化工自动化及仪表总复习题答案版.pdf

1 习题课 习题课 一 一 填空题 填空题 1 干扰是指除除操作变量操作变量以外 作用于以外 作用于对象对象并引起并引起被控变量被控变量变化的一切因素 变化的一切因素 2 被控对象是指 需要实现控制的设备 机器或生产过程 称为对象 需要实现控制的设备 机器或生产过程 称为对象 3 被控变量是指对象内要求保持给定数值的工艺变量称为被控变量对象内要求保持给定数值的工艺变量称为被控变量 4 工艺变量通常分为 直接变量直接变量 间接变量间接变量 安全变量安全变量三大类 5 直接变量是指和生产过程有着密切关系和生产过程有着密切关系 或者说存在直接关系的或者说存在直接关系的 它的改变决定着产品它的改变决定着产品 的质量和数量 的质量和数量 6 间接变量是指和生产过程没有直接关系 并不直接决定着产品的数量和质量和生产过程没有直接关系 并不直接决定着产品的数量和质量 7 安全变量是指既和生产过程没有直接的关系既和生产过程没有直接的关系 同时也不存在间接关系同时也不存在间接关系 但它们影响着生但它们影响着生 产的安全性 产的安全性 8 给定值是被控变量的预定值称为给定值被控变量的预定值称为给定值 它反映的是工艺过程的具体要求工艺过程的具体要求 9 操作变量是指受到控制装置操纵 用以使被控变量保持给定值的物料量或能量 受到控制装置操纵 用以使被控变量保持给定值的物料量或能量 10 偏差偏差偏差 实际值实际值 给定值给定值 11 闭环控制系统通常包括定值控制系统 定值控制系统 随动控制系统随动控制系统 程序控制系统程序控制系统 12 定值控制系统是指被控变量的给定值恒定不变被控变量的给定值恒定不变 13 随动控制系统是指 给定值不断变化 而且变化是随机的给定值不断变化 而且变化是随机的 14 程序控制系统是指给定值不断变化 但给定值不断变化 但 x x t x x t x x t x x t 是已知的 是已知的 15 偏差产生的原因通常分为由于由于干扰导致干扰导致实际值发生了变化实际值发生了变化 给定值发生了变给定值发生了变 计量误差而引起的偏差计量误差而引起的偏差 三个方面 16 闭环控制系统通常是由 检测元件和变送器检测元件和变送器 比较机构 调节装置 比较机构 调节装置 执行器执行器四个部分组成的 17 检测元件和变送器的作用是把被控变量把被控变量 y y y y t t t t 转化为测量值 转化为测量值 z z z z t t t t z z z z t t t t 是统一标准 是统一标准 信号信号 比较机构的作用是 计算偏差计算偏差 e e e e t t t t 调节装置的作用是依据偏差的大小 正负 按依据偏差的大小 正负 按 照一定的规律给出调节作用照一定的规律给出调节作用 执行器的作用是 接受调节器送来的信号接受调节器送来的信号 p p p p t t t t 发出相关的信发出相关的信 号 改变操作变量号 改变操作变量 18 自动控制系统中流动的是信号流信号流 19 LC 表示的是液位控制器液位控制器 L 是指 液位液位 C 是指控制控制 20 自动控制系统的静态是指 被控变量被控变量 y y y y t t t t 不随时间而变化的平衡状态称为系统的 不随时间而变化的平衡状态称为系统的 静静 态态 动态是指被控变量被控变量 y y y y t t t t 随时间而变化的平衡状态称为系统的随时间而变化的平衡状态称为系统的 动态动态 过渡过程是 指调节系统在受到外作用下 从一个平衡状态进入到新的平衡状态的整个过程称为控制系调节系统在受到外作用下 从一个平衡状态进入到新的平衡状态的整个过程称为控制系 统的过渡过程统的过渡过程 21 干扰的理想形式有 阶跃扰动阶跃扰动 斜坡扰动斜坡扰动 正弦波扰动正弦波扰动 脉冲扰动脉冲扰动 