自動化儀表習題答案-復制

1、第1章（P15）1、基本練習題（1）簡述過程控制的特點。Q: 1）系統(tǒng)由被控過程與系列化生產(chǎn)的自動化儀表組成； 2）被控過程復雜多樣，通用控制系 統(tǒng)難以設計；3）控制方案豐富多彩，控制要求越來越高； 4）控制過程大多屬于慢變過程與參量控制；5）定值控制是過程控制的主要形式。（2）什么是過程控制系統(tǒng)？試用框圖表示其一般組成。Q: 1）過程控制是生產(chǎn)過程自動化的簡稱。它泛指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核 能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進行的生產(chǎn)過程自動控制，是自動化技術的重要組成 部分。過程控制通常是對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位、成分和物性等工藝參數(shù)進行 控制，使其保持為定值

2、或按一定規(guī)律變化，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，并使生產(chǎn)過程按最優(yōu) 化目標自動進行。2）組成框圖：（3）單元組合式儀表的統(tǒng)一信號是如何規(guī)定的？Q:各個單元模塊之間用統(tǒng)一的標準信號進行聯(lián)絡。1）模擬儀表的信號：氣動 0.020.1MPa、電動m型：420mADC或15V DC。2）數(shù)字式儀表的信號：無統(tǒng)一標準。（4）試將圖1-2加熱爐控制系統(tǒng)流程圖用框圖表示。Q:是審級控制系統(tǒng)。方塊圖：（5）過程控制系統(tǒng)的單項性能指標有哪些？各自是如何定義的？Q: 1）最大偏差、超調(diào)量、衰減比、余差、調(diào)節(jié)時間、峰值時間、振蕩周期和頻率。2）略（8）通常過程控制系統(tǒng)可分為哪幾種類型？試舉例說明。Q: 1）按結構不同，

3、分為反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋復合控制系統(tǒng)；按設定值不同，分為定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)。2）略（10）只要是防爆儀表就可以用于有爆炸危險的場所嗎？為什么？Q: 1）不是這樣。2）比如對安全火花型防爆儀表，還有安全等級方面的考慮等。(11)構成安全火花型防爆系統(tǒng)的儀表都是安全火花型的嗎？為什么?Q: 1)是。2)這是構成安全火花型防爆系統(tǒng)的一個條件。2、綜合練習題(1)簡述圖1-11所示系統(tǒng)的工作原理，畫出控制系統(tǒng)的框圖并寫明每一框圖的輸入/輸出變量名稱和所用儀表的名稱。Q： 1)圖為液位控制系統(tǒng)，由儲水箱(被控過程)、液位檢測器(測量變送器)、液位控制器、 調(diào)節(jié)閥組

4、成的反饋控制系統(tǒng)，為了達到對水箱液位進行控制的目的，對液位進行檢測，經(jīng)過液位控制器來控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié) 5 (流量)來實現(xiàn)液位控制的作用。2)框圖:3)控制器輸入輸出分別為：設定值與反饋值之差e(t )、控制量u(t );執(zhí)行器輸入輸出分別為：控制量u(t )、操作變量q1(t)；被控對象的輸入輸出為：操作變量 qi (t )、擾動量c2(t ),被控 量h ;所用儀表為：控制器(例如 PID控制器)、調(diào)節(jié)閥、液位測量變送器。(2)什么是儀表的信號制？通常，現(xiàn)場與控制室儀表之間采用直流電流信號、控制室內(nèi)部儀 表之間采用直流電壓信號，這是為什么？Q: 1)自動化儀表的信號制是指在成套系列儀表中

5、，各個儀表的輸入/輸出信號均采用某種統(tǒng)一的標準形式，使各個儀表間的任意連接成為可能。2)略(3)某化學反應過程規(guī)定操作溫度為 800C ,最大超調(diào)量小于或等于5%,要求設計的定值控 制系統(tǒng)，在設定值作階躍干擾時的過渡過程曲線如下圖所示。要求：T/V圖1/2設定值干擾時的過渡過程曲線示意圖1）計算該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、最大超調(diào)量和過渡過程時間。2）說明該系統(tǒng)是否滿足工藝要求。Q: 1）由上圖可得 y（8）= 810 C,設定值 r=800 C, B=850-810=40,B2=820- 810=10穩(wěn)態(tài)誤差 e（8）= r - y（oo）=800 C-810 C= -10CBi 40 發(fā)減比

