化工仪表及自动化复习题

化工仪表及自动化复习题仪表及自动化第一章自动控制系统基本概念1行么是化工自动化？它有什么重要意义？答：在化工设备上，配备上一自动化装置。代替操作人员的部分直接做功，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。实现化工自动化，能加快生产速度、降低生产成本，提高产品产量和质量、减轻劳动强度、保证生产安全。为逐步地清天体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。2.化工自动化主要包括哪些内容?答:化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。3.自动控制系统怎样构成?各组成环节起什么作用?答: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的信号(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，技顶先设计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能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流人(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。什么叫操纵变量?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值的物料量或能量。(或:具体实现控制作用的变量叫做操纵变量)4.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同?答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。如图1-1(a)即是一个闭环自动控制。图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变素汽流量，使热物料出口温度回到设定值上从图1-1,(b)所示的控制系统方块图可以清楚看出，操纵变量(蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变薑，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。图1-1闭环自动控制基本结构开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制面没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过敏控对象去影响被控变量,但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。开环控制系统分为两种，-种按设定值进行控制，如图1-2()所示。这种控制方式的操纵变量(蒸汽流量)与设定直保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量.另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2(b)所示，这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变玻控变量。()按设定直进行控制的开环系统(b)按扰动进行控制的开环系统图1-2开环控制系统基本结构开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵交量的校正作用是否适合实际需要.4.什么是反馈?什么是正反馈和负反馈?答:把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节東新引回到输人端的做法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈;反之为正反馈.5.根据设定值的形式，闭环控制系统可以分为哪几类?在闭环控制系统中，按照设定值的不同形式又可分为:(1)定值控制系统;(2)随动控制系统;(3)程序控制系统。6.什么是控制系统的静态与动态?答:在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。在这种状态下，自动控制系统的输入(设定值和干扰)及输出(被控交量)都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输人、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静志反映的是相对平衡状态。系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态.当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到犹动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控交量偏离设定值，此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平面状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间中整个系统都处于变动状态中。9控制系统运行的基本要求是什么?答:自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的，并应保证满足一定的精度要求或某些规定的性能指标，但最基本的要求是稳定的，也就是说系统投人运行后，被控变量不致失控而发散。10.在阶跃扰动作用下，自动控制系统的过渡过程有哪些基本形式?哪些过渡过程能基本满足控制要求?答:过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。①发散振荡过程②非振荡发散过程:③等幅振荡过程;④衰减振荡过程:⑤非振荡衰减过程.