化工仪表及自动化总复习及答案吉珠专用.docx
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化工仪表及自动化总复习及答案吉珠专用
化工仪表及自动化总复习
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:
自动检测，自动保护，自动操纵，自动控制系统
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、控制器、执行器）。
3.被控对象：
对其工艺参数进行控制的机器或设备
4.被控变量：
生产过程需保持恒定的变量
5.操纵变量：
具体实现控制作用的变量
6.干扰作用：
在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素
7.设定值：
被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化
8.偏差：
给定值与测量值之间的差值
9.闭环系统：
系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统
10.开环系统：
系统的输出被反馈到输入端，执行器只根据输入信号进行控制的系统
11.控制系统的过渡过程:
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程
12.反馈:
把系统的输出直接或经过一些环节后送到输入端，并加入到输入信号中的方法
13.负反馈：
反馈信号的作用方向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差
（e=x—z）
14.正反馈：
反馈信号的作用方向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）
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：
定值控制系统：
给定值为常数
随动控制系统：
给定值随机变化
程序控制系统：
给定值按一定时间程序变化
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：
1.非周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程
1,2能基本满足控制要求，但1进程缓慢，只用于系统不允许震振荡时
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：
指在过渡过程中，被控变量与给定值的最大差值
超调量B：
第一个峰的峰值A与新稳定值之差CB=A-C
衰减比：
相邻两个峰值的比
余差：
当过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳定值与给定值之间的偏差
过渡时间：
从干扰作用发生时起，到系统重新建立平衡时止，过渡过程所经历的时间
振荡周期和频率：
过渡过程同向两波峰的间隔时间为振荡周期，其倒数为振荡频率
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：
由传递方块，信号线，综合点，分支点构成的表示控制系统的组成和作用的图形。
每个方块都代表系统中的一个组成部分
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？
答：
1.图形符号：
测量点、连接线、仪表
2.字母代号
3.仪表代号
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.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、3:
1、5、
D、1、5:
1、4
五、填空题：
1.自动化装置是由_测量元件与变送器_、_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、衰减比和余差、过渡时间、振荡周期等。
六、综合题：
（简单！
！
略）
温度控制系统过渡过程曲线
1.某化学反应器工艺操作规定温度为（800±10℃）。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图所示。
（1）分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期（温度进入±2%新稳定值即视为系统已稳定）。
（2）说明此温度控制系统是否满足工艺要求。
2.某化学反应器工艺规定操作温度为400±2ºC，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值不得超过6ºC。
现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰下的过渡过程曲线如图所示。
问该过程的最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（按被控变量进入新稳态值的±2%为准）和振荡周期。
