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.第1章 自动控制系统基本概念1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？解 自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。 1-5 题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。题1-5图 加热器控制流程图解 PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。 1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？解 测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。1-8试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？解：被控对象（对象）自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。被控变量被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。给定值（或设定值或期望值）人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。操纵变量（调节变量）对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。操纵介质(操纵剂)用来实现控制作用的物料。1-11 题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？并说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。题1-11图 反应器温度控制系统解 该温度控制系统的方块图题解1-11图 反应器温度控制系统方块图其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：冷却水流量。可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。所以该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。1-12 题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控变量影响的？解：当反应器内的温度超过给定值（即升高）时，温度测量元件测出温度值与给定值比较，温度控制器TC将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来，这样克服干扰作用对被控变量影响1-13 按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类？解：按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类：定值控制系统给定值恒定的控制系统。随动控制系统（自动跟踪系统）给定值随机变化的系统。程序控制系统给定值按一定时间程序变化的系统。 1-19 某化学反应器工艺规定操作温度为(90010)。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题1-19图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的1%（即900（1%）=9）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？题1-19图 温度控制系统过渡过程曲线解 最大偏差A=950-900=50（）；超调量B=950-908=42（）；由于B=918-908=10（），所以，衰减比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908-900=8；振荡周期T=45-9=36(min)；过渡时间ts=47min。因为A=5080，C=81.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。3-7什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力(真空度)之间有何关系？解 （1）工程上的压力是物理上的压强，即P=F/S（压强）。（2）绝对压力是指物体所受的实际压力；表压力=绝对压力-大气压力； 负压力（真空度）=大气压力-绝对压力3-10作为感受压力的弹性元件有哪几种？解 弹簧管式弹性元件、薄膜式弹性元件（有分膜片式和膜盒式两种）、波纹管式弹性元件。3-11弹簧管压力计的测压原理是什么？试述弹簧管压力计的主要组成及测压过程。解：（1）弹簧管压力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，使其自由端产生相应的位移，只要测出了弹簧管自由端的位移大小，就能反映被测压力p的大小。 （2）弹簧管式压力计的主要组成：弹簧管（测量元件），放大机构，游丝，指针，表盘。 （3）弹簧管压力计测压过程为：用弹簧管压力计测量压力时，压力使弹簧管产生很小的位移量，放大机构将这个很小的位移量放大从而带动指针在表盘上指示出当前的压力值。3-14 电容式压力传感器的工作原理是什么？有何特点？解 见教材第3章3.2.5节。当差动电容传感器的中间弹性膜片两边压力不等时，膜片变形，膜片两边电容器的电容量变化（不等），利用变压器电桥将电容量的变化转换为电桥输出电压的变化，从而反映膜片两边压力的差异（即压差）。其特点：输出信号与压差成正比；应用范围广，可用于表压、差压、流量、液位等的测量。试简述智能型变送器的组成及特点？答：智能型变送器的特点是：(1)可进行远程通信，利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择与标定；(2)精确度高，使用与维护方便；(3)通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程；(4)促使变送器与计算机、控制系统直接对话，(5)长期稳定工作能力强，每五年才需校验一次。3-15 某压力表的测量范围为01MPa，精度等级为1.0级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为0.5MPa时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？