1、110131313 钟晓帆化工仪表及自动化总复习习题及答案第一章 自动控制系统基本概念一、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. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。二、常用概念1.化工自动化的主要内容：化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。2.自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、
2、控制器、执行器）。3.被控对象：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。4.被控变量：过程内要求保持设定数值的物理量。5.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。6.干扰作用：指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用。7.设定值：被控变量的设定值。8.偏差：个别测定值与测定的平均值之差。9.闭环系统：指控制器与被控对象之间既有顺向控制又 有反向联系的自动控制。10.开环系统：指控制器与被控对象之间只有顺 向控制而没有反向联系的自动控制。11.控制系统的过渡过程：一个控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，
3、从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。12.反馈：把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。13.负反馈：反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈。14.正反馈：反馈信号的作用方向与设定信号相同，反馈信号使原来的信号增强，这种反馈叫做正反馈。三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。答：开环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，但被控变量对操纵变量没有影响。 闭环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，被控变量又对操纵变量产生2影响。 定值控制系统：给定值为常数； 随动
4、控制系统：给定值为变数，要求跟随变化； 程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：发散振荡过程非振荡发散过程等幅振荡过程衰减振荡过程非振荡衰减过程。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，能基本满足控制要求。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，致使被控变量长时间偏离设定值，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。 3.试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。答:最大偏差（超调量）：在过渡过程中，被控变量偏离给定
5、值的最大数值。衰减比：表示衰减程度的指标。 余差：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差。过渡时间：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。振荡周期（振荡频率）：过渡过程同向两波峰之间的间隔时间。4.什么是控制系统的方块图？它与工艺管道及控制流程图有何区别？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征的数学表达式；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。采用方块图可直观的显示出系统中各组分
6、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。5.在自动化系统中，仪表符号由哪几部分组成，各表示什么意义？3答：仪表位号由字母组合和回路编号组成： 字母组合：首字母被侧变量，尾字母仪表功能，中字母修饰词。 回路编号：首位数工序号，后续数顺序号。四、选择题：1反馈调节系统（ C ）闭环系统。A. 不一定是 B. 肯定不是 C.
7、肯定是 D、无法判断2定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统是按什么来划分的（ C）。A. 按自动调节系统的结构 B. 按自动调节系统的特性C. 按给定值变化的规律 D. 调节系统的结构 3. 在研究动态特性时可以将( C )看作系统对象环节的输入量。 A. 干扰作用； B. 控制作用；C干扰作用和控制作用； D测量仪表的信号4.在下列仪表号位中表示有报警作用的字母为 ( C ）A、“C” B、“H” C、“A” D、“I”5.控制系统在阶跃干扰作用下的几种过渡过程中，那种震荡过程是最希望出现的震荡过程（ B ）A、非周期衰减过程 B、衰减震荡过程C、等幅震荡过程 D、发散震荡过程6.下列哪
8、些参数不是表示过渡过程品质好坏的指标（ A ）A、变差 B、余差 C、最大偏差 D、衰减比7.关于调节系统方块图的说法，不正确的是（ B ）。A.一个方块代表一个设备； B.方块间的连线代表的是方块间物料关系；C.方块图上的线条及箭头方向不一定与流体流向一致D.方块间连线只代表信号关系8.控制系统的反馈信号使得原来信号增强的叫做（ B ）。A.负反馈 B.正反馈 C.前馈 D.回馈9. 某换热器的温度控制系统（设定值是 40 ）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图 6 所示。则该系统的余差、衰减比、最大偏差是（ B ）。A、1、4: 1、4 B、1、4:1、5 C、1、5:2、5D、1、5:1、
9、44五、填空题：1. 自动化装置是由测量元件与变送器、自动控制器、执行器、等环节组成。2描述控制系统的品质指标的参数有最大偏差或超调量、衰减比、 余差、过渡时间、震荡周期或频率等。六、综合题：1. 某发酵过程工艺操作温度为（ 402）C。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离设定值最大不能超过 6C。先设计一定值控制系统，在阶跃扰动系统的最大偏差、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？图 5解：由反应曲线可知：最大偏差： 405A余差： 1C衰减比：第一个波峰值 B第二个波峰值 241n5过渡时间：由题要求，被控
10、变量进入新稳态值的 就可以认为过渡过程已经结束，那%2么限制范围应是 82.041由图可看出，过渡时间 min3sT振荡周期： 5作 业 21 某化学反 应器工艺规定操作温度为(900士 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 图 1-19 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 和 振 荡 周 期 ， 并 回 答 该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？解：最
11、大偏差： 509A超调量： 428B由于 10所以，衰减比 .n余差 89C振荡周期 mi3645T所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。6第二章 过程特性及数学模型一、基本要求1. 了解建立被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；2. 掌握用机理建模的方法，建立简单对象的数学模型；3. 掌握表征被控对象特性的三个参数放大倍数 K、时间常数 T、滞后时间 的物理意义及其对控制质量的影响；4. 了解被控对象特性的实验测定方法。二、常用概念1.被控对象的数学模型：被控对象的动态特性的数学表达式，即被控对象的输出（被控量）在输入量（控制量和扰动量）作用下变化的数学函数关系式。2. 通道：由对