3.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
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？
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τ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：
用数学的方法来描述被控对象输入量与输出量之间的关系
2.通道：
由对象的输入量至输出量的信号联系
3.被控对象的放大倍数：
数值上等于对象重新稳定后的输出变量与输入变量之比
4.被控对象的时间常数：
当对象受到阶跃输入后，被控变量重新达到稳态值所需的时间
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；D．10T
2.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倍数、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.为了测量某物料干燥筒的对象特性，在T＝0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。
试求出该对象的特性。
已知流量仪表量程为0～40，温度仪表为0～200℃
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K=【（150-120）/200】/【（28-25）/40】=20
时间常数T=4min
滞后时间τ=2min
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
K=10T=5τ=2
则起一阶微分方程为
T【dyτ（t+τ）/dt）】+y2（t+τ）=Kx（t）
5【dyτ（t+2）/dt）】+y2（t+2）=10x（t）
第三章检测仪表与传感器
一、基本要求
1．掌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-Ⅲ型显示仪表的基本结构及原理。
二、常用概念
1.精度
2.绝对误差
3.相对误差
4.相对百分误差
5.允许相对误差：
衡量仪表优劣的重要指标之一
6.仪表精度等级：
0.0050.020.050.10.20.40.51.01.52.54.0
7.灵敏度：
引起这个位移的被测参数变化量之比值
8.灵敏限：
能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变测量
9.分辨力：
数字显示器的最末尾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论曲线的吻合程度
11.反应时间：
用来衡量仪表能不能尽快反映出参数的品质指标
三、问答题：
（不考）
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：
（1）液柱式压力计
（2）活塞式压力计（3）弹性式压力计（4）电气式压力计
2.试述压力计选型的主要内容及安装注意事项。
答：
量程选择，精度选择，取压位置与隔离
3.试述流量计的分类及其工作原理。
答：
速度流量计，容积式流量计，质量流量计
4.试述物位计的分类及其工作原理。
5.试述温度测量仪表的种类及其工作原理
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.1.5
2.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
3．温度越高，铂、镍、铜等材料的电阻值越（A）。
A.大B.小C.不变D.不一定
4．双金属温度计的感温元件，测量温度时必须是（B）
A浸液1/2；B全部浸液；C浸液2/3；D浸入任何长度
5.关于压力计安装的描述错误的是（A）
A.要选择测量介质拐弯处安装；
B.测量流动介质时，应使取压点与流动方向垂直安装；
C.测量液体压力时，取压点应安装在管道下部；
D.测量蒸汽压力时应安装凝液管。
6.下列仪表中属于衡压降的仪表是（D）。
A.孔板流量计B.文丘里管式流量计
C.电磁流量计D.转子流量计
7.在下列物位检测仪表中，能够检测出两种不同液体界面的仪表是（C）
A.压差式物位仪表B.压力式物位仪表
C.电容式物位仪表D.称重式液罐计量仪
8.在下列物位检测仪表中，不与被测物体发生实际接触并可以检测物位的仪表是（B）。
A.称重式液罐计量仪B.核辐射物位仪表C.压差式物位仪表D.电容式物位仪表
9.在下列工业用流量计中，属于容积式流量计的是（C）。
A.转子流量计B.电磁流量计
C.椭圆齿轮流量计D.科里奥利力式流量计
10.测量稳定压力时，被测介质的最大工作压力不得超过仪表量程的（C）。
A.1／2；B.1／3；C.2／3；D.3／5
11.关于压力测量仪表的下列描述中，错误的是（D）。
