化工仪表及自动化总复习题目及答案

10131313钟晓帆化工仪表及自动化总复习习题及答案第一章自动控制系统基本概念一、基本要求1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；2. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。

二、常用概念1.化工自动化的主要内容：化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。

2.自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。

3.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对象，简称对象。

4.被控变量：过程内要求保持设定数值的物理量。

5.操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

6.干扰作用：指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用。

7.设定值：被控变量的设定值。

8.偏差：个别测定值与测定的平均值之差。

9.闭环系统：指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。

10.开环系统：指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制。

11.控制系统的过渡过程：一个控制系统在处界干扰或给定干扰作用下，从原有的稳定状态过渡到新的稳定状态的过程称为过渡过程。

12.反馈：把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。

13.负反馈：反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈。

14.正反馈：反馈信号的作用方向与设定信号相同，反馈信号使原来的信号增强，这种反馈叫做正反馈。

三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。

答：开环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，但被控变量对操纵变量没有影响。

闭环自动控制系统：操纵变量可以改变被控变量，被控变量又对操纵变量产生影响。

定值控制系统：给定值为常数；随动控制系统：给定值为变数，要求跟随变化；程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。

2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：发散振荡过程非振荡发散过程等幅振荡过程衰减振荡过程非振荡衰减过程。

在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。

但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。

只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。

3.试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。

答:最大偏差（超调量）：在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。

衰减比：表示衰减程度的指标。

余差：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差。

过渡时间：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。

振荡周期（振荡频率）：过渡过程同向两波峰之间的间隔时间。

4.什么是控制系统的方块图？它与工艺管道及控制流程图有何区别？答：自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

其中：每一个方块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特征的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。

采用方块图可直观的显示出系统中各组分部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。

在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同。

5.在自动化系统中，仪表符号由哪几部分组成，各表示什么意义？答：仪表位号由字母组合和回路编号组成：字母组合：首字母――被侧变量，尾字母――仪表功能，中字母――修饰词。

回路编号：首位数――工序号，后续数――顺序号。

四、选择题：1．反馈调节系统（ C ）闭环系统。

A. 不一定是B. 肯定不是C. 肯定是D、无法判断2．定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统是按什么来划分的（C）。

A. 按自动调节系统的结构B. 按自动调节系统的特性C. 按给定值变化的规律D. 调节系统的结构3. 在研究动态特性时可以将( C )看作系统对象环节的输入量。

A. 干扰作用；B. 控制作用；C．干扰作用和控制作用；D．测量仪表的信号4.在下列仪表号位中表示有报警作用的字母为( C ）A、“C”B、“H”C、“A”D、“I”5.控制系统在阶跃干扰作用下的几种过渡过程中，那种震荡过程是最希望出现的震荡过程（ B ）A、非周期衰减过程B、衰减震荡过程C、等幅震荡过程D、发散震荡过程6.下列哪些参数不是表示过渡过程品质好坏的指标（ A ）A、变差B、余差C、最大偏差D、衰减比7.关于调节系统方块图的说法，不正确的是（ B ）。

A.一个方块代表一个设备；B.方块间的连线代表的是方块间物料关系；C.方块图上的线条及箭头方向不一定与流体流向一致D.方块间连线只代表信号关系8.控制系统的反馈信号使得原来信号增强的叫做（ B ）。

A.负反馈B.正反馈C.前馈D.回馈9. 某换热器的温度控制系统（设定值是 40 ℃）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图6所示。

