化工仪表及自动化的课后答案
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第一章自动控制系统基本概念
2.化工自动化主要包括哪些内容？
答: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
3.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？
答.闭环控制系统具有负反馈到输入端的能力，它可以随时了解被控对象的情况，有针对地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。而开环控制系统，被控变量的情况是不反馈到输入端的。
4.自动控制系统主要由哪些环节组成？
答:主要环节有，被控变量，测量元件和变送器，控制器，控制阀（执行器）。
12.什么是负反馈？负反馈在自定控制系统中有什么重要意义？
答: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，并能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。
自动控制系统由于具备负反馈作用，可以随时了解被控对象的情况，有针对地根据被控变量的变化情况使反馈信号升高，经过比较，到控制器去的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被控变量下降到给定值，这样就达到了控制的目的。
15.按给定值的不同，自动控制系统可分为哪几类？
答：定值控制系统，随动控制系统（自动跟踪系统），程序控制系统（顺序控制系统）。20.自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些？影响这些品质指标的因素是什么？答:衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。
影响因素:很大程度上决定于对象的性质，例如温控系统中，属于对象性质的主要素有，换热器的负荷大小，换热器的结构，尺寸，材质，换热器内的换热情况，散热情况及结垢程度等。自动化装置的选择和调整不当，也会直接影响控制质量。
22.略，各自下去弄懂。
第二章过程特性及其数学模型
1.什么是对象特性？为什么要研究对象特性？
答对象特性是指被控对象及系统中的各类装备的特有性质规律。
研究对象特性是因为在自动化装置来模拟人工操作时，必须了解对象的特性，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的操作系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件和控制器。在控制系统投入运行时，也要根据对象特性来选择合适控制器参数，使系统正常运行。
4.建立对象的数学模型有哪两类主要方法？
答：有如下两类方法：
机理建模，根据对象或生产过程的内部机理，列出各种有关的平衡方程，从而获取对象的数学模型。
实验建模，就是在所要研究的对象上，加上人为的输入作用，然后人为的记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，的一系列的实验数据。对数据进一步的处理得到对象的数学模型。
8.反应对象特征的参数有哪些？各有什么物理意义？他们对自动控制系统有什么影响？
答：参数有三个：<1>放大系数K；<2>时间常数T；<3>滞后时间t。
物理意义：
1> K值：等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变量之比，是对象的放大系数，表示对象受到输入作用
后，重新达到平衡状态时的性能，是不随时间而变的。放大系数越大，被控变量对这个量的变化就越是敏感，这在选择自动控制方案时需要考虑。
2> 时间常数T：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始的速度变化，达到新的稳定值，所需
的时间就是时间常数，可是实际上被控变量的变化是越来越小的。所以被控变量变化到新的稳态值所需要的时间比T长很多。
3> 滞后时间t。自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。即系统受到干扰作用后，由于存在滞后，被控变量不能立即反应出来，于是就不能及时的产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到严重的影响。
10.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？
答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。在控制通道，如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。
对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低。T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的。
补充：通过方框图和方程求传递函数略
第三章检测仪表与传感器
1.什么叫测量过程？
答测量过程实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般它都是利用专门的技术工具，即测量仪表将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。
2.何谓测量误差？测量误差的表示方法主要有哪两种？各是什么意义？
答：测量误差是指由仪表读得的被测值与被测量真值之间存在的差距。
测量误差的两种表示方法是绝对误差和相对误差
绝对误差是指仪表指示值和被测量得真值之间的差值
相对误差是某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值之比。
3.何谓仪表的相对百分误差和允许的相对百分误差？
答: 工业上经常将绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示，称为相对百分误差δ，即
（仪表的测量范围上限值与下限值之差，称为该仪表的量程。）
根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差就
叫允许误差。允许误差一般用相对百分误差来表示，即某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值，即
4.何谓仪表的精度等级？
答：仪表的精度等级是由仪表允许的相对百分误差规定的，将仪表的允许相对误差去掉“±”号及“%”号，即为其精度等级。具体的有：0.005,0.02,0.05,0.1，0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0。
7.什么叫压力？表压力，绝对压力，负压力（真空度）之间有何关系？
答：压力是垂直均匀地作用在单位面积上的力，它的法定计量单位是帕斯卡，简称帕，符号Pa。
三种压力间的关系图略。
27.压力计安装要注意什么问题？
