化工儀表及自動化考試題及答案

化工儀表及自動化考試題及答案一、單項選擇題（本大題共20小題，每小題2分，共40分）1.自動化控制系統中，表征被控對象需要保持的工藝規定數值稱為（）A.被控變量B.給定值C.操縱變量D.干擾量2.比例控制作用的特點是（）A.輸出與偏差的積分成正比，消除余差B.輸出與偏差成正比，反應迅速，存在余差C.輸出與偏差的變化率成正比，超前控制D.控制滯后，容易產生超調3.某壓力儀表測量范圍為0~10MPa，允許絕對誤差為±0.05MPa，則該儀表的精度等級為（）A.0.5級B.0.05級C.1.0級D.5.0級4.下列屬于接觸式測溫元件的是（）A.紅外測溫儀B.熱電偶C.比色高溫計D.輻射高溫計5.當熱電偶冷端溫度不為0℃時，若冷端溫度恒定，熱電勢會（）A.隨熱端溫度升高而減小B.只隨冷端溫度變化，與熱端無關C.在熱端溫度不變時，隨冷端溫度升高而減小D.保持恒定不變6.對于具有純滯后的被控對象，下列控制規律中，對純滯后補償效果最好的是（）A.比例控制B.微分控制C.前饋控制D.Smith預估控制7.均勻控制系統的核心目的是（）A.讓兩個被控變量都穩定在給定值不變B.保證兩個關聯的被控變量都能緩慢變化，滿足前后工序生產需求C.只保證后工序變量穩定，允許前工序變量大幅波動D.只保證前工序變量穩定，允許后工序變量大幅波動8.孔板流量計測量流量時，流量大小與孔板前后的（）成正比關系A.壓差B.壓差的平方根C.流速D.流速的平方根9.氣動薄膜調節閥的執行機構中，當信號壓力增大時閥桿向下移動，該結構稱為（）A.正作用執行機構B.反作用執行機構C.氣開閥D.氣閉閥10.化工生產中，儲罐液位的測量通常不會采用下列哪種方法（）A.差壓式液位計B.浮筒液位計C.超聲波液位計D.熱電偶液位計11.閉環控制系統相對于開環控制系統的核心特點是（）A.沒有反饋環節B.控制精度高，抗干擾能力強C.結構簡單，成本低D.控制作用不影響輸入偏差12.積分飽和現象通常出現在下列哪種情況中（）A.比例控制器長期處于偏差狀態B.積分控制器處于開環狀態，偏差長期存在C.微分控制器長期處于偏差為零的狀態D.控制器輸入信號飽和，輸出不變13.下列哪種物位測量方法適合測量高溫、高壓、強腐蝕性介質的液位（）A.玻璃管液位計B.磁翻板液位計C.雷達液位計D.浮球液位計14.控制器參數整定的衰減曲線法中，通常要求控制系統的衰減比為（）A.1:1B.4:1~10:1C.1:4D.10:1以上15.串級控制系統中，副控制器的作用是（）A.克服進入副回路的干擾，穩定副變量B.克服進入主回路的干擾，穩定主變量C.負責整個系統的粗調，保證主變量精度D.只需要控制調節閥的開度，不需要消除偏差16.以下關于前饋控制的描述，正確的是（）A.前饋控制是按偏差進行控制的閉環控制B.前饋控制只能用于干擾可測不可控的場合C.前饋控制可以在干擾影響被控變量之前就進行控制D.前饋控制可以完全消除所有干擾的影響17.渦輪流量計輸出的信號類型是（）A.模擬電壓信號B.模擬電流信號C.脈沖頻率信號D.開關量信號18.在選擇性控制系統中，通常采用的選擇器是（）A.加法器B.低選器或高選器C.乘法器D.積分器19.化工儀表中常用的標準信號傳輸范圍是（）A.0~5VDCB.4~20mADCC.0~10mAACD.1~5VAC20.分程控制系統的主要目的不包括（）A.擴大控制閥的可調范圍，改善控制品質B.滿足工藝上的特殊要求，實現不同階段的不同控制策略C.