22 过渡过程的主要形式有非周期衰减过程 又叫单调过程非周期衰减过程 又叫单调过程 衰减振荡过程衰减振荡过程 等幅振荡过等幅振荡过 程程 发散振荡过程发散振荡过程 23 定值控制系统衰减比通常规定在4 1范围内 随动控制系统衰减比通常规定 在10 1范围内 24 过渡过程的品质指标有衰减比衰减比 振荡周期或频率振荡周期或频率 余差余差 最大偏差或超调量最大偏差或超调量 过渡时间过渡时间 25 控制通道是指指扰动变量到被控变量之间的信号联系扰动变量到被控变量之间的信号联系 干扰通道是指 做操作变量到被做操作变量到被 控变量之间的信号联系控变量之间的信号联系 26 描述对象的数学模型通常分为参量模型参量模型 非参量模型非参量模型 27 描述对象的反应曲线通常分为有自衡能力的非周期特性有自衡能力的非周期特性 非自衡非周期特性非自衡非周期特性 振振 荡特性荡特性 反向特性反向特性 四种类型 2 28 描述对象特性的三个参数是指 放大系数放大系数 K K K K 时间常数时间常数 T T T T 滞后时间滞后时间 29 KO的含义是被控变量的变化量与操作变量的变化之比被控变量的变化量与操作变量的变化之比 一般希望该值大一点大一点 Kf的含义是被控变量的变化量和扰动幅度之比被控变量的变化量和扰动幅度之比 一般希望该值小一点小一点 30 时间常数的含义当当 0 uuc 时的充电时间时的充电时间 调节通道 To一般应合适合适 Tf一般应 越大越大 31 纯滞后产生的原因是由于信息传输需要时间而引起的由于信息传输需要时间而引起的 容量滞后产生的原因是 一般是由物料传递需要通过一定阻力而引起的一般是由物料传递需要通过一定阻力而引起的 32 双容量对象可以看成一个单容量对象单容量对象 和一个纯滞后过程纯滞后过程组合 33 一阶对象是指动态方程都是一阶常系数微分方程动态方程都是一阶常系数微分方程 34 绝对误差 是指测量值与真实值之差测量值与真实值之差 相对误差 y 是指某一点的绝对误差和标某一点的绝对误差和标 准表在该点的指示值之比准表在该点的指示值之比 35 精度不仅和绝对误差有关绝对误差有关 也和仪表的测量范围有关仪表的测量范围有关 36 仪表的精度通常用相对百分误差相对百分误差 来表示 37 仪表等级度值越小 表示仪表精度高高 标准表精度一般为 0 050 050 050 05 以上 38 工业生产上 感温元件通常有热电阻热电阻 热电偶热电偶 39 热电偶温度计由热电偶热电偶 测量仪表测量仪表 连接导线连接导线三部分组成 40 热电势 eAB和两方面因素有关 一是取决于 接触处的金属性质的差异接触处的金属性质的差异 二是 温度温度有 关 41 热电偶温度补偿方法通常包括校正仪表零点法校正仪表零点法 补偿电桥法补偿电桥法 42 热电偶温度变送器结构通常分为输入电桥输入电桥 放大电路放大电路 反馈电路反馈电路 三 个部分 43 热电偶的分度表是指 t0 0t0 0t0 0t0 0 热电偶的冷端温度始终保持在热电偶的冷端温度始终保持在 0 0 0 0 上上 将将 E E E E t t t t t0t0t0t0 和和 t t t t 之间的一一对应关系作成一个标准的数据表格之间的一一对应关系作成一个标准的数据表格 分度号是指热电偶的代号热电偶的代号 44 在高温区通常采用热电偶热电偶作为测温元件 在中 低温区通常采用热电阻热电阻作为 测温元件 45 热电阻是由热电阻热电阻 感温元件感温元件 显示仪表显示仪表 不平衡电桥或平衡电桥不平衡电桥或平衡电桥 连接连接 导线导线三部分组成 46 热电阻温度变送器结构通常分为输入电桥输入电桥 放大电路放大电路 反馈电路反馈电路三个部分 47 显示仪表又叫 二次仪表二次仪表 48 XCZ 中各字母代表的含义 X 显示仪表显示仪表 