答：a.压力计应安装在易观察和检修的地方
b.安装地点应力求避免震动和高温影响
c. 针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热，防腐，防冻，防堵等措施
d. 压力计的连接处应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料作为密封垫片，以防泄漏
e.当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按
=
±
?进行修正
pρ
g
H
f.为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防止发生意外
29.试述化工生产中测量流量的意义。
答：在化工和炼油生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要测量生产过程中各种介质的流量，以便为生产操作和控制提供依据。同时为了进行经济核算，经常要知道在一段时间内流过的介质总量。所以，介质流量是控制生产中优质高产和安全生产及进行经济核算所必须的一个重要参数。
41.椭圆齿轮流量计的特点是什么？在使用中要注意什么问题？
答：椭圆齿轮流量计的特点是：测量精度高、对流体黏度变化不敏感，特别适用于测量高
黏度的流体流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，一般不宜在高温或低温下使用。
使用椭圆齿轮流量计时，要特别注意被测介质的温度不能大于流量计的使用温度。因为温度过高时，齿轮发生膨胀，有卡死的可能。此外，也应注意被测介质中不应含有固体颗粒和夹杂机械物，以免引起齿轮磨损或损坏。
59.试述温度测量仪表的种类有哪些？各使用在什场合？
答：按照测量方式的不同，温度测量仪表可以分为接触式与非接触式两类。
接触式测温时，测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。接触式温度计
结构简单、可靠，测量精度较高，但由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，测温元件容易破坏被测对象的温度场，且有可能与被测介质产生化学反应，同时带来测温过程的滞后现象。不适于测量热容量小、极高温和处于运动中的对象温度，不适于直接对腐蚀性介质测量。
非接触式测温时，测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元
件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不会破坏被测对象的温度场。非接触式测温响应快，对被测对象扰动小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。但缺点是容易受到外界因素的扰动，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。
62.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？
答：工业上常用的各种热电偶的温度-热电式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℃，而且不恒定，这时热电偶所产生的热电式必然偏小，且测量值也随着冷端温度的变换而变化，这样测量结果就会产生误差。因此在应用热电偶测量时。只有将冷端温度保持为0℃或进行一定的修正才能得出准确的测量结果
方法：a.冷端温度保持为0℃的方法 b.冷端温度修正方法 c.校正仪表零点法d.补偿电桥法 e.补偿电桥法
第四章显示仪表
1.显示仪表分几类？各有什么特点？
显示仪表分为三类：模拟式，数字式，屏幕显示。
1>模拟式显示仪器的特点：测量速度很慢，精度较低，读数容易造成多值性。结构简单，工作可靠，价
廉且又能反应出被测值的变化趋势。
2>数字式显示仪表的特点：测量速度快，精度高读数直观，对所测参数便于进行数值控制和数值打印记
录，将模拟信号转化为数字量，便于和数字计算机或其他数字装置联用。
3> 屏幕显示显示仪表的特点：将图形，曲线，字符和数字直接在屏幕上显示，功能强大，显示集中且清晰。
2.自动电子电位差计是如何基于补偿测量法工作的？线路电阻(即外阻)值的变化，对电子电位差计的测量有无影响？为什么？
答：图4-1是自动电子电位差计的简单原理图。当热电势E
t
与已知的直流压降相比较时，
若E
t ≠E
CB
，其比较之后的差值(即不平衡信号)经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，
使可逆电机又通过一套传动系统去带动滑动触点C的移动，直到E
t =E
CB
时为止。这时放大器输
入端的输入信号为零，可逆电机不再转动，测量线路就达到了平衡，这样E
CB
就可以代表被测
量的E
t
值。
图4-1 电子电位差计原理图
由此可知，电子电位差计是利用已知的电压E
CB 去补偿未知的热电势E
t
的，故是基于补偿
测量法工作的。由于当E
t =E
CB
时，热电偶回路是没有电流流过的，因此线路电阻值的变化，对
电子电位差计的测量不会造成影响的。
3.与热电偶配套的自动电子电位差计是如何进行温度补偿的？
答：R2是用铜丝绕制而成的，让R2与热电偶冷端处于同温度。因此铜电阻的阻值随着温度的升高而增加，则R2上的电位也增加。然而热电偶的热电势却随冷端温度的升高而降低。若配置得当，就可以达到温度补偿的目的。
10.数字式显示仪表主要由哪几部分组成？各部分有何作用？
答数字式显示仪表通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模/数(A/D)
转换、标度变换、数字显示、电压/电流(V/I)转换及各种控制电路等部分。
信号变换电路是为了将生产过程中的工艺变量经过检测变送后的信号，转换成相应的电压或电流值；前置放大电路是为了将输入的微小信号放大至伏级电压信号；非线性校正电路一般是为了校正检测元件的非线性特性；开方运算电路通常是为了将差压信号转换成相应的流量值；A/D 转换是为了将模拟量转换成断续变化的数字量；标度变换电路实质上就是进行比例尺的变更，使数显仪表的显示值和被测原始参数统一起来；数字显示部分就是被测数据以数字形式显示出来；V/I 转换电路是为了将电压信号转换成直流电流标准信号；控制电路可以根据PID 控制规律或其他控制规律进行运算，输出控制信号。
第五章 自动控制仪表
1.什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？
答： 控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系，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 ）、及比例积分控制(pi)、比例微分控制（PD ）、和比例微积分控制（PID ）。
2.双位控制规律是怎样的/？有何优缺点？
答：控制规律是：当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），及控制器只有两个输出值，相应的控制机构又只有开或关两个极限位置。优点：结构简单、成本较低、易于实现。缺点：非连续控制被控变量不可避免的产生持续的等幅振荡过程。