12、象的输入变量至输出变量的信号联系。3.被控对象的放大倍数：如果有一定的输入变化量 ,通过对象就被放大了1Q倍变为输出变化量 ，则 称被控对象的放大倍数。KhK4.被控对象的时间常数：对象受到干扰后，被控变量达到新的稳态值所需要的时间。5.被控对象的滞后时间：纯滞后（输出变化落后于输入变化的时间）与容积滞后（因物料或能量传递需要一定时间而引起的输出变化迟缓）之和。三、选择题1.一般认为，经过（ A ）时间后，动态过程便结束了。A. 3T； B. T ； C. 5T； D10T2.在描述对象特性参数的滞后时间时,下列说法错误的是（ C ）。A. 传递滞后又称为纯滞后；B. 容量滞后一般是由于物料和
13、能量传递需要通过一定的阻力引起的；C. 容量滞后是有些对象在受到阶跃输入后，再经过一段时间时间后被控变量才开始变化；D. 滞后时间包括可分为容量滞后和纯滞后时间。四、填空题1. 目前求取过程数学模型的方法有两种。其中一种是根据过程的内在机理，通过物料和能量平衡关系，用机理建模的方法求取过程的数学模型。2.描述对象特性的三个参数是放大系数、时间常数 和滞后时间 ， 如果时间常数越大，系统的响应速度越慢，系统的稳定性越好。3.过程特性是指被控过程的被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间变化的规律。4.由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力导致的滞后称为容量滞后。五、综合题：1. 为了测量某
14、物料干燥筒的对象特性，在 T0 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所示。试7求出该对象的特性。已知流量仪表量程为 040m 3/h，温度仪表为 0200图 干燥筒的阶跃响应曲线解：由阶跃应曲线可看出该回想具有一阶纯滞后特性： 放大倍数 240581K时间常数 minT滞后时间 2作业 11.已知一个对象特性是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，试写出描述该对象特性的一阶微分方程。解：根据题意可知 10K5T2则起一阶微分方程为: txtydt10258第三章 检测仪表与传感器一、基本要求1掌
15、握仪表精度的意义与测量误差的关系。2了解仪表的性能指标。3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。4了解各种流量计的测量原理。重点是差压式流量计及转子流量计。5了解各种液位测量方法。初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。6掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理。熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法。7了解 DDZ-型显示仪表的基本结构及原理。二、常用概念1.精度：测量值与真值的接近程度。2.绝对误差：指仪表指示值 与被测量的真值 之间的差值，可表示为ixtx。tix3.相对误差：某一点的绝对误差 与标准表在这一点的指示值之比 ，可0x表示为 。0x4.相对百分误
16、差：绝对误差折合成仪表测量范围的百分数，可表示为。%10max测 量 范 围 下 限 值测 量 范 围 上 限 值5.允许相对误差：在正常情况下允许的最大误差，可表示为。测 量 范 围 下 限 值测 量 范 围 上 限 值 差 值仪 表 允 许 的 最 大 绝 对 误允6.仪表精度等级：用来统一规定仪表的精确度等级。7.灵敏度：仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值，可表示为 。xaS8.灵敏限：指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。9.分辨力：指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。10.线性度：表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理
17、论直线的吻合程度。11.反应时间：用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。三、问答题：1. 工业压力计按敏感元件通常可以分为哪几种类型？试简述各种压力计的工作原理。答:9（1）液柱式压力计：根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的；（2）活塞式压力计：根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量来进行测量的；（3）弹性式压力计：将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的；（4）电气式压力计：通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的。2. 试述压力计选型的主要内容及安装注意事项。答：（1）仪表类型选择：类型选用必须满足工艺生产要求。（2）量程与盘面选择
18、：根据操作中需测量的参数大小来确定。（3）精度选择：根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定。注意：取压位置与隔离。3. 试述流量计的分类及其工作原理。答：（1）速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量的依据来计算流量。（2）压差流量计：基于流体流动的节流原理，在节流面积不变的情况下，以压差变化来反应流量的大小。（3）转子流量计：以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。（4）电磁流量计：根据电磁感应定律，在非磁性管道中，利用测量导电流体平均速度而显示流量。（5）超声波流量计：利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。（6）涡轮流量计：利用在一定流量范围内，对一定的流体介质黏度，涡轮
19、旋转的角速度与流体的流速成正比来反应流量。（7）容积式流量计（齿轮流量计、活塞流量计）：利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。（8）质量流量计：以流体流过的质量 M 为依据计算流量。（9）间接质量流量计：通过测量体积流量和流体密度经计算得出质量流量，这种方式又称为推导式。（10）直接质量流量计：由检测元件直接检测出流体的质量流量。4. 试述物位计的分类及其工作原理。10答：（1）直读式物位计：主要有玻璃管液位计，玻璃板液位计。（2）浮力式物位计：利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子的浮
20、力随液位高度而变化的原理工作。（3）压差式物位计：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理工作。 （4）电磁式物位计：使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测量这些电量的变化来测知物位。（5）核辐射式物位计：利用辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理工作。（6）超声波物位计：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波的反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。（7）光电式物位计：利用物位对光波的遮断和反射原理工作。5. 试述温度测量仪表的种类及其工作原理。答：（1）接触式温度计：测温元件与被测介质直接接触，两者进行充分的热交达测温目的。膨胀式温度计：根据物体受热时体积膨胀的原理
21、工作。玻璃液体温度计：当温度变化时，玻璃球中的液体体积会发生膨胀或收缩，使进入毛细管中的液柱高度发生变化，从刻度上可指示出温度的变化。双金属温度计：利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。压力式温度计：根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化的原理工作。热电偶温度计：根据热电效应原理工作。热电阻温度计：根据导体或半导体电阻值随温度的变化关系的原理工作。（2）非接触温度计：测温元件与被测介质不接触，通过辐射或对流实现热交换来测温。辐射温度计：根据物体辐射的能量来测量温度。红外温度计（光电温度计、热电温度计）：一切温度高于零度的物体都在不停向周围四周发出红外辐射能量。四、选择题：1 1.5 级仪表的精度等级可写为：（ A ）A.1.5 级 B. 1.5 级 C. +1.5 级 D. 1.52. 下列不属于节流装置的是（ D ）。A、孔板； B、喷嘴； C、长径喷嘴 D、阿纽巴管