在上述5种过渡过程形式中，非报荡衰减过程和衰减报藹过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变显达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量报荡时才考虑采用这种形式的过渡过程.11.衰减振荡过程的品质指标有哪些?答:衰减振荡过程的品质指标主要有:最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。12、什么是传递函数?答:对于如图1-6所示的线性系统，在初始条件为零时，它的输出与输入的拉普拉斯式之比，即系统在复数s域的输出与输人之比，称为系统的传递函数，记为G(s)=Y（s）/X(s)输入x(t)--系统--输出y(t)图1-6系统的输人输出关系第二章过程特性及其数学模型问题解答I.什么是被控对象特性?什么是被控对象的数学模型?答:被控对象特性是指被控对象输人与输出之间的关系。即当被控对象的输人量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输人量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量,因此,讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。定量地表达对象输人输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型.2.什么是控制通道?什么是干扰通道?在反馈控制系统中它们是怎样影响被控变量的?答:干扰变量与控制变量都是作用于被控对象的输人量，它们都会引起被控交量变化。由于扰变量影响被控变量变化的通道称干扰通道，由控制变量影响被控变量变化的通道称控制通道，如图2-1所示在反馈系统中，干扰变量总是通过干扰通道破坏系统的平衡状态，使被控变量离开设定值。为了对抗和抵消干扰变量的影响，就必须由自动化装置不断地施加控制作用(即操纵变量)通过控制通道，力图使被控变量始终保持在工艺生产所要求控制的技术指标(即设定值)上。3.简述建立对象数学模型的主要方法。答：一是机理分析法。二是实验测取法。以上两种方法又称机理建模和实验建模，将以上两种方法结合起来，称为混合建模。4.稳态数学模型与动态数学模型有什么不同?答:稳态数学其型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之同的关系:动态数学模型描述的是对象在输人量改变以后输出量的变化情况。稳态数学模型足动态数学模型在对象达到平衡时的特例。6.为什么说放大系数K是对象的静态特性?而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性?答:放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，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，是反映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。滞后时间τ是指对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这种现象的参数。因此它是反映对象动态特性的重要参数。7.何谓系统辨识和参数估计?答:应用对象的输人输出的实测数据来确定其数学模型的结构和参数，通常称为系统辨识。在已知对象数学模型结构的基础上,通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。8.对象的纯滞后和容量滯后各是什么原因造成的?对控制过程有什么影响?答:对象的纯滞后-般是由于介质的输送或热的传递需要-段时间引起的。在控制通道，如果存在纯滯后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟.段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力面引起的。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加.在控制通道，T大.会使控制作用对被控变量的影响来得慢。系统稳定性降低。T小会使控制作用对被控变量的影响来得快。系统的控制质量有所提高。但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的第三章检测仪表与传感器问题解答1.什么叫测量过程?答：测量过程实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。-般它都是利用专门的技术工具，即测量仪表将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。2何谓仪表的精度等级?答：仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。任何测量过程都存在着测量误差。在使用仪表测量生产过程中的工艺变量时，不仅需要知道仪表的指示值，而且还应该了解仪表的精度。仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量精度越高0.o5.0.1,0.2.0.4,0.s.1.0,1.5,2.5,4.0等.仪表的精度等级是将仪仪表的精度等级将仅表允许相对百分误差的“纳仪表精度等级有0允许相对烯座等级1.0,说明该仪表号及心去掉后的数值，以一定的符0.02,允许相对百分说明仪表两量准确度越病目前中国生产的仪表精建有分设号形式表示在仪表标尺板E，如1.0外加一个圆属或三角形。误差为1.0%.3电动模报式变送器.数字式变送器二者的输出信号有什么不同答：模拟式变送器的输出信号一般为统一标准的模拟量信号，例如DDZ-II型仪表输出0-10mADC.DDZ-III型仪表输出4~20mADC等，在一条电缆上只能传输一个模拟量信号。智能式变送器输出信号则为数字信号，数字通信可以实现多个个信号在同一条通信电缆(总线)上传输，但它们必须遵循相同的通信规范和标准。11，电动模报式变送器的电源和输出信号的连接方式有哪几种?目前在工业现场最常见的是哪种?答：电动模拟式变送器传输电源和输出信号有四线制和二线制两种连接方式。目前大多数均为二线制连接方式。