化工自动化课后题.docx

1、化工自动化课后题第1章第2章.自动控制系统基本概念1.什么是化工自动化？它有什么重要意义？答：在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，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。意义：（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品质量和产量。（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。（3)能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力。（4）改变劳动方式，提高工人文化水平，为逐步消灭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：自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制。3.闭环控制系

2、统和开环控制系统有什么不同？答：（1）闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短，适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。（2）开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高，响应时间相对来说很长，精确度不高，使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。4.自动控制系统主要有哪些环节组成？答：测量元件和变送器，调节器，执行器。(检测、运算、执行)。5.什么是管道及仪表流程图？答：管道及仪表流程图是自控设计的文字代号、图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计、施工中采用的一种图示方式。6.（1）307 表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表

3、为就地安装，工段号为3，仪表序号为07（2）303 表示同一工段的一台温度记录控制仪,，工段号为3，仪表序号为03，仪表安装在集中仪表盘面上。（3）305 表示一台流量记录控制仪，工段号为3，仪表序号为05，仪表安装在集中仪表盘面上。7.什么是自动控制系统的方框图，它与控制流程图有什么区别？答： 自动控制系统的方框图是控制系统或系统中每个环节的功能和信号流向的图解表示，是控制系统进行理论分析、设计中常用到的一种形式。它是由方框、信号线、比较点、引出点组成的；工艺流程上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致。8.在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？答：（1）测量变送装置

4、的作用是：测量液位的高低转化为一种特定的、统一的输出信号；（2）控制器的作用是：接受变送器送来的信号与工艺需要保持的液位高度相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去；（3）执行器的作用：能自动根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。9.试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量？答：(1)被控对象：在自动控制系统的组成中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器。(2)被控变量：在自动控制系统中，将需要控制的参数称为被控变量。（3）给定值：变送器的输出信号进入比较机构，与工艺上希望保持的被控变量数值。（4）操纵变量：具体实现控制作用的变量。10.什么是干

5、扰作用？什么是控制作用？是说明两者关系。答：干扰作用是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；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。12.什么是负反馈？负反馈在自动控制系统中的重要意义？答：系统的输出变量是被控变量，但是它经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量，y受到干扰的影响而升高时，只有负反馈才能使反馈信号升高，经过比较到控

6、制器去的偏差信号将降低，此时控制器将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，这样就达到了控制的目的。15.按给定值形式不同，自动控制系统可分为哪几类？答：（1）定制控制系统：给定值恒定的控制系统。（2）随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值随机变化的系统。（3）程序控制系统：给定值按一定时间程序变化的系统。16.什么是控制系统的静态与动态？为甚么说研究控制系统的动态比研究其静态更为重要？答：在自动化领域中，把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。其原因为：在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的

7、。17.何谓阶跃作用？为什么经常采用阶跃作用作为系统的输入作用形式？答：18.什么是自动控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？答：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。非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。19.为什么生产上经常要求控制系统的过渡过程具有衰减震荡形式？答：因为衰减震荡过程能够较快地使系统达到稳定状态。20.自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些？影响这些品质指标的因素是什么？答：自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期或频率。影响因素有被控对象的额性质，自动化装置的选择和调整。第2

8、章.过程特性及其数学模型1.什么是对象特性？为什么要研究对象特性？答：对象特性就是的对象的输出、-输入关系。研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系。当采用自动化装置组成自动控制系统时，首先也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数(也称控制器参数的工程整定)，使系统正常地运行。被控对象的特性对自动控制系统的控制质量的影响很大，所以必须对其深入研究。2.何谓对象的数学建模？静态数学模型与动态数学模型有什

9、么区别？答：用数学的方法描述出对象输入量与输出量之间的关系。静态数学模型描述的是对象在静态时的输入量与输出量之间的关系，动态数学模型描述的是对象在输入量改变以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。4.建立对象的数学模型有哪两类主要方法？答：（1）非参量模型：采用曲线或数据表格来表示。（2）参量模型：采用数学方程式来表示。5.机理建模的依据是什么？答：根据对象或生产过程的内部机理，列出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程及某些物性方程、设备的特性方程、化学反应定律、电路基本定律。6.何谓系统辨识和参数估计？答：应用对象的输人输

