化工仪表及自动化习题

第一章

5.什么是管道及仪表流程图？ 答：管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图。是控制系统设计、施工中的一种图示形式。

7.试分别说明PI—307、TRC—303、FRC-305所代表的意义。

答：PI—307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07;

TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；

FRC—305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。

14.图1-10所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控制变量影响的?

答：当反应器的温度超过给定值时，温度控制器将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来.这样便可以通过控制作用克服干扰作用对被控变量的影响.

15.按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类？ 答:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

21.某化学反应器工艺规定操作温度为（900±10）℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示.试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的1％（即900(1%）=9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？

解:最大偏差A=950—900=50（℃)； 超调量B=950-908=42(℃)；

由于B’=918-908=10（℃)，所以，衰减比n=B’:B=42：10=4。2; 余差C=908-900=8℃；

振荡周期T=45-9=36(min)； 过渡时间ts=47min。

因为A=50℃〈80℃,C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。 22.题l-20(a） 图是蒸汽加热器的温度控制原理图.试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么?现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b） 图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、衰减比和余差（提示:该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃)。

题1-20图 蒸汽加热器温度控制

解：蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。

其中：被控对象是蒸汽加热器;被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。

该系统的过渡过程品质指标： 最大偏差A=81.5—81=0。5(℃）; 由于B=81.5—80。7=0。8（℃）,B=80。9-80。7=0。2（℃），所以，衰减比n=B:B'=0.8:0。

1

2=4; 余差C=80。7—81= -0.3（℃）。

第二章

1.什么是对象特性？为什么要研究对象特性？

答：对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。各种对象千差万别,有的操作很稳定,操作很容易；有的稍不小心可能就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。有经验的操作人员需要很熟悉这些对象，才能使生产操作得心应手；设计自动化装置时，也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律,才能根据工艺对控制质量的要求,设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器.在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数，使系统正常地运行。 4.建立对象的数学模型有哪两类主要方法？ 答：机理建模法、实验建模法。

9.为什么放大系数K是对象的静态特性?而时间常数T 和滞后时间τ 是对象的动态特性？ 答：放大系数K 在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比，即 10.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？ 答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。在控制通道如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降,稳定性降低。在扰动通道，如果存在纯滞后,相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质.

对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T大,会使控制作用对被控变量的影响来得慢,系统稳定性降低.T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的. 11.已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性,已知一个对象为具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5，放大系数为10，纯滞后时间为2。试写出描述该对象的微分方程. 解:该对象的微分方程式数学模型为

式中y表示输出变量，x表示输入变量.

2

13.已知一个简单的水槽，其横截面为0。5M水槽中的液体正位移泵抽出，即流出流量是恒

3

定的.如果在稳定情况下，输入的流量突然在原来基础上增加了0。1m/h,试画出水槽液位Δh的变化曲线。 解：

14．为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为t0=0）突然将燃料气量从2。5t/h 增加到3。 0t/h。重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如图2-25 所示。假定该对象为一阶 对象，试写出描述该重油预热炉特性的微分方程式（分别以温度变化量与燃料量变化量为输 人量与输出量），并写出燃料量变化量为0。5t/h 时温度变化量的函数表达式。 标准表读数/oC 0 200 400 600 700 800 900 第三章

5。某一标尺为0～1000oC的温度计出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为: 被校表读数/oC 0 201 402 604 706 805 903

（1）求出该温度计的最大绝对误差值； （2） 确定该温度计的精度等级。 解：（1)最大绝对误差

2

1000oC 1001oC

（2）允许误差

6。如果有一台压力表,其测量范围为0~10MPa，经校验得出下列数据： 标准表读数/MPa 被校表正行程读/MPa 被校表反行程读/MPa 0 0 0 2 1。98 2。02 4 3.96 4。03 6 5.94 6.06 8 7.97 8。03 10 9.99 10.01 (1）求出该压力表的变差; (2)问该压力表是否符合1．0级精度？ 解 （1)校验数据处理： 标准表读数/MPa 0 被校表正行程读数/MPa 被校表反行程读数/MPa 压力表的变差/% 被校表正、行程读数平均值 /MPa 仪表绝对误差/ MPa 0 0 0 0 0 2 1。98 2。02 0。4 2。00 0.00 4 3.96 4。03 0。7 3.995 0.005 6 5.94 6。06 1.2 6。00 0。00 8 7.97 8.03 0。6 8.00 0.00 10 9.99 10.01 0.2 10.00 0.00 由以上数据处理表知，该压力表的变差：1.2%; （2）仪表误差：；