则该系统的余差、衰减比、最大偏差是（ B ）。

A、1、4: 1、4B、1、4:1、5C、1、5:2、5D、1、5:1、4五、填空题：1. 自动化装置是由测量元件与变送器、自动控制器、执行器、等环节组成。

2．描述控制系统的品质指标的参数有最大偏差或超调量、衰减比、余差、过渡时间、震荡周期或频率等。

六、综合题：1. 某发酵过程工艺操作温度为（40±2）︒C 。

考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离设定值最大不能超过6︒C 。

先设计一定值控制系统，在阶跃扰动系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（按被控变量进入±2%新稳态值即达到稳定来确定）和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求？图5解：由反应曲线可知：最大偏差：℃54045=-=A余差：℃14041=-=C衰减比：第一个波峰值℃44145=-=B第二个波峰值℃14142'=-=B 414'===B B n过渡时间：由题要求，被控变量进入新稳态值的%2±就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围应是℃82.0241±=±⨯由图可看出，过渡时间min 23=s T振荡周期：min 13518=-=T作业21． 某化学反应器工艺规定操作温度为(900士 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图 1-19 所示。

试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比和振荡周期，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？解：最大偏差：℃50900950=-=A超调量：℃42908950=-=B由于℃10908918'=-=B 所以，衰减比2.41042'===B B n 余差℃8900908=-=C振荡周期min 36945=-=T所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。

第二章 过程特性及数学模型一、基本要求1. 了解建立被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；2. 掌握用机理建模的方法，建立简单对象的数学模型；3. 掌握表征被控对象特性的三个参数——放大倍数K 、时间常数T 、滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响；4. 了解被控对象特性的实验测定方法。

二、常用概念1.被控对象的数学模型：被控对象的动态特性的数学表达式，即被控对象的输出（被控量）在输入量（控制量和扰动量）作用下变化的数学函数关系式。

2. 通道：由对象的输入变量至输出变量的信号联系。

3.被控对象的放大倍数：如果有一定的输入变化量1Q ∆,通过对象就被放大了K 倍变为输出变化量h ∆，则K 称被控对象的放大倍数。

4.被控对象的时间常数：对象受到干扰后，被控变量达到新的稳态值所需要的时间。

5.被控对象的滞后时间：纯滞后（输出变化落后于输入变化的时间）与容积滞后（因物料或能量传递需要一定时间而引起的输出变化迟缓）之和。

三、选择题1.一般认为，经过（ A ）时间后，动态过程便结束了。

A. 3T ；B. T ；C. 5T ； D ．10T2.在描述对象特性参数的滞后时间时,下列说法错误的是（ C ）。

A. 传递滞后又称为纯滞后；B. 容量滞后一般是由于物料和能量传递需要通过一定的阻力引起的；C. 容量滞后是有些对象在受到阶跃输入后，再经过一段时间时间后被控变量才开始变化；D. 滞后时间包括可分为容量滞后和纯滞后时间。

四、填空题1. 目前求取过程数学模型的方法有两种。

其中一种是根据过程的内在机理，通过物料和能量平衡关系，用机理建模的方法求取过程的数学模型。

2.描述对象特性的三个参数是放大系数、时间常数 和滞后时间 ，如果时间常数越大，系统的响应速度越慢，系统的稳定性越好。

3.过程特性是指被控过程的被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间变化的规律。

4.由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力导致的滞后称为容量滞后。

五、综合题：1. 为了测量某物料干燥筒的对象特性，在T ＝0时刻突然将加热蒸汽量从25m 3/h 增加到28m 3/h ，物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图所示。

试求出该对象的特性。

已知流量仪表量程为0～40m 3/h ，温度仪表为0～200℃图 干燥筒的阶跃响应曲线解：由阶跃应曲线可看出该回想具有一阶纯滞后特性： 放大倍数2402528200120150=--=K 时间常数min 4=T滞后时间min 2=τ作业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5，放大系数为10，纯滞后时间为2，试写出描述该对象特性的一阶微分方程。

解：根据题意可知10=K 5=T 2=τ则起一阶微分方程为:()()()t x t y dtt dy 10225=+++第三章 检测仪表与传感器一、基本要求1．掌握仪表精度的意义与测量误差的关系。

2．了解仪表的性能指标。

3．初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。

4．了解各种流量计的测量原理。

重点是差压式流量计及转子流量计。

5．了解各种液位测量方法。