《自动化仪表》习题答案

第1章(P15)

（1）简述过程掌握的特点。

Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程简单多样,

通用掌握系统难以设计；3）掌握方案丰富多彩，掌握要求越来越高；4）掌握过

程大多属于慢变过程与参量掌握；5）定值掌握是过程掌握的主要形式。

（2）什么是过程掌握系统？试用框图表示其一般组成。

Q：1）过程掌握是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻

工、建材、核能等工业生产中连续的或按肯定周期程序进行的生产过程自动掌握,

是自动化技术的重要组成部分。过程掌握通常是对生产过程中的温度、压力、流

量、液位、成分和物性等工艺参数进行掌握，使其保持为定值或按肯定规律变化,

以确保产品质量和生产平安，并使生产过程按最优化目标自动进行。2）组成框图:

（3））单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？

Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。1）模拟仪表的信号：气动

0.02~0.1MPa、电动ID型：4~20mADC或1~5VDC。2）数字式仪表的信号：无统

一标准。

（4）试将图1-2加热炉掌握系统流程图用框图表示。

Q：是串级掌握系统。方块图：

（5）过程掌握系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？

Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调整时间、峰值时间、振荡周期和频

率。2）略

（8）通常过程掌握系统可分为哪几种类型？试举例说明。

Q：1）按结构不同，分为反馈掌握系统、前馈掌握系统、前馈-反馈复合掌握系

统；按设定值不同，分为定值掌握系统、随动掌握系统、挨次掌握系统。2）略

（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危急的场所吗？为什么？

Q：1）不是这样。2）比如对平安火花型防爆仪表，还有平安等级方面的考虑等。

（11）构成平安火花型防爆系统的仪表都是平安火花型的吗？为什么？

Q：1）是。2）这是构成平安火花型防爆系统的一个条件。

2、综合练习题

（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出掌握系统的框图并写明每一框图的

输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

Q：1）图为液位掌握系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、

液位掌握器、调整阀组成的反馈掌握系统，为了达到对水箱液位进行掌握的目的,

对液位进行检测，经过液位掌握器来掌握调整阀，从而调整?（流量）来实现液

位掌握的作用。2）框图：

3）掌握器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e«）、掌握量〃（£）;执行器输入

输出分别为：掌握量〃"）、操作变量qi"）;被控对象的输入输出为：操作变量3

«）、扰动量0。），被控量入;所用仪表为：掌握器（例如PID掌握器）、调

整阀、液位测量变送器。

（2）什么是仪表的信号制？通常，现场与掌握室仪表之间采纳直流电流信号、掌

握室内部仪表之间采纳直流电压信号，这是为什么？

Q：1）自动化仪表的信号制是指在成套系列仪表中，各个仪表的输入检出信号均

采纳某种统一的标准形式，使各个仪表间的任意连接成为可能。2）略

（3）某化学反应过程规定操作温度为800C,最大超调量小于或等于5%,要求设

计的定值掌握系统，在设定值作阶跃干扰时的过渡过程曲线如下图所示。要求：

图1-12设定值干扰时的过渡过程曲线示意图

1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间。

2）说明该系统是否满意工艺要求。

Q：1）由上图可得y（8）=810℃,设定值r=800℃,5=850-810=40,3=820-810=10

稳态误差e（8）=r-7（oo）=800℃-810℃=-10℃

衰减th:n=—=—=4:1,

B210

最大超调量：信电j（8）x]00%=%-81%OO%=4.938%

J（OO）810

过渡过程时间北：也许在17min左右

2）虽然该系统最大超调满意要求，然而在规定操作温度为800C,而最终趋于稳

定的值却为810℃,因此不满意工艺要求。

（4）图L13所示为一类简洁锅炉汽包水位掌握流程图，试画出该掌握系统框图,

并说明其被控过程、被控参数、掌握参数和干扰参数各是什么？

Q：1）掌握系统框图：

被控过程：加热器+汽包

被控参数：汽包水位

掌握参数：上水流量

干扰参数：蒸汽流量变化

第2章(P70)

1、基本练习题

(3)某台测温仪表测量的上下限为500T000C,它的最大肯定误差为±2℃,试

确定该仪表的精度等级。

Q：仪表的引用误差y=±最大g当误差x100%=士“Ax100%=士0.4%,其精度等级

量程1()00—500

为0.4级。

(4)某台测温仪表测量的上下限为100-1000℃,工艺要求该仪表指示值的误差

不超过±2C,应选精度等级为多少的仪表才能满意工艺要求？

Q：工艺允许的仪表引用误差为

允许的最大绝对误差2

7允=±xl00%=±X100%=±0.22%

量程1000-100

应选0.2级的仪表才能满意。

(5)有一台DDZ-HI型两线制差压变送器，已知其量程为20~100kPa,当输入信

号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少？

Q：1)8mA；2)16mA.

