最新控制仪表及装置——考试复习题资料

简答题5X8=40分

第1章概论

1.一个简单的闭环调节系统中至少应包含哪几个环节？P1 输入环节；输出环节；反馈环节等

2.过程控制仪表与装置的分类有哪几种形式？P2

按能源形式分类: 可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表；按信号类型分类: 分为模拟式和数字式两大类；按结构形式分类: 单元组合式控制仪表, 基地式控制仪表,集散型计算机控制系统, 现场总线控制系统。

3.过程控制仪表与装置按能源形式分类可分为哪几种？目前工业上普遍使用的是哪两种？P2 过程控制仪表与装置按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。

4.数字式控制仪表的特征有哪些？其传输信号为断续变化的数字量，可以进行各种数字运算和逻辑判断，功能完善性，能优越，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。

5.变送单元的作用是什么？它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。

6.控制单元的作用是什么？将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。

7.执行单元的作用是什么？它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。

8.现场总线控制系统的特征？P3

其特征为：现场控制和双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。

9.信号制是指什么？P3-4 信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。

10.制定信号制的目的是什么？P3-4 达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。

11.气动仪表的信号标准？P3-4 气动仪表的信号标准即启动仪表的下限值和上限值：

12. 电动仪表的信号标准？

13. 现场与控制室仪表之间宜采用什么信号？P4-5

现场与控制室仪表之间宜采用直流电流信号。

14.直流电流信号有哪些优缺点？P4-5

优点：a、直流比交流干扰少b、直流信号对负载的要求简单c、电流比电压更利于远传信息缺点：

a 、多个仪表接收同一电流信息，它们必须串联

b 、任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把 该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号

c 、仪表无公共接地点， 须

浮空工作。

15. 控制室内部仪表之间宜采用什么信号？ P4-5 控制室内部仪表之间宜采用直流电压信号。 16. 直流电压信号有哪些优缺点？ P4-5

优点： a 、任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行。

b 、各个仪表具有公共接地点，可以共用一个直流电源。 缺点：其接收仪表的输入阻抗要足够高

17. 控制系统仪表之间典型联接方式是什么？ P5

18. 从仪表整体结构上看，模拟式控制仪表的两种构成形式是什么？

a 、 仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干放大器或不同的放大器串联而成 。

b 、 整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式组装而成。

19. 采用单个放大器的仪表分析方法的特点？

a 、 在满足 KKf >>1的条件时，仪表的输出与输入关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特

性。

b 、 在满足 KKf >>1的条件时，放大器的净输入 e 趋向于零 ( e →0)。

20. 采用运算放大器的仪表分析方法特点？ a 、输入电阻 Ri = ； b 、输出电阻 Ro =0；

c 、开环电压增益 Ko = ；

d 、失调及其漂移为零 。

两条重要的结论： 1〉差模输入电压为零，即 Vd =0 或 VT =VF ； 2〉输入端输入电流为零，即 IbT =0, IbF =0;

21. 仪表中常用的运算放大器电路有哪四种？见笔记 a 、反相端输入 b 、同相端输入 c 、差动输入 d 、电压跟随器

22. 反相端输入运算放大器电路特点？ a 、输出电压与输入电压成正比，其比例系数为 R2/ R1；

b 、输出与输入极性相反；

c 、反相端不接地，但 VF =0，故称反相端为“虚地”；

d 、输入电阻约等于输入回路电阻 R1；

e 、输入回路电流 Ii ，全部流经反馈回路，即 I

f =Ii 。

23. 同相输入运算放大器电路特点？ a 、输出电压与输入电压成正比，其比例系数为( 1+R2/ R1)；

b 、输出与输入极性相同；

c 、同相端和反相端存在共模电压 VC =Vi ；

d 、输入电阻等于运算放大起本身的共模输入电阻，其值很大，通常为 1～ 500M 。

24. 差动输入运算放大器电路特点？ a 、在满足电阻R1

匹配R3

条件时，差动输入放大器电路的输出电压仅仅取决于两个输入电压之差 （ViT -ViF ）R

，2

即R 这4

种电路只放大差动信号，不放大共模信

号，且与差动信号

Vid 成正比，比例

系数为 R2/ R1。输出电压与差动信号极性相同。在仪表线路中，往往取 R1=R3、 R2=R4，形成

Io=4 ～ 20mA

Io ：发送仪表的输出电流 Ro ：发送仪表的输出电阻 Ri ：接收仪表的输入电阻 R ：电流∕电压转换电

阻， 时R 取

所

谓对称差动运放电路。

b、运算放大器输入端存在共模电压：VC R4ViT

25.电压跟随器特点？R3 R4

输入电阻高；输出电阻低。它在仪表电路应用中，起隔离作用。

第2章调节器

26.何为调节器的调节规律？P12

调节器的调节规律就是调节器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律。这个规律常常称为调节器的特性。

