儀表和自動(dòng)化課后習(xí)題和答案解析

1、圖1-15加熱器控制流程圖圖1-16 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)p圖1-17 溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線干擾儀表與自動(dòng)化課后習(xí)題與答案3、自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？答：一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是由兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套儀 表，稱自動(dòng)化裝置，包括測(cè)量元件及變送器、控制器、執(zhí)行器；另一部分是自 動(dòng)化裝置所控制的生產(chǎn)設(shè)備。5、在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量變裝置、控制器、執(zhí)行器各起什么作用？答：測(cè)量元件與變送器，用于測(cè)量液位，并將測(cè)得的液位轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信 號(hào)輸出?？刂破?，接受測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)并與工藝要求的液位高度進(jìn)行比較，計(jì)算 出偏差的大小，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，再將此結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送

2、至執(zhí) 行器。執(zhí)行器，它接受控制器傳來(lái)的操作指令信號(hào)，改變閥門的開度以改變物料或能 量的大小，從而起到控制作用。1-8、圖1-15為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說(shuō)明圖中PI-307、 TRC-303、FRC-305所代表的意？加熱蒸汽答：PH307：具有指示功能的壓力 表，該儀表就地安裝，工號(hào)段為07。 TRC-303：具有記錄功能的溫度 控制儀表，該儀表集中儀表盤面 安裝，工號(hào)段為3,儀表序號(hào)為07。 FRC-305:具有記錄功能的流量控制 儀表該儀表集中儀表盤面安裝，工 號(hào)段為3,儀表序號(hào)屢05。1-11、圖1-16所示為一反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)示意圖A、B兩種物料進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn) 行反應(yīng)，通

3、過(guò)改變進(jìn)入夾套的冷卻水流量來(lái)控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度不變。試現(xiàn)出 該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖，并指出該項(xiàng)系統(tǒng)中的被控對(duì)象、被控變量、操縱變 量及可能影響被控變量的干擾是什么，并說(shuō)明該溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反 饋的團(tuán)環(huán)系統(tǒng)。圖1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖答：被控對(duì)象：反應(yīng)器；被控變量：反應(yīng)器內(nèi)的溫度；操縱變量：冷卻水流量；可能干擾：進(jìn)料和冷卻水的流量、壓力和溫度的改變 當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的被控溫度在干擾作用下升高時(shí)，其測(cè)量值與給定值比較，獲得偏 差信號(hào)，經(jīng)溫度控制器運(yùn)算處理后，輸出 控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制閥，使其開度增 大，冷卻水流量增加，這樣使反應(yīng)器的溫度降下來(lái)，所以該項(xiàng)溫度控制系統(tǒng)為 一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。1-

4、19.某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(90010C)o考慮安全因素，控制 過(guò)程中溫度偏離給定值最大不得超過(guò)60Co現(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度定值控制系統(tǒng)，在最 大階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖1-17所示。試求該系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì) 指標(biāo)：最大偏差、超調(diào)量、衰減比、余差和振蕩周期。該控制系統(tǒng)能否滿足題 中所給的工藝要求？答：最大偏差：A=950-900=50C超調(diào)量：B=50- (908-900) =42C衰減比：n=B： B 二竺竺生21： 5 余差：C=908-900二8C918-908振蕩周期：45-9=36 min1-20、圖1-18 (a)是蒸汽加熱器的溫度控制原理圖。試現(xiàn)出該系統(tǒng)的方塊圖, 并指

5、出被控對(duì)象、被控變量、操縱變量和可能存在的干擾是什么?，F(xiàn)因生產(chǎn)需 要，要求出口物料溫度從80C提高到81C,當(dāng)儀表給定值階躍變化后，被控變 量的變化曲線如圖18(b)所示。試求該系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)：最大偏差、 衰減比和余差(提示：該系統(tǒng)為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，新的給定值為81C)oP/蚩P/蚩(a) 8C標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/ MPa0246810被校表正行程讀數(shù)/ MPa01.983. 965. 947. 979. 99被校表反行程讀數(shù)/ MPa02.024. 036. 068. 0310.01二該溫度表不符合要求3-6、如果有一臺(tái)壓力表，其測(cè)量范圍為010 MPa,經(jīng)校驗(yàn)得出下表數(shù)據(jù)。31、求出該壓力表