6、：n = = =4:1,B210口,曰y（tp） y（二）850 810最大超調(diào)量：、：= 100%100% =4.938%y（二）810過渡過程時間ts :大概在17min左右2）雖然該系統(tǒng)最大超調(diào)滿足要求，然而在規(guī)定操作溫度為800C,而最后趨于穩(wěn)定的值卻為810C,因此不滿足工藝要求。（4）圖1-13所示為一類簡單鍋爐汽包水位控制流程圖，試畫出該控制系統(tǒng)框圖，并說明其被 控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)和干擾參數(shù)各是什么？Q: 1）控制系統(tǒng)框圖：蒸汽流量變化液位設定上水調(diào)節(jié)閥實際液位液位變送器|汽包被控過程：加熱器+汽包被控參數(shù)：汽包水位 控制參數(shù)：上水流量 干擾參數(shù)：蒸汽流量變化第2章（P7

7、0）(3)某臺測溫儀表測量的上下限為 50010C0C,它的最大絕對誤差為± 2C,試確定該儀表的 精度等級。Q：儀表的弓用誤差最大黑誤差*100% =±ix100% =±0.4% 其精度等級為0.4(4)某臺測溫儀表測量的上下限為 10010(DC,工藝要求該儀表指示值的誤差不超過土 2C, 應選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求？Q:工藝允許的儀表引用誤差為允許的最大絕對誤差 100%量程=100% = 0.22%1000 -100應選0.2級的儀表才能滿足(5)有一臺DDZ-IH型兩線制差壓變送器， 已知其量程為20100kPa,當輸入信號為40kPa和

8、80kPa時，變送器的輸出分別是多少？Q: 1) 8mA; 2) 16mA.(6)設有某DDZ-IH型毫伏輸入變送器，其零點遷移值umin=6mV DC,量程為12mV DC?，F(xiàn)已知變送器的輸出電流為12mA DC。試問：被測信號為多少毫伏？Q: 12mV DC(12)某被測溫度信號在 4080c范圍內(nèi)變化，工藝要求測量誤差不超過土 1%現(xiàn)有兩臺測溫 儀表，精度等級均為0.5級，其中一臺儀表的測量范圍為 0100C,另一臺儀表的測量范圍為 0200C,試問這兩臺儀表能否滿足上述測量要求？Q：工藝允許的最大絕對誤差 =±4 0 M1% =±0.4 °C。0.41)使

9、用0100C的儀表，則/允=士 父100% =±0.4, 0.5級精度不可以滿足； 100042)使用0200C的儀表，則 鼠=土X100% =±0.2 , 0.5級精度不可以滿足；200(13)熱電偶測溫時為什么要進行冷端溫度補償？其補償方法常采用哪幾種？Q： 1)采用補償導線可把熱電偶的冷端從溫度較高和不穩(wěn)定的地方，延伸到溫度較低和比較穩(wěn)定的操作室內(nèi)，但冷端溫度還不是 0C ,而工業(yè)上常用熱電偶的 Et-t關系曲線是在冷端溫度 t0=0。情況下得到的，與它配套使用的儀表也是根據(jù)這一關系曲線進行刻度的。而操作室的溫 度往往不是0£ ,這樣測量結果就會有誤差，因此