但是，由于仪表变差为1.2%>1.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。

20。某压力表的测量范围为0～1MPa，精度等级为1.0级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少?若用标准压力计来校验该压力表,在校验点为0.5MPa时，标准压力计上读数为0。508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度,为什么？

解 压力表允许的最大绝对误差为

max=1.0MPa1.0％=0。01MPa

在校验点0.5MPa处,绝对误差为

=0。50.508=0。008（MPa）

该校验点的测量误差为

故该校验点不符合1.0级精度。

22。如果某反应器最大压力为0。8MPa，允许最大绝对误差为0。01MPa。现用一台测量范围为0～1.6MPa，精度为l。0级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求?若采用一台测量范围为0~1.0MPa，精度为1。0级的压力表，问能符合误差要求吗?试说明其理由。

解 用0～1.6MPa、精度为l。0级的压力表来进行测量的基本误差

max=1.6MPa1.0%=0。016MPa>0。01MPa(允许值）

该表不符合工艺上的误差要求。

用0～1。0MPa、精度为l。0级的压力表来进行测量的基本误差

max=1.0MPa1.0％=0.01MPa〉0。01MPa（允许值）

该表符合工艺上的误差要求。

24.某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过0.4MPa，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度等级)。

解 合成塔控制压力14MPa为高压,设所选压力表的量程为p,则 根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为0~25MPa的电接点压力表。

根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足 要求，故可选精度等级为1。5级的压力表。

3

38.用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10L/min，转子用密度为7920kg／m的不锈钢制

3

成，若用来测量密度为0。831kg／L苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为由

3

密度为2750kg／m的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？

333

解 由题知t=7920kg／m，f=0.831kg／L=831kg／m，W=1000／m,Q0=10 L/min

测苯的流量的修正系数为

Qr=Q0/KQ=10/0。911.1(L/min）

所以，苯的流量测量范围为0~11.1L/min.

3

当转子材料改为铝时，r=2750kg／m，此时测水的流量的修正系数为

Qr0=Q0/KrQ=10/2=5(L/min)

所以,此时测水的流量的测量范围为0～5L/min

测苯的流量的修正系数为

Qrf=Qr0/KfQ=5/0。87=5。75（L/min）

所以，此时测苯的流量的测量范围为0～5.75L/min.

52。测量高温液体测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，经常在负压管上装有冷凝罐（见题3-19图），问这时用差压变送器来测量液位时,要不要迁移？如要迁移，迁移量应如何考虑？

题3—19图 高温液体的液位测量

解：差压液位计正压室压力

p1=gh1+ gH+p0

负压室压力

p2=gh2+ p0

正、负压室的压差

p=p1p2= gH(h2h1) g

H=0时，p= (h2h1) g。

这种液位测量时，具有“负迁移\"现象，为了使H=0时，p=0，该差压变送器测液位时需要零点迁移，迁移量为（h2h1) g

62. 用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV,冷端（室温)为25C，求设备的温度?如果改用E型热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？

解 用K型热电偶测温时,设设备的温度为t,则E（t，25）=20mV,查K型热电偶分度表,E（25，0)=1。000mV。根据中间温度定律，

E(t，0）= E(t，25）+ E（25，0）=20+1.0=21.000 mV

反查K型热电偶分度表，得t=508。4℃

若改用E型热电偶来测次设备温度，同样,根据中间温度定律,测得热电势为

EK(508.4,25）= EK(508.4，0） EK（25，0）=37678。61496.5=36182.1V36.18mV。 63。现用一支镍铬—铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400℃，则认为换热器内的温度为430℃对不对？为什么?正确值为多少度?