C动圈式磁电式动圈式磁电式 Z 指示仪指示仪 49 XCT 中各字母代表的含义 X 显示仪表显示仪表 C动圈式磁电式动圈式磁电式 T 指示调节仪指示调节仪 50 动圈式显示仪表的外接电阻通常规定为 15151515 欧姆欧姆 外接调整电阻的作用是 保持不变使 总 R 外接电阻通常由热电偶电阻热电偶电阻 热 R 补偿导线电阻补偿导线电阻 补 R 连接铜导连接铜导 线电阻线电阻 铜 R 外接调整电阻外接调整电阻 调 R 四项组成 51 基本控制规律通常包括位式控制位式控制 主要指双位控制主要指双位控制 比例控制比例控制 P P P P 积分控积分控 制 制 I I I I 微分控制 微分控制 D D D D 52 比例控制规律是研究具有比例控制规律的控制器具有比例控制规律的控制器 53 比例度 的定义式 100 minmax minmax PPP xxe 对单元组合仪表 和 kp之间的关系为 100 1 P K 3 54 比例度 越大表示比例控制作用越弱越弱 越小表示比例控制作用 越强越强 55 一般工业用调节器的比例度 在 5 250 5 250 范围内 56 积分调节规律最大的优点是能够消除偏差偏差 57 输入 输出关系符合 t I edtKP 0 关系式的调节规律称为积分规律 58 积分速度 kI的含义是表示积分控制作用强弱的参数表示积分控制作用强弱的参数 kI越大表示积分作用控制越及控制越及 时时 59 微分时间 TD的含义是 表示微分控制作用强弱的参数表示微分控制作用强弱的参数 TD越大表示微分作用微分作微分作 用越强用越强 60 气动执行器分为两部分 分别为执行机构执行机构 控制机构控制机构 61 当阀芯向下运动时 流通截面积减小阀芯向下运动时 流通截面积减小 时 叫正装 62 当阀芯向下运动时 流通截面积增大阀芯向下运动时 流通截面积增大 时 叫反装 63 控制阀的理想流量特性包括直线流量特性直线流量特性 等百分比流量特性等百分比流量特性 抛物线流量特性抛物线流量特性 快开特性快开特性 64 可调比 R 的定义式为 minmax QQR 国产控制阀可调比 R 一般为3030 65 执行器的气开 气关选择的主要依据是安全状态安全状态 66 被控变量选择的原则有根据工艺要求根据工艺要求 确定直接变量确定直接变量 直接变量检测和控制有困难直接变量检测和控制有困难 则选间接变量则选间接变量 依据相律依据相律 进一步缩小被控变量的数量范围进一步缩小被控变量的数量范围 根据控制要求根据控制要求 考察各考察各 个候选被控变量的灵敏度个候选被控变量的灵敏度 进一步考察工艺变量的工艺合理性进一步考察工艺变量的工艺合理性 67 干扰通道存在纯滞后时 对被控变量 y没有没有影响 68 常用的工程整定方法有临界比例度法临界比例度法 衰减曲线法衰减曲线法 经验凑试法经验凑试法 69 经验凑试法的原则是看曲线看曲线 作分析作分析 调参数调参数 寻最佳寻最佳 70 串级控制系统的特点两个检测变送器两个检测变送器 两个调节器两个调节器 一个控制阀一个控制阀 两个调两个调 节器之间是有信号流将它们串接在一起 其中一个调节器的输出为另一个调节器的输节器之间是有信号流将它们串接在一起 其中一个调节器的输出为另一个调节器的输 71 对串级控制系统 副控制器作用方向的选择和简单控制系统作用方向简单控制系统作用方向一样 主控制 器作用方向的选择和调节阀的气开 气关型式调节阀的气开 气关型式无关 72 前馈控制系统的特点这是个开环控制系统 根据信号流走向 信号流在被控对象处这是个开环控制系统 根据信号流走向 信号流在被控对象处 断开断开 一个检测器只能测出一个干扰一个检测器只能测出一个干扰 所以前馈控制只能克服一种干扰所以前馈控制只能克服一种干扰 前馈控制前馈控制 