6、的變差；2、問(wèn)該壓力表是否符合1.0級(jí)精度? 解：.升降變差：max=6. 06-5. 94=0. 12 MPa限制干擾作用后，由于存在滯后，被控變量不能立即反映出來(lái)，于是不能及時(shí) 產(chǎn)生控制作用，整個(gè)系統(tǒng)的控制量就會(huì)受到嚴(yán)重的影響。2-11、已知一個(gè)對(duì)象特性是具有純滯后的一階特性，其時(shí)間常數(shù)為5min,放大 系數(shù)為了 10,純滯后時(shí)間為2min,試寫出描述該對(duì)象特性的一階微分方程式。限制干擾作用后，由于存在滯后，被控變量不能立即反映出來(lái)，于是不能及時(shí) 產(chǎn)生控制作用，整個(gè)系統(tǒng)的控制量就會(huì)受到嚴(yán)重的影響。2-11、已知一個(gè)對(duì)象特性是具有純滯后的一階特性，其時(shí)間常數(shù)為5min,放大 系數(shù)為了 10,

7、純滯后時(shí)間為2min,試寫出描述該對(duì)象特性的一階微分方程式。解：5 竺色+y_, (t+2)=10 x (t)dt L2-12、如圖所示的RC電路中，已知R=5Q, C=2000 1 Fo試畫出 口突然由 0V階躍變化到5V時(shí)的口口變化曲線，并計(jì)算出t=T、t=2T. t=3T 0W 值 解：根據(jù)基爾霍定律得：ei = iR+e0 (t),其中i二C票dtA RC+e0=e) A e0 (t) = e. (1-eh =5 (1-eb T二RC二 10se0 (T)=3. 16Ve0 (2T) =4. 32Ve0 (3T) =4. 75V32-13.已知一個(gè)簡(jiǎn)單水槽，其截面積為0.5 nrr,水

8、槽中的液體由正位移泵抽出， 即流出流量是恒定的。如果在穩(wěn)定的情況下，輸入流量突然在原來(lái)的基礎(chǔ)上增 加了 0.1解：./,試畫出水槽液位Ah的變化曲線。由左Qt=AhA得左h=1=0. 2t mA標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)數(shù)/c02004006007008009001000被校表計(jì)數(shù)/c020140260470680590310013-5、某一標(biāo)尺為01000C的溫度儀表，出廠前經(jīng)校驗(yàn)，其刻度標(biāo)尺上的各點(diǎn)測(cè) 量結(jié)果如下表所示。1、2、3、 解：求出該溫度儀表的最大絕對(duì)誤差值；確定該溫度儀表的精度等級(jí)；如果工藝上允許的最大絕對(duì)誤差為8C,問(wèn)該溫度儀表是否符合要求? 1、max二706700二6CX100%=X100

9、%=0. 6%二該溫度表為 1.0 級(jí)c cAmax2、 o max=量程10008maxX100%=1.21.0%該壓力表不符合要求試問(wèn)被校壓力表在這一點(diǎn)是否符合1級(jí)精二該壓力表符合要求MPa,允許最大絕對(duì)誤差為0. 01 MPao現(xiàn)用一臺(tái)測(cè)量范圍為O.OMPa,精度為1.。級(jí)的壓力表來(lái)進(jìn)行測(cè)量，問(wèn)能否符合 工藝上的誤差要求？若采用一臺(tái)測(cè)量范圍為O.OMPa,精度為1.0級(jí)的壓力表, 問(wèn)能符合誤差要求嗎？試說(shuō)明其理由。解：8max=X100%=1.25%0.8Amax=1.6X1.0%=0. 01 6 MPa0. 01 MPamaxF . 0 X 1 . 0%=0. 01 MPa=0. 01

