化工仪表及自动化复习资料

第一章

1.1 什么是化工自动化？它有什么重要意义？

化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。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。 实现化工生产过程自动化的意义：

（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。 （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，提高设备利用能力的目的。

（4）能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。

1.2、化工自动化主要包括哪些内容？

一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。 1.4、自动控制系统主要由哪些环节组成？

自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。

1.8 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？

测量元件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号、电压、电流信号等）；控制器：将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保 持的给定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号送住执行器。执行器：能自动地根据控制器送来 的信号值相应地改变流入（或流出）被控对象的物料量或能量，从而克服扰动影响，实现控制要求。

1.9 试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量？

被控对象：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做~。被控变量：被控对象内要求保持给定值的工艺参数。给定值：被控变量的预定值。操纵变量： 受控制阀操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持给定值的物料量或能量。 1.17 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？

阶跃作用：在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上，并保持在这个幅度。 采用阶跃干扰的原因：阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算

1.18 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。五种基本形式：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、单调振荡过程。

1. 21、某化学反应器工艺规定操作温度为(90010)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏

离给定值最大不得超过80℃。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题1-19图所示。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、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的1%（即900（1%）=9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？

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题1-19图 温度控制系统过渡过程曲线

解 最大偏差A=950900=50（℃）； 超调量B=950908=42（℃）； 由于B=918908=10（℃），所以，衰减比n=B:B=42:10=4.2； 余差C=908900=8℃；

振荡周期T=459=36(min)； 过渡时间ts=47min。

因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。 1.22、题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b) 图所示。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℃）。

题1-20图 蒸汽加热器温度控制

解 蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。

题解1-20图 蒸汽加热器温度控制系统方块图

其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。 可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。

该系统的过渡过程品质指标： 最大偏差A=81.581=0.5（℃）；

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由于B=81.580.7=0.8（℃），B=80.980.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:B=0.8:0.2=4； 余差C=80.781= 0.3（℃）。

第二章

2.1 什么是对象特性？为什么要研究对象特性？

对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。各种对象千差万别，有的操作很稳定，操作很容易；有的稍不小心可能就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。有经验的操作人员需要很熟悉这些对象，才能使生产操作得心应手；设计自动化装置时，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，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？

解：放大系数K、时间常数T和滞后时间

放大系数K在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即

输出量的变化量

K输入量的变化量 对象的放大系数K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，

或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。

时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。

时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大 对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。滞后现象用滞后时间表示。

对象的滞后时间，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。 2.14

第三章

3.4 何谓仪表的精度等级？

仪表的精确度等级是将仪表允许的相对百分误差的“±”号及“%”去掉后的数值，以一定的符号形式表示在仪表标尺板上。精确度等级目前是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。

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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量结果分别为：

标准表读数/℃ 被校表读数/℃ 0 0 200 201 400 402 600 604 700 706 800 805 900 903 1000 1001 (1)求出该温度仪表的最大绝对误差值； (2)确定该温度仪表的精度等级；

(1) 校验数据处理：

标准表读数/℃ 被校表读数/℃ 绝对误差/℃ 0 0 0 200 201 +1 400 402 +2 600 604 +4 700 706 +6 800 805 +5 900 903 +3 1000 1001 +1 由以上数据处理表知，最大绝对误差：+6℃； (2)仪表误差：max6100%0.6%， 1000仪表的精度等级应定为1.0级；

3.15 电容式压力传感器的工作原理是什么？有何特点？ 工作原理：将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。 特点：结构紧凑、灵敏度高、过载能力大、测量精度可达0.2级、可以测量压力和差压。 3.21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？ 解 ：（1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地，但还必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。 （2）由于仪表的基本误差m由其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测量误差。 3.29 什么叫节流现象?流体经节流装置时为什么会产生静压差？

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，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

流体经节流装置时，由于流速发生变化，使流体的动能发生变化。根据能量守恒定律，动能的变化必然引起静压能的变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。

3

3.38用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10L/min，转子用密度为7920kg／m的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831kg／L苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为

3

由密度为2750kg／m的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？

333

解 由题知t=7920kg／m，f=0.831kg／L=831kg／m，W=1000／m，Q0=10 L/min 测苯的流量的修正系数为

KQtwftfw(79201000)8310.9

(7920831)1000Qr=Q0/KQ=10/0.911.1(L/min)