解 压力表允许的最大绝对误差为Dmax=1.0MPa1.0%=0.01MPa在校验点0.5MPa处，绝对误差为D=0.5-0.508=-0.008(MPa)该校验点的测量误差为故该校验点不符合1.0级精度。3-16为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有何问题？解 （1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地，但还必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。 （2）由于仪表的基本误差Dm由其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测量误差。 3-17 如果某反应器最大压力为0.8MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，精度为l.0级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，精度为1.0级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。解 用01.6MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差D1max=1.6MPa1.0%=0.016MPa0.01MPa(允许值)该表不符合工艺上的误差要求。 用01.0MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差D2max=1.0MPa1.0%=0.01MPa0.01MPa(允许值)该表符合工艺上的误差要求。3-18 某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.11.6MPa，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的5，试选择一台合适的压力计(类型、测量范围、精度等级)，并说明其理由。解 空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限pmin=1.1MPa，工作压力上限pmax=1.6MPa。设所选压力表量程为p，则根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为02.5MPa的电接点压力表。根据测量误差要求，测量的最大误差为Dmax1.15%=0.055(MPa)则所选压力表的最大引用误差应满足要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。3-19 某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过0.4MPa，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度等级)。解 合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p，则根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为025MPa的电接点压力表。根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。 3-20 现有一台测量范围为01.6MPa，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为：被校表读数/MPa00 04 08 12 16标准表上行程读数/MPa0000 0385 0790 1210 1595标准表下行程读数/MPa0000 0405 0810 1215 1595试问这台表合格否？它能否用于某空气贮罐的压力测量（该贮罐工作压力为0.81.0MPa，测量的绝对误差不允许大于0.05MPa）？解 压力表的校验表3-1 压力表的校验数据及其数据处理结果被校表读数/MPa0.0 0.4 0.8 1.2 1.6最大误差标准表上行程读数/MPa0.000 0.385 0.790 1.210 1.595标准表下行程读数/MPa0.000 0.405 0.810 1.215 1.595升降变差/MPa0.000 0.020 0.020 0.005 0.0000.020标准表上、下行程读数平均值/MPa0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595绝对误差D/MPa0.000 0.005 0.000 -0.013 0.005-0.013仪表的最大引用误差（从绝对误差和升降变差中选取绝对值最大者做为Dm，求仪表的最大引用误差）所以，这台仪表1.5级的精度等级合格。空气贮罐的压力属稳态压力，且pmax=1.0MPa1.61/3MPa；最大误差Dmax=1.61.5%=0.024MPa0.05MPa。所以这台仪表能用于该空气贮罐的压力测量。3-24什么叫节流现象？ 流体经节流装置时为什么会产生静压差？解：流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁，流体的静压力产生差异的现象，称为节流现象。流体经节流装置时，由于节流装置前后流体截面的该变，造成流体流速的改变，从而产生节流装置前后的压力差。3-28 为什么说转子流量计是定压式流量计？解：转子流量计测量流体流量时，转子前后流体压力的压差Dp为一常数，即=const.（恒量）3-32 用转子流量计来测气压为0.65MPa、温度为40的CO2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量（已知CO2在标准状态时的密度为1.977kgm3）。解 由题知：p0=0.101325MPa，p1=0.65+0.101325=0.751325(MPa)；T0=293K，T1=273+40=313（K）；r0=1.293kg/Nm3；r1=1.977kg/Nm3，Q0=50L/s。则3-33 用水刻度的转子流量计，测量范围为010L/min，转子用密度为7920kgm3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831kgL苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750kgm3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？