10、 MPa3-18.某臺(tái)空壓機(jī)的緩沖器，其工作壓力范圍為1.ri.6MPa,工藝要求就地觀 察罐內(nèi)壓力，并要求測(cè)量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的5%,試選擇一臺(tái)合 適的壓力計(jì)（類型、測(cè)量范圍、精度等級(jí)），解：VP max-AAA2. 13 MPa4VP min-AAA3. 3 MPa3二該壓力表不符合要求 二該壓力表符合要求并說(shuō)明其理由。Amax=1.1X5%=0. 055 MPa選用量程為02.5 MPa的壓力表3-19.某合成氨廠合成塔壓力控制指標(biāo)為14MPa,要求誤差不得超過(guò)0.4MPa, 試選用一臺(tái)就地指示的壓力表（給出型號(hào)、測(cè)量范圍、精度等級(jí)）。解：:.P由題可知：被測(cè)對(duì)象壓力為高壓，設(shè)

11、所用壓力表量程為A max-A.AW14x2二23.3 MPa 根據(jù)量程系列選53mi n-A3AW14X3=42 MPa . 用 025 MPa 的壓力表7、什么叫壓力？表壓力、絕對(duì)壓力、負(fù)壓力（真空度）之間有何關(guān)系？ 答：所謂壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。P表壓二P絕對(duì)壓力P大氣壓力P真空度二P大氣壓力一 P絕對(duì)壓力3-15、某壓力表的測(cè)量范圍為01 MPa,精度等級(jí)為1.0級(jí)，試問(wèn)此壓力表允許 的最大絕對(duì)誤差是多少？若用標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)來(lái)校驗(yàn)該壓力表，在校驗(yàn)點(diǎn)為0. 5 MPa 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)上讀數(shù)為0. 508 MPa,度，為什么？解：max=1 X 1.0%=0. 0

12、1 MPa6 max=0,508，5X 100%=0. 8%1.0%13-17.如果某反應(yīng)器最大壓力為0.85max=X100%=1.6%根據(jù)精度等級(jí)選擇1.5級(jí)儀表2503-20.現(xiàn)有一臺(tái)測(cè)量范圍為01.6MPa,精度為1.5級(jí)的普通彈簧管壓力表，校 驗(yàn)后，其結(jié)果如下表。標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/ MPa0.00.40.81.21.6被校表正行程讀數(shù)/ MPa0. 0000. 3850. 7901.2101.595被校表反行程讀數(shù)/ MPa0. 0000. 4050.8101.2151.595試問(wèn)這臺(tái)表合格否？它能否用于某空氣貯罐的壓力測(cè)量(該貯罐工作壓力為 0.81.0 MPa的絕對(duì)誤差不允許大于0.0

13、5 MPa) ?解：5max=X100%=1.25% 二 根據(jù)精度等級(jí)選擇1.5級(jí)儀表，合格。1.6-0max=1.6X1.5%=0.024 MPa0. 05 MPa A1.0X=1.3 MPa3AW0.8X3=2.4 MPa二所選壓力表量程為0.6 MPa,符合要求5 =1.5%X1.6=0. 0240. 05精度等級(jí)符合要求48、測(cè)量高溫液體(指它的蒸汽在常溫下要冷凝的情況)時(shí)，經(jīng)常在負(fù)壓管 上裝有冷凝罐(見(jiàn)圖3-91),問(wèn)這時(shí)用差壓變送器來(lái)測(cè)量液位時(shí)，要不要遷移,遷移量應(yīng)如何考慮？ 解：.P=pg(H+hi)+ PqP?= P gh2+PoP= pg(H+hh2)0.有零點(diǎn)遷移，且為負(fù)遷

14、移即當(dāng)H二0時(shí)將變送器的輸出值調(diào)回4 mA當(dāng)H=Hmax時(shí)，將變送器的輸出值調(diào)回20 mA圖3-91高溫液體的液位測(cè)量3-54什么是熱電偶的熱電特性？熱電偶的熱電勢(shì)由哪兩部分組成？答：將兩種不同導(dǎo)體A、B統(tǒng)個(gè)閉合回路，若兩接觸點(diǎn)溫度不同，則回路中 有一定大小電流，表明回路有電勢(shì)，則為熱電特性。熱電動(dòng)勢(shì)包括：接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)3-56、用熱電偶測(cè)量時(shí)，為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？其冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?有哪幾種？答：在工程測(cè)試中，冷端溫度隨環(huán)境溫度變化而變化。若T手0C,將引入測(cè)量 誤差，因此必須對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償。方法；延長(zhǎng)導(dǎo)線法、0C恒溫法、冷端溫度修正法、電橋補(bǔ)償法3-58.用K型熱電偶測(cè)某設(shè)備的