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所以，苯的流量测量范围为0～11.1L/min。

3

当转子材料改为铝时，r=2750kg／m，此时测水的流量的修正系数为

KrQtwrw(79201000)2

27501000Qr0=Q0/KrQ=10/2=5(L/min)

所以，此时测水的流量的测量范围为0～5L/min

测苯的流量的修正系数为

KfQrwfrfw(27501000)8310.87

(2750831)1000Qrf=Qr0/KfQ=5/0.87=5.75（L/min）

所以，此时测苯的流量的测量范围为0～5.75L/min。 3.49

3.60 用热电偶测温时，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？ 解：（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T（或t）的单值函数。热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接应用分度表或分度曲线。若T0≠0℃，则应进行冷端补偿和处理。

（2）冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0℃恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。

第四章

4.3 比例控制规律是怎样的？为什么比例控制会产生余差？

比例控制是按偏差大小进行控制的，控制器的输出信号p与其输入信号e成正比。余差的产生是由比例控制本身的特性所决定的。因为比例控制作用是与偏差成比例的，只有偏差存在，才能产生控制作用。当系统受到一定的扰动后，为了克服扰动，必定要有一定的控制作用，才能使系统达到新的平衡，所以必定存在与该控制作用相对应的偏差，即余差。 4.6 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？Ti和Td对控制过程有什么影响？

比例度对控制过程的影响：比例度越大，比例控制越弱，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大；比例度越小，比例控制越强，过渡过程曲线越振荡，系统的稳定性和动态性能变差，但余差也越小，提高了系统的静态准确度；比例度过小，可能会出现发散振荡。

选择比例度要注意：若对象的滞后较小，时间常数较大以及放大系数较小，可选择小比例度来提高系统的灵敏度，使过渡过程曲线形状较好；反之，为保证系统的稳定性，应选择大的比例度。

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积分时间Ti过大，积分作用不明显，余差消除很慢；积分时间Ti过小，易于消除余差，但系统振荡加剧。

微分时间Td对惯性打的对象可以改善控制质量，减小最大偏差，节省控制时间，有抑制振荡的效果，但如果加得过大，由于控制作用过强，反而会引起被控变量大幅度的振荡。 4.9某台DDZ-Ⅲ型比例积分控制器，比例度为100%，积分时间为2min。稳态时，输出为5mA。

某瞬间，输入突然增加了0.6mA，试问经过5min后，输出将由5mA变化到多少？

4.13 电动控制器DDZ-Ⅲ型有何特点？

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4~20mA DC,控制室联络信号为1~5V DC,信号电流与电压的转换电阻为250Ω。 2.广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。

3.Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24V DC电源，并有蓄电池作为备用电源。 4.结构合理，比之II型有许多先进之处。

5.整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

第五章

5.4

5.11

第六章

6.7 操纵变量的选择应遵循哪些原则？

（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；

（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量； （3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

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6.5被控变量的选择原则是什么?

答：一般原则是：(1)被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态的重要变量； (2)被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量； (3)被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标； (4)被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量； (5)被控变量应是可控的 ； (6)应考虑工艺的合理性与经济性。 6.4

6.15

第七章

7.2.串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合?

特点：

1、 2、 3、 4、

在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变速器，分别测量主变量和副变量。 在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。

在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。 负荷和操作条件有较大变化时具有一定的自适应能力。

7.6、在什么情况下要采用前馈-反馈控制?画出其方块图。并说明在系统中,前馈控制、反馈控制各起什么

作用?

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应用场合

1、干扰幅值大而频繁对受控变量影响剧烈，仅用反馈控制达不到要求的对象； 2、主要干扰是可测而不可控的变量。

3、对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差。

方块图

前馈控制用于补偿主要干扰；反馈控制用于克服其它次要干扰。 7.21 什么是控制器的“积分饱和”现象？产生积分饱和的条件是什么？

答：积分饱和现象是指有积分作用的控制器当偏差总不为零时，控制器的输出就要一直增加到最大或降低到最小。

产生这种现象的条件有三个：其一是控制器具有积分作用；其二是控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执行器；其三是控制器的输入偏差信号长期存在。在选择性控制系统中，没有被选择器选中的控制器就有可能产生积分饱和现象。

7.26 副回路的确定原则？

1 主、副变量间应有一定的内在联系； 2 要使系统的主要干扰被包围在副回路内；

3 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰；

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；

5 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。

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