期末復習題答案——《化工儀表及自動化》.doc

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1、《化工儀表及自動化》期末復習題 標準答案 一．填空 1．表壓，大氣壓力與絕對壓力之差 2．無遷移，負遷移，正遷移 3．節(jié)流裝置，差壓計，顯示儀表 4．熱電偶，熱電阻 5．衰減比，余差，過渡時間 6．放大系數(shù)，時間常數(shù)，滯后時間 7．積分作用，微分作用 8．單純的前饋控制，前饋-反饋控制 9．最大偏差、衰減比、余差、過渡時間 10．弱，強 11．傳遞滯后，容量滯后 12．測量范圍上限值，測量范圍下限值 13．氣動儀表，電動儀表 14．積分，微分 15．彈性式壓力計、液柱式壓力計、活塞式壓力計、電氣式壓力計 16．泵，風機或壓縮機 17．20~100KPa，4

2、~20mA DC 18．自動檢測系統(tǒng)，自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng) 19．開關型選擇性控制系統(tǒng)，連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)，積分飽和 20．換熱器、加熱爐、鍋爐、再沸器、冷凝器、加熱器中任選三種 21．簡單均勻控制、串級均勻控制 22．電磁感應，漩渦流量計（渦街流量計），平方根 23．大，小 24．表壓、負壓 25．30℃，5℃，5: 1 26．66982μV 27．塔頂冷回流流量，塔底再沸器加熱蒸汽流量 28．臨界比例度法，衰減曲線法 29．5.2mA，5.7mA 30．雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 31．控制泵的轉速，控制泵的出口旁路閥門開度 32．小于，可變極限流量

3、法 二．簡答 1．答： QDZ型氣動單元組合儀表的信號范圍為20~100KPa氣壓信號；（2分） DDZ-II電動單元組合儀表的信號范圍為0~10mA DC電流信號；（2分） DDZ-III電動單元組合儀表的信號范圍為4~20mA DC電流信號。（2分） 2．答： 容積式流量計：橢圓齒輪流量計；（2分） 速度式流量計：差壓式流量計；轉子流量計；渦輪流量計；電磁流量計；漩渦流量計；（任取三種，每種2分） 質量流量計：科氏力流量計（或微動流量計）；（2分） 3．答： 化工自動化的主要內容有 (1) 自動檢測系統(tǒng)；（2分） (2) 自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)；（2分）

4、(3) 自動操縱及自動開停車系統(tǒng)；（2分） (4) 自動控制系統(tǒng)。（2分） 4．答： 主控制器：按主變量的測量值和給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個控制器。（2分） 副控制器：其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個控制器。（2分） 串級控制系統(tǒng)的方框圖（6分） 主控制器 執(zhí)行器 副對象 主測量變送環(huán)節(jié) + － 擾動2 主對象 副測量變送環(huán)節(jié) 擾動1 + － 副控制器 副變量 主變量 給定值 5．答： 離心泵的流量控制方案有 (1) 控制泵的出口閥門開度；（2分） (2) 控制泵的轉速；（2分） (

5、3) 控制泵的出口旁路；（2分） 6. 反饋：控制系統(tǒng)方塊中的任何一個信號，只要沿著箭頭方向前進，通過若干個環(huán)節(jié)后，最終又會回到原來的起點 負反饋：反饋信號的作用方向與設定信號相反，即偏差為兩者之差。 7．工業(yè)上常用熱電偶的溫度-熱電勢關系曲線是在冷端溫度保持為0℃情況下得到，而當采用補償導線將熱電偶的冷端從工業(yè)現(xiàn)場延伸到操作室內時，熱電偶的冷端溫度高于0℃，而且不恒定，這樣熱電偶產生的熱電勢必然偏小，且隨冷端溫度變化而變化，測量結果就會產生誤差。因此，在應用熱電偶測溫時，必須進行熱電偶的冷端溫度補償。 常用的冷端溫度補償方法有以下幾種：(1) 冷端溫度保持0℃的方法；(2) 冷

6、端溫度修正法；(3) 校正儀表零點法；(4) 補償電橋法；(5) 補償熱電偶法。 8．按照已定的控制方案，確定使控制質量最好的控制器參數(shù)值。 經驗湊試法、臨界比例度法、衰減曲線法 9．控制閥的流量特性是指被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（或相對位移）之間的關系，即 在不考慮控制閥前后壓差變化時得到的流量特性稱為理想流量特性。 控制閥的理想流量特性主要有直線流量特性、等百分比流量特性、拋物線流量特性和快開特性。 10、前饋控制的特點 （1）基于不變性原理，比反饋控制及時、有效 （2）前饋是開環(huán)控制 （3）前饋控制規(guī)律隨對象特性的不同而不同 （4）一種前

