化工仪表期中复习

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1、1第一章第一章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念一、基本要求一、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、问题解答二、问题解答1何谓化工自动化？2 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（

2、生产过程），用自动化装置来管理设备（生产过程），使之的正常运行。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。33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

3、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. 自动化系统中，仪表符号由哪几部分组成，各表示什么意义？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(位号）45. 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

4、负反馈。6. 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。 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影响。 定值控制系统：给定值为常数； 随动控制系统：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。57. 简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量、设定值、偏差的含义？被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备和机器。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。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制的

5、物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控变量并引起被控变量变化的量。设定值：被控变量的预定值。偏差：被控变量的设定值于与实际值之差。68. 自动控制系统由那些环节组成？各部分的作用是什么？ 自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的额被控对象。 在自动控制系统中，检测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（如气压信号或电压、电流信号等）。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计

6、好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器。执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入（或流出）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。7三、例题分析三、例题分析1.如图所示为一自力式贮槽水位控制系统。（1）指出系统中的被控对象、被控变量、操纵变量是什么？（2）试画出该系统的方块图。（3）试分析当出水量突然增大时该系统如何实现水位控制？ 解：（1）该系统中贮槽为被控对象；贮槽中的水位为被控变量；进水量为操纵变量。8（2）方块图如右：（3）当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量，石水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针形阀下移

7、，增大了进水量，使出水量与入水量差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。92.某发酵过程工艺规定操作温度为（402），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6。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间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？10解：由反应曲线可知：最大偏差：A45405余差：C41401 衰减比：第一个波峰值B 45414 第二个波峰值B42411 n=B/B41过渡时间：由题要求，被控变量进入新稳态值的2就可以为过渡过程已经结束，

8、那么限制范围应是41 2 0.82；由图可以看出，过渡时间TS23min振荡周期：T18513min。113. 如图所示为硫酸生产中的沸腾炉。请说明图中位号和图形的含义。1213第二章第二章 被控对象的数学模型被控对象的数学模型一、基本要求一、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、问题解答二、问题解答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

9、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。142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：时间常数T是反映

10、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。15滞后时间：对象的输出落后于输入变化的时间为滞后时间，它是纯滞后时间与容量滞后时间的总和。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。3.简述获取对象特性（数学模型）的两种方法。理论分析法：通过理论分析建立输入和输出之间的关系。例如：一

11、阶对象、积分对象、二阶对象实验测取法：在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律。常见的有：多点拟合法、阶跃输入法和周期脉冲法。16三、例题分析三、例题分析 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0200C；流量测量仪表的测量范围040m3/h）。17解：由阶跃反应曲线可知：放大倍数时间常数T=4min滞后时间=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

12、； 加热蒸汽流量变化量。18第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器一、基本要求一、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了解电动温度变送器的作用及原理。19二、问题解答二、问题解答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。

13、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。204什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

14、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。21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

15、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。227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及双杠杆气动压力变送器的放大倍数 可知，单杠杆气动压力变送器只能调整 ，而双杠杆气动压力变送器可调整 、 ，故单杠杆气

16、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。23三、例题分析三、例题分析1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，故所选压力表的上限值应为：查得Y-100型弹簧管压力表的量程025 MPa较合适，又由于 1/3这是允许的；（2）选精度精度等级选1.5级可满足要

17、求。所以：选择的压力表为Y-100型弹簧管压力表，量程025 MPa，精度1.5级。24952. 某厂用转子流量计来测量温度为27，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少？ 解解已知Q038Nm3/h，p10.160.101330.26133MPa， T127273300K，T0293K，p00.10133MPa， 101.293Kg/Nm3。 将上列数据代入公式，便可得 即这时空气的流量为60.3Nm3/h。 253，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010mA，硫

18、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，请计算水恒压器所需的高度h。26274. 用分度号为K的镍铬镍硅热电偶测量温度。在没有采取冷端温度补偿的情况下。显示仪表值为500，而这时的冷端温度为60.试问：实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法是冷端温度保持在20，此时显示仪表的显示值为多少？285.2930第四章第四章 显示仪表显示仪表一、基本要求一、基本要求1了解动圈式显示仪表的基本结构及原理。2掌握自动电子电位差计的工作原理。

19、熟悉电位差计的测量桥路及各个电阻的作用。3掌握自动电子平衡电桥的工作原理。4了解DDZ-型显示仪表的基本结构及原理。5了解数字式显示仪表的原理与组成。二、问题解答二、问题解答311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毫伏或温度的数值。2. 在电子电位差计测量桥路中，如果RG减小，仪表的指示温

20、度比实际温度低，为什么？ 如果电阻RG减小，使得UCD两端的电压降低，要想使得UCDEt，滑线电阻滑头必须右移。这样仪表的指示温度比实际温度高。323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。334. 试述DDZ=型计录

21、仪的主要构成部件？ DDZ=型计录仪主要由测量组件，机械连杆部件和记录驱动系统等组成。其中测量组件是由比较放大器、电压脉冲转换器、脉冲环形分配线路，步进电机和磁平衡位移变换器等五部分组成。机械连杆部件包括连杆机构、指针及直线化机构。记录纸驱动部分由带驱动电路的步进电机、记录纸盒及连接它们的齿轮机构所组成。34三、例题分析三、例题分析 图示为电位差计线路图。为冷端温度补偿电阻，在25时的阻值为5。假定热电偶的热电势每100是4mV，并设温度与热电势是线性关系，求室温25时：（1）上支路电流；（2）下支路电流；（3）下限温度；（4）上限温度；（5）仪表量程；（6）若把仪表量程改成0600，桥路电阻

22、如何变化？35解：由滑线电阻两端都有一小段触点不过去的部分，因此两端各有一小段电阻，一般为全电阻的3%5%，用表示。在此取=0.3，两端剩下的电阻各为 。（1）（2）（3）当触点滑至下限C时所以下限温度为： 36（4）当触点滑至上限B时所以上限温度为：（5）仪表的量程为：N=998-152=846（6）当仪表量程改成0600时，其上、下限都发生变化，由于热电偶没有改变，其下支路电阻不发生改变，只是上支路电阻发生改变。要改变量程，只有改变量程电阻 。因为所以因为， 所以37当热电偶为0时，由于环境温度为25，这时热电偶两端的热电势所以38第五章第五章 自动控制仪表自动控制仪表一基本要求：一基本要

23、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。（3）了解模拟式控制器的特点和基本组成。二、问题解答二、问题解答1.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：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。 39 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： 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

24、。 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。2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？403什么是积分时间？它对系统过渡过程有什么影响？ 积分时间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。4什么是微分时间？它对系统过渡过程有什么影响？ 微分时间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，

25、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。415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420mA DC，控制室联络信号为15V 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。三、例题分析三、例题分析 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？4243