化工仪表及自动化答案（第五版终极版）

第一章 自动控制系统基本概念

4.自动控制系统主要由哪些环节组成？

答：主要由测量与变送器 、自动控制器、执行器、被控对象组成。

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：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被控对象。

生产过程中所要保持恒定的变量，在自动控制系统中称为被控变量。

工艺上希望保持的被控变量即给定值。

具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。

12.什么是负反馈？负反馈在自动控制系统中有什么重要意义？

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。

11.图1-18所示试画方框图，并指出该系统的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？

Tsp - 干扰 T

x e p q

Z

被控对象：反应器 被控变量：反应温度 操纵变量：冷却水流量：干扰变量A、B的流量、温度。

13.结合11题，说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。

当被控变量反应温度上升后，反馈信号升高，经过比较使控制器的偏差信号e降低。此时，控制器将发出信号而使控制阀的开度变大，加大冷却水流量，从而使被控变量下降到S.P。所以该温度控制系统是一个具有反馈的闭环系统。

14.图1-18所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控制变量影响的？

当反应器的温度超过给定值时，温度控制器将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来。这样便可以通过控制作用克服干扰作用对被控变量的影响。

15.按给定值形式不同，自动控制系统可分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

18.什么是自动控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？

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。

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。

第二章 过程特征及数学模型

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？

描述对象特性的参数有放大系数K、时间常数T、滞后时间г

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。

г：是纯滞后时间гo和容量滞后гc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г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，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间г。

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г是对象的动态特征？

在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出。这种特性称为对象的静态特征，而K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比，所以放大系数是对象静态特性。时间常数T和滞后时间г都描述的是达到稳态值前的过程，故是对象的动态特性。

第三章 检测仪表与传感

3.何谓仪表的相对百分误差和允许的相对百分误差？

答：相对百分误差是指绝对误差中的最大值Δmax与仪表量程的百分比。

允许的相对百分误差是仪表在规定的正常情况下允许的相对误差的最大值。

4.何谓仪表的精度等级？

答：将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。 目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。

11.弹簧管压力计的测压原理是什么？

答：它的测压原理是将被测压力通入弹簧管后，由于弹簧管的变形使其自由端发生位移，放大后就可以由指针在仪表盘上指示出相应的压力值。

14.应片式压力计与电阻式压力计各采用什么测压元件？

答：应片式压力计：电阻应变片

电阻式压力计：单晶硅片

15.电容式压力传感器的工作原理？有何特点？

答:它的工作原理是将弹簧管的位移转换成电容量的变化，将被测膜片作为电容器的可动极板，与固定极板组成可变电容器。当被测压力改变时由于被测膜片的弹性变形产生位移，改变两极板之间的距离。造成电容量的变化。

特点：结构紧凑，灵敏度高，过载能力大，重量轻，使用方便。

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。

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。

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。

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.试述化工生产中测量流量的意义？

答：在化工生产中，测量流量，以便为生产操作和控制提供依据，使产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。

30.试述差压式流量计的测压原理，影响因素？

答：它的测压原理是基于流体流动的节流原理，利用流体经过节流装置产生的压力差来实现流量测量的，当流体流经节流件时，会发生流速的改变，便会产生差压，在一定条件下，流量与节流件前后的差压有一定的单位对应关系。

影响因素;1)节流装置安装不正确；

2)倒压管安装不正确或出现堵塞、渗漏等现象；

3）差压计安装或使用不正确；

4）板孔入口边缘的磨损；

5）被测流体工作状态的变动。

35.转子流量计的工作原理？

答:它的工作原理是流体流过环系的时候，节流作用使浮子上下表面产生压力差形成上升力，它与浮力合力使浮子向上运动，当上升力与浮子本体重量相等的时候，浮子平衡在一个位置，浮子平衡高度与流体流量的对应关系，这个高度代表流量的大小。

40．椭圆齿轮流量计的特点是什么？

答：椭圆齿轮流量计的特点是：测量精度高、对流体黏度变化不敏感，特别适用于测量高黏 度的流体流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，一般不宜在高温或低温下使用。

44.质量流量计有那两大类？

答：一种是直接式质量流量计，即直接测量流体的质量流量；

另一种是间接式或推倒式质量流量计，这类质量流量计是利用体积流量计和密度计组合来测量质量流量的。

59.常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是啥？说明使用补偿导线注意那几点？为啥使用补偿导线？