10、需要進行冷端溫度的校正。(解決冷端溫度不為零的問題)2)常用的有查表法、電橋補償法。(14)熱電阻測溫電橋中的三線制接法為什么能減小環(huán)境溫度變化對測溫精度的影響？Q:因為用熱電阻測溫時，熱電阻要安裝在被測溫度的現(xiàn)場，而電橋中的其它電阻連同儀表一 起則安裝在控制室?，F(xiàn)場與控制室之間有一定的距離，因此連接熱電阻的導線的電阻往往不可 忽略,若采用普通的二線制接法，則連接熱電阻的兩根導線都分布在電橋的一個橋臂上，因此,連接導線的電阻隨著環(huán)境溫度的變化而變化，將同熱電阻阻值的變化一起加在平衡電橋的一個 橋臂上，這會使測量產(chǎn)生較大的誤差。采用三線制接法可以減少甚至抵消連接導線電阻對測量2、綜合練習題(1)

11、某一標定為100600c的溫度計出廠前經(jīng)校驗，各點的測量結果值如下:被校表讀數(shù)/C100150200250300400500600標準表讀數(shù)/C一1021492042562964034956061)試求該儀表的最大絕對誤差。2)確定該儀表的精度等級。3)經(jīng)過一段時間后，儀表的最大絕對誤差為土 7C,問此時儀表的精度等級為多少?Q： 1)取 =|x xa |中的最大值，計算可知最大絕對誤差等于±6C。2)儀表引用誤差 71 = 土最大絕 對反差X100% =±6黑100% =±1.2% ,符合1.5級精度。量程600 -1003)儀表引用誤差 y2 = 士.大絕對反

12、差M100% =±7M100% =±1.4%，符合1.5級精度。量程600 -100(2)用分度號Pt100的熱電阻測溫，卻錯查了 Cu50的分度表，得到的溫度是150C。問實際 溫度是多少？Q: 1)查Cu50的分度表，找出與 150c對應的電阻值 Rt=82.13?;查Pt100的分度表，找出與82.13?對應的溫度值，約為45Co(3)若被測壓力的變化范圍為 0.51.4MPa,要求測量誤差不大于壓力示值的土 5%?？晒┻x用 的壓力表規(guī)格：量程為 01.6 MPa, 02.5 MPa, 04MPa,精度等級為1.0、1.5、2.5。試選擇 合適量程和精度的壓力表。Q:

13、最大工作壓力不超過儀表量程的 2/3,則可選擇02.5MPa范圍。允許的最大絕對誤差：±0.5*5%= ±0.025MPa,允許的最大引用誤差："/允=±2025父100% =±1% ,可選擇1.0級精度 2.5等級。(5)用差壓變送器與標準孔板配套測量管道介質(zhì)流量。若差壓變送器量程為104Pa,對應輸出信號為420mADC,相應流量為03204小。求差壓變送器輸出信號為 8mADC時，對應的差 壓值及流量值各是多少？Q:因為未加開方器。流量與差壓的平方根成正比。8mADC對應的差壓值為2500Pa,流量則為 160m3/h。3、設計題(1)用

14、分度號為K的鍥銘-鍥硅熱電偶測量溫度，在無冷端溫度補償?shù)那闆r下，顯示儀表指示 值為600C,此時冷端溫度為50Co試問：實際溫度是多少？如果熱端溫度不變，使冷端溫度 為20c時，此時顯示儀表指示值應為多少？Q: 1)查K分度表，知600c對應的熱電勢為24.902mV,由題意可知這熱電勢是由熱端溫度為t C ,冷端溫度為50 c的K熱電偶產(chǎn)生的，即E (t,50) = 24.902m V ,又查K表知E (50, 0) =2.022mV, E (t,0) =E(t,50) + E (50, 0) = 24.902 +2.022 = 26.924mV, 再查 K 表得 t約為648Co2) E

15、(t,20) =E(t,0) - E (20, 0) =26.126mV,再查 K 表，與 26.126mV 熱電勢對應的溫度為628.8 C .(2)某容器的正常工作壓力范圍為1.01.5MPa,工藝要求就地指示壓力，并要求測量誤差小于被測壓力的土 5%,試選擇一個合適的壓力表(類型、量程、精度等級)，并說明理由。Q: 1)類型：可使用彈簧管壓力計。2)最大工作壓力不超過儀表量程的2/3,則可選擇02.5MPa范圍；又由于最小工作壓力1.0大于儀表量程的1/3,所選范圍是合適的。3 )允許的最大絕對誤差：土 1.0*5%= 土 0.05MPa ,允許的最大引用誤差：'屋=土欠父100

