过控自动化考前复习.docx
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过控自动化考前复习
第一章
1.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？
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。
操纵变量通过被控对象去影响被控变量，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。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。
即操纵变量通过被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。
2.自动控制系统怎样构成？
各组成环节起什么作用？
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，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。
检测元件及变送器来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号。
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，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器。
执行器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。
3.试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量。
被控对象是对象的输出
被控变量是生产过程中所要保持恒定的变量
给定值是工艺上希望保持的被控变量数值
操纵变量是具体实现控制作用的变量
4.什么叫负反馈？
它在自动控制系统中有什么意义？
把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重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。
当被控变量y受到干扰的影响而升高时，负反馈使负反馈信号z升高，经过比较到控制器的偏差信号e降低，此时控制器发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被控变量下降回到给定值x，这样就达到了控制的目的。
5.什么是控制系统的静态与动态？
为什么说研究动态比研究静态更为重要？
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。
系统的各个环节和信号都处于变动状态称为控制系统的动态。
在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的。
这些干扰是破坏系统平衡状态引起被控变量发生变化的外界因素。
在一个自动控制系统投入运行正常工作时，总是处于波动不止、往复不息的动态过程中，时刻都有干扰作用于控制系统破坏正常的工艺生产状态，既而就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响。
6.什么是自动控制系统的过渡过程？
它有哪些基本形式？
哪些过渡过程能基本满足控制要求？
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。
过渡过程曲线有：
①等幅振荡过程；；②衰减振荡过程；③非周期衰减过程；④发散振荡过程
（1）
（2）（3）（4）
非周期衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。
但由于非周期衰减过程中被控变量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振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。
7.某化学反应器工艺规定的操作温度为（900±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1-13所示。
试求最大偏差、衰减比和振荡周期等过渡过程品质指标，并说明该控制系统是否满足题中的工艺要求。
解由过渡过程曲线可知
最大偏差A=950-900=50℃
衰减比第一个波峰值B=950-908=42℃
第二个波峰值B'=918-908=10℃
衰减比n=42:
10=4.2
振荡周期T=45-9=36min
余差C=908-900＝8℃
过渡时间为47min。
由于最大偏差为50℃，不超过80℃，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。
8.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）
第二章
1.什么是被控对象特性？
为什么研究对象特性？
被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。
即当被控对象的输入量发生变化时，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。
系统的控制质量和组成系统的每一个环节的特性都有密切的关系，特别是被控对象的特性对控制质量的影响很大。
2.什么是被控对象的数学模型？
静态数学模型和动态数学模型有什么区别？
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。
静态数学模型描述的是对象在静态时输入量和输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输入量改变之后输出量的变化情况。
稳态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。
3简述建立对象数学模型的主要方法。
一是机理分析法。
二是实验测取法（包括阶跃反应曲线法和矩形脉冲法）。
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.反映对象特性的参数有哪些？
各有什么物理意义？
它们对自动控制系统有什么影响？
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，它是描述对象静态特的参数。
放大系数K越大就表示对象的输入量有一定的变化时，对输入量的影响越大。
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，它是对象的一个重要的动态参数。
时间常数T越大表示对象受到干扰的作用后被控变量变化的越慢，到达新的稳定值所需要的时间越长。
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。
它是反映对象动态特性的重要参数。
自动控制系统中滞后的存在不利于控制，影响控制质量。
5.造成纯滞后和容量滞后的原因？
各对控制过程有什么影响？
对象的纯滞后是由于介质的输送和热的传递需要一段时间引起的。
在控制通道，如果存在纯滞后，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，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，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而引起的。
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。
6.已知一个对象为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。
（1）试写出描述该对象的微分方程；
（2）求出描述该对象的传递函数
解
（1）该对象的微分方程式数学模型为
式中y表示输出变量，x表示输入变量。
（2）将式[1]在零初始条件下，两端都取拉普拉斯变换，则有
则对象的传递函数为
第三章
1.什么是测量误差，测量误差的表示方法有哪两种，各其意义？
由仪表读得的被测值与被测量真值之间总是存在一定的差距，这一差距称为测量误差。
表示方法：
绝对误差和相对误差
绝对误差是指仪表指示值和被测量的真值之间的差值。
由于无法测得真值，故
x：
被校表的读数值，x0：
标准表的读数值
相对误差是指绝对误差与指示值的比。
2.仪表的相对百分误差
允许的相对百分误差
3.什么叫压力？
表压力、绝对压力、真空度、之间的关系？
压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。
P表压=P绝对压力—P大气压力
P真空度=P大气压力—P绝对压力
4.弹簧管压力计的测压原理是什么？
及其组成和测压过程。
P50
弹簧管压力计时利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。
组成：
（1）弹性元件，包括弹簧管、膜片、波纹管。
（2）弹簧管压力表
过程：
当通入被侧的压力P后,由于椭圆形截面在压力P的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形。
由于变形，使弹簧管的自由端B产生位移。
输入压力P越大，产生的变形也越大。
由于输入压力与弹簧管的自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量就能反映出压力P的大小。
5.霍尔片式压力传感器是如何利用霍尔效应实现压力测量的?
