法?
答:控制器参数整定的任务是:根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数值(包括比例度?、积分时间T1、微分时间TD)，以便使系统能获得好的控制质量。
控制器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。 属于控制器参数的工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。
1.图7-2所示为一蒸汽加热器温度控制系统。
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(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、被控对象各是什么? (2)该系统可能的干扰有哪些?
(3)该系统的控制通道是指什么? (4)试画出该系统的方块图.
(5)如果被加热物料过热易分解时，试确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 (6)试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及各信号的变化情况。
解:(1)该系统的被控对象是蒸汽加热器，被控变量是被加热物料的出口温度，操纵变量是加热蒸汽的流量。
(2)该系统可能的干扰有加热蒸汽压力;冷物料的流量及温度;加热器内的传热状况(例结垢状况);环境温度变化等。
(3)该系统的控制通道是指由加热蒸汽流量变化到热物料的温度变化的通道。 (4)方块图如图7-3所示。
(5)由于被加热物料过热易分解，为避免过热，当控制阀上气源中断时，应使阀处于关闭状态，所以控制阀应选气开型式。
由于加热蒸汽流里增加时，被加热物料出口温度是增加的.故该系统中的对象是属于“+”作用方向的。阀是气开型式，也属于“+”作用方向。为使系统具有负反馈作用，控制器应选“一”作用的，即反作用方向的。
(6)当冷物料流量突然增大时，会使物料出口温度T 下降。这时由于温度控制器TC是反作用的，故当侧量值z下降时，控制器的输出信号u上升，即控制阀膜头上的压力上升。由于阀是气开型式的，故阀的开度增加，通过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料出口温度上升，起到因物料流量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用。所以该系统由于控制作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定的数值上。
3.试确定图7-5所示系统中控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用(图7-5为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶)。
解：由于被冷却物料温度不能太低，当控制阀膜头上气源突然中断时，应使冷剂阀处于关闭状态，以避免大量冷剂流入冷却器，所以应选择气开阀型式。
当冷剂流量增大时，被冷却物料出口温度是下降的。故该对象为“一”作用方向的，而
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气开阀是“+”作用方向的，为使整个系统能起负反馈作用，故该系统中控制器应选“十”作用的。当出口温度增加时，控制器的输出增加，使控制阀开大，增加冷剂流量，从而自动地使出口温度下降，起到负反馈的作用。
4.图7-6为一液体贮槽，需要对液位加以自动控制。为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。
(1)选择流入量Qi为操纵变量; (2)选择流出量Qo为操纵变量。 解：分两种情况:
(1)当选择流入量Qi 为操纵变量时，控制阀安装在流入管线上，这时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开型式控制阀，为“+”作用方向。
这时。操纵变量即流入量Qi增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“十”作用方向。 由于控制阀与对象都是“十”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用方向。
(2).当选择流出量Q。为操纵变量时，控制阀安装在流出管线上，这时，为防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时。控制阀应处于全开状态，所以应选用气关型式控制阀。为“一”作用方向。
这时，操纵变量即流出量Q。增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“一”作用方向。
以上这两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关型式的选择及对象的作用方向都与操纵变量的选择是有关的。
由于选择流次量Q。为操纵变量时，对象与控制阀都是“一”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，应选择反作用方向的控制器。
5.图7-7是锅炉的压力和液位控制系统的示意图。试分别确定两个控制系统中控制阀的 气开、气关型式及控制器的正、反作用。
解：在液位控制系统中，如果从锅炉本身安全角度出发，主要是要保证锅炉水位不能太低，则控制阀应选择气关型，以便当气源中断时，能保证继续供水，防止锅炉烧坏;如果从后续设备〔例汽轮机)安全角度出发。主要是要保证蒸汽的质量，汽中不能带液，那么就要选择气开阀，以便气源中断时，不再供水，以免水位太高。本题假定是属于前者的情况，控制阀选择为气关型，为“一”方向;当供水流量增加时.液位是升高的，对象为“+”方向，故在这种情况下，液位控制器LC应为正作用方向。当控制阀因需要选为气开型时，则液位控制器应选为反作用方向。
在蒸汽压力控制系统中，一般情况下，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开型，为“十”方向;当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“+”方向。所以在这种情况下，压力控制器PC应选为反作用方向。
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6.图7-8为一离心泵出口流量控制系统，试指出该系统中的被控变量、操纵变量、对象各是什么?并说明流量控制器FC正、反作用的选择方法。
解:该系统中的被控对象实质上只是由控制阀到流量检测元件间的一段管道。操纵变量是指流过控制阀的液体流量，被控变量是指由流量检测元件所测量的流量，实际上这时操纵变量与被控变量都是泵的出口流量，因此在这种情况下，对象的作用方向总是“+”的。
由于对象的作用方向为“十”，故流量控制器FC的作用方向就取决于控制阀的气开、气关型式的选择。当控制阀选为气开型时，FC应选为反作用方向;
当控制阀选为气关型时，FC应选为正作用方向。
控制阀的气开、气关型式的选择主要由工艺情况来决定。如果没有特殊要求，那么选择气开或气关阀都可以;如果工艺上有要求，例如后续设备若不允许有停料情况发生，则控制阀应选为气关型。
1.图7一13为一加热炉的温度控制器.原料油在炉中被加热。试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量以及可能出现的干扰是什么?并画出系统的方块图。