16、% =±2% ,可選擇1.5級精度等級。 2.5(4)某控制系統(tǒng)中有一個量程為 20100kPa精度等級為0.5級的差壓變送器，在校驗時發(fā)現(xiàn)， 該儀表在整個量程范圍內(nèi)的絕對誤差變化范圍為 0.5+0.4 kPa,試問：該變送器能否直接被 原控制系統(tǒng)繼續(xù)使用？為什么？Q：不能。因為其最大絕對誤差為一0.5,其引用誤差0=-一”一父100% =-0.625% ,超出了 100 - 20原先設計的精度要求0.5級的范圍。第 3 章(P108)1、基本練習題(1)在過程控制中，哪些儀表是屬于過程控制儀表？在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)調(diào)節(jié)器是電 動的，而執(zhí)行器多數(shù)是氣動的，這是為什么？氣動單元組合

17、儀表與電動單元組合儀表各單元之 間的標準統(tǒng)一信號又是如何規(guī)定的？Q: 1)在過程控制中，過程控制儀表：調(diào)節(jié)器、電/氣轉換器、執(zhí)行器、安全柵等。2)調(diào)節(jié)器 選電動的因為電源的問題容易解決，作用距離長，一般情況下不受限制；調(diào)節(jié)精度高，還可以 實現(xiàn)微機化。執(zhí)行器多數(shù)是氣動的，因為執(zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，常常在高溫、高壓、深 冷、高粘度、易結晶、閃蒸、汽蝕、易爆等惡劣條件下工作，選氣動的執(zhí)行器就沒有電壓電流 信號，不會產(chǎn)生火花，這樣可以保證安全生產(chǎn)和避免嚴重事故的發(fā)生。3)氣動儀表的輸入輸出模擬信號統(tǒng)一使用0.020.1MPa的模擬氣壓信號。電動儀表的輸入輸出模擬信號有直流電 流、直流電壓、交流電流

18、和交流電壓四種。各國都以直流電流和直流電壓作為統(tǒng)一標準信號。過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號為 420mA DC,負載250 Q ;模擬直流電壓信號為15V DCc(2)某比例積分調(diào)節(jié)器的輸入、輸出范圍均為 420mA DC,若設8=100%、=2min,穩(wěn)態(tài)時其輸出為6mA;若在某一時刻卒&入階躍增加 1mA,試求經(jīng)過4min后調(diào)節(jié)器的輸出。,1u=Kc 嚴 ?je(t)dQ ：由式6 =X100% ,可得Kc=1。在比例積分作用下，輸出Au可由下式計算: Kc4d dt = 3mA ,即調(diào)節(jié)器的輸出 u=Au+u(0)=3+6=9mAo(6)調(diào)節(jié)器的正、反作用是如何規(guī)定的？Q:當調(diào)節(jié)

19、器的輸出隨偏差的增大而增大時，稱為正作用調(diào)節(jié)器，反之為反作用調(diào)節(jié)器(7)數(shù)字式控制器有哪些主要特點？簡述其硬件的基本構成。Q: 1)數(shù)字式控制器的主要特點：1、采用了模擬儀表與計算機一體的設計方法，使數(shù)字式控制器的外形結構、面板布置、操作方式等保留了模擬調(diào)節(jié)器的特征。2、與模擬調(diào)節(jié)器相比具有更豐富的運算控制功能。3、具有數(shù)據(jù)通信功能，便于系統(tǒng)擴展。4、可靠性高具有自診斷功 能，維護方便。2)數(shù)字式控制器的硬件電路由主機電路，過程輸入通道、過程輸出通道、人 / 機聯(lián)系部件、通信部件等。(18)過程控制系統(tǒng)的所有儀表與裝置是否都應考慮安全防爆？為什么？Q:不是。現(xiàn)場的所有儀表應考慮安全防爆。非危險