答：铂铑30-铂铑6热电偶、铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬-考铜热电偶、铜-康铜热电偶；所配用的补偿导线是铜-镍铜；注意：1）补偿导线与热电偶型号匹配；2）正负极对应，不能接反；3）新冷端温度恒定，原冷端和新冷端温度在0-100摄氏度范围内。

原因：由热电偶测温原理知道，只有热电偶冷端温度恒定时热电势才是被测温度的单值函数，但由于热电偶的工作端和冷端离的很近，而且冷端暴露在空间，容易受到周围环境温度的影响，所以很难保持冷端温度恒定，当然可以做的热电偶很长，但消耗过多金属材料，太浪费，解决这个问题的方法是使用一种专用导线称“补偿导线”。

60.用热电偶测温时，为啥进行冷端补偿？补偿方法有哪几种？

答：采用补偿导线后，把冷端从高温或不稳定的地方延伸到低温关系稳定的操作室中，由于操作室的温度一般高于0摄氏度，故冷端温度还是不能保持0摄氏度恒定，由于工业上常用的热电偶冷端温度均为0度，同时所用仪表也是按照这种关系配套的，因此计算结果还是有很大误差的，因此必须对其修正，保证冷端温度0度恒定。即冷端温度补偿。

方法：1）冷端温度保持0度恒定的方法；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。

62.用热电偶测温时，为什么要进行冷端补偿？其冷端补偿的方法有哪几种？

答：采用补偿导线后，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0℃。而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是冷端温度保持为0℃的情况下得到的，与它配套的使用的仪表也是根据这一曲线进行刻度的，由于操作室的温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，要进行冷端补偿。

补偿方法：（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

65.试述热电阻测温原理？常用热电阻种类？R0各为多少？

答：利用金属材料的电阻随温度的改变而改变的特性测温的。常用的热电阻有铂电阻和铜电阻 Pt50 Pt100 Cu50 Cu100 （R0=50、100）

第四章 自动控制仪表

1.什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？

答：所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号P与输入偏差信号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．比例控制规律是怎样的？

答：控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系，即p=Kp*e,式中，Kp为比例放大系数。

4.何谓比例控制器的比例度？

所谓比例度就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。

6.比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？选择比例度时要注意什么问题？

比例度δ和放大倍数Kp都能表示比例控制器控制作用的强弱。只不过Kp越大，表示控制作用越强，而δ越大，表示控制作用越弱。

7．试写出积分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消除余差？

答：表达式为KI∫edt P为输出变化量，e为输入偏差，KI为积分速度。

因为有偏差存在时，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，所以积分控制能消除余差。

8.什么是积分时间Ti？试述积分时间对控制过程的影响。

积分时间是积分速度的倒数Ti=1/Ki

积分时间Ti越短，Ki越大，积分作用越强，过渡时间越短，因而易于消除余差；反之亦然。

10.理想微分控制规律的数学表达式是什么？为什么微分控制规律不能单独使用？

P=Td（de/dt）

微分控制规律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，所以不能单独使用这种控制器。

11.试写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。

p=Kp（e+（1/Ti）∫edt+ Td（de/dt））

12.试分析比例、几份、微分控制规律各自的特点。

比例控制规律：反应快，控制及时；当系统的负荷改变时，控制结果有余差；

积分控制规律：控制缓慢，但能消除余差；

微分控制规律：有一定的超前控制作用，能抑制系统的振荡，增强稳定性。

第五章 执行器

1.气动执行器主要由哪些部分组成？各起什么作用？

答：气动执行器主要由执行机构和控制结构两部分组成。

执行机构的作用：是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器发出）压力的大小产生相应的推力，，推动控制结构动作，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。

4.常用的控制阀理想流量特性有哪些？

1）直线流量特性2）等百分比（对数）流量特性3）抛物线流量特性4）快开特性

11.什么叫气动执行器的起开式与气关式？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择气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的选择气关式。