27.调节器的基本调节规律有哪些？

a、比例控制规律

b、比例积分控制规律

c、比例微分控制规律

d、比例积分微分控制规律

28.比例调节规律的特点？

a、比例控制作用及时迅速b 、控制量的输出会发生变化不是原来的数值c 、存在残余偏差—

29.积分作用的特点？积分作用的输出与偏差对时间的积分成比例关系。积分作用具有“慢慢来”的特性

30.如何防止积分饱和？P33 a、在控制器输出达到输出范围上限值或下限值时，暂时去掉积分作用。b、在控制器输出达到

输出范围上限值或下限值时，使积分作用输出不继续增加。

31.微分作用的特点？输入偏差变化的速度越大，则微分作用的输出越大，然而对于一个固定不变的偏差不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零。

32.变送器的作用？P41

在自动检测和调节系统中，将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或调节之用。

33.变送器按照被测参数分类有？差压变送器、压力变送器、液位变送器、流量变送器、温度

变送器等

34.模拟式变送器的构成原理及结构图？P41 模拟式变送器组成部分：测量部分、放大器、反

馈部分、零点调整和零点迁移。结构图如

3-1 所示

图3-1 模拟式变送器结构图

36. 数字式变送器的构成原理？ P211

图 3-3 智能式变送器的硬件构成框图 智能式变送器软件构成： A/D 采样程序

量程转换程序 工程量变换程序

滤波程序

智能式变送器的量程调整方法：由软件实现。 38. 变送器的零点调整和零点迁移？ P42

使变送器的输出信号下限值 y 与测量范围的下限值 x 相对应，在 x =0 时，称为零点调 mia

mia mia

整，在 x ≠ 0 时，称为零点迁移。

min

35. 模拟式变送器的输入输出关系曲线和关系式？ P41

1 KK f

(K i x z 0 )

式中： Ki ：测量部分的转换系数 K 放大器放大系数 Kf 反馈部分反馈系数 变送器的理想输入输出特性

图 3-2 模

拟式

误差校正程序 D/A 输出程序 通讯程序 辅助功能程序

图 3-4 变送器量程调节前后输入输出特性

智能式变送器还配置有手持终端。

37．变送器的量程调整？ P42

量程调整：使变送器的输出信号上限值 y 与测量范 max 围的上限值 x 相对应。

max

量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号 y 与输入 信号 x 之间的比例系数。

模拟式变送器的量程调整方法：

K i yx K f

z 0 K f

知改变反馈部分的反馈系数 K ；或者改变测量部分转换系数 K 。 f

i

智能式变送器由硬件和软件两部分构成。 智能式变送器的硬件构成：

零点调整使变送器的测量起始点为零。

零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值： 当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称 为负迁移。

模拟式变送器的零点调整和零点迁移方法：

40. 电容式差压变送器线性化的原因？ R52 原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在

着非线性关系。

41. 模拟式变送器非线性补偿方法有哪二种？ R69

1. 使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性

2. 使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性

42. 何为四线制？何为二线制？ 四线制：供电电源和输出信号分别用二根导线传输 二线制：二根导

线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号

图 3-6 二线制和四线制变送器

43. 二线制优点？ 节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰。

44. 智能式变送器的信号传输方式？ R212 智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通信方式；目前广泛采用一种过渡 方式，即在一条通信线缆中同时传输 4~20mA ADC 电流信号和数字信号，这种方式被称为 HART 协议通信方式。