15、溫度，測(cè)得的熱電勢(shì)為20mV,冷端(室溫)為 25C,求設(shè)備的溫度？如果改用E型熱電偶來(lái)測(cè)溫，在相同的條件下，E型熱電 偶測(cè)得的熱電勢(shì)為多少？解：(1)Eab (T, 25) =20 mV查表得Eab (25, 0)=1.0005 mV.LEab (T, 0)二Eab(L 25) +EAB (25, 0)二20+1.0005二21.0005 mV Eab (T, )=Eab(L 25) +EAB (25, 0)Eab (T, 25)=37683. 4-1496. 5 uV=36. 1869 uV3-59、現(xiàn)用一支鐐銘-銅鐐熱電偶來(lái)測(cè)溫，其冷端溫度為30C,顯示儀表的機(jī)械 零位在0C時(shí)，這時(shí)指示

16、值為400C,則認(rèn)為換熱器內(nèi)的溫度為430C對(duì)不對(duì)？ 為什么？正確值為多少度？解：Eab(L 0) =EAB (T, 30) +EAB (30, 0)=28943+1801=30744 uV查表得T=422C3-60、試述熱電阻測(cè)溫原理？常用測(cè)溫?zé)犭娮栌心膸追N？熱電阻的分度號(hào)主要有幾種？相應(yīng)的各為多少？答：熱電阻是利用物質(zhì)的電阻率隨溫度變化的特性制成的電阻式測(cè)量系統(tǒng)。常 用的熱電阻有鈾熱電阻、銅熱電阻。銷熱電阻的分度號(hào)主要為Pt 100和Pt50兩種，其0C時(shí)的電阻值Ro分別為100 Q和50Qo此外還有Ro=1000 Q的Pt 1000銷熱電阻。標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的Ro般為100Q和50Q兩種，

17、對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu100和Cu503-62.用分度號(hào)為Pt100鑰電阻測(cè)溫，在計(jì)算時(shí)錯(cuò)用了 Cu100的分度表，查得 的溫度為140C,問(wèn)實(shí)際溫度為多少？解：查表得 140C時(shí)RCu=159.96OARPt=159. 96Q查表得Rpt=159.93 Q 時(shí)，Ti= 157C RPt=160. 30 Q 時(shí)，T2=158CAT=1=2.941 CTi59.96=157+2. 941 X (159. 96-159. 93)=157. 088C3-63.用分度號(hào)為Cu50、百度電阻比W (100) =.42銅熱電阻測(cè)is某一反應(yīng)器內(nèi)溫度，當(dāng)被測(cè)溫度為50C時(shí)，該熱電阻的阻值口口為多少？若測(cè) 某一環(huán)

18、境溫度時(shí)熱電阻的阻值為92Q,該環(huán)境溫度為多少？解：廈二52=02QAR50=(1+0. 21) X 50=60. 5QT=200C0.211、什么是控制器的控制規(guī)律？控制器有哪些基本控制規(guī)律？答：所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系，控制器的控 制規(guī)律有：位式控制、比例控制、積分控制、微分控制、比例積分控制、比例 微分控制、比例積分微分控制4、何為比例控制器的比例度？ 一臺(tái)DDZ- 11型液位比例控制器，其液位的測(cè)量 范圍為01.2 m,若指示值從0. 4 m增加到0. 6 m比例控制器的箱苗相應(yīng)從5 mA 增大到7 mA,試求控制器的比例度及放大系數(shù)。解：已知DDZ- 11

19、型液位比例控制器的現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)010 mA. 6 二莘A X 100%=83. 33% Kp=y=120%10-05-5、一臺(tái)DDZ-III型溫度比例控制器，測(cè)量的全量程為01000C,指示值變化 100C,控制器比例度為80%,求相應(yīng)的控制器輸出將變化多少？解：已知DDZ-III型溫度控制器的現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)420 mA100a 頊吾 X 100%=80%.P=2 mA20-45-9、一臺(tái)具有比例積分控制規(guī)律的DDZ- 11型控制器，其比例度5為200%,穩(wěn) 態(tài)時(shí)輸出為5mAo在某瞬間，輸入突然變化了 0. 5 mA,經(jīng)過(guò)30s后，輸出由5mA 變?yōu)? mA,該項(xiàng)控制器的積分時(shí)間另多少？解：已知