解 认为换热器内的温度为430℃不对。

设换热器内的温度为t，实测热电势为E（t，30)，根据显示仪表指示值为400℃,则有E（t，30)= E(400，0)，由中间温度定律并查镍铬-铜镍（E型）热电偶分度表，有

E（t,0）= E（t,30)+ E(30，0)= E（400，0)+ E（30，0）=243+1801=30744V 反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得器内的温度t=422.5℃

.测温系统如图所示所示，已知热电偶为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时,请计算实际温度tx为多少度？ 解 先求热电势,再计算实际温度.

错用E配套的显示仪表，其指示值为160℃时，热电偶的热电势为 E（t,t0）=E（t，0)- E（t0，0）= E(160，0）- E（25，0）=10。501— （1.801+1.192）/2=9。004mV

当正确配套显示仪表后，E（t，t0)=9.004mV，查表E（t0,0）=1。000mV E（t，0）=E（t，t0)+E（t0,0）=9.004+1。000=10。004mV 查表并线性插值,实际温度246。4℃。

4

67.用分度号为Ptl00铂电阻测温，在计算时错用了Cul00的分度表，查得的温度为140℃，问实际温度为多少？

解 查Cul00的分度表，140℃对应电阻为159.96,而该电阻值实际为Ptl00铂电阻测温时的电阻值，反查Ptl00的分度表,得实际温度为157℃

第四章

1.控制器的控制规律是指什么？有哪些基本控制规律？

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

式中，z为测量值信号；x为给定值信号；f为某种函数关系。

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. 2。双位控制规律是怎样的，有何优缺点?-

答：双位控制的规律是当测量值大于给定值时,控制器的输出为最大（或最小)，而当测量值小于给定值时,则输出为最小（或最大)，即控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，又称开关控制。

优点：结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。 缺点：运动部件动作频繁，寿命较短。

3.比例控制的规律是怎样的？什么事比例控制的余差？为什么比例控制会产生余差？

答:比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量p与输人偏差信号变化量e之间成比例关系，即 （Kp为比例放大系数）Kp 越大，比例控制作用越强.

产生余差的原因：比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系:

为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用,即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零,这说明比例控制会永远存在余差. 4。何谓比例控制器的比例度，它对控制过程有什么影响,选择比例度时要注意什么问题? 比例度是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，式子表示 e 是输入变化量，p 相应的输出变化量，xmax—xmin 是输入的最大变化量，即仪表的量程, pmax—pmin 是输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。 比例度越大，其控制作用越弱。 16。什么叫控制器的无扰动切换?

答：再切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样才能使执行器的位置在切换过程中不至于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这称为无扰动切换。 20.试简述PLC的分类。

答：按容量大致可以分成小型PLC、中型PLC、大型PLC。按硬件结构分分为整体式PLC、组合式PLC、叠装式PLC

第五章

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

4.分别说明什么叫控制阀的流量特性和理想流量特性?常用的控制阀理想流量特性有哪些？ 答：控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移)之间的关系，即

式中相对流量是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量Qmax之比。相对开度是控制阀某一开度时的阀杆行程l与阀杆全行程L之比。

在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性. 常用的：直线流量特性(曲线2)、等百分比(对数）流量特性（曲线4）、抛物线流量特性（曲线3）、快开特性（曲线1)。

5

11.什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. 11。什么是控制阀的流量系数Kv ? 如何让选择控制阀的口径？ 流量系数定义：当阀两端压差为100kPa，流体的密度为1g/cm3, 阀全开时流经阀的水流量.

其计算公式为： 单位为m3/h

控制阀的口径的选择实质就是根据特定的工艺条件进行Kv值得计算，然后按控制阀生产厂家的产品目录选择相应的控制阀口径，使得通过控制阀的流量满足工艺要求的最大流量且留有一定的裕量,但裕量不宜过大。

12.要将一台气开阀改为气关阀，可采取什么措施？ 答:一是把阀芯反装；二是把执行机构反装 17.控制阀的日常维护要注意什么？

答：1.调节阀对气源要求:气关式0.14—0。4MPa,气开式：0.14-0。24MPa，要求压缩空气干燥，压力稳定

切断阀的对气源要求: 要求压缩空气干燥,压力稳定.气源压力在0.4-0.7MPa.

