仪表自动化部分习题答案

第一章自动控制系统基本概念 (1)
第二章过程特性及其数学模型 (2)
第三章检测仪表与传感器 (2)
第四章自动控制仪表 (3)
第五章执行器 (3)
第六章简单控制系统 (3)
第七章复杂控制系统 (3)
第一章自动控制系统基本概念
2、化工自动化一般包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内
容。

或：自动检测系统、自动信号和联锁保护系统、自动操纵及自动开停车系统、自动控制系统。

4、自动控制系统由被控对象、测量元件变送器、控制器、执行器组成。

6、 FRC/305：流量记录控制仪表，集中仪表盘面安装，工段号为3，仪表序号
为05
PI 307：压力指示仪表，就地安装，工段号为3，仪表序号为07
TRC/303：温度记录控制仪表，集中仪表盘面安装，工段号为3，仪表序号为03
11
被控对象：反应器；
被控变量：反应器内温度；
操纵变量：冷却水流量
干扰：冷却水温度、压力，AB物料温度、流量、组成、纯度，搅拌速率等。

20、自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有最大偏差、超调量、衰减比、
振荡周期或频率、过渡时间。

对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏很大程度上决定于对象的性质，自动化装置的选择和调整不当也会直接影响控制质量，此外，在控制系统运行过程中，自动化装置的性能变化也会影响控制质量。

第二章过程特性及其数学模型
8、反应对象特性的参数有放大系数K、时间常数T、滞后时间τ
放大系数K：在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比；放大系数越大，被控变量对这个量的变化就越灵敏。

时间常数T：指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持在初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间；时间常数越大，对象受到
干扰作用后被控变量变化得越慢，达到新的稳定值的时间就越
长。

滞后时间τ：是纯滞后时间和容量滞后时间的总称，它反映对象受到输入作用后，输出不能立即、迅速变化的现象；系统受到干扰后，由
于滞后作用存在，被控变量不能立即反就出来，也就不能及时
产生控制作用，整个系统的控制质量会受到严重的影响。

第三章检测仪表与传感器
5、（1）Δmax=700-706=-6℃
（2）δ=(-6)/(1000-0)×100%=-0.6%
去掉负号和百分号，该仪表的精度等级为1.0级。

6、（1）0-0=0（MPa），2.02-1.98=0.04（MPa），4.03-3.96=0.07（MPa），
6.06-5.94=0.12（MPa），8.03-
7.97=0.06（MPa），10.01-9.99=0.02
（MPa）故其正、反行程最大差值为0.12MPa
所以变差=0.12/(10-0)×100%=1.2%
（2）由于变差1.2%超过了仪表的最大相对误差1.0%×(10-0) =1.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。

20、（1）Δmax=1.0%×(1-0) =0.01MPa
（2）Δ=0.508-0.5=0.008 MPa<Δmax，所以该表在这一点符合1级精度。

或该点δ=(0.5-0.508)0.008/(1-0)×100%= -0.8%
22、（1）p
max
≥0.8×(3/2)=1.2MPa 所以仪表量程符合工艺要求
δ允=0.01/(1.6-0)×100%=0.625% 要求用精度高于0.625的仪表测
量，所以该仪表精度不符合工艺上的误差要求
（2）δ允=0.01/(1-0)×100%=1% 所以该仪表精度符合工艺上的误差要求
23、p
max
≥1.6×(3/2)=2.4MPa
p
max
≤1.1×3=3.3MPa
δ允=(±5%×1.1)/(2.5-0)×100%=2.2% 应选精度等级为1.5级
就地指示，可以选用量程为0~2.5MPa、精度为1.5级的弹簧管压力表。

24、p
max
≥14×(5/3)=23MPa 应选量程为0~25MPa
δ允=0.4/(25-0)×100%=1.6% 应选择精度为1.5级
就地指示，可以选用量程为0~25MPa，精度为1.5级的Y-150弹簧管压力表。