(6)设有某DDZ-m型毫伏输入变送器，其零点迁移值Umi„=6mVDC,量程为

12mVDCo现已知变送器的输出电流为12mADC。试问：被测信号为多少毫伏？

Q：12mVDC

(12)某被测温度信号在40~80℃范围内变化，工艺要求测量误差不超过土1%,

现有两台测温仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围为0~100℃,

另一台仪表的测量范围为。〜200C,试问这两台仪表能否满意上述测量要求？

Q:工艺允许的最大肯定误差=±40xl%=±0.4℃。

1)使用0~100℃的仪表，则7充=±4^X100%=±0.4,0.5级精度不行以满意；

九100

2)使用0~200℃的仪表，则/允=±黑乂100%=±0.2,0.5级精度不行以满意；

(13)热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采纳哪几种？

Q：1)采纳补偿导线可把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延长到温度

较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是迤，而工业上常用热电偶的

Et-t关系曲线是在冷端温度to=O℃状况下得到的，与它配套使用的仪表也是依据

这一关系曲线进行刻度的。而操作室的温度往往不是心，这样测量结果就会有

误差，因此需要进行冷端温度的校正。(解决冷端温度不为零的问题)2)常

用的有查表法、电桥补偿法。

(14)热电阻测温电桥中的三线制接法为什么能减小环境温度变化对测温精度的

影响？

Q：由于用热电阻测温时，热电阻要安装在被测温度的现场，而电桥中的其它电

阻连同仪表一起则安装在掌握室。现场与掌握室之间有肯定的距离，因此连接热

电阻的导线的电阻往往不行忽视,若采纳一般的二线制接法，则连接热电阻的两

根导线都分布在电桥的一个桥臂上，因此，连接导线的电阻随着环境温度的变化

而变化，将同热电阻阻值的变化一起加在平衡电桥的一个桥臂上，这会使测量产

生较大的误差。采纳三线制接法可以削减甚至抵消连接导线电阻对测量结果造成

的误差。

2、综合练习题

(1)某一标定为100~600℃的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下:

被校表读数100150200250300400500600

/℃

标准表读数102149204256296403495606

/℃

1)试求该仪表的最大肯定误差。

2)确定该仪表的精度等级。

3)经过一段时间后，仪表的最大肯定误差为±7℃,问此时仪表的精度等级为

多少？

Q：1)取A=|x-x“l中的最大值，计算可知最大肯定误差等于±6℃。

2)仪表引用误差％=±包驾壁、100%=±力£幻100%=±1.2%,符合1.5级精度。

量程600—100

3)仪表引用误差%=士最大£当误差X100%=土//X100%=±1.4%,符合1.5级精度。

量程600—1()0

(2)用分度号PtlOO的热电阻测温，却错查了Cu50的分度表，得到的温度是

150℃o问实际温度是多少？

Q：1)查Cu50的分度表，找出与150C对应的电阻值Rt=82.13Q；查PtlOO的分

度表，找出与82.13Q对应的温度值，约为一45℃。

(3)若被测压力的变化范围为0.5~L4MPa,要求测量误差不大于压力示值的土

5%o可供选用的压力表规格：量程为0~1.61^「2,0~2.51\^2,0-4MPa,精度等

级为1.0、1.5、2.5o试选择合适量程和精度的压力表。

Q：最大工作压力不超过仪表量程的2/3,则可选择0~2.5MPa范围。允许的最大

肯定误差：土0.5*5%=土0.025MPa,允许的最大引用误差：

7允=士要xl00%=±l%，可选择1.0级精度等级。

(5)用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。若差压变送器量程为

104Pa,对应输出信号为4~20mADC,相应流量为0~320m3/h。求差压变送器输出

信号为8mADC时，对应的差压值及流量值各是多少？

Q：由于未加开方器。流量与差压的平方根成正比。8mADC对应的差压值为

2500Pa,流量则为160m3/h。

3、设计题

(1)用分度号为K的银信.银硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的状况下，

显示仪表指示值为600C,此时冷端温度为50℃。试问：实际温度是多少？假如

热端温度不变，使冷端温度为20C时，此时显示仪表指示值应为多少？

Q：1)查K分度表，知600℃对应的热电势为24.902mV,由题意可知这热电势是

由热端温度为t℃,冷端温度为50℃的K热电偶产生的，即E(f,50)=24.902mV,

又查K表知E(50,0)=2.022mV,:.E(f,O)=E(f,50)+E(50,0)=24.902+2.022=26.924mV,

再查K表得t约为648℃。

2)E(t,20)=E(t,0)-E(20,0)=26.126mV,再查K表，与26.126mV热电势对应的温度

为628.8C.

(2)某容器的正常工作压力范围为5MPa,工艺要求就地指示压力，并要

求测量误差小于被测压力的土5%,试选择一个合适的压力表(类型、量程、精度

等级)，并说明理由。

Q：1)类型：可使用弹簧管压力计。

2)最大工作压力不超过仪表量程的2/3,则可选择0〜2.5MPa范围；又由于最小

工作压力1.0大于仪表量程的1/3,所选范围是合适的。

3)允许的最大肯定误差：土1.0*5%=±0.05MPa,允许的最大引用误差：

7允=±第、100%=±2%,可选择1.5级精度等级。

(4)某掌握系统中有一个量程为20~100kPa、精度等级为0.5级的差压变送器，

在校验时发觉，该仪表在整个量程范围内的肯定误差变化范围为-0.5~+0.4kPa,

试问：该变送器能否直接被原掌握系统连续使用？为什么？

Q：不能。由于其最大肯定误差为一05其引用误差/=-；7g5x100%=-0.625%,

100—20

超出了原先设计的精度要求0.5级的范围。

第3章(P108)

1、基本练习题

(1)在过程掌握中，哪些仪表是属于过程掌握仪表？在过程掌握系统中，大多数

调整器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电

动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？

Q：1)在过程掌握中，过程掌握仪表：调整器、电/气转换器、执行器、平安栅等。

2)调整器选电动的由于电源的问题简洁解决，作用距离长，一般状况下不受限制;

调整精度高，还可以实现微机化。执行器多数是气动的，由于执行器直接与掌握

介质接触，经常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶

劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以

保证平安生产和避开严峻事故的发生。3)气动仪表的输入输出模拟信号统一使用

0.02〜O.IMPa的模拟气压信号。电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流

电压、沟通电流和沟通电压四种。各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信

号。过程掌握系统的模拟直流电流信号为4~20mADC,负载250。；模拟直流电

压信号为1~5VDCo

(2)某比例积分调整器的输入、输出范围均为4〜20mADC,若设6=100%、

Ti=2min,稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA,试求经过4min

后调整器的输出。

Q：由式b=jxioo%,可得/=1。在比例积分作用下，输出Au可由下式计算:

Au=Ke(/)+—|e(t)dt=1+打：山=,即调整器的输出u=Au+u(0)=3+6=9mA。

c20

(6)调整器的正、反作用是如何规定的？

Q：当调整器的输出随偏差的增大而增大时，称为正作用调整器，反之为反作用

调整器。

（7）数字式掌握器有哪些主要特点？简述其硬件的基本构成。

Q：1）数字式掌握器的主要特点：1、采纳了模拟仪表与计算机一体的设计方法,

使数字式掌握器的形状结构、面板布置、操作方式等保留了模拟调整器的特征。2、

与模拟调整器相比具有更丰富的运算掌握功能。3、具有数据通信功能，便于系统

扩展。4、牢靠性高具有自诊断功能，维护便利。2）数字式掌握器的硬件电路由

主机电路，过程输入通道、过程输出通道、人/机联系部件、通信部件等。

（18）过程掌握系统的全部仪表与装置是否都应考虑平安防爆？为什么？

Q：不是。现场的全部仪表应考虑平安防爆。非危急场所的仪表则不肯定要防爆,

现场仪表与非危急场所（包括掌握室）之间必需经过平安栅。

（19）平安栅在平安防爆系统中的主要作用是什么？简洁齐纳式平安栅有何缺

点？它是如何改进的？Q：1）参教材P104；2）参教材P105；3）参教材

P105

2、综合练习题

（2）已知某比例微分调整器的传递函数为善=白立沁，试求单位阶跃输入作

K

丫。1ol+^-s

用下的输出响应表达式，画出响应曲线。

Q：单位阶跃输入的拉氏变换匕|=L在阶跃输入作用下的输出拉氏变换为：

S

1a1+7^5a1+Ts

匕)=-x----------乎—=——x---------£n——对其取拉氏反变换，可得

KDK

s1+^SDS(1+曳S)

