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控制仪表
第0章
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.
2.控制仪表与装置有哪些类型?
答:
按能源形式分类:
电动、气动、液动和机械式
按信号类型分:
模拟式和数字式
按结构形式分:
a、基地式;
b、单元组合式:
变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元八大类;
C、集散型计算机控制系统(DCS):
分散控制、集中管理;
d、现场总线控制系统(FCS)。
3.控制仪表与装置采用何种信号进行联络?
答:
a、对于气动控制仪表,国际上统一使用20~100KPa气压信号,作为仪表之间的联络信号。
b、DDZ-III型仪表采用4~20mA直流电流和1~5V直流电压作为统一的联络信号。
4.常用的防爆型控制仪表有隔爆型和本质安全型两类仪表。
5.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。
6.什么是安全栅?
说明常用安全栅的构成和特点。
答:
安全栅作为本安型仪表的关联设备,它一方面传输有用信号,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。
安全栅有:
齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。
A、齐纳式安全栅:
基于齐纳二极管反向击穿性能而工作的,在正常工作时,安全栅不起作用。
特点:
结构简单、经济、可靠、通用性强,使用方便。
图如下:
b、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。
特点:
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。
第1章
1.DDZ-III型仪表的特点是什么?
答:
①元器件以线性集成电路为主。
②仪表结构合理,功能多样。
③采用国际标准信号。
④集中统一供电[24v(DC)]。
⑤整套仪表可构成本质安全型防爆系统。
2.DDZ-III型仪表的主要性能指标:
统一标准信号为4~20mA(DC)和1~5v(DC);基本误差一般为
0.5%,少数品种为
0.2%、
1.0%、
1.5%;响应时间不超过1s;负载电阻一般为250~750
;供电电压24v(DC)。
3.何为控制器运算规律?
为什么要研究它?
答:
a、控制器的运算规律是指控制器的输出信号和输入偏差之间随时间变化的规律。
b、被控变量能否回到给定值上,以及怎样的途径,经过多长时间回到给定值上来,即控制过程的品质如何,这不仅与对象特性有关,而且还与控制器的特性,即控制器的运算规律(或称控制规律)有关。
4.定性分析比例微分(PD)电路的工作原理,并说明Kp、Td可调整的范围?
答:
a、当输入△U01为一阶跃信号时,在t=0+,即加入阶跃信号瞬间,由于电容CD上的电压不能突变,输入信号△U01全部加到IC2同相端T点,所以有△UT(0+)=△U01。
随着电容CD充电过程的进行,CD两端电压从0V起按指数规律不断上升,△UT按指数规律不断下降。
当充电过程结束时,电容CD上的电压将等于电阻9.1kΩ上的电压,此时△UT(∽)=1/nU01,并保持该值不变。
比例微分电路的输出信号△U02与同相端T点的电压△UT为简单的比例放大关系,其比例系数为α,当输入信号△U01以阶跃作用加入后,△U02的变化曲线形状与△UT相同,其系数值为△U02=α△UT。
图:
B、在本电路中,n=10,Rd=62k
~15M
,Cd=4μF,Rp=0~10K
,Rp0=39
(Rp0用以限制ɑ的最大值,α=1~250),因此电路的微分增益Kd=10,微分时间Td=0.04~10min,比例增益
=
~25。
Td=n·Rd·Cd。
5.PI电路中,S3的作用?
答:
S3为积分换档开关,可实现比例运算到积分运算的切换。
6.III型控制器有4种工作状态:
自动,软手动,硬手动,保持状态。
7.输入电路的作用?
答:
把PID电路输出的、以UB为基准的1~5V直流电压信号转换成以D为参考的U-I转换电路4~20mA的输出直流电流,使它流过负载
至电源的负载。
8.说明P、PI、PD控制规律的特点?
答:
a、P特点:
控制作用及时迅速,只要有偏差就有输出。
b、PI特点:
I作用动作缓慢,但可消除静差。
PI作用有P作用迅速和I作用消除静差的特点。
I作用影响系统稳定性。
注:
实际积分不能消除静差,但可使余差大大减小。
C、PD特点:
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。
9.控制器输入一阶跃信号,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?
