仪表与自动化课后习题与答案

仪表与自动化课后习题与答案

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。

1-5,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?

答：PI-307：具有指点功能的压力

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。

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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。

1-19、某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10℃)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60℃。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=50℃超调量：B=50-(908-900)

=42℃衰减比：n=B：B'=9507908

9187908：5余差：C=908-900=8℃

振荡周期:45-9=36min

1-20,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，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的

干扰是什么o现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到8VC,

当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图l-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81℃)。

答：被控对象：蒸汽加热器被控变量：出口物料温度

操纵变量：蒸汽流量可能干扰;物料和蒸汽输入的流量、压力、

温度2-1、什么是对象特性？为什么要研究对象特性？

答：对象的特性即对象的输入量与输出量之间的关系，是对象的

外部特征，但它是由对象的内部结构机理等所决定。

研究控制对象的特征，掌握其内在规律，可以为合理地选择自动

控制方案，设计最佳的控制系统、选择合适的控制器及控制器参数提

供依据，使系统正常地运行。

2-8、反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？它们对

自动控制系统有什么影响？

答：反映对象特性的参数有：放大系数K、时间常用数T、滞后

时间T放大系数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。对象放大系数越大，就表示对象的输入量有一定变化

时，对输出量的影响越大。时间常数T：当对象受到阶跃输入后,

被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间。时间常数越大，表示

对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，达到新的稳态值所需的

时间越长。

滞后时间T：在受到输入作用后，被控变量不能立即迅速地变化。

系统受到

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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。解：5dy(t+2)dt

2-12、如图所示的RC电路中，已知R=5。，C=2000uF。试画出？??？

突然由0V阶跃变化到5V时的????变化曲线，并计算出t=T、t=2T、

t=3T时的？???值解：根据基尔霍定律得：ei=iR+eO(t),其中i=C

RCdeOdt?tT+yT(t+2)=10x(t)de0dt+e0=eie0(t)=

ei(l-e)=5(l-e)T=RC=10s?tT

eO(T)=3.16VeO(2T)=4.32VeO(3T)=4.75V

2-13、已知一个简单水槽，其截面积为0.5m)水槽中的液体由

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????/??,试画出水槽液位Ah的变

化曲线。

解：

由△Qt=ZihA得411=

3-5、某一标尺为0~1000℃的温度仪表，出厂前经校验，其刻度

标尺上的各点测

2、确定该温度仪表的精度等级；

3、如果工艺上允许的最大绝对误差为±8℃,问该温度仪表是

否符合要求？解：1、Amax=706-700=6℃

2、8max=Amax

量程△QAt=0.2tm100%=61000100%=0.6%该温度表为1.0

级

3、Amax=1000X±l%=±10℃>±8℃，该温度表不符

合要求

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=0.12MPa

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6max=

0.1210X100%=1.2>1.0%该压力表不符合要求

3-7＞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=P绝对压力-P大气压力P

真空度=p大气压力-P绝对压力

3-15、某压力表的测量范围为0~1MPa,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0.5MPa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：Amax=lxl.0%=0.01MPa

8max=0.508?0.51X100%=0.8%<1.0%该压力表符合要

求

3-17、如果某反应器最大压力为0.8MPa,允许最大绝对误差为

现用一台测量范围为精度为级的压力表

0.01MPao0~1.0MPa,1.0

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

0~1.0MPa,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=0.010.8X100%=1.25%

△max=1.6X1.0%=0.016MPa>0.01MPa，该压力表不符

合要求△max=1.0X1.0%=0.01MPa=0.01MPa，该压力表符

合要求

3-18,某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为l.l~1.6MPa,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）,

并说明其理由。

解：,.,PmaxWA.•.A22.13MPa△max=l.lX±

5%=0.055MPa4313；Pmin2,AW3.3MPa，选用量程为

0~2.5MPa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：由题可知：被测对象压力为高压，设所用压力表量

程为A

二.PmaxWAAA14X=23.3MPa根据量程系列选5

13335Pmin^A/.AW14X3=42MPa用0~25Mpa的

压力表

6max=0.4

25?0100%=1.6%，根据精度等级选择1.5级仪表

3-20、现有一台测量范围为0~1.6MPa,精度为1.5级的普通弹

簧管压力表，校验后，其结果如下表。

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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0.8~L0MPa的绝对误差不允许大于0.05MPa）?

