化工自动化及仪表习题 合肥工业大学A.docx

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化工自动化及仪表习题合肥工业大学A

习题课

一、填空题：

1．干扰是指除操作变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素；

2．被控对象是指需要实现控制的设备、机器或生产过程，称为对象。

3．被控变量是指对象内要求保持给定数值的工艺变量称为被控变量。

4．工艺变量通常分为直接变量，间接变量，安全变量三大类；

5．直接变量是指和生产过程有着密切关系、或者说存在直接关系的，它的改变决定着产品的质量和数量。

6．间接变量是指和生产过程没有直接关系，并不直接决定着产品的数量和质量。

；

7．安全变量是指既和生产过程没有直接的关系，同时也不存在间接关系，但它们影响着生产的安全性。

8．给定值是被控变量的预定值称为给定值。

它反映的是工艺过程的具体要求。

9．操作变量是指受到控制装置操纵，用以使被控变量保持给定值的物料量或能量。

10．偏差偏差=实际值-给定值

11．闭环控制系统通常包括定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统；

12．定值控制系统是指被控变量的给定值恒定不变。

13．随动控制系统是指给定值不断变化，而且变化是随机的。

14．程序控制系统是指给定值不断变化，但x=x（t）是已知的。

15．偏差产生的原因通常分为由于干扰导致实际值发生了变化：

给定值发生了变；计量误差而引起的偏差。

三个方面。

16．闭环控制系统通常是由检测元件和变送器；比较机构；调节装置；

执行器四个部分组成的。

17．检测元件和变送器的作用是把被控变量y（t）转化为测量值z（t），z（t）是统一标准信号；比较机构的作用是计算偏差e（t）；调节装置的作用是依据偏差的大小、正负，按照一定的规律给出调节作用；执行器的作用是接受调节器送来的信号p（t）,发出相关的信号，改变操作变量。

18．自动控制系统中流动的是信号流。

19．LC表示的是液位控制器；L是指液位；C是指控制。

20．自动控制系统的静态是指被控变量y（t）不随时间而变化的平衡状态称为系统的“静态”；动态是指被控变量y（t）随时间而变化的平衡状态称为系统的“动态”；过渡过程是指调节系统在受到外作用下，从一个平衡状态进入到新的平衡状态的整个过程称为控制系统的过渡过程；