10、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。7.阶跃反应曲线法和矩形脉冲法的特点？答：阶跃曲线法是一种比较简易的动态特性测试方法。矩形脉冲法具有较高精度。8.反应对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？他们对自动控制系统有什么影响？答：描述对象特性的参数有放大系数K、时间常数T、滞后时间物理意义：K：反应的是对象处于稳定状态下的输出变化量和输入变化量之间的关系。T：系统在受到阶跃输入作用后输出达到稳定值的63.2%所需时间系统受到输入作用后，输出保持初始速度变化，达到稳定值所需时间。：是纯滞后时间o

11、和容量滞后c的总和纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。影响：对于控制通道。K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；K小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢，但K太大，会使控制作用对被控变量的影响国强，使系统稳定性下降在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，但过渡过程时间较长。若T小，则被控变量变化速度块，T太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此需根据实际情况适中考虑。由于的存在使控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质

12、量下降。因此，应尽量减小滞后时间。对于扰动通道，K大对控制不利，会使最大偏差增大，K小，对控制变量不会产生多大影响。T大扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制纯滞后不影响控制系统的品质，容量滞后的存在，使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和一些。因此，对系统有利。9.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

13、它是对象的一个重要的动态参数。滞后时间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。10.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或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，

14、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3章.检测仪表与传感器1.什么叫测量过程？答：测量过程实际上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。2.何谓测量误差？测量误差的表示方法？各是什么意义？答：（1）由仪表读的被测值与测量值之间，总是存在一定的差距，这一差距就称为测量误差。 （2）绝对误差：指仪表指示值和被测量的真值之间的差值，。 （3）相对误差

15、：某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值x0之比，0。3.何谓仪表的相对百分误差和允许的相对百分误差？答：（1）相对百分误差：绝对误差折合成仪表测量范围的百分数，=（测量范围上限值-测量范围下限值）100%。（2）允许的相对百分误差：在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值，允=仪表允许的最大绝对误差值/（测量范围上限值-测量范围下限值）100%。（3）变差：在同一被测参数值下，正反行程间仪表指示值的最大绝对差值与仪表量程之比的百分数。变差=最大绝对差值/（测量范围上限值-测量范围下限值）100%。（4）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之比值，/x。 （5

16、）线性度：实际测得的输入-输出特性曲线（称为校准曲线）与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数，仪表量程100%。4.何谓仪表的精度等级？答：将仪表的允许相对误差去掉号及%号，便可以用来确定仪表的精度等级。（0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0）7.压力：均匀垂直的作用在单位面积上的力。绝对压力是物体所受的实际压力。 表压力=绝对压力-大气压力； 真空度=大气压力-绝对压力8.为什么一般工业上的压力计做成测表压或真空度，而不做成测绝对压力的形式？答：因为各种工艺设备和测量仪表是处于大气之中，本生就承受着大气压力。9.测量仪表有

17、哪几类？各基于什么原理？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）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。（3）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。（4）活塞式压力计：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。10.作为感受压力的弹性元件有哪几种？各有什么特点？答：（1）弹簧管式弹性元件：测压范围宽。（2）薄膜式弹性元件：压力作用下能产生变形。（3）波纹管式弹性元件：易于变形，位移很大。11.弹簧管压力计的测压原理是什么？主要组成及测压过程。答：（1）弹簧管压

18、力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，使其自由端产生相应的位移，只要测出弹簧管自由端位移的大小，就能反映被测压力p的大小。（2）组成：弹簧管、放大机构、指针、表盘、游丝、调整螺钉。（3）弹簧管压力计测压过程为：用弹簧管压力计测压时，压力是弹簧管产生很小的位移量，放大机构将这个很小的位移量放大从而带动指针在表盘上指示当前的压力值。13.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？答：选定了霍尔元件，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，所感受到的磁感应强度也不同，这样就可以得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移-电势的线性转换。14.应变片式和压阻式压力计各采用什么