45. 差压变送器的作用？ P43

K K f

i x

K z 0f

知改变放大器输入端上的调零信号 z 智能式变送器的零点调整和零点迁移

方法：由软件实现

39. 如何提高仪表的测量精度？ P42

用来将差压、流量、液位等被测参数转换为标准的统一信号，以实现对这些参数的显示、 记录或自动控制。

46. 差压变送器按照检测元件分类有？ 膜盒式差压变送器 电容式差压变送器 扩散硅式差压变送器 振弦式差压变送器 电感式差 压变送器等

47. 分析电容式差压变送器测量部件的工作机理，推导其关系，说明其特性。

P52-3； 34~5 步推导 ,3 行结论！

48. 说明扩散硅式差压变送器的工作原理（包括：传感器与供电电路，前置电压放大器， 电压 ?电流转换器）。（给出扩散硅式差压变送器原理电路图） P60-61

工作原理： 扩散硅压阻传感器的应变电阻阻值在 P 作用下发生变化，使硅桥产生不平衡电 压 U ，再经前置放大并转换成 I 输出。 so

49．执行器在自动控制系统中的作用？ P82

接受来自调节器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到调节流量的目的。

50．为什么说执行器是调节系统的薄弱环节？ 执行器的工作、使用条件恶劣，是调节系统的薄弱

环节。

51. 执行器的构成？各部分的作用？ R99 执行器由执行机构和调节机构两个部分构成 执行机构：

根据输入信号的大小产生相应的输出力或位移去推动调节机构动作。

52. 执行器按使用的能源形式分类有？ R98 气动执行器： 控制气动调节阀 电动执行器： 控制电

动调节阀

53. 气动调节阀的特点？ P103 优点：结构简单、动作可靠稳定、输出力大、安装维修方便、价格

便宜和防火防爆。 缺点：响应时间大，信号不适于远传。

54. 电动调节阀的特点？见笔记 优点：动作较快、能源获取方便，特别适于远距离的信号传送。

缺点：输出力较小、价格贵，且一般只适用于防爆要求不高的场合。 55. 执行器的作用方式？ P103

正作用： 当输入信号增大时，执行器的流通截面积增大，即流过执行器的流量增大。

气动调节阀通常称为气开阀。

图 3-11 扩散硅式差压变送器构成方框

调节机构： 在执行机构的作用下使阀芯产生一定位移，即使执行器开度发生变化，达到调 节被控介质流量的目的。

反作用： 当输入信号增大时，执行器的流通截面积减小，即流过执行器的流量减小。 气动调

节阀通常称为气关阀。

56. 气动执行机构的作用？ P102 接受气动调节器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相

应的输出力 F 和直线位移

l ，以推动调节机构动作。

57. 电动执行机构的构成原理及各部分的功能？ P99

电动执行机构由伺服放大器、伺服电机、位置传送器和减速器四部分组成，其构成原理如图

伺服电机作用 : 将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩。

伺服放大器作用 : 将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据的极性和大小，控 制

可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流 电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转。 位置发送器作用 :利用位移检测元件 （差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等 ） 将电动

执 行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。

减速器的作用是将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力 矩

的输出功率，以推动调节机构。 58. 何为 HART 通讯协议？ R280

HART 是数字式仪表实现数字通讯的一种协议。

具有 HART 通讯协议的变送器可以在一对电缆上同时传输 4~20mA.DC.的模拟信号和数字信 号。

HART 通讯协议是采用国际标准化组织（ ISO ）的开放式系统互连（ OSI ）参考模型，简化引

用其中的三层而制定的。物理层、数据链路层、应用层 59. 什么是 FSK 信号？ P281

HART 信号传输是基于 Bell 202 通讯标准，在 4~20mA.DC.基础上叠加幅度为± 0.5mA 的不

图 3-7 HART 数字通信信号

60. HART 通讯协议的物理层定义什么内容？ P281 规定了信号的传输方法和传输介质。

61. HART 通讯协议的传输介质及传输距离关系？ P281 HART 协议的物理层规定传输介质为电缆线。 单芯带屏蔽双绞电缆，传输距离可达 3000 米。 多芯带屏蔽双绞电缆，传输距离可达 1500 米。 非屏蔽电缆，适用于短距离数据传送。

