化工仪表及自动化总复习题目及答案.docx

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化工仪表及自动化总复习题目及答案

10131313钟晓帆化工仪表及自动化总复习习题及答案

第一章自动控制系统基本概念

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、常用概念

1.化工自动化的主要内容：

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。

2.自动控制系统的基本组成:

被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。

3.被控对象：

在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。

4.被控变量：

过程内要求保持设定数值的物理量。

5.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。

6.干扰作用：

指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用。

7.设定值：

被控变量的设定值。

8.偏差：

个别测定值与测定的平均值之差。

9.闭环系统：

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。

10.开环系统：

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。

11.控制系统的过渡过程：

一个控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。

12.反馈：

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。

13.负反馈：

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。

14.正反馈：

反馈信号的作用方向与设定信号相同，反馈信号使原来的信号增强，这种反馈叫做正反馈。

三、问答题

1.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。

答：

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。

2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式?

其中哪些形式能基本满足控制要求？

答：

发散振荡过程

非振荡发散过程

等幅振荡过程

衰减振荡过程

非振荡衰减过程。

在上述五种过渡过程形式中，非振荡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。

但由于非振荡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。

3.试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。

答:

最大偏差（超调量）：

在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。

衰减比：

表示衰减程度的指标。

余差：

当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差。

过渡时间：

从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。

振荡周期（振荡频率）：

过渡过程同向两波峰之间的间隔时间。

4.什么是控制系统的方块图？

它与工艺管道及控制流程图有何区别？

答：

自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

其中：

每一个方块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特征的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。

采用方块图可直观的显示出系统中各组分部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。

在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同。

5.在自动化系统中，仪表符号由哪几部分组成，各表示什么意义？

答：

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。

四、选择题：

1．反馈调节系统（C）闭环系统。

A.不一定是B.肯定不是C.肯定是D、无法判断

2．定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统是按什么来划分的（C）。

A.按自动调节系统的结构B.按自动调节系统的特性

C.按给定值变化的规律D.调节系统的结构

3.在研究动态特性时可以将（C）看作系统对象环节的输入量。

A.干扰作用；B.控制作用；C．干扰作用和控制作用；D．测量仪表的信号

4.在下列仪表号位中表示有报警作用的字母为（C）

A、“C”B、“H”C、“A”D、“I”

5.控制系统在阶跃干扰作用下的几种过渡过程中，那种震荡过程是最希望出现的震荡过程（B）

A、非周期衰减过程B、衰减震荡过程

C、等幅震荡过程D、发散震荡过程

6.下列哪些参数不是表示过渡过程品质好坏的指标（A）

A、变差B、余差C、最大偏差D、衰减比

7.关于调节系统方块图的说法，不正确的是（B）。

A.一个方块代表一个设备；B.方块间的连线代表的是方块间物料关系；

C.方块图上的线条及箭头方向不一定与流体流向一致

D.方块间连线只代表信号关系

8.控制系统的反馈信号使得原来信号增强的叫做（B）。

A.负反馈B.正反馈C.前馈D.回馈

9.某换热器的温度控制系统（设定值是40℃）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图6所示。

则该系统的余差、衰减比、最大偏差是（B）。

A、1、4:

1、4

B、1、4:

1、5

C、1、5:

2、5

D、1、5:

1、4

五、填空题：

1.自动化装置是由测量元件与变送器、自动控制器、执行器、等环节组成。

2．描述控制系统的品质指标的参数有最大偏差或超调量、衰减比、余差、过渡时间、震荡周期或频率等。

六、综合题：

1.某发酵过程工艺操作温度为（40±2）︒C。

考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离设定值最大不能超过6︒C。

先设计一定值控制系统，在阶跃扰动系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入±2%新稳态值即达到稳定来确定）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？

图5

解：

由反应曲线可知：

最大偏差：

余差：

衰减比：

第一个波峰值

第二个波峰值

过渡时间：

由题要求，被控变量进入新稳态值的

就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围应是

由图可看出，过渡时间

振荡周期：

作业21．某化学反应器工艺规定操作温度为（900士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1-19所示。

试求该系统的过渡过程品质指标：

最大偏差、超调量、衰减比和振荡周期，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？

解：

最大偏差：

超调量：

由于

所以，衰减比

余差

振荡周期

所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。

第二章过程特性及数学模型

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τ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、常用概念

