《自动化仪表》习题答案解析

第1章(P15)

(1)简述过程控制的特点。

Q：1)系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2)被控过程复杂多样，

通用控制系统难以设计；3)控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4)控制过

程大多属于慢变过程与参量控制；5)定值控制是过程控制的主要形式。

(2)什么是过程控制系统？试用框图表示其普通组成。

Q：1)过程控制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者按一定周期程序进行的生产过程自动控制,

是自动化技术的重要组成部份。过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流

量、液位、成份和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或者按一定规律变化,

以确保产品质量和生产安全，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)摹拟仪表的信号：气动

0.02〜O.IMPa、电动HI型:4〜20mADC或者1~5VDC。2)数字式仪表的信号：

无统一标准。

(4)试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。

Q：是串级控制系统。方块图：

(5)过程控制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、调节时间、峰值时间、振荡周期和频

率。2)略

(8)通常过程控制系统可分为哪儿种类型？试举例说明。

Q：1)按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系

统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。2)略

(10)只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危(wei)险的场所吗？为什么？

Q：1)不是这样。2)比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。

(11)构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？

Q：1)是。2)这是构成安全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，画出控制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）图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、

液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的,

对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节q（流量）来实现液

位控制的作用。2）框图:

3）控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e（t）、控制量u（t）；执行器输入

输出分别为：控制量u（t）、操作变量q（［）；被控对象的输入输।出为：操作变量q

⑴、扰动量q（t）,被控量h；所用仪表为：控制器（例如PID控制器）、调

节阀、液位测量变送器。

（2）什么是仪表的信号制？通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号、控制

室内部仪表之间采用直流电压信号，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/输出信号均

采用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800℃,最大超调量小于或者等于5,要求设

计的定值控制系统，在设定值作阶跃干扰时的过渡过程曲线如下图所示。要求:

820

810

800

图1-)2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)说明该系统是否满足工艺要求。

Q：1)由上图可得y(oo)=810℃,设定值『800℃,B=850810=40,B=820810=10

12

稳态误差e(oo)=ry(oo)=800℃-810℃=10℃

衰减比：n*14:1,

D1()

导+初涧旦y(t)y()8508io

取大超调里：———―Iinno/3%__________100%4938

y()810

过渡过程时间t,..加〜

，：大概+nT在/17mHi摆布

2)虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为800℃,而最后趋于稳

定的值却为810C,因此不满足工艺要求。

(4)图1-13所示为一类简单锅炉汽包水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并

说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？

Q：1)控制系统框图：

被控过程：加热器+汽包

被控参数：汽包水位

控制参数：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500〜1000C,它的最大绝对误差为±2℃,试

确定该仪表的精度等级。

Q：仪表的引用误差•取大专？?天差100%2100%0.4%,其精度等级

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±2℃,应选精度等级为多少的仪表才干满足工艺要求?

Q：工艺允许的仪表引用误差为

允许的最大绝对误差2

100%100%0.22%

允量程1(X)()100

应选0.2级的仪表才干满足。

(5)有一台DDZ-in型两线制差压变送器，已知其量程为20〜lOOkPa,当输入信

号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少？

Q：l)8mA；2)16mA.

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

min

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±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0〜100C,

另一台仪表的测量范围为。〜200C,试问这两台仪表能否满足上述测量要求？

Q：工艺允许的最大绝对误差=401%0.4℃o

1)使用。〜100℃的仪表，贝I0,4100%0.4,0.5级精度不可以满足：

允100

2)使用。〜200℃的仪表，贝IJ°-4100%0.2,0.5级精度不可以满足；允200

(13)热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采用哪几种？

Q：1)采用补偿导线可把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度

较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0C,而工业上常用热电偶的

Ejt关系曲线是诈冷端温度t=0℃情况下得到的，写饰己套使用的仪表也是根据

这一关系曲线进行刻度的。而操作室的温度往往不是,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：因为用热电阻测温时，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控制室。现场与控制室之间有一定的距离，因此连接热

电阻的导线的电阻往往不可忽略，若采用普通的二线制接法，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。采用三线制接法可以减少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)试求该仪表的最大绝对误差。

2)确定该仪表的精度等级。

3)经过一段时间后，仪表的最大绝对误差为±7℃,问此时仪表的精度等级为

多少?

Q：1)取|xxl中的最大值，计算可知最大绝对误差等于±6℃。

2)仪表引用误差*以,100%:100%1.2%,符合1.5级精度。

।里桂o(X)HX)

3)仪表引用误差鹭绝对队差l(x)%6m:所KX)%1.4%,符合1.5级精度。

2OUU1kAJ

(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150℃对应的电阻值Rt=82.13；查PtlOO的分度表，

找出与82.13对应的温度值，约为-45℃。

(3)若被测压力的变化范围为0.5〜1.4MPa,要求测量误差不大于压力示值的±5%

o可供选用的压力表规格：量程为0〜1.6MPa,0-2.5MPa,0〜4MPa,精度等级

为10、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

绝对误差：±0.5*5%=±0.025MPa,允许的最大引用误差：

允2产10°%1%,可选择L0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

lOPa,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：因为未加开方器。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的银辂-银硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，

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？如果

热端温度不变，使冷端温度为20℃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(t,5())24.902mV，又查K

表知E(50,0)2.022mV，E(t,0)E(t,50)E(50,0)24.9022.02226.924mV，再查K表得t约为

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

628.8℃.