答：被控对象为加热炉;被控变量为原料油出口温度;操纵变量为燃料油流量;可能出现的干扰有原料油流量、入口温度、燃料油压力、热值、炉内通风、燃烧状况等。
方块图如图7-17所示。
2.上题中，如原料油不允许过热。试确定控制阀的气关、气开型式的控制器的正、反作用。 答：控制阀为气开型·控制器应为反作用式
3.图7-14为一精馏塔塔釜液位控制系统，如工艺上不允许塔釜液体被抽空，试确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。
答：控制阀为气开型、控制器应为正作用式。
4。图7-15为一反应器温度控制系统示意图。反应器内物料需要加热，但如温度过高，会有爆炸危
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险，试确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 答.控制阀为气开型、控制器应为反作用式。
第八章
1.什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。
答:串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。
串级控制系统的典型方块图如图8-1所示。
2.串级控制系统有哪些恃点?主要使用在哪些场合? 答:串级控制系统的主要特点为:
(1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统; (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量;
(3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响;
(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合.
4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统?
答：串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值。而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。
6.如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用?
答：副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为一个负反馈系统的原则来确定的。
主控制器作用方向的选择可按下述方法进行:当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的;反之，则应选“正”作用的。
从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全
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无关。这种情况可以这样来理解:如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，其方块图可以简化为图8-2所示。由图可见，这时副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向;反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。
8.均匀控制系统的目的和特点是什么?
答：均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。
均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样。不是为了使被控变量保持不变，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。
9．简述均匀控制系统的控制方案。
答：以液位与流量的均匀控制为例，其控制方案有简单均匀控制与串级均匀控制两种。 从结构上来讲，简单均匀控制与一般的液位控制系统一样，串级均匀控制与一般的液位-流量串级控制系统一样。其区别在于均匀控制与一般的控制系统目的不一样。之所以能够使两个变量间的关系得到协调，是通过控制器参数整定来实现的。均匀控制系统中的控制器一般都采用纯比例作用，且比例度很大，必要时才引入少量的积分作用。
10．什么叫比值控制系统?
答：实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。
15．什么是前馈控制系统?它有什么特点?
答：按扰动变化大小进行控制的系统称为前馈控制系统。 前馈控制系统的主要特点有:
(1)前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效; (2)前馈控制是属于“开环”控制系统;
(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置; (4)一种前馈作用只能克服一种干扰。
16.前馈控制的主要形式有哪几种?
答：前馈控制的主要形式有单纯的前馈控制(又称简单前馈)和前馈-反馈控制两种。根据对干扰补偿形式的特点，又分静态前馈控制和动态前馈控制。
1.某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度
波动较大，故设置控制系统如图8-6所示。
(1)这是什么类型的控制系统?试画出其方块图，说明其主变量和副变量是什么? (2)选择控制阀的气开、气关型式。 (3)选择控制器的正、反作用。
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(4)如主要干扰是冷却水的温度波动.试简述其控制过程。 (5)如主要干扰是冷却水压力波动，试简述其控制过程，并说明这时可如何改进控制方案，以提高控制质量。
解(1)这是串级控制系统.主变量是釜内温度?1, ,副变量是夹套内温度?2。其方块图如图8-7所示
(2)为了在气源中断时保证冷却水继续供应。以防止釜温过高，故控制阀应采用气关型，为“一”方向。
(3)主控制器T1C的作用方向可以这样来确定:由于主、副变量(?1、?2。)增加时，都要求冷却水的控制阀开大，因此主控制器应为“反”作用。
副控制器T2C的作用方向可按简单(单回路)控制系统的原则来确定。由于冷却水流量增加时，夹套温度?2是下降的，即副对象为“一”方向。已知控制阀为气关型，“一”方向，故副控制器T2C应为“反”作用。
(4)如主要干扰是冷却水的温度波动，整个串级控制系统的工作过程是这样的:设冷却水的温度升高，则夹套内的温度?2升高，由于T2C为反作用，故其输出降低，因而气关型的阀门开大，冷却水流量增加以及时克服冷却水温度变化对夹套温度?2的影响，因而减少以致消除冷却水温度波动对釜内温度?1的影响，提高了控制质量
如这时釜内温度?1由于某些次要干扰(例进料流量、温度的波动)的影响而波动，该系统也能加以克服。设?1升高，则反作用的T1C输出降低，因而使T2C的给定值降低，其输出也降低，于是控制阀开大，冷却水流量增加以使釜内温度?1降低，起到负反馈的控制作用。 （5）如主要干扰是冷却水压力波动，整个串级控制系统的工作过程是这样的:设冷却水压力增加，则流量增加，使夹套温度?2下降，T2C的输出增加，控制阀关小，减少冷却水流量以克服冷却水压力增加对?2的影响。这时为了及时克服冷却水压力波动对其流量的影响，不要等到?2变化才开始控制，可改进原方案，采用釜内温度?1与冷却水流量F的串级控制系统，以进一步提高控制质量.