解 由题知rt=7920kgm3，rf=0.831kgL=831kgm3，rW=1000m3，Q0=10 L/min测苯的流量的修正系数为Qr=Q0/KQ=10/0.911.1(L/min)所以，苯的流量测量范围为011.1L/min。当转子材料改为铝时，rr=2750kgm3，此时测水的流量的修正系数为Qr0=Q0/KrQ=10/2=5(L/min)所以，此时测水的流量的测量范围为05L/min测苯的流量的修正系数为Qrf=Qr0/KfQ=5/0.87=5.75（L/min）所以，此时测苯的流量的测量范围为05.75L/min。3-36 涡轮流量计的工作原理及特点是什么？解：（1）涡轮流量计的工作原理：流体在管道中流动时使叶轮旋转，转速与流体的流速成线性关系，磁电感应转换器将叶轮的转速转换成相应的电脉冲信号，反映流体流速的大小。流速与管道截面的乘积就是流体的流量。 （2）涡轮流量计的特点：安装方便、测量精度高、可耐高压、反应快、便于远传、不受干扰、容易磨损等特点。 3-37 电磁流量计的工作原理是什么？它对被测介质有什么要求？ 解 电磁流量计的工作原理是基于管道中的导电流体在磁场中流动时切割磁力线而产生感应电动势的电磁感应原理，流体的流速越大，感应电动势也越大，感应电动势与流量成正比。电磁流量计只能用来测量导电液体的流量。3-46 什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？解 （1）当被测容器的液位H=0时，差压液位计所感受的压差Dp0的现象，称为液位测量时的零点迁移，3-48 测量高温液体(指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况)时，经常在负压管上装有冷凝罐(见题3-19图)，问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？如要迁移，迁移量应如何考虑？题3-19图 高温液体的液位测量解：差压液位计正压室压力p1=rgh1+ rgH+p0负压室压力p2=rgh2+ p0正、负压室的压差Dp=p1-p2= rgH-(h2-h1) rg H=0时，Dp= -(h2-h1) rg。这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使H=0时，Dp=0，该差压变送器测液位时需要零点迁移，迁移量为(h2-h1) rg3-54 什么是热电偶的热电特性？ 热电偶的热电势由哪两部分组成？解：（1）将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度(T、T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克（Seebeck）效应。回路中的电势称为热动势，用EAB(T，T0)或EAB(t，t0).（2）热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。3-22常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是什么？为什么要使用补偿导线？并说明使用补偿导线时要注意哪几点？解：（1）常用的热电偶有如下几种：（2）所配用的补偿导线如下：（3）用廉价的补偿导线代替热电偶使冷端远离热端不受其温度场变化的影响并与测量电路相连接。使用补偿导线时要注意：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性；保持延伸电极与热电偶两个接点温度相等。3-56 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？解：（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T（或t）的单值函数。热电偶标准分度表是以T00为参考温度条件下测试制定的，只有保持T00，才能直接应用分度表或分度曲线。若T00，则应进行冷端补偿和处理。（2）冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。3-57试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表？输入、输出信号各是什么？解：热电偶温度计由热电偶（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号是温度，输出信号是热电势。热电阻温度计由热电阻（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号是温度，输出信号是电阻。3-58 用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25C，求设备的温度？如果改用E型热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？解 用K型热电偶测温时，设设备的温度为t，则E(t，25)=20mV，查K型热电偶分度表，E(25，0)=1.000mV。根据中间温度定律，E(t，0)= E(t，25)+ E(25，0)=20+1.0=21.000 mV反查K型热电偶分度表，得t=508.4若改用E型热电偶来测次设备温度，同样，根据中间温度定律，测得热电势为EE(508.4，25)= EK(508.4，0)- EK(25，0)=37678.6-1496.5=36182.1mV36.18mV。 3-59 现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30，显示仪表的机械零位在0时，这时指示值为400，则认为换热器内的温度为430对不对？为什么？正确值为多少度？解 认为换热器内的温度为430不对。设换热器内的温度为t，实测热电势为E(t，30)，根据显示仪表指示值为400，则有E(t，30)= E(400，0)，由中间温度定律并查镍铬-铜镍（E型）热电偶分度表，有E(t，0)= E(t，30)+ E(30，0)= E(400，0)+ E(30，0)=28943+1801=30744mV反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度t=422.53-60试述热电阻测温原理？常用测温热电阻有哪几种？热电阻的分度号主要有几种？相应的R0各为多少？解：（1）热电阻测温原理：电阻温度效应，即大多数金属导体的电阻值随温度而变化的现象。 （2）常用测温热电阻有：铂热电阻和铜热电阻。 （3）铂热电阻的分度号主要有： Pt100，（R0=100W）； Pt50，（R0=50W）； Pt1000，（R0=1000W）；等 铜热电阻的分度号主要有： Cu100，（R0=100W）； Cu50，（R0=50W）；等3-62 用分度号为Ptl00铂电阻测温，在计算时错用了Cul00的分度表，查得的温度为140，问实际温度为多少？