A.液柱式压力计是根据流体静力学的原理，将被测压力转换成为液柱高度进行测量的；
B.弹性式压力计利用弹性元件变形的位移进行测量的；
C.电气式压力计是将压力转换为电量来进行测量的；
D.活塞式压力计是将压力转换为活塞位移来进行测量的。
12.关于温度检测仪表的下列描述中错误的是（C）。
A.玻璃管温度计属于膨胀式温度计的一种；
B.测量的温度大于600度的温度计为高温计；
C.热电偶是由两种不同的金属材料构成的，不同材料构成的热电偶在相同的触点温度下所产生的电势相同；
D.在热电偶回路中引入第三种导线对热电偶所产生的电势无影响。
13.热电偶输出电压与（B）有关。
A.热电偶两端温度B.热电偶两端温度和电极材料
C.热电偶热端温度D.热电偶两端温度、电极材料及长度
14.镍铬－镍硅热电偶的分度号是（C）。
A、EB、SC、KD、B
15.关于用热电偶与补偿导线配接进行温度测量时，以下说法不正确的是（C）
A、热电偶与补偿导线应该配接
B、补偿导线也有极性
C、采用了补偿导线后可以不进行冷端温度补偿
D、在一定温度范围内，热电偶与补偿导线有近似相同的热电特性
五、填空题
1.某温度表的精度为0.5级，其测量下限是50℃，上限是850℃。
则此表的量程是800℃；测量范围是50~850℃；允许相对百分误差是±0.5%；最大绝对误差是4℃。
2.热电偶温度计中常用的冷端温度补偿方法有冷端温度保持0℃、冷端温度修正法、校正仪器零点法、补偿电桥法、补偿热电偶法五种。
3.弹簧管压力表是利用输入压力产生_位移量与被测压力相平衡来测量的。
4.差压式流量计是利用节流_原理测量流量的。
5.电容式差压变送器的测量部分是先将压差转变成位移，然后再变成_电容量变化作为转换部分的输入。
6.液位变送器测量进行零点迁移时只改变_测量范围_，不改变_量程_。
7.在常用的热电偶温度计中，精度较高的是_S_热电偶，线性最好的是__K热电偶，灵敏度较高的是_E__热电偶。
8．常用的热电阻材料是__金属铜和铂，分度号是_cu-50、cu-100，pt-10、pt-100__，线性好的是_铜__热电阻，它适于测量_较低__温度。
9.热电偶是基于热点效应原理工作的。
六、综合题：
1.热电偶测温时，使用补偿导线的目的是什么？
它能否进行冷端温度补偿？
如不能应如何处理？
答：
为了使热电偶冷端温度保持恒定，不能进行冷端温度补偿
2.某压力仪表的测量范围是100～1100Pa，其精度为0.5级，则这台表的量程是多少？
允许相对百分误差是多少？
最大绝对误差是多少？
答：
1000，±0.5%，5
3.一台测温仪表，其测温范围为0～300℃，已知其最大绝对误差为±2℃，则其精度等级为多少？
答：
2/（300-0）%=±0.7%，没有0.7级，则精度等级为1.0级
4.有一台测压仪表，其标尺范围为0～400KPa，要求测量时最大绝对误差不超过5KPa，则应该选择精度等级为多少的仪表才能满足要求。
答：
5/（400-0）%=1.25%一级
作业20．某压力表的测量范围为0~1MPa，精度等级为1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?
答：
最大误差=（1-0）*1%=0.01MPa
在校验点为0.5MPa处，校验得到的绝对误差=0.508-0.5=0.008MPa<0.01MPa
故在该校验点符合1级精度
第四章自动控制仪表
一、基本要求
1．掌握各种基本控制规律及其特点。
2．熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响。
3．了解DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型控制器的特点和基本组成。
二、常用概念
1.基地式控制仪表:
由检测器和显示器组装成的一个整体，同时具有检测，控制，显示等功能的仪表
2.单元组合式控制仪表：
根据其功能不同分成若干单元，每个单元只完成其中一种功能
3.控制器的控制规律：
控制器的输入信号与输出信号之间的关系
4.双位控制：
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
5.放大倍数KP：
是一个可调的放大倍数，它决定了比例控制作用的强弱
6.比例度δ：
指控制器输入变化相对值和相应的输出变化相对值之比的百分数
7.无干扰切换：
指在自动-手动切换时，控制器输出不变，因此生产过程不会有扰动
三、问答题
1.控制系统按控制规律可以分为哪几类？
各类控制规律的特点是什么？
答：
位式控制，比例控制P，积分控制I，微分控制D
2.试述PID控制的数学模型及参数意义。
P=kD（e+1/TISedt+TDde/dt）
3.试述DDZ－Ⅲ仪表的特点。
P120
4.在控制系统应用中，有哪些基本控制规律和组合控制规律？
写出各自的表达式？
它们各应用在什么场所？
位式控制，比例控制P，积分控制I，微分控制D,比例积分PI，比例微分PD，比例积分微分PID
四、选择题：
1．调节器加入微分作用是用来（C）。
A.克服对象的纯滞后B.克服对象的惯性滞后
C.克服对象的惯性滞后和容量滞后D.克服对象的容量滞后