KDKD

a-见

v(t)=—[l+(K-l)e%]°

O2勺D

第4章(P139)

1、基本练习题

(1)什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？为什么要讨论过程的

数学模型？目前讨论过程数学模型的主要方法有哪几种？

Q：1)被控过程的特性：被控过程输入量与输出量之间的关系。2)被控过程的

数学模型：被控过程的特性的数学描述，即过程输入量与输出量之间定量关系的

数学描述。3)讨论过程的数学模型的意义：是掌握系统设计的基础；是掌握器参

数确定的重要依据；是仿真或讨论、开发新型掌握策略的必要条件；是设计与操

作生产工艺及设施时的指导；是工业过程故障检测与诊断系统的设计指导。4)主

要方法：机理演绎法、试验辨识法、混合法。

(2)响应曲线法辨识过程数学模型时，一般应留意哪些问题？

Q：试验测试前，被控过程应处于相对稳定的工作状态；相同条件下应重复多做

几次试验；分别作正、反方向的阶跃输入信号进行试验；每完成一次试验后，应

将被控过程恢复到原来的工况并稳定一段时间再做其次次试验；输入的阶跃幅度

不能过大也不能过小。

(4)图4-30所示液位过程的输入量为卬，流出量为q2、q3,液位h为被控参数,

C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻。要求：1)列写该过程的微分方

程组。2)画出该过程框图。3)求该过程的传递函数Go(s)=H(s)/Qi(s)。

Q：1)微分方程组：颂=

2)过程框图:

H(S)

MCS

CX

Ak_11&

114

3)传递函数：G0(s)="(s)/g(s)=------J—-

Cs4--------F

(5)某水槽水位阶跃响应的试验纪录为:

t/s01020406080100150200300・・・

h/mm09.51833455563788695・•・98

其中阶跃扰动量△〃为稳态值的10%。

1)画出水位的阶跃响应标幺值曲线。2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试

确定其增益K和时间常数T。

Q：1)阶跃响应标幺值/⑴=坐=鬻，图略。

j(oo)98

2)一阶惯性环节传递函数：G(s)=J',又A"=10%*h(8)=9.8,放大系数

"s+1

K=^=^=10,时间常数T=100s,是达到新的稳态值的63%所用的时间。

2、综合练习题

(1)如图4-32所示，qi为过程的流入量，q2为流出量，h为液位高度，C为容

量系数。若以qi为过程的输入量，h为输出量(被控量)，设Ri、R2为线性液阻,

求过程的传递函数Go(s)=H(s)/QMs)。

X---

4

h__

-xfi---―---Xl^

22

,31

AA「dAh[

瓯A%=C(1)

at

(2)

at

Nh

Q：列写微分方程组：•颂=R(3),消去领和A%,得:

△A%=学A%(4)

Nh—Nh「AA2(5)

A/i_cdAhi

△q、(6)

R2dt

NhA九八dk%

［凡--=c------(7)

R}dt

进而得：加-竿+等=。竽，得：M,=&(。竽-幽+学)，代入(7)消去中

&atatK.

2

间变量地，得：C^,^^+C(^+l)—+—A^=A^+CZ?3^-,

'dtR2dtR?dt

传递函数：G0(s)=H(s)/Q|(s)=-----------匕等------

C2/?,s2+C(^+l)s+—

&&

（2）已知两个水箱串联工作，其输入量为qi,流出量为q2、q3,%、hz分别为两

个水箱的水位，h2为被控参数，Cl、C2为其容量系数，假设品兄，眉2为线性

液阻。要求：

1）列出该液位过程的微分方程组。

2）画出该过程的框图

3）求该液位过程的传递函数GO（S）=H2（S）/QI（S）。

---------X-------

R1

———〃

-Xl-^----------——X——----------—

R2R12R3

%1%”