化工仪表及自动化复习题(期中)

第一章 自动控制系统的基本概念

1．基本要求：

（1）掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系。 （2）理解自动控制系统中常用的几个术语，掌握方块图的意义及画法。

（3）掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。

2．复习题：

1．何谓化工自动化？

所谓自动化是在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：用自动化装置来管理设备（生产过程），使之的正常运行。 2．自动控制系统主要由哪些环节组成？各部分的作用是什么？自动控制系统主要由被控对象、测量元件及变送器、执行器、控制器组成。其作用：测量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信号；控制器将测量元件及变送器送来的测量信号与给定值相比较得出偏差，根据其大小按某种规律进行运算后，将运算结果用特定信号发送给执行器；执行器能自动地根据控制器送来的信号相应地改变流入（或流出）被控对象的物料或能量，克服干扰的影响。

3．简述过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义

过渡过程的基本形式有：衰减振荡过程、非振荡衰减过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。

最大偏差A：指过渡过程中被控变量偏离给定值的最大数值；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：过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值的差值；过渡时间：控制系统受干扰作用后，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。 4．什么叫负反馈？

将系统的输入信号直接或经过一些环节后又返回输入端并且使原信号减弱的作法叫负反馈。

5．如图为一反应器温度控制系统示意图，试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控变量、 TC 操纵变量、及可能 引起的干扰各是什么？

TT

载热体

附图：反应釜温度控制系统

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解：被控变量：釜温； 操纵变量：载热体的流量；

可能引起的干扰各是加料的流量、温度及载热体的温度等。 方块图为： 干扰 给定值 TC 控制阀 反应釜 T TT

6．某发酵过程工艺规定操作温度为40±2ºC。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6ºC。现设计一定值控制系统，在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试确定最大偏差、衰减比、余差及过渡时间，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=45-40=5ºC； 余差C=41-40=1ºC； 衰减比nB45414:1； B4241过渡时间 由题要求，被控变量进入新稳态值的±2%就可认为过渡过程已结束，那么范围应是412%0.82ºC；由图可看出，过渡时间Ts23min。

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第二章 被控对象的特性

1．基本要求：

（1）了解用机理建模的方法建立简单对象的数学模型。

（2）掌握表征对象特性的三个参数K、T、τ的物理意义及其对控制过程的影响。

2．复习题：

1．什么是对象的特性？什么是对象的数学模型？

被控对象的特性是指当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化快慢程度及最终变化的数值等。定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为对象的数学模型。

2．简述对象特性参数的物理意义及其对控制过程的影响。

放大倍数K：放大倍数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与出入的变化量之比，由于放大倍数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，所以放大倍数是描述对象静态特性的参数。放大倍数K大，控制作用强，但K过大会使系统的稳定性下降。

时间常数T：时间常数T是指当对象受阶跃输入作用后，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。时间常数T等于对象的容量系数与阻力系数的乘积，即：TCR。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。时间常数T大被控变量的变化比较缓慢，但过渡时间变长；若时间常数T小则被控变量的变化速度快，不易控制，所以T应适中考虑。

滞后时间τ：对象的输出落后于输入变化的时间为滞后时间τ，它是纯滞后时间0与容量滞后时间h的总和。纯滞后一般由于介质的输送或能量的传递需一定时间引起；容量滞

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后则由于介质的输送或能量的传递需克服一定的阻力所致。滞后时间τ的存在，使得控制作用总落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，使控制质量下降。因此应尽量减小滞后时间τ。

3．为了测定某物料干燥筒的对象特性，在某一瞬间突然将蒸汽量从25m3/h增加到28m3/h，物料出口温度记录仪得到的响应曲线如图所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程（温度变化作为输出变量，加热蒸汽的量作为输入变量；温度测量仪表的测量范围0~200ºC；流量测量仪表的测量范围0~40m3/h）。