是基于不变性原理而工作的是基于不变性原理而工作的 控制及时控制及时 有效有效 前馈控制规律不是前馈控制规律不是 PIDPID 而是采用由而是采用由 不不 变性原理变性原理 决定的决定的 专用专用 控制规律控制规律 73 前馈控制系统是基于不变性原理不变性原理工作的 74 离心泵的控制方案一般包括改变调节阀的开启度改变调节阀的开启度 改变泵的转速改变泵的转速 改变回流改变回流 量量 75 精馏塔的控制方案中 通常选择塔顶温度塔顶温度 塔底温度塔底温度 灵敏板温度灵敏板温度 中间温度中间温度 温差控制温差控制 作为间接被控变量 二 问答题 二 问答题 1 过渡过程的基本形式有哪几种 用图表示 简要阐述其特点 工业生产一般需要什么类 型的过渡过程 解 解 非周期衰减过程 又叫单调过程非周期衰减过程 又叫单调过程 特征 被控变量没有来会 沿 特征 被控变量没有来会 沿 t t t t 轴 的波动轴 的波动 沿沿 着一侧作缓慢的变化 最后稳定下来 着一侧作缓慢的变化 最后稳定下来 衰减振荡过程衰减振荡过程 特征特征 被控变量上下波动被控变量上下波动 但振幅逐渐减小但振幅逐渐减小 最后稳定在某一个值上面最后稳定在某一个值上面 4 等幅振荡过程 特征 振幅不变 等幅振荡过程 特征 振幅不变 发散振荡过程 发散振荡过程 特征 振幅不断增大 被控变量最终远离给定值特征 振幅不断增大 被控变量最终远离给定值 工业生产一般需要工业生产一般需要衰减振荡过程衰减振荡过程 2 试阐述下图所示的温度控制系统为开环的原因 3 闭环控制系统分为哪三类 简要阐述各类的特点 解 解 1 1 1 1 定值控制系统 特点 被控变量的给定值恒定不变 定值控制系统 特点 被控变量的给定值恒定不变 2 2 2 2 随动控制系统 特点 给定值不断变化 而且变化是随机的 随动控制系统 特点 给定值不断变化 而且变化是随机的 3 3 3 3 程序控制系统 特点 给定值不断变化 但 程序控制系统 特点 给定值不断变化 但 x x t x x t x x t x x t 是已知的 是已知的 4 画出简单控制系统的方块图 并简要阐述各环节的作用 解 a a a a 检测元件和变送器 把被控变量 检测元件和变送器 把被控变量 y y y y t t t t 转化为测量值 转化为测量值z z z z t t t t z z z z t t t t 是统一标准信号 是统一标准信号 b b b b O O O O 比较机构 作用是计算偏差比较机构 作用是计算偏差 e e e e t t t t c c c c 调节装置 依据偏差的大小 正负 按照一定的规律给出调节作用 调节装置 依据偏差的大小 正负 按照一定的规律给出调节作用 d d d d 执行器 接受调节器送来的信号 执行器 接受调节器送来的信号 p p p p t t t t 发出相关的信号 改变操作变量 发出相关的信号 改变操作变量 5 对下列液位控制对象 试绘图说明被控变量的变化情况 解 变化情况如右图所示 自身有能力达到新的平衡状态 随 q 增大 h 增高 随 h 增高的增高 Q 也随之变大 最终达到新的平衡 6 当输入流量 qi作阶跃变化 试绘图说明被控变量 h1 h2的变化情况 5 解 变化图线如下 随着 h1 的增高 q1 会随之而增大 则 h2 也会随之而升高 但是 h2 开始变化比较缓慢 因 为这时 h1 增加不多 h1 增加越高 q1 也增加越高 h2 的速度会逐渐加快 而 h2 的升 高 也必然导致 q0 的加大 即最后阶段 h2 的变化呈现平缓趋势 7 热电偶冷端温度为什么必须要进行补偿 试简要说明补偿步骤和原理 解 原因 一是冷端和热端很靠近 所以热端温度必然影响到冷端温度 二是热电偶在 使用过程中 冷端总是暴露在空气中 冷端温度必然受到周围环境的影响 