19、测压元件？答：电阻应变；单晶硅压阻效应。15.电容式压力传感器的工作原理是什么？有何特点？答：当差动电容传感器的中间弹性膜片两边压力不等时，膜片变形，膜片两边电容器的电容量变化，利用电压器电桥将电容量的变化转换为电桥输出电压的变化，从而反应膜片两边压力的差异（压差）。输出信号与压差成正比，适用范围广，结构简单、过载能力好、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便。16.简述智能型变送器的组成和特点。答：（1）传感器、微处理器、存储器及模数、数模转换器（2）特点是可进行远程通信。利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。通过编译各种程序，使变送

20、器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程，促使变送器与计算机、控制系统直接对话。17.手持通信器在智能型变送器中起什么作用？答：(1)组态：组态可分为两部分。首先，设定变送器的工作参数，包括测量范围、线性或平方根输出、阻尼时间常数、工程单位选择；其次，可向变送器输入信息性数据，以便对变送器进行识别和物理描述，包括给变送器指定工位号、描述符等。（2）测量范围的变更：当需要改变测量范围时，不需到现场调整。（3）变送器的校准：包括零点和量程的校准。（4）自诊断：当出现问题时，手持通信器可以询问变送器，确定问题所在。18.应变片式和压阻式压

21、力计各采用什么测压元件？答：(1)应变片阻值的变化，通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力。（2）当压力变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。19.电容式压力传感器的工作原理是什么？有何特点？答：（1）当被测压力p1、p2分别加于左右两侧的隔离膜片时，通过硅油将差压传递到测量膜片上，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4-2

22、0的直流电信号。（2）是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便的优点。21.为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有何问题？ 答：（1）为了延长仪表使用寿命，避免弹性元件因受力过大而损坏，压力计的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值，但必须考虑实际测量时的误差，仪表的量程不宜选得过大。（2）由于仪表的基本误差m由其精确度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其值是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值会增大测量误差。26.压力计安装要注意什么问题？答：（1）压力计应安装在易观察和检修的地方

23、。（2）安装地点应力求避免振动和高温影响。（3）测量蒸汽压力时，应加装凝视液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件的接触；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的压力测量。（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Hg进行修正。（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。29.什么叫节流现象？流体经节流装置时为什么会产生静压差？答：（1）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

24、压力产生差异的现象。（2）流体经节流装置时，由于节流装置前后流体截面的改变，造成流体流速的改变，从而产生节流装置的压力差。32.什么叫标准节流装置？答：把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，称为标准节流装置。第4章.自动控制仪表1.什么叫控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？答：控制器的控制规律就是指p与e之间的函数关系，及（e）（）。位式控制（其中以双位控制比较常用）、比例控制（P)、积分控制(I)、微分控制(D)及它们的组合形式，如比例积分控制（）、比例微分控制（)、比例积分微分控制（)。2.双位控制规律是怎样的？有何优缺点？答：双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时，

25、控制器的输出最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出值为最小（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。结构简单、成本较低、易于实现。答：（1）对于具有比例控制规律的控制器，其输出信号p与输入信号e之间成比例关系，即e。（2）控制过程结束后，新稳态值与给定值之间的差值就叫余差。（3)产生余差的原因：比例控制器的输出信号p与输入偏差e之间成比例关系：e为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。4.何谓比例控制的比例度？答：所谓比例度就是控制器

26、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，即=（）（）100%。e为输入变化量；p为输出变化量；为仪表的量程；为控制器的工作范围。6.比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？选择比例度要注意什么问题？答：(1)控制器的比例度越小，它的放大倍数就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用能力的强弱通过调整比例度实现。（2）为了减小余差，就要增大放大系数（即减小比例度），但这会使系统稳定性变差。比例度越大，过滤过程曲线越平稳，但余差也越大；比例度越小，则过滤曲线越振荡。工艺生产通常要求比较平稳而余差又不太大的过程，一般地说，若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍

27、数较小时，控制器的比例度可以选的小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些；反之，比例度就要选的大些以保证稳定。7.为什么积分控制能消除余差？答：，当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减少）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而积分控制能消除余差。8.什么是积分时间？积分时间对控制过程的影响。答：（1）积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。（2）在实际的控制器中，常用积分时间来表示积分作用的强弱，在数值上，1Ki。显然，越小，Ki就越大，积分作用就越强，反之亦然。10.为什么微分控制不能单

28、独使用？答： ，微分控制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。11.比例积分微分控制规律的数学表达式？答：（1 ）12.分析比例、积分、微分控制规律的各自特点？答：（1）比例控制的优点是反应快，控制及时，但是存在余差。（2）积分控制无余差，但控制动作缓慢，会出现控制不及时。（3）微分控制能超前控制，但不能单独使用。13.电动控制器型有何特点？答：（1）采用国际电工委员会（）推荐的统一标准信号，现场传输出信号为4-20，控制室联络信号为1-5，信号电流与电压的转换电阻为250欧姆，这种信号的优点如下。电气零点不是从零

29、开始，且与机械零点重合，不但利用了晶体管的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。只要改变转换电阻阻值，控制室仪表便可接收其它1:5的电流信号。因为最小信号电流不为零，为现场变送器实现两线制创造了条件。（2）广泛采集运算放大器电路，可靠性提高，维修工作量减小，为仪表带来了如下优点由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高。由于集成运算放大器有高增益，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到提高。由于采用了集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。（3）型仪表统一由电源供给24电源，并有蓄电池作为备用电源，这种供电方式优点而下：各单元省掉了电源变压器，没

30、有工频电源进入单元仪表，既解决了仪表发热问题，又为仪表的防爆提供了有利条件。在工频电源停电时备用电源投入，整套仪表在一定时间内仍可照常工作，继续进行监视控制作用，有利于安全停车。（4）结构合理，与之型有许多先进之处，主要表现在：基型控制器有全刻度指示控制器和偏差指示控制器，指示表头为100刻度纵形大表头，指示醒目，便于监视操作。自动、手动的切换以无平衡、无扰动的方式进行。结构形式适于单独安装和高密度安装。有内给定和外给定两种给定方式。（5）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。14.型控制器有哪几部分组成？各组成部分的作用是什么？答：输入电路、给定电路、运算电路、自动与手动切换电路、输出电路及指示

31、电路。17.数字式控制器的主要特点是什么？答：（1）实现了模拟仪表与计算机一体化。（2）具有丰富的运算控制功能。（3）使用灵活方便，通用性强。（4）具有通讯功能，便于系统扩展。（5）可靠性高，维护方便。18.简述数字式控制器的基本构成及各部分的主要功能。答：（1）基本构成：硬件电路：主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机接口电路以及通信接口电路。软件：系统程序和用户程序。（2）主要功能：主机电路：用于实现仪表数据运算处理及各组成部分之间的管路。过程输入通道：模拟量输入通道用于连接模拟量输入信号，开关量输入通道用于连接开关量输入信号。过程输出通道：模拟量输出通道用于输出模拟信号，开关量输出通道用于输出开关量信号。人机联系部件：正面板有测量值和给定值显示器，输出电流显示器，运行状态切换按钮，给定值增减按钮盒手动操作按钮等，还有一些状态指示灯。侧面板则有设置和指示各种参数的键盘、显示器。通信接口电路：通信接口将欲发送的数据转换成标准格式的数字信号，经发送电路送至通信线路上，同时通过接收电路接收来至通信电路的数字信号，将其转换成能被计算机接收的数据。系统程序：监控程序使控