20、DDZ- 11型比例積分控制器的現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)010 mA1Kn0.5x30 xAP=KPA+ At Z. T| = =1 OsT|(6_5)一一 x0.5I J 200%5-10.某臺(tái)DDZ-III型比例積分控制器，比例度8為100%,積分時(shí)間口口為2min.穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出為5 mAo某瞬間，輸入突然增加了 0.2 mA,試問(wèn)經(jīng)過(guò)5 min后, 輸出將由5 mA變化到多少？解：已知DDZ-III型比例積分控制器的現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)20 mA1V AP=KPA+At A5+AP=5+X0. 2+X0. 2X5=5. 7 mAH T|100%25-12、試寫出比例積分微分(PID)三作用控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)

21、式。AP=KP A+A (Kd-1)廠何13試分析比例、積分、微分控制規(guī)律各自的特點(diǎn)。答：比例控制：1、根據(jù)“偏差的大小”工作2、有差控制3、反應(yīng)快，控制及 時(shí)積分控制：1、根據(jù)“偏差是否存在工作2、無(wú)差控制3、反應(yīng)慢 微分控制：1、根據(jù)“偏差變化速度”工作2、超前控制3、不能單獨(dú)使用1、氣動(dòng)執(zhí)行器主要由哪兩部分組成？各起什么作用？ 答：氣動(dòng)執(zhí)行器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)兩大部分組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將控制信號(hào)的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置。 控制機(jī)構(gòu)是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過(guò)閥的流量的裝置。4、試分別說(shuō)明什么叫控制閥的流量特性和理想流量特性？常用的控制閥理想 流量特性有哪些？答：控制閥的流量特性是指操

22、縱介質(zhì)渡過(guò)閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度間 這關(guān)系。在不考慮控制閥前后壓差變化時(shí)得到的流量特性稱為理想流量特性。 常用的控制閥理想流量特性有：直線、等百分比、拋物線及快等幾種流量特性。6-8、1、已知閥的最大流量口口口口=50口/口，可調(diào)范圍R=30o計(jì)算其最小流量,并說(shuō)明口口口是否就是閥的泄漏量。2、及0.8時(shí)的流量值Q。h方卷.口口口口=器=1.667口口/口般它是Qmax的2%4%.Q.2=50X(*( 一)X0. 2)=11.33,3/=40. 33m3/h解：Qmin并不等于控制閥全關(guān)時(shí)的泄漏量，2、直線流量特性：.日口11.Qo8=5OX (土+ (1-土)X0.8) u3030二

23、沁-器1 30等百分比流量特性：(1)口口口.Qo.2=5OX3Oo-21=3. 29m3/h若閥的流量特性為直線流量特性，問(wèn)在理想情況下閥的相對(duì)行程普為0.2.Qo.8=5OX3O8T=25. 32m3/h7-1.簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？答：一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是由兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套儀 表，稱自動(dòng)化裝置，包括測(cè)量元件及變送器、控制器、執(zhí)行器；另一部分是自 動(dòng)化裝置所控制的生產(chǎn)設(shè)備即被控對(duì)象。7-2、圖7-21是一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖。試畫出這一系統(tǒng)的方塊圖，并 說(shuō)明各方塊的含義，指出它們具體代表什么。假定該反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)中， 反應(yīng)器內(nèi)需維持一定溫度，以利反應(yīng)進(jìn)行，但溫度不允許過(guò)高，否則有爆炸危 險(xiǎn)。試確定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、干擾反作用。原料蒸汽圖7-21反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)圖1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖答：(1)被控對(duì)象：反應(yīng)器 被控變量：反應(yīng)器內(nèi)的溫度 操縱變量：蒸汽流量 可能干擾；原料和蒸汽輸入的流量、壓力、溫度控制器：溫度控制器 執(zhí)行器：蒸汽控制閥門 測(cè)量變送器；溫度測(cè)