答:
10.什么是比例度、积分时间和微分时间?
如何测定这些变量?
答:
比例度:
在实际控制中,常用比例度来表示比例作用的强弱。
积分时间:
在阶跃信号作用下,积分作用的输出值变化到等于比例作用的输出值所经历的时间就是积分时间。
在阶跃偏差信号作用下,实际PD控制器的输出从最大值下降了微分输出幅度的63.2%所经历的时间,就是微分时间常数TD/KD。
此时间常数再乘上微分增益KD就是微分时间TD。
④比例度:
积分时间:
代表积分速度,
称为积分时间。
微分时间:
称为微分时间。
测定方法:
比例度:
置
,输入
,测输出为
,则
11.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?
答:
,
,
。
12.题
13.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?
偏差差动电平移动电路怎样消除导线电阻所引起的运算误差?
答:
(1)输入电路采用偏差差动输入方式,为了消除集中供电引入的误差。
(2)两导线电阻的压降UCM1和UCM2均成为输入电路的共模电压信号,由于差动放大器对共模信号有很强的抑制能力,因此这两个附加电压不会影响运算电路的精度。
(3)电平移动的目的是使运算放大器IC1工作在允许的共模输入电压范围内。
14.在基型调节器的PD电路中,如何保证开关S从“断”位置切至“通”位置时输出信号保持不变?
答:
开关S处于“断”位置时,微分作用切除,电路只具有比例作用。
这时IC2同相端的电压△UT=1/nU01而电容通过电阻R1也接至1/nU01电平上,CD被充电到UCD=U01,因此,稳太时电容CD上的电压与9.1kΩ电阻上的压降相等,即CD右端的电平与UT相等,这样就保证了开关S由“断”切换到“通”的瞬间,即接通微分作用时,输出不发生冲突,故对产生过程不产生扰动。
15.基型调节器如何保证“自动”→“软手操”、“软手操”(或硬手操)→“自动”无平衡、无扰动的切换?
答:
(1)自动到软手操作:
S1,S2由自动切换至软手操后,S4未扳至UR时,IC3的输入信号被切断,IC3的反相输入端悬空,原来充在CM上的电压没有放电回路,则IC3的输出电压UO3将保持原来的数值不变,即电路具有保持特性。
因此此切换只是控制器的输出UO3暂停变化而已,当需要改变输出时,将S4扳至所需位置,即可使UO3快速升降或慢速升降。
软手操到自动操作:
软手操时,S2将CI右端接至UB,使CI两端电压UCI始终等于UO2。
当从软手操切换到自动时,由于IC3反相输入端电位U-=U+=UB,所以CI的右端和IC3的反相输入端一样都处于UB电位,故在切换瞬间电容无充放电现象,输出UO3不变。
这就实现了无平无扰切换。
(3)
16.积分反馈型限幅调节器和PI-P调节器是如何防止积分饱和的?
答:
一般是限制积分饱和两端的电压,不让其超出正常的工作范围,或者是你切除积分作用。
(1)积分反馈型积分限幅控制器。
原理:
当IC3的输出电压在正常工作范围之内时,控制器作PI(或PID)运算;当IC3的输出电压超出上,下限幅值时,则积分反馈型积分限幅电路将通过负反馈限制积分电容两端的电压,从而达到抗积分饱和与输出限幅的目的。
(2)PI-P切换控制器。
原理:
当IC3的输出电压在正常工作范围之内时,控制器按PI规律动作,当U03到达上限值(100%)或下限值(0)时控制器立即切换至P运行状态,积分作用切换,以防止积分饱和。
17.看U01=-2(Ui-Us)、比例积分电路作用:
将输入电路输出的电压信号ΔUo1进行PD运算
组成:
无源比例微分网络+比例运算放大器
第2章
1.说明变送器在总体构成?
它在总体结构上采用何种方法使输入信号与输出信号之间保持线性关系?