（其他只要符合条件均可）
25、（1）0-0=0 MPa，0.405-0.385=0.02 MPa，0.810-0.790=0.02 MPa，
1.215-1.210=0.005 MPa，1.595-1.595=0 MPa
0-0=0 MPa，0.4-0.385=0.015 MPa，0.8-0.790=0.01 MPa，1.2-1.210=0.01 MPa，
1.6-1.595=0.005 MPa
0-0=0 MPa，0.4-0.405=-0.005 MPa，0.8-0.810=-0.01 MPa，1.2-1.215=-0.015 MPa，1.6-1.595=0.005 MPa
δ=0.015/(1.6-0)×100%=0.94% 变差=0.02/1.6×100%=1.25% 均小于
1.5
所以这台仪表合格。

（2）p
max ≥1.0×(3/2)=1.5MPa； p
max
≤0.8×3=2.4MPa
δ允=0.05/(1.6-0)×100%=3% > 1.5%
所以这台仪表可以用于该贮罐压力测量。

37、
s /L 9950313
29310133.065.0977.1293.1Q T T p p Q 11021101=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=ρρ38、(1)9.01000
)8317920(831)10007920()()(K w f t f w t Q ≈⨯-⨯-=--=ρρρρρρ Q 苯= Q 水/K Q =(0~10)/0.9=0~11.1L/min
测量苯时的测量范围为0~11.1 L/min
(2)转子换为铝，测量水时
A
)(gV 2h Q w w t 0ρρρϕ-= A )(gV 2h Q w w 't f ρρρϕ-=99.11000
275010007920Q Q w 't w t f 0≈--=--=ρρρρ Q 水’=Q 水/1.99=(0~10)/1.99=0~5.03 L/min
转子材料改为铝时，水流量的测量范围为0~5.03 L/min
(3)转子材料为铝，测量苯时
73.11000)8312750(831)10007920()()(Q Q w
f 't f w t 'f 0≈⨯-⨯-=--=ρρρρρρ Q 苯’=Q 水/1.73=(0~10)/1.73=0~5.78 L/min
转子材料改为铝时，水流量的测量范围为0~5.78 L/min
50、在使用差压变送器测量液位时，一般压差Δp 与液位高度H 之间的关系为：Δp = ρgH 。

这就是一般的“无迁移”的情况。

当H = 0 时，作用在正、负压室的压力是相等的。

实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量中，当被测液位H = 0 时，差压变送器正、负压室的压力并不相等，即Δp ≠ 0 ，这就是液位测量时的零点迁移问题。

为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，以使当液位H = 0 时，尽管差压变送器的输入信号Δp 不等于0，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。

零点迁移实质就是变送器零点的大范围调整，改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。

60、采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度
较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0℃。

而工业上常用的各种热电偶的温度一热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。

因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。

这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。

冷端温度补偿的方法有以下几种：（1）冷端温度保持为0℃的方法；（2）冷端温度修正方法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。

62、当热电势为20mV 时，此时冷端温度为25℃，即
E(t,t0 ) = 20mV
查表可得 E(t0 , 0) = E(25, 0) =1mV
因为 E(t, 0)=E(t,t0)+E(t0 ,0)=E(t,25)+E(25, 0)=20+1=21mV
由此电势，查表可得t=509°C，即设备温度为509℃。

若改用E 热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃，查表可得
E(t0 , 0) = E(25, 0) = 1.50mV
设备温度为509℃，查表可得
E(t, 0) = E(509,0) = 37.7mV
因为E(t, t0)=E(t,0)−E(t0 ,0)=E(t,0)−E(25,0)=37.7−1.5=36.2mV
即E 热电偶测得的热电势为36.2mV
若用内插法计算，设备温度为508.5℃
E(t, t0)=E(t,0)−E(t0 ,0)=E(t,0)−E(25,0)=37.646−1.496=36.15mV
64、这是工业上用的热电偶温度计。

查分度号为E 的热电偶分度表，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是由K 热电偶产生的，即E (tx,25) =10501 μV
查分度号为K 的热电偶分度表，可得E(25, 0) =1000μV
由此可得E(tx , 0) = E(tx,25) +E(25,0) = 10501+1000 =11501 μV 由此电势查分度号为K 的热电偶分度表，可得tx =283℃
即实际温度tx 为283℃。