2.调节阀工作的现场环境：用于温度—30—60度,应远离连续振动的设备，当安装在有振动的场合时，应采取防振措施,用于高粘度，易结晶，易汽化,低温流体时,应采取保温和防冷措施。

3.调节阀现场防护:调节阀上的所有螺丝,阀芯上要抹油脂防锈,气动调节阀的膜室油漆要完好,有掉漆,生锈的部位要及时除锈刷漆以防膜室锈穿。调节阀的进线要固定好,不要让进线处于自由壮态。在室外运行的电动调节阀,气动切断阀要做有防水罩,气动调节阀膜室上的排气口的防水盖要完好,若没有可用卡套接头做一个防水排气盖. 18.电动执行器有哪几种类型？各使用在什么场合？ 答：类型：角行程式、直行程式、多转式。

􀂄 角行程电动执行机构:以电动机为动力元件，将输入的直 流电流信号转换为相应的角位移(0°～90°），适用于操纵 蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀；

􀂄 直行程电动执行机构：接收输入的直流电流信号后，使电 动机转动,然后经减速并转换为直线位移输出，适于操纵 单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式控制机构; 􀂄 多转式电动执行机构:主要用来开启和关闭闸阀、截止阀 等多转式阀门,一般用作就地操作和遥控。

第六章

13.确定两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。

（a）为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则容易分解. （b）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。 。 答：（a）加热器：执行器气开（正作用），控制器反作用 （b）冷却器：执行器气开（正作用），控制器正作用 17.某控制系统用4：1衰减曲线法整定控制器参数。已测得δs=50%，Ts=5min，试确定采用PI作用和PID作用时的控制器参数值。

解：由相应的4:1衰减曲线法控制器参数计算表可以求得：

6

PI控制器时,比例度δ=1。2δs=60％； 积分时间TI=0。57 Ts=2.5min。 P1D控制器时，比例度δ=0。8 δs＝40%; 积分时间TI=0。3 Ts=1.5min； 微分时间TD=0.1 Ts=lmin。

第七章

9。串级均匀控制系统示意图如下所示,试画出该系统的方框图，试分析这个方案与普通串级系统的异同点

串级均匀控制系统 答： x相同点：结构相同。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。

不同点：控制目的不同。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δ很大，如需加积分作用时,一般TI也很大.

10.串级均匀控制系统示意图如上所示，如果控制阀选择为气开式,试确定LC和FC的正、反作用

答:串级均匀控制系统中控制器正、反作用的确定原则与普通串级控制系统是相同的。 主变量液位增大时，需要开大控制阀;副变量流量增大时，需要关小控制阀;所以主控制器FC应为正作用式的。

在副回路中,控制阀是气开式，为“正”的;又当阀开大时流量增大，所以副对象为“正”的;为使副回路组成负反馈闭环系统，副控制器LC应选反作用式的。

第八章

2.自适应控制系统有哪几种类型?

答：变增益自适应控制、模型参考自适应控制系统、直接优化目标函数的自适应控制系统、自校正控制系统

10.模糊控制有哪几种主要的方法？

答：查表法、专用硬件模糊控制器、软件模糊推理法

第九章

1.什么是计算机控制系统？工作过程有哪三个步骤?

答：利用计算机实现工业生产过程的自动控制系统.包括数据采集、控制决策与控制输出三个步骤。

3.简述计算机控制系统特点。 答:

第十章

1.离心泵的控制方案有哪几种?各有什么优点？

第三题图

6.图9-9所示的列管式换热器,工艺要求出口物料稳定，无余差,超调量小，已知主要干扰为载热体（蒸汽)压力不稳定，试确定控制方案，画出该自动控制系统原理方块图，并确定所选控制器控制规律及正反作用.

7

12.精馏塔的自动控制有哪些基本要求？

答:保证质量指标、保证平稳操作、约束条件、节能要求和经济性.

8