答:
①变送器是基于负反馈原理工作的,其构成如图。
包括测量部分、放大器和反馈部分。
②在KF》1的条件下,变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性,如果转换系数C和反馈系数F是常数,则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。
图:
2.何谓变送器的共性问题:
量程、零点调整合零点迁移
3.量程调整、零点调整合零点迁移的目的?
答:
(1)量程调整的目的,使变送器的输出信号上限值Ymax(即统一标准信号的上限值)与测量范围的上限值Xmax相对应。
(2)零点调整和零点迁移的目的,都是使变送器的输出信号下限值Ymin与测量范围的下限值Xmin相对应。
4.简述力平衡式差压变送器的结构和动作过程,并说明零点调整和零点迁移的方法?
答:
①力平衡式差压变送器的构成包括测量部分、杠杆系统、位移检测放大器及电磁反馈机构。
②基于力矩平衡原理工作的。
③工作原理:
被测差压信号P1、P2分别引入测量元件的两侧时,膜盒就将两者之差(
Pi)转换为输入力Fi。
此力作用于主杠杆的下端,使主杠杆以轴封膜片为支点而偏转,并以力F1沿水平方向推动矢量机构。
矢量机构将推力Fi分解成F2和F3,F2使矢量机构的推板向上移动,并通过连接簧片带动副杠杆,以M为支点逆时针偏转。
这使固定在副杠杆上的差动变压器的检测片(衔铁)靠近差动变压器,使两者间的气隙减小。
检测片的位移变化量通过低频位移检测放大器转换并放大为4~20mA的直流电流
作为变送器的输出信号。
同时,该电流又流过电磁反馈机构的反馈动圈,产生电磁反馈力
,使副杠杆顺时针偏转。
当反馈力
所产生的力矩和输入力Fi所产生的力矩平衡时,变送器便达到一个新的稳定状态。
④零点调整方法:
有调零弹簧来调整,零点迁移的方法:
调节迁移弹簧来实现。
5.力平衡式差压变送器是如何实现量程调整的?
试分析矢量机构工作原理?
答:
①量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的。
F大,量程就大;F小,量程就小。
有些变送器还可以通过改变转换系数C来调整量程。
改变反馈部分反馈系数,改变测量部分转换系数。
②力分析矢量图可知,F2=F1tanθ,改变tanθ,可改变差压变送器的量程,这可通过调节量程调整螺钉改变矢量角θ的大小来实现。
由于矢量角在4~15度范围内变化,故仅用矢量机构调整量程时的量程比为tan15/tan4=3.83。
6.差压变压器位移检测放大器的位移振荡条件?
答:
当检测片位移s=δ/2时,结果UCD=e2-e2=0,差动变压器无输出,不可能振荡。
当检测片位移s>δ/2时,此时UCD与UAB反向,不可能振荡。
当检测片位移s<δ/2时,因差动变压器上半部磁路磁阻减小,互感增加,故感应电势e2将大于e2,且UCD随着S的减小而增加,此时UCD与UAB同向,形成正反馈,满足相位条件电路才能振荡。
7.说明电容式差压变送器的特点及构成原理?
答:
特点:
仪表结构简单、性能稳定、可靠,具有较高的精度。
构成原理:
变送器包括测量部分和转换放大电路两部分:
输入差压
作用于测量部件的感压膜片,使其产生位移,从而使感压膜片(即可动电极)与两固定电极所组成的差动电容器的电容量发生变化。
此电容变化量由电容——电流转换电路转换成直流电流信号,电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流
。
8.试分析电容式差压变送器测量部件的作用和组成?
答:
作用:
把被测差压
pi转换成电容量的变化。
组成:
由正、负压测量室和差动电容检测元件(膜盒)等部分组成。
9.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?
解:
据差变输入差压与流量的平方成比例,ΔP=K1Q2,而输入差压与电流输出又成线性关系,即I=K2ΔP,可知I正比于Q2,得:
I=4+((20-4)/162)×122=13(mA)
10.四线制温度变送器为何采用隔离输出线路?
在电路上是如何实现的?
