仪表和自动化课后习题和答案解析

1、图1-15加热器控制流程图图1-16 反应器温度控制系统p图1-17 温度控制系统过渡过程曲线干扰仪表与自动化课后习题与答案3、自动控制系统主要由哪些环节组成？答：一个自动控制系统主要是由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套仪 表，称自动化装置，包括测量元件及变送器、控制器、执行器；另一部分是自 动化装置所控制的生产设备。5、在自动控制系统中，测量变装置、控制器、执行器各起什么作用？答：测量元件与变送器，用于测量液位，并将测得的液位转化成统一的标准信 号输出。控制器，接受测量变送器送来的信号并与工艺要求的液位高度进行比较，计算 出偏差的大小，并按某种运算规律算出结果，再将此结果用标准信号发送

2、至执 行器。执行器，它接受控制器传来的操作指令信号，改变阀门的开度以改变物料或能 量的大小，从而起到控制作用。1-8、图1-15为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、 TRC-303、FRC-305所代表的意？加热蒸汽答：PH307：具有指示功能的压力 表，该仪表就地安装，工号段为07。 TRC-303：具有记录功能的温度 控制仪表，该仪表集中仪表盘面 安装，工号段为3,仪表序号为07。 FRC-305:具有记录功能的流量控制 仪表该仪表集中仪表盘面安装，工 号段为3,仪表序号屡05。1-11、图1-16所示为一反应温度控制系统示意图A、B两种物料进入反应器进 行反应，通

3、过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试现出 该温度控制系统的方块图，并指出该项系统中的被控对象、被控变量、操纵变 量及可能影响被控变量的干扰是什么，并说明该温度控制系统是一个具有负反 馈的团环系统。图1-4自动控制系统方块图答：被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：冷却水流量；可能干扰：进料和冷却水的流量、压力和温度的改变 当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏 差信号，经温度控制器运算处理后，输出 控制信号去驱动控制阀，使其开度增 大，冷却水流量增加，这样使反应器的温度降下来，所以该项温度控制系统为 一个具有负反馈的闭环系统。1-

4、19.某化学反应器工艺规定操作温度为(90010C)o考虑安全因素，控制 过程中温度偏离给定值最大不得超过60Co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1-17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、余差和振荡周期。该控制系统能否满足题 中所给的工艺要求？答：最大偏差：A=950-900=50C超调量：B=50- (908-900) =42C衰减比：n=B： B 二竺竺生21： 5 余差：C=908-900二8C918-908振荡周期：45-9=36 min1-20、图1-18 (a)是蒸汽加热器的温度控制原理图。试现出该系统的方块图, 并指

5、出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么。现因生产需 要，要求出口物料温度从80C提高到81C,当仪表给定值阶跃变化后，被控变 量的变化曲线如图18(b)所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、 衰减比和余差(提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81C)oP/蚩P/蚩(a) 8C标准表读数/ MPa0246810被校表正行程读数/ MPa01.983. 965. 947. 979. 99被校表反行程读数/ MPa02.024. 036. 068. 0310.01二该温度表不符合要求3-6、如果有一台压力表，其测量范围为010 MPa,经校验得出下表数据。31、求出该压力表

6、的变差；2、问该压力表是否符合1.0级精度? 解：.升降变差：max=6. 06-5. 94=0. 12 MPa限制干扰作用后，由于存在滞后，被控变量不能立即反映出来，于是不能及时 产生控制作用，整个系统的控制量就会受到严重的影响。2-11、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5min,放大 系数为了 10,纯滞后时间为2min,试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。限制干扰作用后，由于存在滞后，被控变量不能立即反映出来，于是不能及时 产生控制作用，整个系统的控制量就会受到严重的影响。2-11、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5min,放大 系数为了 10,

7、纯滞后时间为2min,试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。解：5 竺色+y_, (t+2)=10 x (t)dt L2-12、如图所示的RC电路中，已知R=5Q, C=2000 1 Fo试画出 口突然由 0V阶跃变化到5V时的口口变化曲线，并计算出t=T、t=2T. t=3T 0W 值 解：根据基尔霍定律得：ei = iR+e0 (t),其中i二C票dtA RC+e0=e) A e0 (t) = e. (1-eh =5 (1-eb T二RC二 10se0 (T)=3. 16Ve0 (2T) =4. 32Ve0 (3T) =4. 75V32-13.已知一个简单水槽，其截面积为0.5 nrr,水

8、槽中的液体由正位移泵抽出， 即流出流量是恒定的。如果在稳定的情况下，输入流量突然在原来的基础上增 加了 0.1解：./,试画出水槽液位Ah的变化曲线。由左Qt=AhA得左h=1=0. 2t mA标准表计数/c02004006007008009001000被校表计数/c020140260470680590310013-5、某一标尺为01000C的温度仪表，出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测 量结果如下表所示。1、2、3、 解：求出该温度仪表的最大绝对误差值；确定该温度仪表的精度等级；如果工艺上允许的最大绝对误差为8C,问该温度仪表是否符合要求? 1、max二706700二6CX100%=X100