13.什么是控制阀的流量系数Kv？

控制阀的流量系数Kv的定义为：当阀的两端压差为100kPa，流体密度为1g/立方厘米，阀全开时，流经控制阀的流体流量（以立方米/h表示）。

第六章 简单控制系统

4.什么叫直接控制指标和间接控制指标？各用在什么场合？

答：直接控制指标：被控变量本身是需要控制的工艺指标。

间接控制指标：工艺中本应作为被控变量的量缺乏获取信号的检测手段，或虽然能测，但信号微弱或滞后很大，这时选取与指标有对应关系的另一变量。

尽量采用直接控制指标，只有被控变量无法直测才考虑间接指标。

5.被控变量选择原则是什么？

答：（1）被控变量应代表一定化工工艺操作指示。

（2）是工艺生产过程中经常变化，要因而频繁控制的变量

（3） 考虑和理性，常选择温度作为被控变量。

（4） 被控变量应可测量，具有较大灵敏度

（5） 被控变量是单独控制的

（6） 应考虑工艺的合理性与经济性

7.操纵变量的选择原则是什么？

操纵变量的选择原则

（1） 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。

（2） 操纵变量能克服其他干扰来平衡被控变量。

（3）操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏，为此应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大系统适当大，时间常数适当小（不宜过小，否则引起振荡）。纯滞后时间尽量小，为使其他干扰对被控变量的影响减小，并使干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数尽可能大。

（4）在选择操纵变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性和经济性。 9.比例控制器，比例积分控制器，比例微分控制器的特点分别是什么？各适用于什么场合？

答：比例控制器特点：输出信号与输入信号成比例。适用于对象控制通道滞后较小，负荷变压不大，对控制器要求不高的场合。

比例积分控制特点：输出信号与输入信号成比例，并与输入信号对时间积分成比例。适用于对象滞后较小，负荷变化不大，控制结果不允许有余差存在的系统。

比例积分微分控制器：在比例积分基础上加上微分作用。适用于对象容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高系统。

11.被控对象、执行器、控制器的正反作用各是怎样规定？

答：被控对象的正反作用随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用“的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于”反作用“的。

执行器的作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当控制器输出信号增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀的开度“正”方向。反之，由于当气关阀接受的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向。

控制器的作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测定值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”。或者当测量值不变，给定值减少时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加（或给定值减小） 时，控制器的输出减少的称为“反 作用”。

15．控制器参数整定的任务是什么？工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法？

控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案来确定控制器的最佳参数（包括比例度δ、积分时间Ti、微分时间Td）以便使系统能获得好的控制质量。

常用方法有：临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。

21.经验凑试法整定控制器参数的关键是什么？

经验凑试法的关键是“看曲线、调参数”。因此要采用这种方法整定控制器参数必须先弄清控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。

第七章 复杂控制系统

1.什么叫串级控制？画出一般串级控制系统的典型方块图。

串级控制系统是由其结构上的特征而得名的，它是由主、副两个控制器串联工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定制控制。

F2 F1

给定值 副变量 主变量

- -

2．串级控制系统有哪些特点？主要使用在什么场合？

（1）在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统。

（2）系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。

（3）由于回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响。

（4）系统对负荷改变时有一定的自适应能力

串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。

3.串级控制系统中的主、副变量应如何选择？

主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。

副变量的选择原则是：

（1） 主副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化。

（2） 通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰。

（3） 在可能的情况下，应使副回路中包含更多的干扰，但副变量又不能离主变量太近。

（4） 副变量的选择应考虑到主副对象时间常数的匹配以防“共振”的发生。

4.为什么说串级控制系统中的主回路是定制控制系统，而副回路是随动控制系统？

串级控制系统的目的是为了更好的稳定主变量，使之等于给定值，而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定制控制系统，副回路的输出时副变量，副回路的给定值时主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化。因此是一个随动的控制系统。

6.为什么在一般情况下，串级控制系统中的主控制器应选择PI或PID作用的，而副控制器选择P作用的？

串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律当对象滞后较大时也可引入适当的微分作用。

串级控制系统中对副变量的要求不严，在控制过程中，副变量是不断跟主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。

8.均匀控制系统的目的和特点是什么？

均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。

均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制那样，不是为了使控制变量保持不变，而是使两个相互联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。

11.什么叫比值控制系统？

实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量壁纸控制系统。用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。

比值控制系统主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统。

双闭环比值控制系统，变比值控制系统几种方案。

16.前馈控制系统有什么特点？前馈控制有哪几种形式？

前馈控制系统的主要特点有：

（1） 前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效。

（2） 前馈控制是属于“开环”控制系统。

（3） 前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器

（4） 一种前馈作用只能克服一种干扰。

两种形式：单纯的前馈控制和前馈反馈控制。

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