资源描述
<p>P16
1. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自
动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。
&#1048708; 实现化工生产过程自动化的意义：
（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。
（3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。
（4）能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。
2、化工自动化主要包括哪些内容？
一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
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。
4、自动控制系统主要由哪些环节组成？
自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、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。
6、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。
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。
7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。
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。
8.测量元件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号、电压、电流信号等）；控制器：将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保
持的给定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号送住执行器。执行器：能自动地根据控制器送来
的信号值相应地改变流入（或流出）被控对象的物料量或能量，从而克服扰动影响，实现控制要求。
Ex9.被控对象：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做~。被控变量：被控对象内要求保持给定值的工艺参数。给定值：被控变量的预定值。操纵变量：
受控制阀操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持给定值的物料量或能量。
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？
反应器温度控制系统
该温度控制系统的方块图
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。
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。
15. 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
16. 在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。
∵干扰是客观存在的，是不可避免的。一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都受到干扰作用，破坏正常的工艺生产状态。这就需要通过自动化装置不断施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺所要求的技术指标上。一个正常工作的自动控制系统，总受到频繁的干扰作用，总处在频繁的动态过程中。∴了解系统动态更为重要。
17. 阶跃作用：在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上，并保持在这个幅度。
采用阶跃干扰的原因：阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
19. 等幅振荡过程和发散振荡过程是不稳定过程，生产上不能采用；非周期衰减过程虽是稳定过程，但该过程中被控变量达到新的稳定值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏
离给定值，所以一般也不采用；衰减振荡过程能够较快地使系统达到稳定状态，并且最终的稳态值必然在两峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会远离给定值以致造成
事故。所以…
1-19 某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。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=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。
1-20 题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b) 图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、衰减比和余差（提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。
题1-20图 蒸汽加热器温度控制
解 蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。
题解1-20图 蒸汽加热器温度控制系统方块图
其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。
可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。
该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差A=81.5-81=0.5（℃）；
由于B=81.5-80.7=0.8（℃），B¢=80.9-80.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:B¢=0.8:0.2=4；
余差C=80.7-81= -0.3（℃）。
21、某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。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=50℃<80℃，c=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。 0="" 1="" 2="" 3="" 4="" 5="" 6="" 8="" 10="" 98="" 200="" 201="" 400="" 402="" 600="" 604="" 700="" 706="" 800="" 805="" 900="" 903="" 1000="" 1001="" a="1时，温度变化量的函数表达式为" b="81.5-80.7=0.8（℃），B¢=80.9-80.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:B¢=0.8:0.2=4；" c="80.7-81=" p33="" 2-2="" t="2min，则" 2-8="" 2-11="" 12.="" 2-12="" ei="5V时，微分方程的解为" eo="5(1-e-T/T)=" 2-13="" 14.="" 2-14="" t0="2min开始，到t1=8min时，实际变化时间t=6min，由题图知" ka="150-120=30℃,则" k="30/A=30/(50/6)=3.6(℃/(kg/min))" 145-120="25（℃）" p101="" 1.="" 3-1="" x0="" 3.="" 3-5="" dm="1000´(±1.0%)=±10℃," mpa="" l="" 3.96="" 5.94="" 7.97="" 9.99="" 2.02="" 4.03="" 6.06="" 8.03="" 10.01="" 0.4="" 0.7="" 1.2="" 0.6="" 0.2="" 2.00="" 3.995="" 6.00="" 8.00="" 10.00="" 0.00="" -0.005="">1.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。
3-6 如果有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得出下列数据：
标准表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
被校表正行程读数/MPa
0
L 98
3.96
5.94
7.97
9.99
被校表反行程读数/MPa
0
2.02
4.03
6.06
8.03
10.01
(1)求出该压力表的变差；
(2)问该压力表是否符合1．0级精度？
解 （1）校验数据处理：
标准表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
被校表正行程读数/MPa
0
1 98
3.96
5.94
7.97
9.99
被校表反行程读数/MPa
0
2.02
4.03
6.06
8.03
10.01
压力表的变差/%
0
0.4
0.7
1.2
0.6
0.2
被校表正、行程读数平均值
/MPa
0
2.00
3.995
6.00
8.00
10.00
仪表绝对误差/ MPa
0
0.00
-0.005
0.00
0.00
0.00
由以上数据处理表知，该压力表的变差：1.2%；
（2）仪表误差：；
但是，由于仪表变差为1.2%>1.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。
7.压力指垂直均匀地作用于单位面积上的力。
&#1048708; 关系： p表压=p绝对压力－p大气压力
p真空度= p大气压力－ p绝对压力
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
8.通常，由于各种工艺设备和检测仪表本身就处于大气压力之下，因此工程上常采用表压和真空度来表示压力的大小，一般仪表所指的压力也是表压或真空度。
9.测压仪表按其转换原理不同，主要分为四大类：液柱式压力计：它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的；弹性式压力计：它是将被测压力转换成弹性元件的位移来进行测量的；电气式压力计：它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的；活塞式压力计：它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测
量的。
10.主要的弹性元件有：
&#1048708; 弹簧管：可分为单圈弹簧管与多圈弹簧管，它们的测压范围较宽，最高可测量高达1000MPa的压力；
&#1048708; 膜片：可分为平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器；
&#1048708; 波纹管：这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。
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。
11.测压原理：将被测压力转换成弹簧管自由端的位移来进行测量的。
&#1048708; 主要组成：弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头。
&#1048708; 测压过程：当被测压力通入弹簧管后，由于弹簧管在压力作用下产生变形，使其自由端产生位移，经放大后就可以由指针在面板上指示出相应的压力值。
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。
12.
13.将霍尔元件与弹簧管配合，可组成霍尔片式弹簧管压力传感器。当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例，利用这一电势就可实现压力的测量。
14.应变片式压力传感器：测压元件是电阻应变片。利用金属导体的电阻应变效应制成的。压阻式压力传感器：测压元件是单晶硅片。利用半导体的压阻效应制成的。
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。
15.工作原理：将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。
&#1048708; 特点：结构紧凑、灵敏度高、过载能力大、测量精度可达0.2级、可以测量压力和差压。
3-15 某压力表的测量范围为0～1MPa，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=1.0MPa´1.0%=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0~1.6MPa，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0~1.0MPa，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0~1.6MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差
D1max=1.6MPa´1.0%=0.016MPa>0.01MPa(允许值)
该表不符合工艺上的误差要求。
用0~1.0MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差
D2max=1.0MPa´1.0%=0.01MPa>0.01MPa(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1.1~1.6MPa，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0~2.5MPa的电接点压力表。
根据测量误差要求，测量的最大误差为
Dmax£1.1´5%=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0~25MPa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。
20、某压力表的测量范围为0～1MPa，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=1.0MPa´1.0%=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。
3-20 现有一台测量范围为0~1.6MPa，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/MPa
0．0 0．4 0．8 1．2 1．6
标准表上行程读数/MPa
0．000 0．385 0．790 1．210 1．595
标准表下行程读数/MPa
0．000 0．405 0．810 1．215 1．595
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0.8~1.0MPa，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/MPa
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6
最大误差
标准表上行程读数/MPa
0.000 0.385 0.790 1.210 1.595
标准表下行程读数/MPa
0.000 0.405 0.810 1.215 1.595
升降变差/MPa
0.000 0.020 0.020 0.005 0.000
0.020
标准表上、下行程读数平均值/MPa
0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595
绝对误差D/MPa
0.000 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=1.0MPa<1.6´2 pmin="0.8MPa">1.6´1/3MPa；最大误差Dmax=1.</p><!--1.6´2--><!--80℃，c=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。-->
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