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4.图8-10所示为一脱乙烷塔塔顶的气液分离器。由脱乙烷塔塔顶出来的气体经冷凝器进入分离器，由分离器出来的气体去加氢反应器。分离器内的压力需要比较稳定，因为它直接影响精馏塔的塔顶压力。为此通过控制出来的气相流量来稳定分离器内的压力，但出来的物料是去加氢反应器的，也需要平稳。所以设计如图8-10所示的压力一流量串级均匀控制系统。试画出该系统的方块图，说明它与一般串级控制系统的异同点。
解：方块图如图8-11所示。
由系统的方块图可以看出，该系统与一般的串级控制系统在结构上是相同的，都是由两个控制器串接工作的，都有两个变量(主变量与副变量)，构成两个闭环系统.
该系统与一般的串级控制系统的差别主要在于控制目的是不相同的。一般串级控制系统的目的是为了稳定主变量，而对副变量没有什么要求，但串级均匀控制系统的目的是为了使主变量和副变量都比较平稳，但不是不变的，只是在允许的范围内缓慢地变化。为了实现这一目的，串级均匀控制系统在控制器的参数整定上不能按4:1(或10： 1)衰减整定.而是:强调一个“慢”字，一般比例度的数值很大，如需要加积分作用时，一般积分时间也很大。
5.上题图8-10所示的串级均匀控制系统中，如已经确定控制阀为气关阀，试确定控制器的正、反作用并简述系统的工作过程。
解：由于主变量压力升高时需要开大控制阀，副变量流量增加时需要关小控制阀，所以主控制器PC应选“正”作用。由于控制阀为气关阀，特性为“一”，副对象特性为“十”(阀开大时流量增加)，所以副控制器FC应选“正”作用。
系统的工作过程是这样的:如果由于某种原因气相流出量增加，则FC的输出也增加(因为FC为正作用)，所以使气关阀开大，流量降低，起着快速稳定副变量的目的。如果由于某种原因使分离器内压力增加，则PC的输出也增加(因为PC是正作用的)。由于PC 的输出就是FC的给定，FC给定增加时，其输出是降低的(因为FC为正作用)，这样一来，控制阀就关小，气相流出量增加，使分离器内的压力下降，起着稳定压力的作用。由于在串级均匀控制系统
中，控制器的参数值整定得很大，控制作用很弱，所以当分离器内的压力波动时，不可能使输出流量有很大的变化来使压力很快回到给定值，而只能使流量缓慢地变化，因此压力也是缓慢变化的，这样就实现均匀控制的目的。
2．图8-32所示为聚合釜温度控制系统。冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问:
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(1)这是一个什么类型的控制系统?试画出它的方块图。
(2)如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开，气关型式。 (3)确定主、副控制器的正、反作用。
(4)简述当冷却水压力变化时的控制过程。
〔5)如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进?
(6)如果选择夹套内的温度作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。
答：(1)是以聚合温度为主变量，冷却水流量为副变量的串级控制系统，方块图见图8-44
(2)气关型.
(3)TC为正作用，FC为正作用。 (4)略。
(5)应采用以聚合温度为主变量，夹套温度为副变量的串级控制系统。 (6)主控制器和副控制器均为“反”作用(方块图略)。
3.图8-33为一精馏塔的塔釜液位与流出流量的串级均匀控制系统。试画出它的方块图，并说明它与一般的串级控制系统的异同点。如果塔釜液体不允许被抽空，试确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。
答：方块图及异同点略。
控制阀应选气开型;FC为反作用;LC为\正”作用。
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