提高控制系統的抗干擾能力D.實現一個控制器控制多個被控變量二、多項選擇題（本大題共10小題，每小題3分，共30分，多選、少選、錯選均不得分）1.一個完整的自動化控制系統包含以下哪些基本組成部分（）A.被控對象B.控制器C.測量變送裝置D.執行器E.顯示裝置2.描述被控對象特性的參數包括（）A.放大系數KB.時間常數TC.純滯后時間τD.衰減比nE.超調量σ3.以下屬于氣動執行器優點的是（）A.結構簡單，維護方便B.防火防爆，適合化工易燃易爆場合C.輸出推力大，動作平穩可靠D.信號傳輸距離遠，響應速度快E.成本低，可靠性高4.熱電偶測溫時，冷端溫度補償的常用方法有（）A.0℃恒溫法B.補償導線法C.冷端溫度修正法D.電橋補償法E.機械零點調整法5.控制器的基本控制規律包括（）A.比例PB.積分IC.微分DD.比例積分PIE.比例微分PDF.比例積分微分PID6.以下屬于質量流量測量儀表的是（）A.孔板流量計B.科里奧利質量流量計C.熱式質量流量計D.渦輪流量計E.橢圓齒輪流量計7.串級控制系統相比于單回路控制系統，主要優勢有（）A.能迅速克服進入副回路的干擾B.改善被控對象的動態特性，提高系統的工作頻率C.對副回路參數變化具有一定的自適應能力D.結構更簡單，參數整定更容易E.可以消除所有干擾的影響8.選擇控制閥的氣開氣關形式需要考慮的原則包括（）A.保障工藝生產安全B.保證產品質量C.降低原料和能源消耗D.方便操作維護E.降低設備成本9.按給定值的不同，控制系統可以分為（）A.定值控制系統B.隨動控制系統C.程序控制系統D.開環控制系統E.閉環控制系統10.控制系統的過渡過程性能指標包括（）A.余差B.最大偏差（超調量）C.衰減比D.振蕩周期E.過渡時間三、簡答題（本大題共4小題，每小題10分，共40分）1.簡述什么是被控對象的特性，放大系數K、時間常數T、純滯后時間τ對控制過程分別有什么影響。2.簡述串級控制系統中主控制器和副控制器的選擇原則，分別說明主副控制器的控制規律通常如何選擇。3.說明熱電偶測溫的基本原理，為什么使用補償導線時不能消除冷端溫度不為0℃帶來的誤差，只能延長熱電偶冷端。4.簡述什么是均勻控制系統，均勻控制系統通常應用在什么場合，與普通的定值控制系統相比有什么特點。四、計算題（本大題共2小題，每小題15分，共30分）1.某化工反應釜的溫度測量范圍要求為0~400℃，選用一支K型熱電偶配溫度變送器輸出4~20mADC信號，接到量程為0~500℃、精度等級為0.5級的指示表上。已知溫度變送器的測量絕對誤差最大為±2℃，求整個測量系統的最大引用誤差，判斷系統的綜合測量精度能否滿足工業測量中允許誤差不超過1.0級的要求。2.某氣動比例積分控制器，比例度δ為100%，積分時間TI為2min，控制器的初始輸出為10mA，當輸入偏差在t=0時刻躍變為0.5mA后，求t=2min時控制器的輸出值是多少。五、綜合分析題（本大題共1小題，共10分）某精餾塔分離兩種沸點不同的化工原料，進料量為前工序來料，流量波動較大，要求控制精餾塔塔頂產品餾出液的成分，保證塔頂產品純度。工藝要求當控制閥斷氣時，必須關閉進料閥，防止精餾塔液位過高導致淹塔事故發生。請設計一個合適的控制系統，畫出系統原理框圖，說明系統中各部分的作用，選擇控制閥的氣開氣關形式，并說明控制器的正反作用。