1.被控对象的数学模型：

被控对象的动态特性的数学表达式，即被控对象的输出（被控量）在输入量（控制量和扰动量）作用下变化的数学函数关系式。

2.通道：

由对象的输入变量至输出变量的信号联系。

3.被控对象的放大倍数：

如果有一定的输入变化量

通过对象就被放大了

倍变为输出变化量

，则

称被控对象的放大倍数。

4.被控对象的时间常数：

对象受到干扰后，被控变量达到新的稳态值所需要的时间。

5.被控对象的滞后时间：

纯滞后（输出变化落后于输入变化的时间）与容积滞后（因物料或能量传递需要一定时间而引起的输出变化迟缓）之和。

三、选择题

1.一般认为，经过（A）时间后，动态过程便结束了。

A.3T；B.T；C.5T；D．10T

2.在描述对象特性参数的滞后时间时,下列说法错误的是（C）。

A.传递滞后又称为纯滞后；

B.容量滞后一般是由于物料和能量传递需要通过一定的阻力引起的；

C.容量滞后是有些对象在受到阶跃输入后，再经过一段时间时间后被控变量才开始变化；

D.滞后时间包括可分为容量滞后和纯滞后时间。

四、填空题

1.目前求取过程数学模型的方法有两种。

其中一种是根据过程的内在机理，通过物料和能量平衡关系，用机理建模的方法求取过程的数学模型。

2.描述对象特性的三个参数是放大系数、时间常数和滞后时间，如果时间常数越大，系统的响应速度越慢，系统的稳定性越好。

3.过程特性是指被控过程的被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间变化的规律。

4.由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力导致的滞后称为容量滞后。

五、综合题：

1.为了测量某物料干燥筒的对象特性，在T＝0时刻突然将加热蒸汽量从25m3/h增加到28m3/h，物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图所示。

试求出该对象的特性。

已知流量仪表量程为0～40m3/h，温度仪表为0～200℃

图干燥筒的阶跃响应曲线

解：

由阶跃应曲线可看出该回想具有一阶纯滞后特性：

放大倍数

时间常数

滞后时间

作业11.已知一个对象特性是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，试写出描述该对象特性的一阶微分方程。

解：

根据题意可知

则起一阶微分方程为:

第三章检测仪表与传感器

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DDZ-Ⅲ型显示仪表的基本结构及原理。

二、常用概念

1.精度：

测量值与真值的接近程度。

2.绝对误差：

指仪表指示值

与被测量的真值

之间的差值，可表示为

。

3.相对误差：

某一点的绝对误差

与标准表在这一点的指示值之比

，可表示为

。

4.相对百分误差：

绝对误差折合成仪表测量范围的百分数，可表示为

。

5.允许相对误差：

在正常情况下允许的最大误差，可表示为

。

6.仪表精度等级：

用来统一规定仪表的精确度等级。

7.灵敏度：

仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值，可表示为

。

8.灵敏限：

指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。

9.分辨力：

指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。

10.线性度：

表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。

11.反应时间：

用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。

三、问答题：

1.工业压力计按敏感元件通常可以分为哪几种类型？

试简述各种压力计的工作原理。

答:

（1）液柱式压力计：

根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的；

（2）活塞式压力计：

根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量来进行测量的；

（3）弹性式压力计：

将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的；

（4）电气式压力计：

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。

2.试述压力计选型的主要内容及安装注意事项。

答：

（1）仪表类型选择：

类型选用必须满足工艺生产要求。

（2）量程与盘面选择：

根据操作中需测量的参数大小来确定。

（3）精度选择：

根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定。

注意：

取压位置与隔离。

3.试述流量计的分类及其工作原理。

答：

（1）速度式流量计：

以测量流体在管道内的流速作为测量的依据来计算流量。

（2）压差流量计：

基于流体流动的节流原理，在节流面积不变的情况下，以压差变化来反应流量的大小。

（3）转子流量计：

以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。

（4）电磁流量计：

根据电磁感应定律，在非磁性管道中，利用测量导电流体平均速度而显示流量。

（5）超声波流量计：

利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。

（6）涡轮流量计：

利用在一定流量范围内，对一定的流体介质黏度，涡轮旋转的角速度与流体的流速成正比来反应流量。

（7）容积式流量计（齿轮流量计、活塞流量计）：

利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。

（8）质量流量计：

以流体流过的质量M为依据计算流量。

（9）间接质量流量计：

通过测量体积流量和流体密度经计算得出质量流量，这种方式又称为推导式。

（10）直接质量流量计：

由检测元件直接检测出流体的质量流量。

4.试述物位计的分类及其工作原理。

答：

（1）直读式物位计：

主要有玻璃管液位计，玻璃板液位计。

（2）浮力式物位计：

利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子的浮力随液位高度而变化的原理工作。

（3）压差式物位计：

利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理工作。

（4）电磁式物位计：

使物位的变化转换为一些电量的变化，通过测量这些电量的变化来测知物位。

（5）核辐射式物位计：

利用辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理工作。

（6）超声波物位计：

由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波的反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。