解 查Cul00的分度表，140对应电阻为159.96W，而该电阻值实际为Ptl00铂电阻测温时的电阻值，反查Ptl00的分度表，得实际温度为157 3-63 用分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=R100/R0=1.42的铜热电阻测某一反应器内温度，当被测温度为50时，该热电阻的阻值R50为多少？ 若测某一环境温度时热电阻的阻值为92W，该环境温度为多少？解 分度号为Cu50、百度电阻比W(100)=1.42的铜热电阻，其R0=50W，R100=501.42=71W。则该铜热电阻测温的灵敏度k为(W/)被测温度为50时，电阻值R50=50W+0.21W/50=60.5W。当测某一环境温度时，若热电阻的阻值Rt=92W，则对应的环境温度为t=(92-50)/0.21=200。第4章 显示仪表4-10 对于标尺始端为0的电子电位差计，当热电偶的热端为0，冷端为25时，问这时应指示多少度？输入信号为多少？若热端为0，冷端也为0时，这时应指示多少度？输入信号为多少？解 当热电偶的热端为0，冷端为25时，应指示0；输入信号为E(0，25)= -E(25，0)。若热端为0，冷端也为0时，这时应指示0；输入信号为E(0，0)=0。 4-12 如题4-12图所示热电偶测温系统，热电偶的型号为K，请回答： (1)这是工业上用的哪种温度计？(2)显示仪表应采用哪种仪表？该仪表的输入信号是多少？应指示多少温度？题4-12图 热电偶测温系统图解 （1）这是工业上用的热电偶温度计。（2）显示仪表应采用XCZ-101型动圈式显示仪表或电子电位差计显示仪表；仪表的输入信号是K型热电偶的热电势E(600，25)，E(600，25)= E(600，0) - E(25，0)=24902 -1000=23902（mV）；指示温度应为600（显示仪表内具有冷端温度自动补偿，能直接显示被测温度）。4-13 测温系统如题4-13图所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160时，请计算实际温度tx为多少度？（室温为25）题4-13图 测温系统图解 这是工业上用的热电偶温度计。当与E型热电偶配套的显示仪表指示为160、室温为25时，显示仪表的输入信号应为E型热电偶在热端为160、冷端为25时的热电势EE(160，25)。而显示仪表外实际配用的是K型热电偶，其输入的热电势EE(160，25)，实际应为K型热电偶在热端为tx、冷端为25时的热电势EK(tx，25)，即EK(tx，25)= EE(160，25)。EE(160，25)= EE(160，0) - EE(25，0)查E型热电偶分度表EE(160，0) = 10501mV，EE(25，0)=1496.5mV，则EE(160，25)=10501-1496.5=9004.5mVEK(tx，0) =EK(tx，25)+ EK(25，0) =9004.5+1000(查K型热电偶分度表) =10004.5（mV）反查K型热电偶分度表，得tx=246.4 4-14 试述电子自动平衡电桥的工作原理？当热电阻短路、断路或电源停电时，指针应指在什么地方？为什么？解 电子自动平衡电桥的原理电路如下图所示。题解4-14图 电子平衡电桥测温原理图 当被测温度为测量下限时，Rt有最小值及Rt0，滑动触点应在RP的左端，此时电桥的平衡条件是R3（Rt0+RP）=R2R4 （1） 当被测温度升高后，热电阻阻值增加DRt，滑动触点应右移动才能使电桥平衡，此时电桥的平衡条件是R3（Rt0+DRt+RP-r1）=R2(R4+ r1) （2）用式（1）减式（2），则得DRt R3- r1R3= R2r1 即 （3）从上式可以看出：滑动触点B的位置就可以反映热电阻阻值的变化，亦即反映了被测温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。当热电阻短路时，Rt=0，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向左滑动，直至始端；当热电阻断路时，Rt=，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向右滑动，直至终终端；当电源停电时，指针指在任何位置，电桥输出都为0，（电桥“平衡”）。4-19 有一分度号为Cul00的热电阻，接在配分度号为Ptl00的自动平衡电桥上，指针读数为143，问所测实际温度是多少?解 温度为143时，分度号为Ptl00的热电阻阻值（查Ptl00分度表）为154.70W。而自动平衡电桥上实际接的是分度号为Cul00的热电阻，利用154.70W查Cul00分度表，得所测实际温度为128。 4-20有一配K分度号热电偶的电子电位差计，在测温过程中错配了E分度号的热电偶，此时仪表指示196，问所测的实际温度是多少?此时仪表外壳为28。解 电子电位差计指示196，输入信号为EK(196，28)= E(196，0)- E(28，0)=7.977-1.122=6.855(mV)，而该热电势实际是由E型热电偶提供的。设所测的实际温度为t，则有EE(t，0)= EE(t，28)- EE(28，0)= EK(196，28)+ EE(28，0)=6.855+1.679=8.534(mV)查E型热电偶分度表，得所测的实际温度为t=132.2第5章 自动控制仪表5-1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？解 控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即控制器的基本控制规律有：位式控制（其中以双位控制比较常用）；比例控制(P)；积分控制(I)；微分控制(D)。5-4 何为比例控制器的比例度？一台DDZ型液位比例控制器，其液位的测量范围为01.2m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例控制器的输出相应从5mA增大到7mA，试求控制器的比例度及放大系数。解 比例控制器的比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：式中 e 输入变化量；p 相应的输出变化量；输入的最大变化量，即仪表的量程；输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。 根据题给条件，该控制器的比例度为对于单元组合仪表，其放大系数为KP=1/d=1/83.3%=120%5-5 一台DDZ型温度比例控制器，测量的全量程为010