利用霍尔元件将由压力引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。
选定霍尔元件，并使电流保持恒定，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，由此可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移-电势的线性转换。
当被测压力引入后，在被测压力的作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。
P42
6.电容式压力传感器的工作原理是什么？
有何特点。
电容式压力传感器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。
当被测压力p1、p2分别加于左右两侧的隔离膜片时，通过硅油将压差传递到测量膜片上，使其向压力小的一侧弯曲变形，引起中央动极板与两边固定电极间的距离发生变化，因而两电极的电容量不再相等，而是一个增大，另一个减小，电容的变化量通过引线传至测量电路，通过测量电路的检测和放大，输出一个4~20mA的直流电信号。
特点：
过载后恢复性好，尺寸紧凑，密封性与抗震性好，测量精度较好。
7.如果某反应器最大压力为0.8MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。
现用一台测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？
若采用一台测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表，问能符合误差要求吗？
试说明其理由
解：
测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表的允许最大绝对误差为
已经超出了工艺上允许的最大绝对误差，故不能符合工艺上的误差要求。
若采用一台测量范围为0~1.0MPa，精度为1级的压力表，这时允许的最大绝对误差为
故能符合工艺上的误差要求。
8.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？
解：
最大绝对误差
在0.5MPa处，校验得到的绝对误差为0.508-0.5=0.008（MPa），此值小于该压力表的允许最大绝对误差，故在这一校验点符合1级精度
9.压力计安装时要注意什么问题？
p48
1.应安装在易观察和检修的地方
2.安装地点应避免震动和高温的影响
3.测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐。
（针对被测介质的不同性质要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施）
4压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。
5当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±Hρg进行修正。
式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。
6.为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。
10.什么叫节流现象？
流体经节流装置时为什么会产生静压差？
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。
11.试述差压式流量计测量流量的原理。
并说明哪些因素对差压式流量计的流量测量有影响？
差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的
由于流量基本方程是在一定的条件下推导而得的，这些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、雷诺数等），当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。
12.椭圆齿轮流量计的工作原理是什么？
为什么齿轮旋转一周能排出4个半月溶剂的液体体积？
p59
13.旋涡流量计的工作原理及特点p61
漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。
14.质量流量计分为直接式质量流量计和间接式质量流量计。
15.什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？
p68
16.电容式物位计的工作原理？
p69
17.热电偶的热电特性与哪些因素有关？
18.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？
由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。
茬实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，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贵重金属材料。
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，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。
19.热电偶的类型及所配用的补偿导线
热电偶名称
补偿导线
正极
负极
材料
颜色
材料
颜色
铂铑10-铂
铜
红
铜镍
绿
镍镉-镍铝
铜
红
铜镍
蓝
镍铬-铜镍
镍铬
红
铜镍
棕
铜-铜镍
铜
红
铜镍
白
20.用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿，其冷端温度补偿的方法有哪几种？
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在0℃的情况下得到的，而操作室的温度往往高于0℃且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然减小，测量值也随着温度变化而变化，故测量结果会产生误差。
所以要将冷端温度保持为0℃
冷端温度补偿的方法：
（1）冷端温度保持为0℃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。
21.热电阻的测温原理，常用热电阻的种类，R0各为多少？
热电阻的温度计是利用金属导体的电阻随温度变化而变化的特性来进行温度测量的，把温度的变化通过测温元件---热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。
种类：
铂电阻和铜电阻，R0各有两种，一种是R0=50，R0=100（R0为0℃时的电阻值）
22.有一台DDZ-III型两线制差压变送器，已知其测量范围为20~100kPa，当输人信号为40kPa和70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？
解当输入为40kPa时，其输出为
当输入为70kPa时，其输出为
23.图3-15所示的液位测量系统中采用双法兰差压变送器来测量某介质的液位。
已知介质液位的变化范围h=0~950mm，介质密度ρ=1200kg/m3，两取压口之间的高度差H=1200mm，变送器毛细管中填充的硅油密度为ρ1=950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。
图3-15液位测量系统
解
因此变送器量程可选0~16kPa。
负迁移量为
24.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25℃，求设备的温度？
如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？
解
（1）当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即
查表可得
因为
由此电势，查表可得t=509℃，即设备温度为509℃。
（2）若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。