（7）光电式物位计：

利用物位对光波的遮断和反射原理工作。

5.试述温度测量仪表的种类及其工作原理。

答：

（1）接触式温度计：

测温元件与被测介质直接接触，两者进行充分的热交达测温目的。

①膨胀式温度计：

根据物体受热时体积膨胀的原理工作。

②玻璃液体温度计：

当温度变化时，玻璃球中的液体体积会发生膨胀或收缩，使进入毛细管中的液柱高度发生变化，从刻度上可指示出温度的变化。

③双金属温度计：

利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。

④压力式温度计：

根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化的原理工作。

⑤热电偶温度计：

根据热电效应原理工作。

⑥热电阻温度计：

根据导体或半导体电阻值随温度的变化关系的原理工作。

（2）非接触温度计：

测温元件与被测介质不接触，通过辐射或对流实现热交换来测温。

①辐射温度计：

根据物体辐射的能量来测量温度。

②红外温度计（光电温度计、热电温度计）：

一切温度高于零度的物体都在不停向周围四周发出红外辐射能量。

四、选择题：

1．1.5级仪表的精度等级可写为：

（A）

A.1.5级B.±1.5级C.+1.5级D.1.5

2.下列不属于节流装置的是（D）。

A、孔板；B、喷嘴；C、长径喷嘴D、阿纽巴管

3．温度越高，铂、镍、铜等材料的电阻值越（A）。

A.大B.小C.不变D.不一定

4．双金属温度计的感温元件，测量温度时必须是（B）

A浸液1/2；B全部浸液；C浸液2/3；D浸入任何长度

5.关于压力计安装的描述错误的是（A）

A.要选择测量介质拐弯处安装；

B.测量流动介质时，应使取压点与流动方向垂直安装；

C.测量液体压力时，取压点应安装在管道下部；

D.测量蒸汽压力时应安装凝液管。

6.下列仪表中属于恒压降的仪表是（D）。

A.孔板流量计B.文丘里管式流量计

C.电磁流量计D.转子流量计

7.在下列物位检测仪表中，能够检测出两种不同液体界面的仪表是（C）

A.压差式物位仪表B.压力式物位仪表

C.电容式物位仪表D.称重式液罐计量仪

8.在下列物位检测仪表中，不与被测物体发生实际接触并可以检测物位的仪表是（B）。

A.称重式液罐计量仪B.核辐射物位仪表C.压差式物位仪表D.电容式物位仪表

9.在下列工业用流量计中，属于容积式流量计的是（C）。

A.转子流量计B.电磁流量计

C.椭圆齿轮流量计D.科里奥利力式流量计

10.测量稳定压力时，被测介质的最大工作压力不得超过仪表量程的（C）。

A.1／2；B.1／3；C.2／3；D.3／5

11.关于压力测量仪表的下列描述中，错误的是（D）。

A.液柱式压力计是根据流体静力学的原理，将被测压力转换成为液柱高度进行测量的；

B.弹性式压力计利用弹性元件变形的位移进行测量的；

C.电气式压力计是将压力转换为电量来进行测量的；

D.活塞式压力计是将压力转换为活塞位移来进行测量的。

12.热电偶信号，在采集过程中，实质上是（C）。

A电流信号；B热电阻信号；C电压信号；D数字信号。

13.关于温度检测仪表的下列描述中错误的是（C）。

A.玻璃管温度计属于膨胀式温度计的一种；

B.测量的温度大于600度的温度计为高温计；

C.热电偶是由两种不同的金属材料构成的，不同材料构成的热电偶在相同的触点温度下所产生的电势相同；

D.在热电偶回路中引入第三种导线对热电偶所产生的电势无影响。

14.热电偶输出电压与（B）有关。

A.热电偶两端温度B.热电偶两端温度和电极材料

C.热电偶热端温度D.热电偶两端温度、电极材料及长度

15.镍铬－镍硅热电偶的分度号是（C）。

A、EB、SC、KD、B

16.关于用热电偶与补偿导线配接进行温度测量时，以下说法不正确的是（C）

A、热电偶与补偿导线应该配接

B、补偿导线也有极性

C、采用了补偿导线后可以不进行冷端温度补偿

D、在一定温度范围内，热电偶与补偿导线有近似相同的热电特性

17.一台安装在设备内最低液位下方的压力式液位变送器，为了测量准确，压力

变送器必须采用（A）。

A、正迁移B、负迁移C、无迁移D、不确定

18.差压式液位计进行负向迁移后,其量程（C）。