15.测压仪表有哪几类?各基于什么原理?答：测压仪表按其转换原理不同，主要有四大类:液柱式压力计，它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的;弹性式压力计，它是将被赛压力转换咸弹性元件变形的位移来进行测量的:电气式压力计，它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的活塞式压力计，它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平街法码的质量来进行测量的。16.作为感受压力的弹性元件有哪几种?各有什么特点?答:主要的弹性元件有:①弹簧管，可分单圈弹簧管与多國弹簧管，它们的测压范围较宽，最高可测量高达000MPa的压力;②膜片，可分平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，通常可与其他转换环节结合起来,组成相应的变送器:③波纹管，这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。24.体积流量、质量流量、瞬时流量、累积流量的含义各是什么?答：流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量:在某一段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。以体积表示的瞬时流量称为体积流量，以质量表示的瞬时流量称为质量流量。26.什么叫节流现象?流体经节流装置时为什么会产生静压差?答：节流现象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。流体经节流装置时，由于流速发生变化，使流体的动能发生变化，根据能量守恒定律，动能的变化必然引起静压能变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。27.试速差压式流量计测量流量的发理。并说明对差压式流量计的流量测量有影响?答：根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程，可以导出说体流经节流转置时的压差和有量之间有一定的对应关系，其定量关系符合流量基本方程式。据这个方程式，就可以由测量得到的压差来计算出流过的流量值，这就是差压式流量计测量流量的原理。由于流量基本方程式是在一定的条件下推导而得的，这些条条件包括节流装置的形式、尺寸、取压方式以及流体的工艺条件(密度，温度，压力，雷诺数),当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。37.根据工作原理不同，物位测量表有哪些主要类型?答按其工作版理主要有下列几种类型。(1)直读式物位仪表(2)差压式物位仪表(3)浮力式物位仪表(4)电磁式物位仪表(5)核辐射式物位仪表(6)声波式物位仪表(7)光学式物位仪表。40.在液位离量中，如何判断“正迁移”和“负迁移”?答：在液位测量中，当被测液位H=0时，如果差压变选器的输人信号Dp>0,则为“正迁移:反之，当H=0时，p<0,则为“负迁移”。50.热电偶补偿导线的作用是什么?在选择使用补偿导线时需要注意什么问题?答：由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷繃温度保持不变时，热电势才是被洲温度的单值函数.茬实际应用中，由于热电偶的工作嘴与冷端离得很近，而且冷端又暴践在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多费重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿寻线连接端所处的温度不应超过100C.52用热电偶测温时，要进行冷端温度补偿，其冷端温度补偿的方法有哪几种?答：冷端温度补偿的方法有以下几种:(])端温度保持为0C的方法:(2)冷端温度修正方法:(3)校正仪表零点法(4)补偿电桥法:(5)补偿热电偶法.56.试述DZ-1111型温度变送器的用途。答：DDZ-III型温度变送器的用途在于它与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度转换成4-20mA和1~5V的统-标准信号,又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，使其转换成4~20mA和1-5V的统一输出信号。然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度及其他各种参数进行显示、控制.第四章显示仪表一.问题解答1.自动电子电位差计是如何基于补偿测量法工作的?线路电阻(即外阳)值的变化，对电子电位差计的测量有无影响?为什么?答：图4.1是自动电子电位差计的简单原理图。当热电势势B与已知的直流压降相比较时，着EfEa.其比较之后的差值(即不平衡信号)经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，使可递电机又通过一套传动系统去带动滑动触点c的移动，直到ErEca时时为止.这时放大器输入端的输入信号为零，可递电机不再转动测量线路就达到了平衡，这样Ban就可以代表被测量的E值。稳压电源，.)|k--Ua-cE+电子放大器可逆电机图4-1电子电位差计原理图由此可知，电子电位差计是利用己知的电压Ea去补偿未知的热电势E的，故是基于补偿测量法工作的。由于当E-=EcB时，热电偶可路是没有电流流过的，因此线路电阻值的变化，对电子电位差计的测量不会造成影响的。10.数字式显示仪表主要由哪几部分组成?各部分有何作用?答数字式显示仪表通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模/数(A/D)转换、标度变换、数字显示、电压/电流(V/I)转换及各种控制电路等部分。