2.调节器的比例度和积分时间正确说法是（B）。
A.比例度越大,比例作用越强B.积分时间越小,积分作用越强
C.比例度越大,比例作用越弱,积分时间越大,积分作用越强
D.比例度越小,比例作用越弱,积分时间越小,积分作用越弱
3．控制系统中控制器正反作用的确定是依据（B）
A.生产的安全性B.实现闭环回路的负反馈
C.系统放大倍数恰到好处D.调节器本身的特性
4、（D）存在纯滞后，通常不影响控制质量。
A、调节通道B、测量元件
C、变送器D、干扰通道
五、填空题：
1．仪表自动化标准中，气动仪表标准信号范围是0.02--0.1MPa；电动Ⅲ型标准信号范围是4--20mA 。
2．控制系统引入积分作用是为了_消除余差_,但积分的引入会使系统_不稳定__,引入微分作用是为了__克服惯性滞后和容量滞后_。
3.表征控制规律的参数是比例度、积分时间及微分时间。
4.在PID调节中，比例作用是依据余差大小来动作的，在系统中起着稳定控制变量的作用；积分作用是依据余差是否存在来动作的，在系统中起着消除余差的作用；微分作用是依据余差变化速度来动作的，在系统中起着超前调节的作用。
5.调节器的比例度越大，则放大倍数越小，比例作用就越弱，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。
6.调节器的积分时间越小，则积分速率越大，积分特性曲线的斜率越大，积分作用就越强，消除余差越快。
微分时间越大，微分作用越强。
六、综合题：
作业5．一台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0~1000℃，当指示值变化100℃，控制器比例度为80%，求相应的控制器输出将变化多少？
解：
根据比例度δ=（e/（xmax-xmin）/p/（pmax-pmin））*100%
当输出变化e=100℃时，其输出变化P为
P=δ=（e/（xmax-xmin）/s/（pmax-pmin））=（100/（1000-0））/（0.8/（20-4））=2mA
第五章执行器
一、基本要求
1．掌握控制阀的流量特性的意义，了解串联管道中阻力比s和并联管道中分流比x对流量特性的影响。
2．了解气动薄膜控制阀的基本结构、主要类型及使用场合。
3．理解气动执行器的气开、气关型式及其选择原则。
二、常用概念
1.控制阀的理想流量特性:
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性。
有快开，直线，等百分比，抛物线几种
2.控制阀的实际流量特性：
在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性
串联管道：
阻力比s对流量特性的影响。
并联管道：
分流比x对可调范围的影响。
三、问答题
1.什么是气开式控制阀和气关式控制阀？
如何选择？
答：
有压力信号时阀关，无压力信号时阀开的为气关式，反之为气开式。
其选择主要从工艺生产上安全要求出发。
若阀处于打开位置时危害性小，选气关式，反之选气开式
2.执行器在控制系统中有何作用？
答：
接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内
3.执行器有哪几种?
工业现场为什么大多数使用气动执行器？
答：
气动，电动，液动。
因为其结构简单，动作可靠稳定，输出推力较大，维修方便，防火防爆而且价格较低
4.气动执行器主要有哪两部分组成？
各起什么作用？
答：
执行机构：
推动装置
控制机构：
控制工艺参数
5.气动执行机构主要有哪几种结构形式？
各有什么特点？
答:
薄膜式：
结构简单，价格便宜
活塞式：
推力较大
6.何谓正作用执行器？
何谓反作用执行器？
答：
当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫正作用，反之叫反作用。
7.何谓控制阀的理想流量特性和工作流量特性？
理想流量特性有哪几种？
答：
理想流量特性：
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性，有直线，等百分比，抛物线及快开
工作流量特性：
在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性
8.什么叫气动执行器的气开式与气关式?
其选择原则是什么？
答：
有压力信号时阀关，无压力信号时阀开的为气关式，反之为气开式。
其选择主要从工艺生产上安全要求出发。
若阀处于打开位置时危害性小，选气关式，反之选气开式
四、填空题：
1.被控介质流过阀门的相对流量（Q/Qmax）与阀门相对开度（l/L）之间的关系，称为调节阀的流量特性；若阀前后的压差保持不变时，上述关系称为_理想流量特性；实际使用中，阀前后的压差总是变化的，此时上述关系为_工作流量___特性。
调节阀的流量特性有_直线__、__等百分比（对数）、__抛物线__、和__快开__。
五、综合题：
1.从保证控制质量的角度，控制阀设计中应考虑哪几个方面？
答：
结构与特性的选
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