A、变大B、变小C、不变D、视迁移大小而定

19.用电容式液位计测量导电液体的液位时，介电常数是不变的，那么液位变化

相当于（C）在改变。

A、电极电容B、电极电感C、电极面积D、电极能量

20.一台1151压力变送器量程范围为0～3OOkPa，现零位正迁50％，则

仪表的量程为（B）。

A．150kPaB．300kPaC．450kPaD．250kPa

五、填空题

1.某温度表的精度为0.5级，其测量下限是50℃，上限是850℃。

则此表的量程是800℃；测量范围是50~850℃；允许相对百分误差是±0.5%；最大绝对误差是4℃。

2.热电偶温度计中常用的冷端温度补偿方法有冷端温度保持0℃、冷端温度修正法、校正仪器零点法、补偿电桥法、补偿热电偶法五种。

3.弹簧管压力表是利用输入压力产生_位移量与被测压力相平衡来测量的。

4.差压式流量计是利用节流_原理测量流量的。

5.电容式差压变送器的测量部分是先将压差转变成位移，然后再变成_电容量变化作为转换部分的输入。

6.液位变送器测量进行零点迁移时只改变_测量范围_，不改变量程。

7.在常用的热电偶温度计中，精度较高的是S热电偶，线性最好的是K热电偶，灵敏度较高的是E热电偶。

8．常用的热电阻材料是金属铜和铂，分度号是cu-50、cu-100，pt-10、pt-100，线性好的是铜热电阻，它适于测量较低温度。

9.热电偶是基于热点效应原理工作的。

六、综合题：

1.热电偶测温时，使用补偿导线的目的是什么？

它能否进行冷端温度补偿？

如不能应如何处理？

答：

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。

但实际应用中，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“偿导线”。

补偿导线不能进行冷端补偿，因为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，冷端温度还不是0摄氏度。

进行冷端温度补偿的方法有以下几种：

（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。

2.某压力仪表的测量范围是100～1100Pa，其精度为0.5级，则这台表的量程是多少？

允许相对百分误差是多少？

最大绝对误差是多少？

解：

量程为

基本误差有仪表的精度可知

最大绝对误差为：

允许误差为

3.一台测温仪表，其测温范围为0～300℃，已知其最大绝对误差为±2℃，则其精度等级为多少？

解：

依题意得，

仪器的相对百分误差为：

因此，其精度等级为1.0级

4.有一台测压仪表，其标尺范围为0～400KPa，要求测量时最大绝对误差不超过5KPa，则应该选择精度等级为多少的仪表才能满足要求。

解：

依题意得，

仪器的相对百分误差为：

所以应该选择1.0级的仪表才能满足要求。

作业20．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

在校验点为0.5MPa处，校验得到的绝对误差为：

在

范围之内，所以被校验压力表在这一点符合1级精度。

第四章自动控制仪表

一、基本要求

1．掌握各种基本控制规律及其特点。

2．熟悉比例度、积分时间、微分时间对控制系统的影响。

3．了解DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型控制器的特点和基本组成。

二、常用概念

1.基地式控制仪表:

由检测器和显示器组装成的一个整体，同时具有检测，控制，显示等功能的仪表。

2.单元组合式控制仪表：

根据其功能不同分成若干单元，每个单元只完成其中一种功能。

3.控制器的控制规律：

控制器的输入信号与输出信号之间的关系。

4.双位控制：

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。

5.放大倍数KP：

是一个可调的放大倍数，它决定了比例控制作用的强弱。

6.比例度δ：

指控制器输入变化相对值和相应的输出变化相对值之比的百分数。

7.无干扰切换：

指在自动-手动切换时，控制器输出不变，因此生产过程不会有扰动。

三、问答题