7、饋只能克服一種干擾 為什么采用前饋＋反饋的復合控制系統(tǒng)可以大大提高控制系統(tǒng)的品質 （1）從前饋控制角度，由于反饋，減輕了對前饋控制模型的精度要求，并可對未做前饋補償?shù)母蓴_進行校正 （2）從反饋角度，前饋控制事先起了一個粗調的作用，大大減少了反饋的負擔 11．溫差控制：靈敏板溫度與塔頂（或塔底）附近某塊塔板的溫度之差作為被控變量來間接控制塔的產品的成分。 雙溫差控制：分別在精餾段及提餾段上選取溫差信號，然后將兩個溫差信號相減，作為控制器的測量信號（控制系統(tǒng)的被控變量） 12．答： 比例控制規(guī)律(P)是指控制器的輸出信號變化量p與輸入偏差信號e之間成比例關系，即

8、 比例控制的特點是反應快、控制及時 ，但控制結果存在余差 。 積分控制規(guī)律(I)是指控制器的輸出信號變化量p與輸入偏差信號e的積分成正比，即 積分控制的特點是控制緩慢（1分），但能消除余差 。 微分控制規(guī)律(D)是指控制器的輸出信號變化量p與輸入偏差信號e的變化速度成正比，即 微分控制的特點是有一定的超前控制作用 ，但不能單獨使用 。 13． (1) 操縱變量應是可控的，即工藝上允許調節(jié) (2) 操縱變量應比干擾對被控變量的影響更加靈敏，控制通道放大系數(shù)適當大，時間常數(shù)適當小 純滯后時間盡量小，干擾通道放大系數(shù)盡量小，時間常數(shù)盡量大 (3) 考慮工藝合理性與經

9、濟性。 14．放大系數(shù)：對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸出變化量與輸入變化量的比值。 時間常數(shù)：對象受到階躍輸入后，被控變量達到新的穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需時間。 15．常用的熱電偶有如下幾種：鉑銠30－鉑銠6，鉑銠10—鉑，鎳鉻—鎳硅，鎳鉻—康銅 補償導線：為了保持冷端溫度的恒定，采用一種專用導線將熱電偶的冷端延伸出來，稱為補償導線 16．答： 控制器一般都具有自動與手動兩種功能。在進行自動與手動兩種功能切換時，在切換的瞬間，應當保持控制器的輸出不變，這樣使執(zhí)行器的位置在切換過程中不致于突變，不會對生產過程引起附加的擾動，這稱為無擾動切換。（2分） 17．答： 單回路控制系統(tǒng)

10、是由一個被控對象、一個檢測元件及傳感器（或變送器）、一個控制器和一個執(zhí)行器所構成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。（4分，缺一點減1分） 簡單控制系統(tǒng)的典型方塊圖為 （2分） 三．計算 1．解： 該儀表的相對百分誤差為 （3分） 該儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。（2分） 2．解： 當液面高度為H時， 正壓室，（2分） 負壓室，（2分） （2分） 當H=0時，（2分） 所以，需要進行零點遷移，應進行負遷移，遷移量為（2分） 3．解： P作用響應曲線（3分） PI作用響應曲線（5分）

11、 標注Kp（2分） 標注Kp（2分）標注2Kp（1分） 標注TI（2分） 4、由曲線可知：最終穩(wěn)態(tài)值位41℃，設定值40℃； 最大偏差＝45－40＝5℃ 余差＝41－40＝1℃ 第一波峰值 B=45-41=4℃ 第二波峰值B’＝42－41＝1℃ 衰減比＝B/B’=4:1 過渡時間 23min 振蕩周期 ＝18－5＝13min 5、當不考慮遷移量是，變送器的測量范圍根據(jù)液位的最大變化范圍來計算 Δpmax＝Hρ

12、g＝3*900*9.81＝26487Pa＝26.487kPa 所以測量范圍可選為０-３０ｋＰａ 如圖所示，當液位高度為H時，差壓變送器正、負壓室所受壓力p1, p2分別為 p1=p0+ Hρg-h1ρ0g p2=p0+(h2-h1)ρ0g 因此，差壓變送器所受的壓差為： Δp＝p1－p2＝Hρg－h(huán)2ρ0g 由上式可知，當H=0時，Δp＝－h(huán)2ρ0g<0，為負遷移，其遷移量為h2ρ0g 遷移量只和h2有關，所以當差壓變送器的安裝高度h1改變時，只要兩個取壓法蘭之間的尺寸h2不變，其遷移量是不變的. 6．解：不對； 因為此時冷端溫度為30℃，而儀表的