67、用Pt100和Cu100测温，其测得电阻值不变，即R
Pt100 (t)= R
Cu100
(140)
查Cu100分度表得R
Cu100
(140)=159.96Ω
反查Pt100分度表，得t=157℃。

69、热电偶温度计由三部分组成：热电偶（感温元件）、测量仪表（毫伏计或电
位差计）和连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）。

热电阻温度计也由三部分组成：热电阻（感温元件）、显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）和连接导线。

两者都包含三个组成部分，但是由于测量原理不同，组成也不同。

热电偶温度计的测温原理是两种不同导体材料构成回路，回路中会产生热电势，这种电势与冷热端温差有关，电势和温度之间的单值对应关系，通地测量电势得到热端温度值。

热电阻温度计的测温原理是导体材料的电阻值随温度的变化而变化，通过测量电阻值得到温度值。

由于两种温度计测温原理不同，两者的感温原件也不同，显示仪表也不同。

此外，连接导线在两者中的作用不同，热电偶与显示元件之间的连接导线为补偿导线和铜导线，补偿导线是为了远离冷热端并降低贵金属成本，对补偿导线有型号相配、极性相对、连接处温度不超过100℃的要求，铜导线起到延长导线作用。

而热电阻温度计的连接导线没有这些要求。

热电偶温度计主要用于高温测量，热电阻温度计可用于低温测量。

第四章自动控制仪表
1、控制器的控制规律是指控制器的输出信号p 与输人偏差信号e 之间的关系，
即p = f(e)= f (z−x)
式中， z 为测量值信号； x 为给定值信号； f 为某种函数关系。

控制器的基本控制规律有位式控制、比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）以及它们的组合控制规律，如PI、PD、 PID 等。

6、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，应选择较大的比例度。

8、T
I 就用来表示积分控制强弱的一个参数。

T
I
越小，积分控制作用越强；T
I
越
大，积分控制作用越弱。

T
I
越小，余差消除越快，可提高系统的静态准确度，
但会使系统稳定性下降，动态性能变差；T
I 越大，余差消除越慢；T
I
→∞时，
成为纯比例控制。

第五章执行器
1、气动执行器主要由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。

执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置；控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。

2、
4、控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或
相对位移）之间的关系，即Q /Q max= f(l/L)
式中相对流量Q /Q max是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量Qmax 之比；相对开度l/L是控制阀某一开度时的阀杆行程l 与阀杆全行程L 之比。

阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性。

常用的控制阀理想流量特性有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等几种。

11、随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式；随着送往执
行器的气压信号的增加，阀逐渐关闭的称为气关式。

（也可以这样回答，有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式；有压力信号时阀开、无信号压力时阀关的为气开式。

）
气开、气关式的选择原则是：主要由工艺生产上安全条件决定的，即信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。

一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。

第六章简单控制系统
1、简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送
装置的作用是检测被控变量的变化并将它转换为一种特定的输出信号；控制器的作用是接收检测变送装置的测量信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器；执行器能自动地根据控制器送来的控制
信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的；被控对象是指需要控制其工艺参数的生产过程、设备或装置等。

2对象：反应器
执行器：加热蒸汽流量调节阀
测量元件变送器：反应器内温测量及变送器
控制器：反应器内部温度控制器。

3、家用电冰箱是温度的有中间区的双位控制过程，将冰箱内的温度控制在某一
范围内。

当温度高于最高设定温度时压缩机启动，当温度低于最低设定温度时压缩机停止。

7、（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）应考虑工艺的合理性与经济性；
（6）被控变量应是独立可控的。

9、P控制器：特点是克服干扰能力强、控制及时；但在系统负荷变化后，控制结
果有余差。

适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许有余差
的系统。

PI控制器：特点是积分作用消余差，但会使稳定性降低；可通过加大比例度改善稳定性，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也
加长。

适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数荷变化
不大、工艺参数不允许有余差的系统。

PID控制器：特点是微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它变化速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果对克服
对象的容量滞后有显著的效果对克服对象的容量滞后有显著的效
果。

