自動(dòng)化儀表習(xí)題答案解析

1、第1章（P15）（1）簡(jiǎn)述過程控制的特點(diǎn)。Q：1）系統(tǒng)由被控過程與系列化生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表組成；2）被控過程復(fù)雜多樣，通用控制系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)；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(dòng)化的簡(jiǎn)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(jìn)行的生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。過程控制通常是對(duì)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(jìn)行控制，使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確保產(chǎn)品質(zhì)

2、量和生產(chǎn)安全，并使生產(chǎn)過程按最優(yōu)化目標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行。2）組成框圖：（3）)單元組合式儀表的統(tǒng)一信號(hào)是如何規(guī)定的？Q：各個(gè)單元模塊之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。1）模擬儀表的信號(hào)：氣動(dòng)0.020.1MPa、電動(dòng)型：420mADC或15V DC。2）數(shù)字式儀表的信號(hào)：無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。（4）試將圖1-2加熱爐控制系統(tǒng)流程圖用框圖表示。Q：是串級(jí)控制系統(tǒng)。方塊圖：（5）過程控制系統(tǒng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)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(shí)間、峰值時(shí)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(jié)構(gòu)不同，分為反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋-

3、反饋復(fù)合控制系統(tǒng)；按設(shè)定值不同，分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)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(xiǎn)的場(chǎng)所嗎？為什么？Q：1）不是這樣。2）比如對(duì)安全火花型防爆儀表，還有安全等級(jí)方面的考慮等。（11）構(gòu)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(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)的一個(gè)條件。2、綜合練習(xí)題（1）簡(jiǎn)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(chǔ)水箱（被控過程）、液位檢測(cè)器（測(cè)量變送器）、液位控制器、調(diào)節(jié)閥組成的反饋控制系統(tǒng)，為了達(dá)到對(duì)水箱液位進(jìn)行控制的

4、目的，對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過液位控制器來控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)q1（流量）來實(shí)現(xiàn)液位控制的作用。2）框圖：3）控制器輸入輸出分別為：設(shè)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(duì)象的輸入輸出為：操作變量q1 (t ) 、擾動(dòng)量q2 (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(cè)量變送器。（2）什么是儀表的信號(hào)制？通常，現(xiàn)場(chǎng)與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)、控制室內(nèi)部?jī)x表之間采用直流電壓信號(hào)，這是為什么？Q：1）自動(dòng)化儀表的信號(hào)制是指在成套系列儀表中，各個(gè)儀表的輸入/輸出信號(hào)均采用某種統(tǒng)一的標(biāo)

5、準(zhǔn)形式，使各個(gè)儀表間的任意連接成為可能。2）略（3）某化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)定操作溫度為800，最大超調(diào)量小于或等于5，要求設(shè)計(jì)的定值控制系統(tǒng)，在設(shè)定值作階躍干擾時(shí)的過渡過程曲線如下圖所示。要求：1）計(jì)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(shí)間。2）說明該系統(tǒng)是否滿足工藝要求。Q：1）由上圖可得y() = 810，設(shè)定值r=800, B1=850810=40,B2=820810=10穩(wěn)態(tài)誤差e() = r y() =800-810= 10衰減比：，最大超調(diào)量：過渡過程時(shí)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800，而最后趨于穩(wěn)定的值卻為810，因

6、此不滿足工藝要求。（4）圖1-13所示為一類簡(jiǎn)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：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（P70）1、基本練習(xí)題（3）某臺(tái)測(cè)溫儀表測(cè)量的上下限為5001000，它的最大絕對(duì)誤差為±2，試確定該儀表的精度等級(jí)。Q：儀表的引用誤差，其精度等級(jí)為0.4級(jí)。（4）某臺(tái)測(cè)溫儀表測(cè)量的上下限為1001000，工藝要求該儀表指示值的誤差不超過±2，應(yīng)選精度等級(jí)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=應(yīng)

7、選0.2級(jí)的儀表才能滿足。（5）有一臺(tái)DDZ-型兩線制差壓變送器，已知其量程為20100kPa，當(dāng)輸入信號(hào)為40kPa和80kPa時(shí)，變送器的輸出分別是多少？Q：1）8mA；2）16mA.（6）設(shè)有某DDZ-型毫伏輸入變送器，其零點(diǎn)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(cè)信號(hào)為多少毫伏？Q：12mV DC（12）某被測(cè)溫度信號(hào)在4080范圍內(nèi)變化，工藝要求測(cè)量誤差不超過±1%，現(xiàn)有兩臺(tái)測(cè)溫儀表，精度等級(jí)均為0.5級(jí)，其中一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍為0100，另一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍為0200，試問這兩臺(tái)儀表能否滿足上述測(cè)量要求？Q：工