20、場所的儀表則不一定要防爆，現(xiàn)場儀表與 非危險場所(包括控制室)之間必須經(jīng)過安全柵。(19)安全柵在安全防爆系統(tǒng)中的主要作用是什么？簡單齊納式安全柵有何缺點？它是如何改進的？ Q: 1)參教材 P104 ;2)參教材P105;3)參教材P1052、綜合練習題(2)已知某比例微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為出響應表達式，畫出響應曲線。VO2Voia 1TD sKD1工KD試求單位階躍輸入作用下的輸1Q：單包階躍輸入的拉氏變換Voi=-,在階躍輸入作用下的輸出拉氏變換為： s對其取拉氏反變換，可得1 a 1 TD s a 1 TD s DDs Kd. TD KDTD 、D 1s D s(1s)KDkdVo2(

21、t)Kd1 (Kd -1)e TD 第 4 章(P139)（1）什么是被控過程的特性？什么是被控過程的數(shù)學模型？為什么要研究過程的數(shù)學模型？ 目前研究過程數(shù)學模型的主要方法有哪幾種？Q: 1）被控過程的特性：被控過程輸入量與輸出量之間的關系。2）被控過程的數(shù)學模型：被控過程的特性的數(shù)學描述，即過程輸入量與輸出量之間定量關系的數(shù)學描述。3）研究過程的數(shù)學模型的意義：是控制系統(tǒng)設計的基礎；是控制器參數(shù)確定的重要依據(jù)；是仿真或研究、開 發(fā)新型控制策略的必要條件；是設計與操作生產(chǎn)工藝及設備時的指導；是工業(yè)過程故障檢測與 診斷系統(tǒng)的設計指導。4）主要方法：機理演繹法、試驗辨識法、混合法。（2）響應曲線法

22、辨識過程數(shù)學模型時，一般應注意哪些問題？Q:試驗測試前，被控過程應處于相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)；相同條件下應重復多做幾次試驗；分 別作正、反方向的階躍輸入信號進行試驗；每完成一次試驗后，應將被控過程恢復到原來的工 況并穩(wěn)定一段時間再做第二次試驗；輸入的階躍幅度不能過大也不能過小。（4）圖4-30所示液位過程的輸入量為 5,流出量為 中、q3,液位h為被控參數(shù)，C為容量系 數(shù)，并設Ri、R2、R3均為線性液阻。要求：1）列寫該過程的微分方程組。2）畫出該過程框 圖。3）求該過程白傳遞函數(shù) Go（s）=H（s）/Q1（s）。d LhC C dtQ： 1）微分方程組:q3hR2 hR32）過程框圖:掰1/

23、A3)傳遞函數(shù)：Go(s) = H (s)/Qi(s)=111Cst/s01020406080100150200300h/mm09.51833 14555r 6378869598（5）某水槽水位階躍響應的試驗記錄為:其中階躍擾動量Au為穩(wěn)態(tài)值的10%。1）畫出水位的階躍響應標幺值曲線。2）若該水位對象用一階慣性環(huán)節(jié)近似，試確定其增益 K 和時間常數(shù)ToQ: 1）階躍響應標幺值丫0（1）=上"="，圖略。y（二）982）一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G（s）= K0 ，又Au =10%5（8）=9.8,放大系數(shù) 長=義二） =絲=10 ,T0s 1u 9.8時間常數(shù)T=100s,是達到新白穩(wěn)態(tài)值的63%所用的時間2、綜合練習題(1)如圖4-32所示，qi為過程的流入量，出為流出量，h為液位高度，C為容量系數(shù)。若以 qi為過程的輸入量，h為輸出量(被控量)，設Ri、R2為線性 液阻，求過程的傳遞函數(shù) G0(s)=H(s)/Qi(s)od Ahiqi 加2 =C1(i)dtd Ah2的2 - M C(2)dt'Ahdihi的廠 -C(