所以要进行补偿 第一 补偿导线的使用 解决冷端温度恒定 第二 冷端温度修正法 原理 热电偶 产生的热电势为 第三 校正仪表零点法 8 试简要说明补偿电桥法的工作原理 0 0 0 0 00 00 tEttEtE tEtEttE 即 6 解 假设在某一时刻 冷端温度为 t0 0 显示仪表指针指向 800 这是实际温度 此时 电桥平衡 a 点的电位 Ua Ub b 点电位 如果另外一个时刻 冷端温度上升 t0 t0 0 电桥中的电阻 R1 R2 R3 是由锰铜丝绕制而成的 电阻值稳定 Rt 由铜丝绕制成的 电 阻值随温度的变化而变化 通常将 Rt 和热电偶的冷端连在一起 介质温度升高 电阻值升 高 温度下降 电阻值也下降 现在冷端温度 t0升高 Rt也升高 电桥恒压电源电压为 E R1和Rt组成的桥臂电流 则a点的电位 假设恒 压电源负极电位为 0伏特 则 通常R1 Rt 即 Rt升高 Ua也升高 因为开 始时 Ua Ub 现在 Ua Ub 这实际上相当于在热电偶的 负极串联了一个电源 9 什么是 三线制 引入 三线制 的作用是什么 解 三线制 从热电阻引出三根导线 其中与热电阻相连的两根导线分别接入桥路的 两个相邻桥臂上 第三根导线与稳压电源的负极相连 作用 当环境温度变化时 两根导线 电阻同时变化 便可抵消对仪表读数的影响 10 结合下图 简要说明电子电位差计的工作过程 7 不会指向零 只有当时 流过检流计的电流I检 0 这时 根据触点位置 便可以直接读出 Et值的大小 又 所以根据电阻RBC直接读出UBC 说明 说明 R是由锰铜丝绕制而成的滑线电阻 线性度非常好 由 稳压电源供电 电流I是恒定的 G是检流计 灵敏度很高 Et 是被测的未知电势 测量过程 测量过程 移动触点C BC上的电压差 当移动C时 UBC也跟着改变 当时 检流计指针 11 结合下图简要阐述双位控制的过渡过程的特征 8 当h t h0时 超过给定值 浮子推开K 断电 由于 中间区的存在 K未立即关上 液位继续上升 直到h t hH时 K全关 Q1 0 液位下降 下降到最低 点 开始循环 初始状态假设 开始h h0 电磁阀关闭 K打开 12 为什么说比例控制作用一定产生余差 说明理由 13 基本控制规律有哪些 简要说明 TI TD对过渡过程的影响 解 基本控制规律通常包括 1 位式控制 主要指双位控制 2 比例控制 P 3 积 分控制 I 4 微分控制 D 比例控制最大优点 反映非常迅速 能很快地克服扰动 使系统稳定下 TI 短 积分作用增强 系统振荡加剧 稳定性下降 导致系统的不稳定 Td 太大 微分作用强 导致系统振荡 而 Td 太小或为零 表示微分作用弱或没有 对系统 无影响 14 为什么说等百分比特性又叫对数特性 与线性特性相比它具有什么优点 15 控制通道 干扰通道存在纯滞后时 试分别分析它对被控变量的影响 解 如果 0 0 操作变量对 y t 的影响如图中 A 所示 当纯滞后为 0 时 曲线 A 平移到 B 位置 曲线 A 和 C 之间的合成就是曲线 D 曲线 B 和 C 之间的合成为曲线 E 很显然 E 和 D 相比恶化多了 控制通道的纯滞后应尽量减少 当干扰通道存在纯滞后时 结论是没有影响 如下图 曲线 C 表示没有滞后存在 干 9 扰变量对被控变量的影响 当滞后为 f 时 C 平移到 C 位置 但在 f 时间内 由于 y t 没有变化 操作变量对 y t 也没有影响 所以控制结果也一样 仅仅延迟了滞后时间 f 16 试分析双闭环比值控制系统和两个简单控制系统相比有哪些优越性 解 1 1 1 1 a a a a 扰动作用于副对象 扰动作用于副对象 和简单控制系统相比较 当扰动严重时 由于 z2 p1 同时变动 使得控制作用非常迅速 而当扰动较小时 