21．干扰的理想形式有阶跃扰动，斜坡扰动，正弦波扰动，脉冲扰动；

22．过渡过程的主要形式有非周期衰减过程，又叫单调过程，衰减振荡过程，等幅振荡过程，发散振荡过程；

23．定值控制系统衰减比通常规定在4：

1范围内；随动控制系统衰减比通常规定在10：

1范围内；

24．过渡过程的品质指标有衰减比，振荡周期或频率，余差，最大偏差或超调量；

过渡时间。

25．控制通道是指扰动变量到被控变量之间的信号联系，干扰通道是指做操作变量到被控变量之间的信号联系；

26．描述对象的数学模型通常分为参量模型，非参量模型。

27．描述对象的反应曲线通常分为有自衡能力的非周期特性，非自衡非周期特性，振荡特性，反向特性四种类型。

28．描述对象特性的三个参数是指放大系数K，时间常数T，滞后时间τ；

29．KO的含义是被控变量的变化量与操作变量的变化之比；一般希望该值大一点；Kf的含义是被控变量的变化量和扰动幅度之比；一般希望该值小一点；

30．时间常数的含义当

时的充电时间；调节通道To一般应合适；Tf一般应越大。

31．纯滞后产生的原因是由于信息传输需要时间而引起的；容量滞后产生的原因是一般是由物料传递需要通过一定阻力而引起的；

32．双容量对象可以看成一个单容量对象和一个纯滞后过程组合；

33．一阶对象是指动态方程都是一阶常系数微分方程；

34．绝对误差△是指测量值与真实值之差；相对误差y是指某一点的绝对误差和标准表在该点的指示值之比。

35．精度不仅和绝对误差有关，也和仪表的测量范围有关。

36．仪表的精度通常用相对百分误差δ来表示。

37．仪表等级度值越小，表示仪表精度高；标准表精度一般为0.05以上。

38．工业生产上，感温元件通常有热电阻，热电偶。

39．热电偶温度计由热电偶，测量仪表，连接导线三部分组成；

40．热电势eAB和两方面因素有关，一是取决于接触处的金属性质的差异，二是温度有关。

41．热电偶温度补偿方法通常包括校正仪表零点法，补偿电桥法；

42．热电偶温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路，反馈电路三个部分；

43．热电偶的分度表是指t0=0℃。

热电偶的冷端温度始终保持在0℃上。

将E（t，t0）和t之间的一一对应关系作成一个标准的数据表格；分度号是指热电偶的代号；

44．在高温区通常采用热电偶作为测温元件，在中、低温区通常采用热电阻作为测温元件；

45．热电阻是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥），连接导线三部分组成；

46．热电阻温度变送器结构通常分为输入电桥，放大电路，反馈电路三个部分；

47．显示仪表又叫二次仪表；

48．“XCZ”中各字母代表的含义，X显示仪表，C动圈式磁电式，Z指示仪；

49．“XCT”中各字母代表的含义，X显示仪表，C动圈式磁电式，T指示调节仪；

50．动圈式显示仪表的外接电阻通常规定为15欧姆；外接调整电阻的作用是

；外接电阻通常由热电偶电阻

，补偿导线电阻

，连接铜导线电阻

，外接调整电阻

四项组成；

51．基本控制规律通常包括位式控制（主要指双位控制），比例控制（P），积分控制（I），微分控制（D）；

52．比例控制规律是研究具有比例控制规律的控制器；

53．比例度δ的定义式

对单元组合仪表，δ和kp之间的关系为

54．比例度δ越大表示比例控制作用越弱，δ越小表示比例控制作用越强；

55．一般工业用调节器的比例度δ在5~250%范围内；

56．积分调节规律最大的优点是能够消除偏差；

57．输入—输出关系符合

关系式的调节规律称为积分规律；

58．积分速度kI的含义是表示积分控制作用强弱的参数，kI越大表示积分作用控制越及时；

59．微分时间TD的含义是表示微分控制作用强弱的参数，TD越大表示微分作用微分作用越强；

60．气动执行器分为两部分，分别为执行机构、控制机构；

61．当阀芯向下运动时，流通截面积减小时，叫正装；

62．当阀芯向下运动时，流通截面积增大时，叫反装；

63．控制阀的理想流量特性包括直线流量特性，等百分比流量特性，抛物线流量特性，

快开特性；

64．可调比R的定义式为

，国产控制阀可调比R一般为30；

65．执行器的气开、气关选择的主要依据是安全状态；

66．被控变量选择的原则有根据工艺要求，确定直接变量，直接变量检测和控制有困难，则选间接变量、依据相律，进一步缩小被控变量的数量范围、根据控制要求，考察各个候选被控变量的灵敏度、进一步考察工艺变量的工艺合理性；

67．干扰通道存在纯滞后时，对被控变量y没有影响；

68．常用的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法；

69．经验凑试法的原则是看曲线、作分析、调参数、寻最佳；

70．串级控制系统的特点两个检测变送器、两个调节器、一个控制阀、两个调节器之间是有信号流将它们串接在一起，其中一个调节器的输出为另一个调节器的输；

71．对串级控制系统，副控制器作用方向的选择和简单控制系统作用方向一样，主控制器作用方向的选择和调节阀的气开、气关型式无关；

72．前馈控制系统的特点这是个开环控制系统（根据信号流走向，信号流在被控对象处断开）、一个检测器只能测出一个干扰，所以前馈控制只能克服一种干扰、前馈控制是基于不变性原理而工作的，控制及时、有效、前馈控制规律不是PID，而是采用由“不变性原理”决定的“专用”控制规律；