參考答案一、單項選擇題1.B2.B3.A4.B5.C6.D7.B8.B9.A10.D11.B12.B13.C14.B15.A16.C17.C18.B19.B20.D二、多項選擇題1.ABCD2.ABC3.ABCE4.ABCDE5.ABCDEF6.BC7.ABC8.ABCD9.ABC10.ABCDE三、簡答題1.答：被控對象的特性是指被控對象在輸入作用（操縱變量或干擾變量）發生變化后，被控變量隨時間變化的規律，反映了對象輸出對輸入變化的響應特性，是控制系統設計和控制器參數整定的基礎。（2分）（1）放大系數K：放大系數K是被控對象處于穩定狀態時，輸出變化量與輸入變化量的比值，反映了對象的靜態增益。K越大，說明操縱變量對被控變量的影響越大，相同輸入變化引起的輸出變化越大，控制作用越強；K越小，說明對象的自衡能力越強，控制作用對被控變量影響越弱。對于控制系統，K越大，系統越容易振蕩，K越小，控制作用越弱，都會影響控制品質。（3分）（2）時間常數T：時間常數T是被控對象受到輸入作用后，被控變量從初始值變化到新的穩態值的63.2%所需要的時間，反映了對象動態響應的快慢。T越大，說明對象的慣性越大，被控變量變化越慢，響應滯后越大，系統的控制作用不容易及時影響被控變量，容易產生超調；T越小，說明對象慣性小，響應速度快，控制及時，但變化過快容易引起系統振蕩。（2分）（3）純滯后時間τ：純滯后是指被控對象受到輸入作用后，被控變量不是立即變化，而是經過一段時間后才開始變化，這段時間就是純滯后時間τ。純滯后產生的原因通常是操縱變量需要經過傳輸距離才能到達控制點，或者測量點位置不合理。純滯后會導致控制作用不及時，增大系統的超調量，降低系統的穩定性，純滯后越大，控制過程越難，控制品質越差。（3分）2.答：串級控制系統中，主副控制器的選擇需要遵循以下原則：主控制器的主要作用是保證主變量滿足工藝要求，穩定主變量在給定值附近，副控制器的主要作用是快速克服進入副回路的干擾，穩定副變量，保證主變量不受副回路干擾的影響。（3分）控制規律的選擇原則如下：（1）主控制器：主控制器需要保證主變量的控制精度，消除余差，因此通常選擇比例積分（PI）控制規律。如果主被控對象容量滯后較大，比如溫度控制對象，為了改善對象的動態特性，加快響應速度，通常選擇比例積分微分（PID）控制規律，引入微分作用抵消容量滯后的影響。（3分）（2）副控制器：副控制器的核心作用是快速克服干擾，不需要嚴格保證副變量恒定，允許副變量在一定范圍內變化，因此通常只需要選擇比例（P）控制規律即可。因為積分作用會減慢副控制器的響應速度，降低副回路抗干擾的快速性，一般不需要引入積分作用，更不需要微分作用。只有當副對象的容量滯后較大，控制要求較高時，才會考慮引入少量的積分作用。（4分）3.答：熱電偶測溫的基本原理是基于熱電效應：兩種不同成分的導體（稱為熱電偶絲/熱電極）兩端焊接形成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時（一端為工作端，插入被測介質，溫度為t，稱為熱端；另一端為自由端，一般處于恒定溫度環境，稱為冷端），回路中就會產生熱電勢，熱電勢的大小只與熱電極的成分和兩端溫度差有關，在冷端溫度恒定的情況下，熱電勢的大小只隨熱端溫度變化，因此通過測量熱電勢就可以得到被測溫度的大小。（4分）補償導線的作用原理是：在一定溫度范圍內（一般為0~100℃），與所配熱電偶具有相同的熱電特性，也就是單位溫度變化產生的熱電勢與熱電偶一致。補償導線只是把熱電偶原來位于接線端、溫度波動較大的冷端，延長到了溫度相對穩定的儀表接線端，并沒有將冷端溫度補償到0℃，因此只能消除原冷端溫度波動帶來的測量誤差，不能消除冷端整體溫度不為0℃帶來的固定偏差。