由于副对象调节通道的滞后时间比整个对象的滞后时间要短得多 所以控 制也同样非常及时 结论 干扰作用于副对象时 串级控制系统明显优越于简单控制系统 b b b b 扰动作用于主对象 扰动作用于主对象 串级控制系统优越于简单控制系统 c c c c 扰动同时作用于主 副对象 扰动同时作用于主 副对象 2 特征 1 1 1 1 对进入副回路的扰动具有较迅速 较强的克服能力 对进入副回路的扰动具有较迅速 较强的克服能力 2 2 2 2 可以改善对象特性 可以改善对象特性 3 3 3 3 可以消除调节阀的非线性的影响 可以消除调节阀的非线性的影响 4 4 4 4 可兼顾两个变量 可兼顾两个变量 17 如图 1 所示换热器 由工艺分析得知 冷物料流量 Q1的变化为主要干扰 冷物料出口温 度 2为被控变量 蒸汽流量 Q2为操作变量 设所有参数不随时间而变化 试基于不变性原 理设计相应的控制方案 并写出过程及各环节的作用 18 对精密精馏 为克服压力的微小波动对产品质量的影响 可以采取温差控制 试说明理 由 解 选取双温差的理由是由压降而引起的温差 不仅出现在顶部 也出现在底部 这种因负 荷引起的温差 在作相减后就相互抵消 双温差控制的实质是一种控制精馏塔进料板附近的 10 组成分布 使得产品质量合格的办法 它可以保证工艺上最好的温度分布曲线 来代替单纯 的控制塔的一端温度 或温差 三 判断题三 判断题 1 图 4 所示是原料油加热炉温度控制系统 试问 这是个什么类型的控制系统 画出它的方块图 解 串级控制系统 解 串级控制系统 为安全起见 加热炉不允许空烧 试确定控制阀的气开 气关型式 应说明过程 解 为安全起见 在自动控制系统出现故障时 即没有控制信号 控制阀应处于关闭状态 也就是有气就开 没气就关 所以应当选气开 确定主 副控制器的正 反作用 应说明过程 解 副回路中执行器操作方式的选择由生产的安全性决定 副控制器的作用方向将按照整个 副回路必须构成负反馈系统的原则进行选择 根据副回路负反馈的要求 被控对象为正作用 方向 所以副调节器应选反作用方向 如果燃料的压力是经常波动的 上述系统应如何改进 绘出实物图 试画出它的方块图 并确定主 副控制器的正 反作用 应说明过程 2 图 5 所示是简单贮槽液位控制系统 为安全起见 贮槽内液体严格禁止抽空 试在下面 两种情况下 分别确定执行器的气开 气关型式及控制器的正 反作用 以 Qi为操纵变量 以 Qo为操纵变量 11 解 1 为安全起见 在自动控制系统出现故障时 即没有控制信号 控制阀应处于关闭状 态 也就是有气就开 没气就关 所以应当选气开 2 为安全起见 在自动控制系统出现故障时 即没有控制信号 控制阀应处于打开状态 也就是没气就开 有气就关 所以应当选气关 3 假定在如图所示的反应器温度控制系统中 反应器内需维持一定温度 以利反应进行 但 温度不允许过高 否则有爆炸危险 试确定执行器的气开 气关型式和控制器的正 反作用 4 试确定下图所示两个系统中执行器的正 反作用及控制器的正 反作用 a 为一加热器出口物料温度控制系统 要求物料温度不能过高 否则容易分解 b 为一冷却器出口物料温度控制系统 要求物料温度不能太低 否则容易结晶 四 计算题四 计算题 1 图 2 所示是一反应器温度控制系统示意图 工艺要求反应器温度需要控制 通过冷却水流 量的变化可以达到温度控制的目的 试画出该系统的方块图 并指出被控对象 被控变量 操纵变量和可能的干扰 现因生产因素的变化 要求反应温度从开始的 120 提高到 122 当给定值作阶跃变化后 被控变量的变化曲线如图所示 试求该系统的过渡过程的品 质指标 最大偏差 衰减比和余差 12 解 被控对象 反应器 被控变量 反应器温度 操作变量 冷却水流量 可能干扰 冷却水温度变化和物料流量变化 最大偏差 8