62. HART 协议的数据链路层定义什么内容？ 规定了 数据帧的格式 和

数据通信规

P281

程。

63.HART 协议可有哪三种通信模式？

HART协议规定有三种通信命令。通用命令：适用于所有符合HART协议的现场仪表。通用操作命令：适用于大部分符合HART协议的现场仪表。

特殊命令：各制造厂的产品自己所特有的命令。

64 .HART 协议的应用层定义什么内容？规定了通讯命令的内容。

65.HART 协议规定的三种通信命令是什

么？通用命令通用操作命令特殊命令

66.现场总线控制系统的技术特点（1）系统的开放性、可集成性2）互操作性与互用性3）现场设备的智能化与功能自治性4）系统的高度分散性5）对现场环境的适应性。

67.与DCS相比FCS在结构上有哪些优越性：1 实现全数字化通信；

2 实现彻底的全分散式控制；3实现不同厂商产品互

连、互操作；4增强系统的可靠性、可维护性；5降

低系统工程成本。

68.CAN总线的主要特点？

1. 多主方式工作。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。

2. 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。

3.非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

4.采用报文滤波。即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。

5.节点数主要取决于总线驱动电路，可达110 个。

6.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。

7.每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。

69.试对现场总线控制系统与集散控制系统作一比较。

70.基型调节器的输入电路为什么采用差动输入和电平移动的方式？计算题2X10=20 分

1．某PID调节器（正作用）输入、输出信号均为4～20mA，调节器的初始值I i =I 0=4mA，δ=200%，T I=T D=2min，K D=10。在t=0 时输入ΔI i =2mA的阶跃信号，分别求取t=12s 时：（1）PI 工况下的输出值；（2）PD工况下的输出值。P39 习题1-8 ：课堂上讲2．用差压变送器测量流量，流量范围为0～16m3/h 。当流量为12m3/h 时，问变送器的输出电流是多少？参《计算比较》

AN2:差压与流量的平方成比例，变送器的输出电流与其差压成比例，所以，变送器输出的4-20mA电流与其流量平方成比例。

即：（I-4 ）/ （20-4）=Q2/Qm2=122/16 2

22

I=4+[ (20-4 )*12 2/16 2]=13Ma

答：输出信号是 13mA 。

3．某 P 调节器的输入信号是 4～20mA ，输出信号为 1～5Ｖ，当比例度 δ =60%时，输入变化

6mA 所引起的输出变化量是多少？ P39 习题 1-5 课堂上讲

4．有一台气动表 QXS － 100 开方积算仪， R ＝1000，今要它跳 500 个字，它的输入信号应等于 多少？ AN4：设跳字数为 N ，最大跳字数为 N MAX （都是指在单位小时内跳的数）见《 计算比较 》 AN4：设跳字数为 N ，最大跳字数为 N MAX （都是指在单位小时内跳的数） ∵P 入＝P o +△P, △ P=(KN)

2

△ P MAX =(KN MAX )

其中 P o ＝ 20，

∴△P/ △PMAX ＝ (KN/K N MAX )

2

△ P ＝( N/ N MAX ) △ P MAX

2

＝( 500/1000) 2

△ P MAX ＝ 20KPa

2

于是 P 入＝20+(500/1000 ) 2

*80 ＝ 20+20

＝40KPa

5．用一台双法兰式差压变送器测量某容器液位， 如图所示， 已知 H 变化范围 0—— 3m ，被测介质密度 ρ =900Kg/m3,毛细 管内工作介质密度 ρ0=950Kg/m3，其中 h1=1m,h2=4m, 求变 送器测量范围？并判断零点迁移的方向， 计算迁移量， 当法 兰式变送器的安装位置升高或降低时， 问对测量有何影响？ 见 第三章例题分析 （尚有类似例题）

6． 用一支铂铑 - 铂热偶测炉膛温度，在无其他补偿方法时， 测得热电势为 10.638mv ，自由端温度为 50℃，试求实际温 度。已知 E S （50,0 ）=0.299mV 。S 型热电偶简表如下

T/℃ 1110

1112 1114 1116 1118 E/mV

10.875 10.899 10.922 10.946 10.970

插值法：

阐述题 1X10=20分 简述扩散硅差压变送器的工作原理。 说明电容式差压变送器的特点及构成原理。 设计题 2选一 20 分

1. 智能家居设计，要求画出系统总体框图，简述工作原理。

2. 设计温度控制器，要求画出系统框图，简述工作原理。

2

△ P MAX ＝

80

N MAX ＝ 1000