73．前馈控制系统是基于不变性原理工作的；

74．离心泵的控制方案一般包括改变调节阀的开启度、改变泵的转速、改变回流量；

75．精馏塔的控制方案中，通常选择塔顶温度、塔底温度、灵敏板温度、

中间温度、温差控制作为间接被控变量；

二、问答题：

1．过渡过程的基本形式有哪几种（用图表示）？

简要阐述其特点；工业生产一般需要什么类型的过渡过程？

解：

非周期衰减过程，又叫单调过程：

特征：

被控变量没有来会（沿t轴）的波动，沿着一侧作缓慢的变化，最后稳定下来；

衰减振荡过程：

特征：

被控变量上下波动，但振幅逐渐减小，最后稳定在某一个值上面；

等幅振荡过程：

特征：

振幅不变；

发散振荡过程：

特征：

振幅不断增大，被控变量最终远离给定值；

工业生产一般需要衰减振荡过程

2．试阐述下图所示的温度控制系统为开环的原因？

3．闭环控制系统分为哪三类？

简要阐述各类的特点。

解：

1、定值控制系统：

特点：

被控变量的给定值恒定不变；

2、随动控制系统：

特点：

给定值不断变化，而且变化是随机的；

3、程序控制系统：

特点：

给定值不断变化，但x=x（t）是已知的。

4．画出简单控制系统的方块图，并简要阐述各环节的作用。

解：

a．检测元件和变送器：

把被控变量y（t）转化为测量值z（t），z（t）是统一标准信号。

b．“O”比较机构：

作用是计算偏差e（t）。

c．调节装置：

依据偏差的大小、正负，按照一定的规律给出调节作用。

d．执行器：

接受调节器送来的信号p（t）,发出相关的信号，改变操作变量。

5．对下列液位控制对象，试绘图说明被控变量的变化情况。

解：

变化情况如右图所示：

自身有能力达到新的平衡状态

随q增大，h增高，随h增高的增高，Q也随之变大，最终达到新的平衡

6．当输入流量qi作阶跃变化，试绘图说明被控变量h1、h2的变化情况。

解：

变化图线如下：

随着h1的增高，q1会随之而增大，则h2也会随之而升高，但是h2开始变化比较缓慢，因为这时⊿h1增加不多；⊿h1增加越高，q1也增加越高，h2的速度会逐渐加快；而h2的升高，也必然导致q0的加大，即最后阶段h2的变化呈现平缓趋势

7．热电偶冷端温度为什么必须要进行补偿？

试简要说明补偿步骤和原理。

解：

原因：

一是冷端和热端很靠近，所以热端温度必然影响到冷端温度；二是热电偶在使用过程中，冷端总是暴露在空气中，冷端温度必然受到周围环境的影响。

所以要进行补偿。

第一：

补偿导线的使用（解决冷端温度恒定）；第二：

冷端温度修正法，原理：

热电偶产生的热电势为：

第三：

校正仪表零点法

8．试简要说明补偿电桥法的工作原理。

解：

假设在某一时刻，冷端温度为t0=0℃，显示仪表指针指向800℃，这是实际温度。

此时电桥平衡，a点的电位Ua=Ub（b点电位）。

如果另外一个时刻，冷端温度上升，t0’>t0（0℃）。

电桥中的电阻R1、R2、R3是由锰铜丝绕制而成的，电阻值稳定。

Rt由铜丝绕制成的，电阻值随温度的变化而变化。

通常将Rt和热电偶的冷端连在一起。

介质温度升高，电阻值升高；温度下降，电阻值也下降。

9．什么是“三线制”？

引入“三线制”的作用是什么？

解：

“三线制”：

从热电阻引出三根导线，其中与热电阻相连的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂上，第三根导线与稳压电源的负极相连。

作用：

当环境温度变化时，两根导线电阻同时变化，便可抵消对仪表读数的影响。

10.结合下图，简要说明电子电位差计的工作过程。

11.结合下图简要阐述双位控制的过渡过程的特征。

12.为什么说比例控制作用一定产生余差？

说明理由。

13.基本控制规律有哪些？

简要说明δ、TI、TD对过渡过程的影响。

解：

基本控制规律通常包括1）位式控制（主要指双位控制），2）比例控制（P），3）积分控制（I），4）微分控制（D）；

δ：

比例控制最大优点：

反映非常迅速，能很快地克服扰动，使系统稳定下

TI短，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降，导致系统的不稳定。

Td太大，微分作用强，导致系统振荡；而Td太小或为零，表示微分作用弱或没有，对系统无影响。

14.为什么说等百分比特性又叫对数特性？

与线性特性相比它具有什么优点？

15.控制通道、干扰通道存在纯滞后时，试分别分析它对被控变量的影响。

解：

如果τ0=0，操作变量对y（t）的影响如图中A所示；当纯滞后为τ0时，曲线A平移到B位置，曲线A和C之间的合成就是曲线D，曲线B和C之间的合成为曲线E。

很显然，E和D相比恶化多了。

控制通道的纯滞后应尽量减少。

当干扰通道存在纯滞后时，结论是没有影响。

如下图，曲线C表示没有滞后存在，干扰变量对被控变量的影响，当滞后为τf时，C平移到C’位置。

但在τf时间内，由于y（t）没有变化，操作变量对y（t）也没有影响，所以控制结果也一样，仅仅延迟了滞后时间τf

16.试分析双闭环比值控制系统和两个简单控制系统相比有哪些优越性？

解：

1）a、扰动作用于副对象

和简单控制系统相比较，当扰动严重时，由于z2、p1同时变动，使得控制作用非常迅速；而当扰动较小时，由于副对象调节通道的滞后时间比整个对象的滞后时间要短得多，所以控制也同样非常及时。