信号变换电路是为了将生产过程中的工艺变量经过检测变送后的信号，转换成相应的电压或电流值;前置放大电路是为了将输入的微小信号放大至伏级电压信号;非线性校正电路-般是为了校正检测元件的非线性特性;开方运算电路通常是为了将差压信号转换成相应的流量值:AD转换是为了将模拟量转换成断续变化的数字量;标度变换电路实质上就是进行比例尺的变更，使数显仪表的显示值和被测原始参数统-起来:数字显示部分就是被测数据以数字形式显示出来:VI转换电路是为了将电压信号转换成直流电流标准信号;控制电路可以根据PID控制规律或其他控制规律进行运算，输出控制信号.11.试简述无纸记录仪的主要特点。答：无纸记录仪是一种以CPU为核心、采用液晶显示的新型显示记录仪表，完全摒弃了传统记录仪的机械传动纸米和笔.其记录信号是通过CPU来进行转化和保存的，记录信号可以根据需要在屏幕上放大或缩小，便于观察，并且可以将记录曲线或数据送往打印机进行打印，或送往个人计算机加以保存和进一步处理。无纸记录仪精度高，价格与一般记录仪相仿。第五章自动控制仪表问题解答1.从控制仪表的发展及结构原理来看，主要有哪几种类型?答主要有三种类型:基地式控制仪表、单元组合式仪表和以微处理器为基础的控制装置。2.控制器的控制规律是指什么?常用的控制规律有哪些?答所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即P=f(e)=f(z-x)式中，z为测量值信号:x为给定值信号:f为某种函数关系.常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例PI,PD,PID等。3.什么是比例控制规律?答比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量p与输人偏差信号变化量e之间成比例关系，即p=Kpe式中，Kp为比例放大系数。4.什么是积分控制规律?什么是比例积分控制规律?答积分控制规律是指控制器的输出变量p与输人偏差e的积分成正比，即p=KIfedt式中，K为积分比例系数。在比例控制的基础k,再加上积分控制作用,便构成比例积分控制规律,其输出P与输入e的关系为:p=Kp(e+Kfedr)5.什么是微分控制与比例微分控制:答：微分控制规律是指控制器的输出变化最p与输人偏差。的变化速度成正比，即p=T·de/dt式中，T为微分时间。在比例控制的基础上，再加上獭分控制作用，使构成比例微分控制煤律，其输出p与输入。的关系:p=Kp(e+T·de/dt)14.试写出比例积分微分(PID)三作用控制规律的数学表达式。答：p=Kp(e+feat+rdit'第六章执行器问题解答1.气动执行器主要由哪两部分组成?各起什么作用?答：气动执行器由执行机构和控制机构(阀)两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号(由控制器来)压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转接为阀杆位移的装置.控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。2.气动执行机构主要有哪几种结构形式?各有什么特点?答：气动执行机构主要有薄膜式和活塞式两种结构形式。薄膜式执行机构的结构简单、价格便宜、维修方便、应用最为广泛.它可以用作-一般控制器的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜控制阀。气动活塞式执行机构的特点是推力大，主要适用于大口径、高压降的控制阀或蝶阀的推动装置。除薄膜式和活塞式执行机构外,还有长行程执行机构,它的行程长、转矩大,适用于输出转角(0-90)和力矩的场合，如用于蝶阀或风门的推动装置。3.何谓正作用执行器?何谓反作用执行器?答：当输人信号增大时，执行器的流通截面积增大，即流过执行器的流量增大，称为正作用当输入信号增大时，流过执行器的流量减小，称为反作用。4.控制阀的结构形式主要有哪些?各有什么特点?主要使用在什么场合?答：简单列表说明如下:三通控制阀隔膜控制阀螺阀楚式阀T特点流与合流两种型式爱有三不出入口万工艺管道板。可面减万结构简单、流用小、流通能万大前腐饭性强结构简单、泄漏量大可调范围天、振动小、不平截力小结构简单、套筒互换性好、汽蚀小、噪声小重量轻价格便宜流甩极不、主要使用易合配比控制缄旁路控制强酸、强诚强腐饭性、商融度、含悬浮额粒状的介质大口径、大滩量、低压差，青少量纤维或悬浮额粒状介质压差大，要求噪声小的场合。对高温、高黏度及含固体额粒的介质不适用5.控制阀的流量特性是指什么?答控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与属门的相对开度<或相对位移)之间的关系，即Q/Qmax=f(l/L)式中相对流量Q/Qmax是控制阀某-开度时的流量Q与全开时的流量Qmax.之比.相对开度l/L，是控制阀某一开度时的阀杆行程1与阀杆全行程L之比。10.为什么说等百分特性又叫对数特性?与线性特性比较起来有什么优点?答等百分比流量特性是指单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增加，即d(2)_m_=K-.2max将上式积分得In-2_=K=+CLmxL由上式可以看出，等百分流量特性的相对流量的对数值与相位行程成正比，故又称对数特性。由于等百分比流量特性的控制阀，其放大系数随相对流量的增加而增加，在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和;流量大时，流量变化大,控制灵敏有效，这是它比起线性特性的控制阀来说所具有的优点。12.什么是串联管道中的阻力比s?s值的减小为什么会使理想流量特性发生畸变?s值的.答s值表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比。当s=1时，说明系统总压差全部降在控制阀上，所以控制属在工作过程中，随着阀开度的交化，阀两端的压差是不变的，故工作流量特性与理想流量特性是一致的。当s值小于1时，系统的总压差一部分降在控制阀，另一部分降在与控制阀串联的管道上。随着阀的开度增大，流量增加，降在串联管道少，因而流过控制阀的流量也减少。所以随着s值减的有优点是特性畸变为快开特性，使理想的等百分使实际流量值离开理想值越大。其体来说，会使理想的直线流量比流量特性畸变为直线特性。13.什么是并联管道中的分流比x?试说明x值的变化对控制阈流量特性的影响