(2)某容器的正常工作压力范围为1.0〜1.5MPa,工艺要求就地指示压力，并要

求测量误差小于被测压力的±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)允许的最大绝对误差：±1.0*5%=±0.05MPa,允许的最大引用误差：

??100%2%，可选择1.5级精度等级。

允2.5

⑷某控制系统中有一个量程为20〜lOOkPa、精度等级为0.5级的差压变送器，在

校验时发现，该仪表在整个量程范围内的绝对误差变化范围为-0.5〜+0.4kPa,

试问：该变送器能否直接被原控制系统继续使用？为什么？

0.5

Q：不能。因为其最大绝对误差为一05,其引用误差而犷100%0.625%，

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）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数

调节器是电动的，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）在过程控制中，过程控制仪表：调节器、曲气转换器、执行器、安全栅等。2）调

节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，普通情况下不受限制；调节

精度高，还可以实现微机化。执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质

接触，往往在高温、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

安全生产和避免严重事故的发生。3）气动仪表的输入输出摹拟信号统一使用

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

电压、交流电流和交流电压四种。各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信

号。过程控制系统的摹拟直流电流信号为4〜20mADC,负载250Q；摹拟直流电

压信号为1〜5VDCo

（2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为4〜20mADC,若设3=100%、

T=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

I

后调节器的输出。

Q：由式1一MKlo在比例积分作用下，输出Au可由下式计算：

Kc

c

uKe(t)1e(t)dt114dt3mA，即调节器的输出u=△u+u(0)=3+6=9mA。

cT2o

i

(6)调节器的正、反作用是如何规定的？

Q：当调节器的输出随偏差的增大而增大时，称为正作用调节器，反之为反作用

调节器。

(7)数字式控制器有哪些主要特点？简述其硬件的基本构成。

Q：1)数字式控制器的主要特点：1、采用了摹拟仪表与计算机一体的设计方法，

使数字式控制器的外形结构、面板布置、操作方式等保留了摹拟调节器的特征。2、

与摹拟调节器相比具有更丰富的运算控制功能。3、具有数据通信功能，便于系统

扩展。4、可靠性高具有自诊断功能，维护方便。2)数字式控制器的硬件电路由主

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)过程控制系统的所有仪表与装置是否都应考虑安全防爆？为什么？

Q：不是。现场的所有仪表应考虑安全防爆。非危(wei)险场所的仪表则不一定

要防爆，现场仪表与非危(wei)险场所(包括控制室)之间必须经过安全栅。

(19)安全栅在安全防爆系统中的主要作用是什么？简单齐纳式安全栅有何缺

点？它是如何改进的？Q：1)参教材PKM；2)参教材P105；3)参教材

P105

2、综合练习题

(2)已知某比例微分调节器的传递函数为丫g丫a1Ts。试求单位阶跃输入作

01

K.T、

D1D—S

K

D

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v，，在阶跃输入作用下的输出拉氏变换为:

Os

对其取拉氏反变换，可得

a

[1(1l)eT：]。

嚷)K

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？为什么要研究过程的

数学模型？目前研究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)研究过程的数学模型的意义：是控制系统设计的基础；是控制器参

数确定的重要依据；是仿真或者研究、开辟新型控制策略的必要条件；是设计与

操作生产工艺及设备时的指导；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，普通应注意哪些问题？

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第二次试验；输入的阶跃幅度

不能过大也不能过小。

(4)图与30所示液位过程的输入量为%,流出量为q2、q3,液位h为被控参数，C为

容量系数，并设RrRrR3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G(s)不H(s)/R(s)。

h

Q：1)微分方程组：q,R

2

h

q3R

3

2)过程框图：

3)传递函数：G(s)H(s)/Q(s)

1

(5)某水槽水位阶跃响应的试验记录为:

t/s01020406080100150200300

h/mm09.51833455563788695••・98

其中阶跃扰动量U为稳态值的10%O

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To

QJ)阶跃响应标幺值y⑴，丈)1.图略。

2)一阶惯性环节传递函数：G⑸O,又u=10%*h(oo)=9.8,放大系数

0i

K=T:;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，q为斗程的流入蹲:，q为流出量，h为液位高度，C为容

量系数。若以为过程的输入量，h为输出量(被控量)，设R］、R,为线性液阻,

求过程的传递函数G(s)=H(p)/Q(s)。

X

4

q、

q、

cdh

4%Ci(1)

dt

%q3dh(2)

C——x

dt

h

Q：列写微分方程组:⑶，消去q和q，得:

2R23

2

h

____2.

%R-(4)

3

h

hih(5)

2

q,VKh2h

进而得：霍，得：2+),代入(7)消去中

23

d2h2dh1q+CRdqi，

间变量h，,得OR3kC(kI)dtRhi3dt

1CRs

传递函数：GsHs/Q2R3

0C2RS2C(_3_l)s

3R

(2)已知两个水箱串联工作，其输入量为％,流出量为q2、q3,hph2分别为两

个水箱的水位，儿为被控参数，C,>C,为其容量系数，假设R,R,R,R为线性液

21212123

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G(8)=4(s)/Q(s)o

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

R14

---hy

—xpj----------——[X——---------—

R2R12R3

小q,、，

dh

q,qC!(1)

4212।dt

dh

⑵

%C2

2dt

h

Q:1）液位过程的微分方程组：q⑶

2R1

2

h,__h.

q(4)

12R

12

h

%-R2⑸

3

2）框图:

3）求过程传递函数：微分方程组中消去中间变量q得:

q2412

hhCdhi

12-(6)

R1dtdh

2R

12得:hRC7(点l）h，再消去h有:

hh122dt