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(90010)℃。

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？题1-19图温度控制系统过渡过程曲线解最大偏差A=950900=50（℃）；超调量B=950908=42（℃）；由于B=918908=10（℃），所以，衰减比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908900=8℃；振荡周期T=459=36(min)；过渡时间t s=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=81.581=0.5（℃）；由于B=81.580.7=0.8（℃），B=80.980.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:B=0.8:0.2=4；余差C=80.781= 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。

(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；由以上数据处理表知，最大绝对误差：+6℃；(2)仪表误差：%6.0%10010006max ±=⨯±=δ， 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。

3.38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／m3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由密度为2750kg／m3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？解由题知t=7920kg／m3，f=0.831kg／L=831kg／m3，W=1000／m3，Q0=10 L/min测苯的流量的修正系数为Q r=Q0/K Q=10/0.911.1(L/min)所以，苯的流量测量范围为0～11.1L/min。

当转子材料改为铝时，r=2750kg／m3，此时测水的流量的修正系数为Q r0=Q0/K rQ=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Q r f=Q r0/K f Q=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。

3.493.60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。

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。