13、指示值是在儀表的機械零位在0℃時的值，所以，此時儀表指示值不是換熱器的實際溫度。 正確值的計算： mV mV，所以實際溫度是422℃ 7、解： (1) 該壓力表正反行程的絕對誤差為 正行程絕對誤差/ MPa 0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.03 -0.01 反行程絕對誤差/ MPa 0 0.02 0.03 0.06 0.03 0.01 所以，正行程最大絕對誤差為-0.06MPa，反行程最大絕對誤差為0.06MPa， (2) 正行程相對百分誤差為 反行程相對百分誤差為 所以，根據(jù)正反行程的最大絕對誤差值，該壓力表的精度等級為

14、1.0級 。 (3) 該壓力表的變差為 (4) 儀表的變差不能超過儀表的允許誤差，根據(jù)(2)確定的壓力表的精度等級為1.0級，允許誤差為1%，，所以，該壓力表不符合(2)中確定的精度等級。 8．（1）根據(jù) 得，℃ （2）由于某一點最大絕對誤差>3℃，所以不合格。 9．解： 當液面高度為H時， 正壓室，（1分） 負壓室，（1分） （2分） 當H=0時，（2分） 所以，需要進行零點遷移，應進行負遷移（1分），遷移量為19.6KPa（1分） 10．解： 平穩(wěn)壓力，所以選擇儀表的上限值為（2分） 所以選擇儀表量程為0~25 MPa（1分） ，被測壓力最小

15、值不低于滿量程的1/3，允許（1分） 根據(jù)測量誤差的要求，可算得允許誤差為 （2分） 應選擇精度等級為1.5級的儀表。（1分） 因此，選擇的壓力表為電接點彈簧管壓力表（2分），量程0~25MPa，精度1.5級。 11．解： 平穩(wěn)壓力，所以選擇儀表的上限值為（2分） 所以選擇儀表量程為0~2.5 MPa（2分） ，被測壓力最小值不低于滿量程的1/3，允許（1分） 根據(jù)測量誤差的要求，可算得允許誤差為 （2分） 應選擇精度等級為1.5級的儀表。（2分） 因此，選擇的壓力表為彈簧管壓力表（1分），量程0~2.5MPa，精度1.5級。 12．解： (1) 各點絕對誤差為

16、 標準表讀數(shù)/℃ 0 200 400 600 700 800 900 1000 絕對誤差/℃ 0 1 2 4 6 5 3 1 所以，最大絕對誤差為6℃。（2分） (2) 儀表相對百分誤差為 （2分） 所以，該測溫儀表的精度等級為1.0級（2分）。 (3) 根據(jù)工藝要求，儀表的允許誤差為 （2分） 所以，應選擇0.5級儀表才能滿足工藝要求，所以該測溫儀表不符合要求（2分）。 13．解： 當液面高度為H時， 正壓室，（2分） 負壓室，（2分） （2分） 當H=0時，（2分） 所以，需要進行零點遷移，應進行負遷移，遷移量為（2分） 四

17、．分析 1、答： (1) 簡單控制系統(tǒng)的方塊圖（6分） 液位控制器 控制閥 貯槽對象 液位檢測變送環(huán)節(jié) + － 控制信號 出口流量 液位 液位測量值 偏差 進口流量 給定值 (2) 被控對象：液體貯槽（1分） 被控變量：貯槽液位（1分） 操縱變量：貯槽出口流量（1分） 主要擾動變量：貯槽進口流量（1分） 2、乙炔發(fā)生器溫度控制系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示。 溫度控制器 控制閥 乙炔發(fā)生器 測量變送 + － 溫度 偏差 擾動 給定值 被控對象：乙炔發(fā)生器； 被控變量：乙炔發(fā)生器內溫度 操縱變量：冷水流量 擾動變量：冷水溫

18、度、壓力；電石進料量、成分等。 3、（1）方框圖如下： 液位控制器 控制閥 流量對象 液位測量變送環(huán)節(jié) + － 受控變量 擾動1 流量控制器 液位對象 流量測量變送環(huán)節(jié) 擾動2 + － （2）該系統(tǒng)和一般串級控制系統(tǒng)的結構上相同。不同之處在于控制目的上，一般串級系統(tǒng)是為了保證主變量的控制效果，而對副變量的控制品質沒有過高的要求，而串級均勻控制對主副變量的控制都有要求，其目的是保證這兩個變量的統(tǒng)籌兼顧、相互協(xié)調。即應使這兩個變量都是變化的，并且變化都是比較緩慢并且在允許的范圍之內。這樣的要求體現(xiàn)在參數(shù)整定上串級均勻控制的整定原則與一般串級控制的整定原則是不一