8、藝允許的最大絕對(duì)誤差=。 1）使用0100的儀表，則，0.5級(jí)精度不可以滿足； 2）使用0200的儀表，則，0.5級(jí)精度不可以滿足； （13）熱電偶測(cè)溫時(shí)為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？其補(bǔ)償方法常采用哪幾種？Q：1）采用補(bǔ)償導(dǎo)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0 ，而工業(yè)上常用熱電偶的Et-t關(guān)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(guān)系曲線進(jìn)行刻度的。而操作室的溫度往往不是0 ，這樣測(cè)量結(jié)果就會(huì)有誤差，因此需要進(jìn)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(bǔ)償法。（14）熱電阻

9、測(cè)溫電橋中的三線制接法為什么能減小環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)溫精度的影響？Q：因?yàn)橛脽犭娮铚y(cè)溫時(shí)，熱電阻要安裝在被測(cè)溫度的現(xiàn)場(chǎng)，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(chǎng)與控制室之間有一定的距離，因此連接熱電阻的導(dǎo)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(dǎo)線都分布在電橋的一個(gè)橋臂上，因此，連接導(dǎo)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(gè)橋臂上，這會(huì)使測(cè)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(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的誤差。2、綜合練習(xí)題（1）某一標(biāo)定為100600的溫度計(jì)出廠前經(jīng)校驗(yàn)，各點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果值如下：被校表讀數(shù)/10015

10、0200250300400500600標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/1021492042562964034956061） 試求該儀表的最大絕對(duì)誤差。2） 確定該儀表的精度等級(jí)。3） 經(jīng)過一段時(shí)間后，儀表的最大絕對(duì)誤差為±7，問此時(shí)儀表的精度等級(jí)為多少？Q：1）取中的最大值，計(jì)算可知最大絕對(duì)誤差等于±6。2）儀表引用誤差，符合1.5級(jí)精度。3）儀表引用誤差，符合1.5級(jí)精度。（2）用分度號(hào)Pt100的熱電阻測(cè)溫，卻錯(cuò)查了Cu50的分度表，得到的溫度是150。問實(shí)際溫度是多少？Q：1）查Cu50的分度表，找出與150對(duì)應(yīng)的電阻值Rt=82.13；查Pt100的分度表，找出與82.13對(duì)應(yīng)的溫度值

11、，約為45。（3）若被測(cè)壓力的變化范圍為0.51.4MPa，要求測(cè)量誤差不大于壓力示值的±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(jí)為1.0、1.5、2.5。試選擇合適量程和精度的壓力表。Q：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(duì)誤差：±0.5*5%=±0.025MPa，允許的最大引用誤差：，可選擇1.0級(jí)精度等級(jí)。（5）用差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)孔板配套測(cè)量管道介質(zhì)流量。若差壓變送器量程為104Pa，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為420mADC，相應(yīng)流量為0320m3/h。求差壓變送器輸出信號(hào)為8m

12、ADC時(shí)，對(duì)應(yīng)的差壓值及流量值各是多少？Q：因?yàn)槲醇娱_方器。流量與差壓的平方根成正比。8mADC對(duì)應(yīng)的差壓值為2500Pa，流量則為160 m3/h。3、設(shè)計(jì)題（1）用分度號(hào)為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量溫度，在無冷端溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，顯示儀表指示值為600，此時(shí)冷端溫度為50。試問：實(shí)際溫度是多少？如果熱端溫度不變，使冷端溫度為20時(shí)，此時(shí)顯示儀表指示值應(yīng)為多少？Q：1）查K分度表，知600對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)為24.902mV,由題意可知這熱電勢(shì)是由熱端溫度為t，冷端溫度為50的K熱電偶產(chǎn)生的，即，又查K表知，再查K表得t約為648。2），再查K表，與26.126mV熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度為628.8.（2

13、）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(cè)量誤差小于被測(cè)壓力的±5%，試選擇一個(gè)合適的壓力表（類型、量程、精度等級(jí)），并說明理由。Q：1）類型：可使用彈簧管壓力計(jì)。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(duì)誤差：±1.0*5%=±0.05MPa，允許的最大引用誤差：，可選擇1.5級(jí)精度等級(jí)。（4）某控制系統(tǒng)中有一個(gè)量程為20100kPa、精度等級(jí)為0.5級(jí)的差壓變送器，在校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該儀表在整個(gè)量程范圍內(nèi)的絕對(duì)誤差變化范圍