在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用
可以消除余差。

所以，适当调整δ、TI、TD三个参数，可以使控制
系统获得较高的控制质量。

适用于对象容量滞后较大、负荷变化大
但不太频繁、控制质量要求较高的系统。

12、由于反应器温度不能过高，所以当控制器无输出信号时，应使蒸汽阀门处于
关闭状态，故选气开式（正作用）；当蒸汽流量Q增大时，反应器内的温度T 升高，故对象为“正作用”；为使整个系统能组成闭环负反馈系统，温度控制器应选反作用式的。

13、（a）为一加热器出口物料温度控制系统。

由于物料温度不允许过高，，当控
制阀上气源突然中断时，应使加热剂的阀门处于关闭状态，以避免大量加热剂流入加热器，所以应选择气开阀型式，为正作用方向；当加热剂流量增大时，会使被加热物料出口温度升高，故该对象为正作用方向的；为使整个系统能组成闭环负反馈系统，温度控制器应选反作用的。

（b）为一冷却器出口物料温度控制系统。

由于物料温度不允许过低，当控制阀气源突然中断时，应使冷剂的阀门处于关闭状态，以避免大量冷剂进入冷却器，所以应选择气开阀型式，为正作用方向；当冷剂流量增大时，会使被冷却物料出口温度降低，故该对象为反作用方向的；为使整个系统能组成闭环负反馈系统，温度控制器应选正作用的。

14、（1）无信号时，流入阀应关闭，否则液体会溢出，故选气开式（正）；当Qi
增加时，液位增加，故对象为正作用；为组成闭环负反馈系统，控制器
应选反作用式的。

（2）无信号时，流出阀应打开，否则液体会溢出，故选气关式（反）；当Qo 增加时，液位降低，故对象为反作用；为组成闭环负反馈系统，控制器
应选反作用式的。

第七章复杂控制系统
5、（1）这是串级控制系统。

主变量是釜内温度θ1，副变量是冷却水流量F，其
方块图如下图所示。

（2）为了防止釜温过高，在气源中断时应保证冷却水继续供应，故控制阀应采用气关型，为反作用方向。

（3）副控制器FC的作用方向按简单控制系统的原则来确定。

因为副对象为管道，阀门开度变大时流过管道的流量F增加，所以副对象为正作用方向，由于聚合釜内的温度不宜过高，当控制阀无信号输入时应为打开状态，
故控制阀应选气关式，为反作用方向，副回路应构成闭环负反馈系统， FC
应选正作用的；
主控制器TC 的作用方向可以这样来确定：由于主变量θ1增加时，需要
开大控制阀，而副变量F增加时，需要关小控制阀，故主控制器TC 应选
正作用的。

（4）当冷却水增加时，流量F增加，正作用的FC输出信号增加，气关型的控制阀关小，使F减少，这样就及时克服了冷却水压力波动对系统的影响，
提高了系统的控制质量。

（5）如果冷却水的温度是经常波动的，应选择聚合釜夹套内的水温θ2 作为
副变量，这样才能将主要扰动包含在副回路内，以充分发挥副回路能及时克服主要扰动的作用。

（6）若选聚合釜夹套内的水温θ2 为副变量构成串级控制系统，其方块图如下图所示。

控制阀选用气关型，为反作用方向；副控制器T2C 和主控制
器T1C 都应选反作用的。

9、
相同点：结构相同。

都是由两个控制器串接工作的，都有两个变量（主变量与副变量），构成两个闭环系统。

不同点：控制目的不同。

一般串级控制系统的目的是为了稳定主变量，而对副变量没什么要求，但串级均匀控制系统的目的是为了使主变量和副变量都比较平稳，但不是不变的，只是在允许的范围内缓慢地变化。

为了实现这一目的，串级均匀控制系统在控制器参数整定上不能按4：1或10：1
衰减整定，而是强调一个“慢”字，一般δ很大，如需加积分作用时，一般TI也很大。

10、串级均匀控制系统中控制器正、反作用的确定原则与普通串级控制系统是相
同的。

主变量液位增大时，需要开大控制阀；副变量流量增大时，需要关小控制阀；
所以主控制器FC应为正作用式的。

在副回路中，控制阀是气开式，为“正”的；又当阀开大时流量增大，所以副对象为流量增大，所以副对象为“正”的；为使副回路组成负反馈闭环系统，副控制器LC应选反作用式的。

（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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