9、%=0. 6%二该温度表为 1.0 级c cAmax2、 o max=量程10008maxX100%=1.21.0%该压力表不符合要求试问被校压力表在这一点是否符合1级精二该压力表符合要求MPa,允许最大绝对误差为0. 01 MPao现用一台测量范围为O.OMPa,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O.OMPa,精度为1.0级的压力表, 问能符合误差要求吗？试说明其理由。解：8max=X100%=1.25%0.8Amax=1.6X1.0%=0. 01 6 MPa0. 01 MPamaxF . 0 X 1 . 0%=0. 01 MPa=0. 01

10、 MPa3-18.某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.ri.6MPa,工艺要求就地观 察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的5%,试选择一台合 适的压力计（类型、测量范围、精度等级），解：VP max-AAA2. 13 MPa4VP min-AAA3. 3 MPa3二该压力表不符合要求 二该压力表符合要求并说明其理由。Amax=1.1X5%=0. 055 MPa选用量程为02.5 MPa的压力表3-19.某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa,要求误差不得超过0.4MPa, 试选用一台就地指示的压力表（给出型号、测量范围、精度等级）。解：:.P由题可知：被测对象压力为高压，设

11、所用压力表量程为A max-A.AW14x2二23.3 MPa 根据量程系列选53mi n-A3AW14X3=42 MPa . 用 025 MPa 的压力表7、什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力（真空度）之间有何关系？ 答：所谓压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。P表压二P绝对压力P大气压力P真空度二P大气压力一 P绝对压力3-15、某压力表的测量范围为01 MPa,精度等级为1.0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. 5 MPa 时，标准压力计上读数为0. 508 MPa,度，为什么？解：max=1 X 1.0%=0. 0

12、1 MPa6 max=0,508，5X 100%=0. 8%1.0%13-17.如果某反应器最大压力为0.85max=X100%=1.6%根据精度等级选择1.5级仪表2503-20.现有一台测量范围为01.6MPa,精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校 验后，其结果如下表。标准表读数/ MPa0.00.40.81.21.6被校表正行程读数/ MPa0. 0000. 3850. 7901.2101.595被校表反行程读数/ MPa0. 0000. 4050.8101.2151.595试问这台表合格否？它能否用于某空气贮罐的压力测量(该贮罐工作压力为 0.81.0 MPa的绝对误差不允许大于0.0

13、5 MPa) ?解：5max=X100%=1.25% 二 根据精度等级选择1.5级仪表，合格。1.6-0max=1.6X1.5%=0.024 MPa0. 05 MPa A1.0X=1.3 MPa3AW0.8X3=2.4 MPa二所选压力表量程为0.6 MPa,符合要求5 =1.5%X1.6=0. 0240. 05精度等级符合要求48、测量高温液体(指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况)时，经常在负压管 上装有冷凝罐(见图3-91),问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移,迁移量应如何考虑？ 解：.P=pg(H+hi)+ PqP?= P gh2+PoP= pg(H+hh2)0.有零点迁移，且为负迁

14、移即当H二0时将变送器的输出值调回4 mA当H=Hmax时，将变送器的输出值调回20 mA图3-91高温液体的液位测量3-54什么是热电偶的热电特性？热电偶的热电势由哪两部分组成？答：将两种不同导体A、B统个闭合回路，若两接触点温度不同，则回路中 有一定大小电流，表明回路有电势，则为热电特性。热电动势包括：接触电势、温差电势3-56、用热电偶测量时，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？答：在工程测试中，冷端温度随环境温度变化而变化。若T手0C,将引入测量 误差，因此必须对冷端进行补偿。方法；延长导线法、0C恒温法、冷端温度修正法、电桥补偿法3-58.用K型热电偶测某设备的

15、温度，测得的热电势为20mV,冷端(室温)为 25C,求设备的温度？如果改用E型热电偶来测温，在相同的条件下，E型热电 偶测得的热电势为多少？解：(1)Eab (T, 25) =20 mV查表得Eab (25, 0)=1.0005 mV.LEab (T, 0)二Eab(L 25) +EAB (25, 0)二20+1.0005二21.0005 mV Eab (T, )=Eab(L 25) +EAB (25, 0)Eab (T, 25)=37683. 4-1496. 5 uV=36. 1869 uV3-59、现用一支镣铭-铜镣热电偶来测温，其冷端温度为30C,显示仪表的机械 零位在0C时，这时指示

16、值为400C,则认为换热器内的温度为430C对不对？ 为什么？正确值为多少度？解：Eab(L 0) =EAB (T, 30) +EAB (30, 0)=28943+1801=30744 uV查表得T=422C3-60、试述热电阻测温原理？常用测温热电阻有哪几种？热电阻的分度号主要有几种？相应的各为多少？答：热电阻是利用物质的电阻率随温度变化的特性制成的电阻式测量系统。常 用的热电阻有铀热电阻、铜热电阻。销热电阻的分度号主要为Pt 100和Pt50两种，其0C时的电阻值Ro分别为100 Q和50Qo此外还有Ro=1000 Q的Pt 1000销热电阻。标准化铜热电阻的Ro般为100Q和50Q两种，