19、樣的。 4．答： （1）這是串級控制系統(tǒng) 。 （2）主變量是反應釜內溫度 ，副變量是夾套內溫度 。（5分） （3）為了保證在氣源中斷時保證冷卻水繼續(xù)供應，以防止釜溫過高，所以控制閥應選擇氣關式。 （利用方框圖法或邏輯推理法確定主副控制器的正反作用）副控制器T2C的作用方向：冷卻水流量增加，夾套溫度下降，即副對象為“-”方向；控制閥為氣關式，屬于“-”作用方向；為使控制系統(tǒng)具有負反饋作用，控制器應選擇反作用控制器。當主副變量均升高時，要求控制閥動作方向相同，所以主控制器選反作用。 5、解： （1）該系統(tǒng)是溫差控制的方案。 塔頂根據(jù)溫差控制回流量LR，采用溫差控制是因為在甲

20、苯－二甲苯的精餾塔中，塔頂和塔底產品的相對揮發(fā)度差值較小，壓力變化對溫度的影響要比成分變化對溫度的影響大，即此時微小的壓力變化也會影響成分與溫度之間的關系，由于壓力對各層塔板上溫度的影響的方向和大小基本是一致，此時可以分別在塔頂和靈敏板測取溫度，然后取這兩個溫度的差值作為受控變量，則壓力對溫度變化的影響就基本被消除了。 塔頂回流罐液位控制和塔釜液位控制是為了保證回流罐和塔釜有一定的蓄液量而設置的。這兩個系統(tǒng)可保證整個塔的物料平衡。 再沸器加熱蒸汽量的定值控制系統(tǒng)，是為了能有恒定的蒸汽量返回到精餾塔，以保證精餾過程中的能量需求。 （2） （1）適用于塔頂產品純度要求比塔底高的情況

21、 （2）氣相進料的情況 （3）塔底、提餾段塔板上的溫度不能很好的反映產品成分變化時。 6．答： (1) 選擇流入量為操縱變量，控制閥安裝在流入管線上， 貯槽液位控制系統(tǒng)的控制流程圖為 （2分） 為了防止液體溢出，在控制閥氣源突然中斷時，控制閥應處于關閉狀態(tài)，所以應選用氣開形式控制閥，為“+”作為方向。（2分） 操縱變量即流入量增加時，被控變量液位是上升的，故對象為“+”作用方向。由于控制閥與被控對象都是“+”作用方向，為使控制系統(tǒng)具有負反饋作用，控制器應選擇反作用。（2分） (2) 選擇流出量為操縱變量，控制閥安裝在流出管線上， 貯槽液位控制系統(tǒng)的控制流程圖為 （2

22、分） 為了防止液體溢出，在控制閥氣源突然中斷時，控制閥應處于全開狀態(tài)，所以應選用氣關形式控制閥，為“-”作為方向。（2分） 操縱變量即流出量增加時，被控變量液位是下降的，故對象為“-”作用方向。由于控制閥與被控對象都是“-”作用方向，為使控制系統(tǒng)具有負反饋作用，控制器應選擇反作用。（2分） 7．答：這是前饋-反饋控制系統(tǒng)（1分） 前饋-反饋控制系統(tǒng)的方塊圖為 （2分） 8．答： (1) 串級控制系統(tǒng)的方框圖（4分） 給定值 溫度控制器 T1C 控制閥 溫度對象2 溫度T1測量變送環(huán)節(jié) + － 擾動2 溫度對象1 溫度T2測量變送環(huán)節(jié) 擾動1 + － 溫度控制器 T2C T2 T1 (2) 因為工藝安全條件是：一旦發(fā)生重大事故，立即切斷燃料油的供應，在氣源中斷時，控制閥應切斷燃料油的供應，所以控制閥應選為氣開閥（2分） (3) 控制閥為氣開閥，執(zhí)行器為“+”方向；燃料量增加，爐膛溫度增加，副對象為“+”方向；所以，為使副回路為負反饋系統(tǒng)，副控制器應選擇反作用（4分）。 如結論錯誤，回答執(zhí)行器和副對象方向正確，可各得1分。 被加熱物料出口溫度和爐膛溫度增加時，對控制閥動作要求方向一致，都要求關小控制閥，減小燃料供應量，所以，主控制器取反作用（2分）。