查表可得
设备温度为509℃，查表可得
因为
即E热电偶测得的热电势为36.2mV。
25.测温系统如图3-17所示。
请说出这是工业上用的哪种温度计？
已知热电偶的分度号为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度tx为多少度？
（室温为25℃）
图3-17测温系统图
解这是工业上用的热电偶温度计。
查分度号E，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是由K热电偶产生的，即
查分度号K，可得
，由此可见，
由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。
第四章
控制器的控制规律是指什么？
常用的控制规律有哪些？
所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即
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。
2.什么是比例控制规律？
什么是比例控制的余差？
为什么比例控制会产生余差？
P116
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
（Kp为比例放大系数）Kp越大，比例控制作用越强
3.何谓比例控制器的比例度，它对控制过程有什么影响，选择比例度时要注意什么问题？
比例度是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，式子表示
e是输入变化量，p相应的输出变化量，xmax—xmin是输入的最大变化量，即仪表的量程，
pmax—pmin是输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。
比例度越大，其控制作用越弱。
4.双位控制规律是怎样的，有何优缺点？
-
双位控制的规律是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），即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。
优点：
结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。
缺点：
运动部件动作频繁，寿命较短。
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？
解根据比例度的定义
代人有关数据，得
可解得输出变化量△I0=2（mA）
6.什么是积分控制规律，为什么积分控制能消除偏差？
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
KI为积分比例系数。
当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减小）。
当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。
7.什么是积分时间TI？
它对控制过程的影响？
对控制器输入一个幅值为A的阶跃变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表时，当输出达到跃变值的两倍时，此时间就是TI
积分时间TI过大，积分作用不明显，余差消除很慢，积分时间TI过小，易于消除余差，但系统会震荡加剧。
8.什么是微分控制规律，为什么它不能单独使用？
微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输人偏差e的变化速度成正比，即
TD为微分时间
因为它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用。
9.写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。
10.分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。
第五章
1.气动执行器主要由哪两部分组成？
各起什么作用？
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换为阀杆位移的装置。
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.为什么说双座阀产生的不平衡力比单座阀的小？
由于流体流过的时候，作用于上下两个阀芯的方向相反而大小近于相等，可以相互抵消，所以不平衡力小。
3.分别说明什么叫控制阀的流量特性和理想流量特性？
常用的控制阀理想流量特性有哪些?
控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系，即
式中相对流量
是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量Qmax之比。
相对开度
是控制阀某一开度时的阀杆行程l与阀杆全行程L之比。
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。
常用的：
直线流量特性（曲线2）、等百分比（对数）流量特性（曲线4）、抛物线流量特性（曲线3）、快开特性（曲线1）。
图1---理想流量特性图线
4.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？
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
将上式积分得
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。
优点：
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。
5.什么叫控制阀的工作流量特性？
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控制阀的工作流量特性。
6.什么叫控制阀的可调范围，在串、并联管道中可调范围为什么会变化？
控制阀所控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值，称为控制阀的可调范围或可调比。
7.什么是串联管道中的阻力比s？
s值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？
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，所以控制阀在工作过程中，随着阀开度的变化，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，降在串联管道上的压差增加，从而使降在控制阀上的压差减少，因而流过控制阀的流量也减少。
所以随着s值减小，会使理想流量特性发生畸变，阀的开度越大，使实际流量值离开理想值越大。
具体来说，会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线特性。
8．什么是并联管道中的分流比x?
试说明x值的变化对控制阀流量特性的影响。
x值表示并联管道时，控制阀全开时流过控制阀的流量与总管的总流量之比。
当x=1时，说明流过控制阀的流量等于总管的流量，即旁路流量为零，如果这时阀的流量为理想流量特性，那么，随着x值的减少，说明流过旁路的流量增加。
这时，控制阀即使关死，也有一部分流体从旁路通过，所以控制阀所能控制的最小流量比原先的大大增加，使控制阀的可调范围减小，阀的流量特性发生畸变。
9.控制阀的旁路流量较大会出现什么情况？
10.什么叫气动执行器的气开式与气关式？
其选择原则是什么？
随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。
气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。
一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。
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