17、对应的分度号为Cu100和Cu503-62.用分度号为Pt100钥电阻测温，在计算时错用了 Cu100的分度表，查得 的温度为140C,问实际温度为多少？解：查表得 140C时RCu=159.96OARPt=159. 96Q查表得Rpt=159.93 Q 时，Ti= 157C RPt=160. 30 Q 时，T2=158CAT=1=2.941 CTi59.96=157+2. 941 X (159. 96-159. 93)=157. 088C3-63.用分度号为Cu50、百度电阻比W (100) =.42铜热电阻测is某一反应器内温度，当被测温度为50C时，该热电阻的阻值口口为多少？若测 某一环

18、境温度时热电阻的阻值为92Q,该环境温度为多少？解：厦二52=02QAR50=(1+0. 21) X 50=60. 5QT=200C0.211、什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？答：所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系，控制器的控 制规律有：位式控制、比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例 微分控制、比例积分微分控制4、何为比例控制器的比例度？ 一台DDZ- 11型液位比例控制器，其液位的测量 范围为01.2 m,若指示值从0. 4 m增加到0. 6 m比例控制器的箱苗相应从5 mA 增大到7 mA,试求控制器的比例度及放大系数。解：已知DDZ- 11

19、型液位比例控制器的现场传输信号010 mA. 6 二莘A X 100%=83. 33% Kp=y=120%10-05-5、一台DDZ-III型温度比例控制器，测量的全量程为01000C,指示值变化 100C,控制器比例度为80%,求相应的控制器输出将变化多少？解：已知DDZ-III型温度控制器的现场传输信号420 mA100a 顼吾 X 100%=80%.P=2 mA20-45-9、一台具有比例积分控制规律的DDZ- 11型控制器，其比例度5为200%,稳 态时输出为5mAo在某瞬间，输入突然变化了 0. 5 mA,经过30s后，输出由5mA 变为6 mA,该项控制器的积分时间另多少？解：已知

20、DDZ- 11型比例积分控制器的现场传输信号010 mA1Kn0.5x30 xAP=KPA+ At Z. T| = =1 OsT|(6_5)一一 x0.5I J 200%5-10.某台DDZ-III型比例积分控制器，比例度8为100%,积分时间口口为2min.稳态时，输出为5 mAo某瞬间，输入突然增加了 0.2 mA,试问经过5 min后, 输出将由5 mA变化到多少？解：已知DDZ-III型比例积分控制器的现场传输信号20 mA1V AP=KPA+At A5+AP=5+X0. 2+X0. 2X5=5. 7 mAH T|100%25-12、试写出比例积分微分(PID)三作用控制规律的数学表达

21、式。AP=KP A+A (Kd-1)厂何13试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。答：比例控制：1、根据“偏差的大小”工作2、有差控制3、反应快，控制及 时积分控制：1、根据“偏差是否存在工作2、无差控制3、反应慢 微分控制：1、根据“偏差变化速度”工作2、超前控制3、不能单独使用1、气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？ 答：气动执行器主要由执行机构与控制机构两大部分组成。 执行机构是将控制信号的大小转换为阀杆位移的装置。 控制机构是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。4、试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？答：控制阀的流量特性是指操

22、纵介质渡过阀门的相对流量与阀门的相对开度间 这关系。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。 常用的控制阀理想流量特性有：直线、等百分比、抛物线及快等几种流量特性。6-8、1、已知阀的最大流量口口口口=50口/口，可调范围R=30o计算其最小流量,并说明口口口是否就是阀的泄漏量。2、及0.8时的流量值Q。h方卷.口口口口=器=1.667口口/口般它是Qmax的2%4%.Q.2=50X(*( 一)X0. 2)=11.33,3/=40. 33m3/h解：Qmin并不等于控制阀全关时的泄漏量，2、直线流量特性：.日口11.Qo8=5OX (土+ (1-土)X0.8) u3030二

23、沁-器1 30等百分比流量特性：(1)口口口.Qo.2=5OX3Oo-21=3. 29m3/h若阀的流量特性为直线流量特性，问在理想情况下阀的相对行程普为0.2.Qo.8=5OX3O8T=25. 32m3/h7-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：一个自动控制系统主要是由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套仪 表，称自动化装置，包括测量元件及变送器、控制器、执行器；另一部分是自 动化装置所控制的生产设备即被控对象。7-2、图7-21是一反应器温度控制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并 说明各方块的含义，指出它们具体代表什么。假定该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、干扰反作用。原料蒸汽图7-21反应器温度控制系统图1-4自动控制系统方块图答：(1)被控对象：反应器 被控变量：反应器内的温度 操纵变量：蒸汽流量 可能干扰；原料和蒸汽输入的流量、压力、温度控制器：温度控制器 执行器：蒸汽控制阀门 测量变送器；温度测