解：由阶跃反应曲线可知： 放大倍数K(150120)/2002

(2825)/40时间常数T=4min 滞后时间τ=2min

所以，物料干燥筒特性的微分方程为：式中：T—物料干燥筒温度变化量； θ—加热蒸汽流量变化量。

dT(t2)T(t2)2(t) dt第三章 化工变量的测量及仪表

1．基本要求：

（1）熟悉检测仪表的主要性能指标。

（2）初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。

（3）了解各种流量计的测量原理，重点掌握差压式流量计及转子流量计。

（4）了解各种液位的测量方法，初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。

（5）掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理，熟悉热电偶温度计中冷端温度补偿方法。

（6）了解动圈式显示仪表的基本结构及原理，掌握平衡式显示仪表的工作原理，电位差计

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各电阻的作用。

2．复习题：

1．检测仪表的主要性能指标有哪些？

测量误差（绝对误差、相对误差、允许误差）、精确度、灵敏度、指示变差等。 2．试述弹簧管压力表的基本工作原理。

弹簧管压力表是利用弹簧管在正压或负压的作用下，自由端产生位移，带动传动机构指针偏转，从而指示出压力值的。

3．什么是节流现象？标准节流装置有哪几种？应用最广泛的是哪种？

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。标准节流装置有三种：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。应用最广泛的是标准孔板。

4．什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？

当被测液位为零时，将差压变送器输出零点所对应的输入差压由零迁移到某一不为零的数值，称为液位测量时的零点迁移。测量始点由零变为某一正值叫正迁移，若变为某一负值则叫负迁移；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。零点迁移的实质是将测量范围平移，不改变量程的大小。 5．何谓热电现象？

两种不同材料的金属导线两端互相连接起来，当它们的两端温度不同时会产生热电势。 6．用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿方法有几种？ 采用补偿导线后，把热电偶的冷端从较高和较不稳定的地方，延伸到温度较低和较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0℃。而工业上常用的各种热电偶的温度-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：（1）冷端温度保持为0℃的方法；（2）冷端温度修正法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。

7．为什么说单杠杆气动压力变送器的量程范围比双杠杆气动压力变送器的量程范围小？气动压力变送器与电动压力变送器有又何不同？

由单杠杆气动压力变送器的放大倍数K1A1l1及双杠杆气动压力变送器的放大倍数A2l2K2A1l1l3可知，单杠杆气动压力变送器只能整l2，而双杠杆气动压力变送器可调整l3、A2l2l4l4，故单杠杆气动压力变送器的量程范围比双杠杆气动压力变送器的量程范围小。

气动压力变送器与电动压力变送器主要区别在于信号转换装置的不同：气动压力变送器为喷嘴-挡板机构+气动功率放大器，电动压力变送器为位移检测片-平面检测线圈+电子高频振荡放大器。

8．动圈仪表的作用原理是什么？

动圈仪表测量机构就是一个磁电式毫伏计。用张丝把动圈吊置于永久磁铁的空间磁场中，测量电路所产生的豪伏信号使动圈中流过一个相应的电流，载流先圈将受磁场力的作用

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而旋转，支承动圈的张丝由于扭转而产生一个反力矩。当两个力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上。由于动圈的位置与输入豪伏信号相对应，装在动圈上的指针即可在刻度标尺上指出豪伏或温度的数值。

9．电子平衡电桥与电子电位差计测量桥路有什么区别？

（1）所配用的测温元件不同：电子平衡电桥—热电阻，电子电位差计—热电偶；（2）两者的作用原理不同：电子平衡电桥—平衡电桥（输出=0），电子电位差计—不平衡电桥（输出≠0）；（3）测温元件的联结方式不同：电子平衡电桥—三线制接法，电子电位差计—两线制接法；（4）测量的电量形式不同：电子平衡电桥—电阻，电子电位差计—热电势；（5）电子电位差计要考虑温度补偿问题，而电子平衡电桥可不考虑。

10．某气氨贮罐，其正常工作压力范围为本14MPa，并要求测量误差小于±0.4 MPa，试选择一个合适的就地指示压力表（类型、量程、精度等级等），并说明理由。 解：（1）选量程