解：8max=0.02

1.6?0X100%=1.25%根据精度等级选择1.5级仪表，合格。

43Amax=1.6X1.5%=0.024MPa<0.05MPaA^l.OX

MPa

AW0.8X3=2.4MPa所选压力表量程为~0.6

MPa,符合要求8=±1.5%X1.6=±0.024<0.05.••精度等级符

合要求

3-48、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：

Pl=pg(H+hl)+P0

P2=pgh2+P0

△P=Pg(H+hl-h2)<0

有零点迁移，且为负迁移

即当H=0时将变送器的输出值调回4mA

当+1-111^*时，将变送器的输出值调回20mA

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统一一个闭合回路，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TW0C,

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、0℃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温度，测得的热电势为20mV,

冷端(室温)为25℃,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：(l)EAB(T,25)=20mV查表得EAB(25,0)=1.0005mV

AEAB(T,0)=EAB(T,25)+EAB(25,0)=20+1.0005=21.0005

mV

⑵EAB(T,0)=EAB(T,25)+EAB(25,0)

AEAB(T,25)=37683.4-1496.5uV=36.1869uV

3-59、现用一支银铭-铜银热电偶来测温，其冷端温度为30C,

显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400C,则认为换热器

内的温度为430℃对不对？为什么？正确值为多少度？

解：EAB(T,0)=EAB(T,30)+EAB(30,0)

=28943+1801=30744uV

查表得T=422℃

3-60

、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

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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。常用的热电阻有柏热电阻、铜热电阻。

钳热电阻的分度号主要为PtlOO和Pt50两种，其0℃时的电阻值

R0分别为100Q和50Qo此外还有R0=1000。的PtlOOO钳热电阻。

标准化铜热电阻的R0一般为100。和50。两种，对应的分度号

为CulOO和Cu503-62、用分度号为PtlOO销电阻测温，在计算时错

用了CulOO的分度表，查得的温度为140℃,问实际温度为多少？

解：查表得140℃时RCu=159.96。RPt=159.96。

查表得RPt=159.93Q时，Tl=157℃RPt=160.30C时，T2=158℃

AT=1

160.30?159.93=2.941℃.,.T159.96=157+2.941X

(159.96-159.93)=157,088℃3-63、用分度号为Cu50、百度电阻比W

(100)=????????/????=L42铜热电阻测某一反应器内温度，当被测

温度为50c时，该热电阻的阻值??????为多少？若测某一环境温度时

热电阻的阻值为92。，该环境温度为多少？

解：AR=

T=92?500.2150X(1.42?1)100=0.21。R50=(l+0.21)X

50=60.5Q=200℃

5-1＞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

54何为比例控制器的比例度？一台DDZ-II型液位比例控制器,

其液位的测量范围为0~L2m,若指示值从0.4m增加到0.6m比例控

制器的输出相应从5mA增大到7mA,试求控制器的比例度及放大系

数。

解：已知DDZ-II型液位比例控制器的现场传输信号0-10mA

工6=0,6?0,4

X100%=83.33%AKp==120%315-5、一台DDZ-IH型温

度比例控制器，测量的全量程为0~1000℃,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-m型温度控制器的现场传输信号4~20mA

6=100

100%=80%P=2mA

5-9.一台具有比例积分控制规律的DDZ-H型控制器，其比例度

8为200%,稳态时输出为5mA。在某瞬间，输入突然变化了0.5mA,

经过30s后，输出由5mA变为6mA,该项控制器的积分时间????为

多少？

解：已知DDZ-II型比例积分控制器的现场传输信号0-10mA

,/△P=KPA+KP

TIAtr.TI=l

(6?5)?0.5200%0.5X30X5-10、某台DDZ-HI型比例积分控制器，

比例度6为100%,积分时间？???为2min.

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稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA,试问

经过5min后，输出将由5mA变化到多少？

解：已知DDZ-HI型比例积分控制器的现场传输信号4-20mA

,.,△P=KPA+KP

TIAt.，.5+AP=5+1100%0.2+l

2x0.2x5=5.7mA

5-12.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[A++A(KD-1)e?KDt/TD]TIAt

5-13,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6-1、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。

6-4,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、已知阀的最大流量????????=50????/??,可调

范围R=30o

1、计算其最小流量???????？，并说明？???????是否就是阀的泄

漏量。

2、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0.2??L及0.8时的流量值Q。

解：1、VR=????????

????????667????/??????

??????Qmin并不等于控制阀全关时的泄漏量，一般它是Qmax

的2%~4%2、直线流量特性：V????????R=(l-.*.Q0.2=50X((1-)

X0.2)R

1??30301303011Lll=11.33m3/h.，.Q0.8=50X((1-)X

0.8)=40.33m3/h

等百分比流量特性：•••？？

????????=R(?1)L.*.00.2=50X300.2?l=3.29m3/h

Q0.8=50X300.8?l=25.32m3/h

7-1＞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

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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、反作用。

答：(工)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