14、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?yàn)槠渥畲蠼^對(duì)誤差為0.5，其引用誤差，超出了原先設(shè)計(jì)的精度要求0.5級(jí)的范圍。第3章（P108）1、基本練習(xí)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(dòng)的，而執(zhí)行器多數(shù)是氣動(dòng)的，這是為什么？氣動(dòng)單元組合儀表與電動(dòng)單元組合儀表各單元之間的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)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(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等。2）調(diào)節(jié)器選電動(dòng)的因?yàn)殡娫吹膯栴}容易解決，作用距離長(zhǎng)，一般情況下不受限制；調(diào)節(jié)精度高，還可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。執(zhí)行器多數(shù)是氣動(dòng)的，因?yàn)?/p>

15、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(jié)晶、閃蒸、汽蝕、易爆等惡劣條件下工作，選氣動(dòng)的執(zhí)行器就沒有電壓電流信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生火花，這樣可以保證安全生產(chǎn)和避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。3）氣動(dòng)儀表的輸入輸出模擬信號(hào)統(tǒng)一使用0.020.1MPa 的模擬氣壓信號(hào)。電動(dòng)儀表的輸入輸出模擬信號(hào)有直流電流、直流電壓、交流電流和交流電壓四種。各國(guó)都以直流電流和直流電壓作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號(hào)為420mA DC，負(fù)載250 ；模擬直流電壓信號(hào)為15V DC。（2）某比例積分調(diào)節(jié)器的輸入、輸出范圍均為420mA DC，若設(shè)=100%、TI=2min，穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸出為6mA；若在某一

16、時(shí)刻輸入階躍增加1mA，試求經(jīng)過4min后調(diào)節(jié)器的輸出。Q：由式，可得。在比例積分作用下，輸出u可由下式計(jì)算：，即調(diào)節(jié)器的輸出u=u+u(0)=3+6=9mA。（6）調(diào)節(jié)器的正、反作用是如何規(guī)定的？Q：當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出隨偏差的增大而增大時(shí)，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(diǎn)？簡(jiǎn)述其硬件的基本構(gòu)成。Q：1）數(shù)字式控制器的主要特點(diǎn)：1、采用了模擬儀表與計(jì)算機(jī)一體的設(shè)計(jì)方法，使數(shù)字式控制器的外形結(jié)構(gòu)、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(yùn)算控制功能。3、具有數(shù)據(jù)通信功能，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。4、可靠性高具有自診斷功能，維護(hù)方便。2）

17、數(shù)字式控制器的硬件電路由主機(jī)電路，過程輸入通道、過程輸出通道、人/機(jī)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(yīng)考慮安全防爆？為什么？Q：不是?，F(xiàn)場(chǎng)的所有儀表應(yīng)考慮安全防爆。非危險(xiǎn)場(chǎng)所的儀表則不一定要防爆，現(xiàn)場(chǎng)儀表與非危險(xiǎn)場(chǎng)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(jiǎn)單齊納式安全柵有何缺點(diǎn)？它是如何改進(jìn)的？Q：1）參教材P104 ； 2) 參教材P105； 3）參教材P1052、綜合練習(xí)題（2）已知某比例微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，試求單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)表達(dá)式，畫出響應(yīng)曲線。Q：?jiǎn)挝浑A躍輸入的拉氏變換，在階躍輸入作用下的輸出

18、拉氏變換為：，對(duì)其取拉氏反變換，可得。第4章（P139）1、基本練習(xí)題（1）什么是被控過程的特性？什么是被控過程的數(shù)學(xué)模型？為什么要研究過程的數(shù)學(xué)模型？目前研究過程數(shù)學(xué)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(guān)系。2）被控過程的數(shù)學(xué)模型：被控過程的特性的數(shù)學(xué)描述，即過程輸入量與輸出量之間定量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。3）研究過程的數(shù)學(xué)模型的意義：是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；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(shè)計(jì)與操作生產(chǎn)工藝及設(shè)備時(shí)的指導(dǎo)；是工業(yè)過程故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。4）主要方法：機(jī)理演繹法、試驗(yàn)辨識(shí)法、混合法。（2）響應(yīng)曲線法辨識(shí)過程數(shù)學(xué)模型時(shí)，一般應(yīng)注意哪些問題？Q：試驗(yàn)測(cè)試前，被控過程應(yīng)處于相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)；相同條件下應(yīng)重復(fù)多做幾次試驗(yàn)；分別作正、反方向的階躍輸入信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)；每完成一次試驗(yàn)后，應(yīng)將被控過程恢復(fù)到原來的工況并穩(wěn)定一段時(shí)間再做第二次試驗(yàn)；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q1，流出量為q2、q3，液位h為被控參數(shù)，C為容量系數(shù)，并設(shè)R1、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）求該過程的傳遞函數(shù)