因被测压力为高压、稳定压力，

55Pmax(140.4)24MPa，查得Y-100型33P140.40.4>1/3这是允许的； 弹簧管压力表的量程0~25 MPa较合适，又由于minN25故所选压力表的上限值应为：P上限（2）选精度

允0.4100%1.6%，精度等级选1.5级可满足要求。 25所以：选择的压力表为Y-100型弹簧管压力表，量程0~25 MPa，精度1.5级。

11．某T型管路中，两支管分别装有孔板流量计和转子流量计（转子密度为7500 kg/m³），当密度为900 kg/m³流体以最大流量50L/min从主管中流入时，测得孔板流量计的流量值为18L/min。问：

（1） 此时转子流量计的读数是多少？ （2） 若改用密度为2625 kg/m³的同尺寸转子则其量程变为多少？ （20℃水的密度为1000 kg/m³） 解：（1）已知：

Q实501832L/min，t7500kg/m3,f900kg/m3,w1000kg/m3

KQ(tw)f(tf)w(75001000)9000.94

(7500900)1000转子流量计的读数Q刻KQQ实0.943230L/min （2）Q028.2L/min,t2625kg/m

3Q0tw26251000Q03015L/min。其量程变为0~15L/min。

tw7500100012．用单法兰电动差压变速送器来测量敞口罐中硫酸的密度，利用已溢液来保持罐内液位H

恒为1m。已知差压变送器的输出信号为0~10mA，硫酸的最小和最大密度分别为1.32g/cm3和1.82g/cm3。试问：（1）差压变送器的测量范围；（2）若要提高仪表的灵敏度，怎么办？（3）如不加迁移装置，可在负压侧加装水恒压器，以抵消正压室附加压力的影响，请计算

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水恒压器所需的高度h。

max

解：当不考虑迁移量时，变送器的测量范围应根据液位的最大变化量来计算，当ρ=ρ时：

PmaxHmaxg118209.8117.85KPa

如果选择变送器的测量范围为0~20KPa。则当ρ=ρ

max

时对应的变送器输出为：

Imax17.85108.925mA 20min

当ρ=ρ时：

PminHming113209.8112.95KPa

此时变送器的输出为：Imin12.95106.475mA 20由以上分析可知，当硫酸密度由最小值变到最大值时，差压变送器的输出由6.475mA变到8.925mA,仅变化了2.45 mA,灵敏度很低。

（2）为了提高仪表的灵敏度，可考虑进行量程压缩，提高测量的起始点。

如果选择变送器的测量范围为10~20KPa。则当ρ=ρmax时对应的变送器输出为：

Imax17.8510107.85mA

2010min

当ρ=ρ

时变送器的输出为：Imin12.9510102.95mA

2010这时当硫酸密度由最小值变到最大值时，差压变送器的输出由7.85mA变到2.95mA,变化了4.90 mA,灵敏度大大提高。

（3）如不加迁移装置，在负压侧加装水恒压器，而迁移量为上述的量程压缩量，即10KPa 根据hg110Pa，可得（水的密度为1000kg/m）：

3

41104h1.02m 31109.8113．用分度号Pt100铂电阻测温，在计算错用了Cu100的分度表，查得温度为140℃，问实际温度为多少度？

解：查表得，当温度为140℃时，Cu100分度表中对应的电阻值为159.96Ω，即铂热电阻值为159.96Ω；查Pt100分度表得，温度为157℃。故实际温度为157℃。

第四章 自动控制仪表

1．基本要求：

（1）掌握基本控制规律及其特点。

（2）熟悉比例度、积分时间、微分时间。

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（3）了解模拟式控制器的特点和基本组成。

2．复习题：

1．试简述控制器在自动控制系统中的作用。

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于给定值相比较，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。 2．控制器的控制规律是什么？常用控制规律有哪些？