3.比例控制规律是怎样的？什么是比例控制的余差？为什么是比例控制会产生余差？
答：规律是控制器的输出值与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位置。控制过程结束时，被控变量的新稳态低于给定值，他们之间的差就叫余差。余差产生的原因：余差是比例控制规律的必然结果。以水位控制为例进行说明，当一平衡系统的出水量突然增大时，液位会随即下降，阴气进水量的增加，只有的当进水量增加到与出水量相等时才能重新建立平衡，也为不再变化，且一定低于原来的液位。
7.试写出积分控制规律的数学表达式，为什么积分控制能消除余差？
答：?=dt K p e I ，当e=A 时，At K p I =
由关系式可知，输出信号与时间关系为一条直线，当有偏差存在时输出信号将随时间增
加或减少，只有当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而积分控制能消除余差。
11.试写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。
答;
)
1
(
dt
de
T
edt
T
e
K
p D
I
p?+
+
=
即有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微分三部分输出
之和。
16.什么叫控制器的无扰动切换？
答：使执行器的位置在切换过程中不至于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这就是无扰动切换。
17．数字式控制器的主要特点是什么？
答：数字式控制器的主要特点有实现了模拟仪表与计算机一体化；具有丰富的运算控制功能；
使用灵活方便，通用性强；具有通讯功能，便于系统扩展；可靠性高，维护方便。
20.试简述PLC的分类。
答：按容量分可分为：（1）小型PLC I/O点总数一般为20~128点（2）中型PLC I/O点总数通常为129~512点，内存在8k以下（3）大型PLC I/O点总数在513点以上
按硬件结构可分为：（1）整体式PLC 将PLC各组成部分集装在一个机壳内（2）模块式PLC 输入/输出点数较多的大中型和部分小型PLC采用模块式结构。（3）叠装式PLC
21.PLC主要由哪几部分组成？
答：主要由1.中央处理器2.存储器3.输入输出模块4.编程器组成。
第六章执行器
1.气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？
答气动执行器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.试问控制阀的结构有哪些主要类型？各使用在什么场合？
答：（1）直通单座控制阀：应用在小口径、低压差的场合。（2）直通双座控制阀：常用类型（3）角形控制阀:：适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少
量悬浮物和固体颗粒状的场合。（4）三通控制阀：可代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。（5）隔膜控制阀：适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。（6）蝶阀：大口径，大流量，低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。（7）球阀：适用于高粘度和污秽介质的控制。（8）凸轮挠曲阀：适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。（9）笼式阀：特别适用于要求低噪声及压差较大的场合。（10）小流量阀：适用于小流量的精密控制。（11）超高压阀：适用于高静压、高压差的场合。
11.什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？
答：有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式，反之为气开式。
选择原则：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全，如果阀处于打开位置时危险性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时阀门能自动打开，保证安全，反之阀处于关闭时危险性小，则使用气开阀。
18.电动执行器有哪几种类型？各使用在什么场合？
答:（1）角行程：适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。（2）直行程：适用于操纵单座、双座、三通等各种控制阀及其他直线式控制机构。（3）多转式：主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，多用于就地操作和遥控。
第七章简单控制系统
1．简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
答：所谓的简单控制系统，通常是指有一个测量元件，变送器，一个控制器，一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统.
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。
4.什么叫直接指标控制和间接指标控制？
答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则
称为直接指标控制；如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，这时刻选择与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。
5．被控变量的选择原则是什么？
答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（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）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。
9.比例控制器，比例积分控制器，比例微分积分控制器的特点分别是什么？各用在什么场合？答;
第八章复杂控制系统
1.有哪些复杂控制系统？
答：复杂控制系统分为：串级控制系统，均匀控制系统，比值控制系统，前馈控制系统，选择性控制系统，分程控制系统，多冲量控制系统。
2.什么叫串级控制？
答：串级控制系统是指在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，对局部参
数（副参数）进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统。它由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。