（3分）如果冷端延長后溫度仍然不是0℃，還需要通過其他補償方法（比如電橋補償、機械零點調整）對冷端溫度不為0℃的誤差進行修正，因此補償導線本身不能完成完整的冷端溫度補償，只能延長冷端位置。（3分）4.答：均勻控制系統是指為了滿足化工生產中前后工序之間物料供需的平衡，讓兩個相互關聯的被控變量都能夠在允許范圍內緩慢平穩變化的控制系統。（2分）均勻控制系統通常應用在連續生產過程中，前后設備之間物料供需相互關聯、沒有足夠緩沖容積的場合：典型應用包括精餾塔的前塔塔釜液位與后塔進料流量的控制，精餾塔塔頂餾出槽液位與塔頂采出流量的控制，精餾塔塔釜液位與塔底采出流量的控制，串聯的兩個反應器之間的液位與出料流量控制等，這些場合中，前設備的出料是后設備的進料，既要保證前設備的液位不超出允許范圍，又要保證后設備進料流量穩定，不能讓流量大幅波動影響后工序生產，因此需要引入均勻控制系統同時滿足兩個要求。（3分）與普通的定值控制系統相比，均勻控制系統具有以下三個核心特點：（1）控制目標不同：普通定值控制系統要求被控變量穩定在給定值，盡量不發生變化；均勻控制系統不要求兩個被控變量都恒定不變，而是允許兩個被控變量都在工藝允許的范圍內緩慢變化，協調解決前后工序的供需矛盾，兩個變量都是控制目標，相互兼顧。（2分）（2）控制器參數整定不同：均勻控制系統控制器的比例度和積分時間通常比普通定值控制系統大很多，目的是讓控制作用平緩，避免控制器動作過于劇烈導致被控變量大幅波動，保證兩個變量都緩慢變化。（1分）（3）結構形式靈活：均勻控制系統可以根據工藝要求設計成簡單均勻控制系統、串級均勻控制系統等不同結構，核心目標都是實現兩個關聯變量的均勻協調控制。（2分）四、計算題1.解：（1）指示表的最大允許絕對誤差計算：指示表的量程為：Δ量程=500℃-0℃=500℃（2分）精度等級為0.5級，因此指示表的最大允許絕對誤差為：Δ指示=精度等級%×量程=0.5%×500℃=±2.5℃（5分）（2）溫度變送器的最大絕對誤差Δ變送器=±2℃，根據誤差合成，整個測量系統的最大絕對誤差為：γ=（Δ絕對最大值/量程）×100%=（4.5/400）×100%=1.125%（2分）（4）因為系統的最大引用誤差為1.125%，大于1.0級要求的最大允許引用誤差1%，因此該系統不能滿足允許誤差不超過1.0級的要求。（2分）2.解：比例積分控制器的輸出公式為：Δu=Kpe+(Kp/TI)∫??edt（5分）其中，比例增益Kp=1/δ，已知δ=100%=1，因此Kp=1/1=1（2分）偏差e是階躍變化，t≥0時e=0.5mA恒定，初始輸出u?=10mA，因此積分結果為：∫??edt=et（2分）代入t=2min，TI=2min，e=0.5mA：Δu=1×0.5+(1/2)×0.5×2=0.5+0.5=1mA（3分）因此t=2min時控制器的總輸出為：u=u?+Δu=10mA+1mA=11mA（3分）答：t=2min時控制器的輸出值為11mA。五、綜合分析題解：（1）控制系統設計：根據工藝要求，進料流量波動大，需要控制塔頂產品成分，因此設計以塔頂產品成分為主變量、進料流量為副變量的串級控制系統，原理框圖如下：（畫圖描述：進料流量測量變送→副控制器→溫度（成分）控制器給定→主控制器→控制閥→精餾塔進料→塔頂產品成分→主變量測量變送，副回路包含進料流量干擾，主回路控制產品成分）<框圖文字描述：由上到下依次為：主控制器給