所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即：

pf(e)f(xz)；常用的控制规律有位式控制、比例控制、积分控制、微分控制

以及它们的组合控制规律，例PI、PD、PID等。

3．何谓比例度？它的大小对系统过渡过程或控制质量有什么影响？

比例度是反映比例控制器的比例控制规律作用强弱的一个参数。在数值上比例度等与输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值纸币的百分数，用式子表示为：

xx/pp100%

minmaxminmax比例度也可理解为使控制器的输出变化满刻度时，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。 4．什么是积分时间？它对系统过渡过程有什么影响？

积分时间TI是指在阶跃偏差的作用下，PI控制器的输出达到比例输出的两倍时所经历的时间。 积分时间越小，表示积分作用控制愈强，积分时间的减小，会使系统的稳定性能下降，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。 6．什么是微分时间？它对系统过渡过程有什么影响？

微分时间TD是指在线性输入作用下，达到同样输出值，理想PD作用比P作用超前一段时间。 微分时间越大，表示微分作用控制愈强，增加微分时间，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.。但微分时间不能过大，否则有可能引起系统的高频振荡。

7．电动调节器DTL-121型由哪几部分组成？各部分的作用如何？

DTL-121调节器由输入电路、自激调制式直流放大器、隔离电路、PID运算反馈电路以及手动操作电路等组成。

输入回路的作用是将测量信号与给定信号相比较，得出偏差信号，其值由偏差指示表示。

自激调制式直流放大器是将输入电路送来的偏差信号与反馈回路送来的反馈信号叠加后的综合信号进行放大，最后得到0~10mA的直流输出信号。

隔离电路的作用是通过磁耦合将输出电路的变化耦合到反馈电路的输入端。

手动操作电路的作用是当控制器切换到手动时，给出一个手操电流直接送往执行器，进行手动操作。

PID运算反馈电路是通过电阻、电容构成的网络将输出电流的变化以不同方式反馈到放大器的输入端，以实现PID运算。

ep 8

8．与DDZ-II型仪表相比，DDZ-III型仪表有何特点？ 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 ，控制室联络信号为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。

9．一台具有比例积分控制规律的DDZ-II型控制器，其比例度为80%，积分时间为1分钟。稳态时，输出为6mA。某瞬间，输入偏差突然增加了0.3mA，问其比例输出为多少？经过3min后，其输出将为多少？

解：由于δ=80%，故比例放大倍数KP11.25。

输入变化了0.3mA，输出在比例作用下将变化0.3mA1.250.375mA，假定控制器为正作用式的，输出将在6mA的基础上增加0.375mA，故为6.375mA。

由于积分时间为1min，故在积分作用下，每经过1min，输出将增加0.375mA。经过了3min后，在积分作用下，输出将增加的数值为30.3751.125mA。所以，经过3min后，在比例作用与积分作用共同作用的结果，使其输出共增加了0.375+1.125=1.5mA。由于稳态时为6mA，故经过3min后，输出将变为7.5mA（如果是反作用式控制器，输出将变为4.5mA）。 10．目前在化工生产过程中的自动控制系统，常用的控制规律有哪些？试加以比较。

11．锅炉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

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带液，降低蒸汽质量；水位过低，则会有烧干锅炉甚至引起爆炸的危险。因此，必须对汽包水位进行严格控制。如图，为一类简单锅炉汽包水位控制系统，要求：

（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） 画出该控制系统的方块图；

（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； （4） 指出控制阀气开、气关形式，判断其流量特性。 蒸汽 汽包

LT LC

加热室

冷水 解：（1）被控对象：锅炉汽包；被控变量：汽包水位；操纵变量：冷水流量； 可能存在的干扰：出口蒸汽流量变化。 （2）方块图如下：

干扰

给定值 LC 控制阀 汽包

L

LT

（3）当蒸汽负荷突然增加时，液位检测器的测量值降低，与给定值表较得一偏差值，通过液位控制器进行运算后，输出一控制信号给控制阀，使其开度变大，冷水流量增大，使汽包液位上升接近给定值。

（4）当气源压力中断时，若控制阀处于关闭状态，则会有烧干锅炉甚至引起爆炸的危险，故控制阀处于开启状态较安全，选气关阀为宜。又根据锅炉汽包的特性曲线可知，应采用对数流量特性。

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