答:
①为了避免输出与输入之间有直接电的联系,在功率放大器与输出回路之间,采用隔离变压器T0来传递信号。
②隔离变压器T0实际上是电流互感器,其变流比为1:
1,故输出电流等于功放电路复合管的集电极电流。
图:
11.气动仪表的基本原件有哪些?
说明喷嘴挡板机构和功率放大器的作用原理?
答:
①组成:
由气阻、气容、弹性元件、喷嘴挡板机构和功率放大器。
②喷嘴挡板机构作用:
把微小的位移转换成相应的压力信号。
喷嘴挡板构成一个变气阻,气阻值决定于喷嘴挡板间的间隙
,气源压力pS经恒节流孔进入节流气室,由喷嘴挡板的间隙排出,
改变时,喷嘴背压pB也改变。
③功率放大器的作用:
将喷嘴挡板的输出压力和流量放大。
当输入信号(喷嘴背压)pB增大时,金属膜片受力而产生向下的推力,使球阀开大,锥阀关小,A室输出压力随之增加。
12.简述电/气转换器的动作过程?
答:
输入电Ii进入动圈后,产生的磁通与永久磁钢在空气隙中的磁通相互作用,而产生向上的电磁力,带动杠杆绕支撑转动,安装在杠杆右端的挡板靠近喷嘴,使其背压升高,经气动放大器进行功率放大后,输出压力P0,达到平衡。
13.请写出力平衡式差压变送器输入与输出之间的关系式,并讨论?
答:
①在满足深度负反馈的条件下,变送器输出电流Io与输入差压△Pi成正比。
②
用于确定变送器输出电流的起始值,对III型变送器,该项使输出为4mA。
改变调零弹簧作用力Fo可调整变送器的零点。
③由式子得:
调整变送器的量程可通过改变tan
和Kf来实现。
④零点和满度值应反复调整。
14.力平衡式差压变送器测量部分的组成及作用?
答:
组成:
高、低压室及膜盒、轴封膜片。
作用:
把被测差压ΔPi转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi。
15.电磁反馈机构的作用及调整原理?
答:
作用:
把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff,此力作用于副杠杆,产生反馈力矩Mf。
调整原理:
改变反馈动圈的匝数W,可以改变Kf的大小,W1为725匝,用于低量程挡;W2为1450匝,W1+W2=2175匝,用于高量程挡。
图中R11和W2的直流电阻相等。
在低量程挡时,将W1和R11相串接,即1-3短接,2-4短接;在高量程档时,将W1和W2串联使用,即1-2短接,可实现3:
1的量程调整。
16.温度变送器中功率放大器的作用及工作过程?
答:
作用:
把运算放大器输出的电压信号转换成有一定负载能力的电流信号。
再通过隔离变压器实现隔离输出。
因此不仅具有放大作用,而且具有调制作用,以便通过隔离变压器传递信号。
工作过程:
在方波电压的前半个周期,二极管VD1导通,VD2截止,由输入信号产生的电流
;在后半个周期内,二极管VD2导通,VD1截止,从而产生电流
。
由于
和
轮流通过隔离变压器To的两个绕组,于是在铁芯中产生交变磁通,这个交变磁通使To的副边产生交变电流
,从而实现了隔离输出。
17.请写出直流毫伏式变送器输出与输入之间的关系?
并讨论?
答:
式子:
(1)(α-β)Uz表示调零信号,改变α值,即更换R103和调整RP1,可实现零迁和调零。
(2)β为输入与输出之间的比例系数,而输出UO为1~5V不变,则β越大表示量程越小。
改变β值,即更换R114和调整RP2,可实现量程调整。
(3)零位和满度必须反复调整。
(4)Uo和Ui成线性关系。
18.温度变送器的作用及品种?
答:
温度变送器有两线制和四线制之分,各类变送器又有三个品种,即直流毫伏变送器,热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。
作用:
前一种是将输入的直流毫伏信号转换成4~20ma直流电流和1~5V直流电压的统一输出信号。
后两者则分别与热电偶和热电阻相配合,将温度信号转换成统一输出信号。
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