结论：

干扰作用于副对象时，串级控制系统明显优越于简单控制系统

b、扰动作用于主对象

串级控制系统优越于简单控制系统。

c、扰动同时作用于主、副对象

2）特征：

•1、对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；

•2、可以改善对象特性；

•3、可以消除调节阀的非线性的影响；

•4、可兼顾两个变量。

17.如图1所示换热器，由工艺分析得知：

冷物料流量Q1的变化为主要干扰，冷物料出口温度θ2为被控变量，蒸汽流量Q2为操作变量，设所有参数不随时间而变化，试基于不变性原理设计相应的控制方案，并写出过程及各环节的作用。

18．对精密精馏，为克服压力的微小波动对产品质量的影响，可以采取温差控制，试说明理由。

解：

选取双温差的理由是由压降而引起的温差，不仅出现在顶部，也出现在底部，这种因负荷引起的温差，在作相减后就相互抵消。

双温差控制的实质是一种控制精馏塔进料板附近的组成分布，使得产品质量合格的办法。

它可以保证工艺上最好的温度分布曲线，来代替单纯的控制塔的一端温度（或温差）。

三、判断题

1．图4所示是原料油加热炉温度控制系统，试问：

⑴这是个什么类型的控制系统？

画出它的方块图；

解：

串级控制系统；

⑵为安全起见，加热炉不允许空烧，试确定控制阀的气开、气关型式（应说明过程）；

解：

为安全起见，在自动控制系统出现故障时，即没有控制信号，控制阀应处于关闭状态，也就是有气就开，没气就关，所以应当选气开。

⑶确定主、副控制器的正、反作用（应说明过程）；

解：

副回路中执行器操作方式的选择由生产的安全性决定，副控制器的作用方向将按照整个副回路必须构成负反馈系统的原则进行选择，根据副回路负反馈的要求，被控对象为正作用方向，所以副调节器应选反作用方向。

⑷如果燃料的压力是经常波动的，上述系统应如何改进（绘出实物图）？

试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用（应说明过程）。

2．图5所示是简单贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止抽空，试在下面两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。

⑴以Qi为操纵变量；

⑵以Qo为操纵变量。

解：

（1）为安全起见，在自动控制系统出现故障时，即没有控制信号，控制阀应处于关闭状态，也就是有气就开，没气就关，所以应当选气开。

（2）为安全起见，在自动控制系统出现故障时，即没有控制信号，控制阀应处于打开状态，也就是没气就开，有气就关，所以应当选气关。

3.假定在如图所示的反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。

试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。

4.试确定下图所示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。

四、计算题

1.图2所示是一反应器温度控制系统示意图，工艺要求反应器温度需要控制，通过冷却水流量的变化可以达到温度控制的目的。

试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能的干扰？

现因生产因素的变化，要求反应温度从开始的120℃提高到122℃，当给定值作阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图所示，试求该系统的过渡过程的品质指标：

最大偏差、衰减比和余差。

解：

被控对象：

反应器；

被控变量：

反应器温度；

操作变量：

冷却水流量；

可能干扰：

冷却水温度变化和物料流量变化；

余差

衰减比第一个波峰

第二个波峰

2.

为测量某反应器的对象特性，在某瞬间突然将参加反应的反应物的流量从1t/h增加到1.5t/h，这时反应器出口温度的阶跃变化曲线如图3所示。

假设该对象为二阶对象（可以看成由一个一阶对象和纯滞后对象组成），试写出描述该对象的微分方程（反应物的流量为输入量，反应器出口温度为输出量），并解出反应物的流量作单位阶跃变化时反应器出口温度变化量的函数表达式。

3．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℃，显示仪表的机械零点在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：

不对，

因为此时冷端温度为30℃，而仪表的指示值（400℃）是在仪表的机械零位在0℃时的值，所以此时仪表指示值不是换热器的实际温度。

查表可得：

。

此时电势即为

即

查表得

4．用K热电偶温度计测某设备温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25℃，求设备的温度？

如果改为E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：

当热电势为

时，此时冷端温度为25℃，即

查表可得：

因为：

由此电势，查表可得

，及设备温度为509℃。

若改用E热电偶来测温，此时冷端温度仍为25℃。

查表可得：

设备温度为509℃，查表可得：

因为

即E热电偶测得的热点是为36.2mV。

5、测温系统如图所示，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？

（室温为25℃）

解：

对E热电偶，查表可得：

对K热电偶，查表可得：

故

查表可得：