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化工自动化及仪表引言化工自动化及仪表是现代化工工厂中必不可少的部分。
它集成了传感器、控制系统、执行器和现场仪表等组成的自动化设备，实现了化工过程的自动化控制和监测。
本文将介绍化工自动化及仪表的概念、应用及其优势。
一、概念化工自动化及仪表是将信息技术、电子技术、自动控制技术等应用于化学工业生产过程中的自动控制和监测系统。
它通过采集过程数据、分析数据、进行决策控制，实现化工过程的自动化操作。
化工自动化及仪表系统由五个部分组成：传感器、控制系统、执行器、现场仪表和通信网络。
传感器用于采集物理量和化学量，将其转换成电信号；控制系统用于处理传感器采集到的信号，进行控制和判决；执行器用于执行控制系统的指令，控制化工过程；现场仪表用于监测和显示过程参数；通信网络用于传输数据和命令。
二、应用化工自动化及仪表广泛应用于化学工业的各个环节，包括原材料处理、反应过程、分离工艺、产品制备等。
下面分别介绍几个典型应用场景：1.原材料处理：在化学生产中，原材料的处理是一个重要的环节。
化工自动化及仪表可以通过传感器和控制系统对原材料进行精确的测量和调控，提高原材料的利用率，降低生产成本。
2.反应过程控制：化学反应过程控制是化工自动化及仪表的核心应用之一。
通过传感器对反应过程中的温度、压力、浓度等参数进行实时监测，通过控制系统对反应条件进行调控，实现反应的自动化控制。
3.分离工艺控制：在化学生产中，分离工艺是将混合物中的组分分离出来的关键环节。
化工自动化及仪表可以通过传感器对分离过程中各个组分的浓度进行监测，通过控制系统对分离条件进行调控，提高分离效率，提高产品质量。
4.产品制备：化学工业生产出来的产品通常需要经过多个步骤进行制备。
化工自动化及仪表可以对制备过程中的各个参数进行实时监测和控制，保证产品的质量和一致性。
三、优势化工自动化及仪表具有以下几个优势：1.提高生产效率：化工自动化及仪表可以实现化工过程的连续运行和高效控制，减少人为因素的干扰，提高生产效率。
第一章自动控制系统基本概念3.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答：闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制系统。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，它与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被控变量（工艺）是不反馈到输入端的。
4.自动控制系统主要由哪些环节组成？答：自动控制系统主要由两大部分组成。
一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括测量元件与变送器、自动控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。
8.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？答：在自动控制系统中，测量变送装置用来测量被控变量的变化并将它转换成一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）；控制器将测量变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，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（气压或电流）发送给执行器；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）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
9.试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量?答：①被控对象：在自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产设备或机器等。
②被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
③给定值：被控变量的预定值。
④操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量，实现控制作用的变量。
18.什么是自动控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？答：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在，系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，由于自动控制系统的负反馈作用，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。
化工仪表及自动化一、引言化工是现代工业的重要组成部分之一，它涉及到许多高危、高难度的操作环节，为了保障工作安全，提高生产效率和产品质量，人们采用了化工仪表及自动化技术，实现对化工生产过程的精确控制和实时监测，并提供可靠的操作和决策支持。
本文将从化工仪表和自动化的定义、分类以及其在化工生产中的应用等方面进行探讨。
二、化工仪表的定义与分类1、化工仪表的定义化工仪表是指在化工生产中，用于对化工生产过程及其现场参数进行监测、测量、记录、分析、控制和管理的设备，通常包括传感器、变送器、显示器、记录仪、控制器、调节器等。
2、化工仪表的分类（1）按测量原理分类化工仪表根据测量原理的不同，可分为压力、温度、流量、液位、PH值、浓度等多种仪表类型。
其中，压力、温度、液位等是针对制程参数测量较多的仪器，而流量、PH值、浓度等则以环保检测仪器较为常见。
（2）按用途分类化工仪表根据具体用途的不同，可分为流程控制仪表（例如调节阀、电机驱动阀门、电磁阀等）和测量控制仪表（例如温度计、压力计、液位计、控制器等）。
三、化工自动化的定义与特点1、化工自动化的定义化工自动化是指利用现代化工仪表技术和计算机技术等手段，实现对化工生产过程及其参数的自动监控和远程控制的一种综合技术。
化工自动化技术的应用不仅可以提高化工生产效率和产品质量，而且可以降低人力成本，提高生产安全性。
2、化工自动化的特点（1）高效性：化工自动化系统可以实现对化工生产全过程的自动化控制，提高工作效率，提高生产的稳定性和安全性。
（2）可靠性：自动化系统采用先进的故障检测及保护措施，能够自动检测和判断工艺参数的变化，及时地采取相应的措施，确保化工生产过程的稳定性和安全性。
（3）实时性：自动化系统能够在线监测和生成化工生产过程及其参数的实时数据，还能够实时反馈设备状态和工艺参数的变化情况，实时掌握化工生产过程的运行状况，及时处理异常情况，保证生产过程连续性。
（4）智能化：自动化系统集成了先进的人工智能算法与模型，在处理和分析大量的数据时，能够快速发现问题和异常情况，自动调整生产参数，避免生产效率和产品质量的下降。
一、单选题1.差压物位计的输出电流应和（）成一一对应关系。
A、容器上方气相的压力B、差压变送器正压室压力C、物位高度D、差压变送器负压室压力答案： C2.在获得校验数据之后，通常需要计算仪表的（）来判断仪表是否合格。
A、最大引用误差B、最大回差C、最大引用误差及最大回差D、灵敏度与分辨力答案： C3.关于数字控制器，下列说法正确的是（）。
A、控制器只能实现PID控制算法B、控制器进行手/自动切换时，为保证无扰动切换，应先调整PID参数C、控制器在任何时刻都应设置为自动状态D、控制器正反作用的选择应使系统构成负反馈答案： D4.关于恒浮力式物位计，下列说法错误的是（）。
A、浮子/浮球所受的浮力在液位变化时保持不变B、浮子/浮球的位置跟随液位的变化而变化C、属于非接触式测量D、属于接触式测量答案： C5.下列关于压力测量说法错误的是：A、所谓压力是指的物理学意义上的压强B、压力的检测还可以用于物位和流量的检测C、所谓真空度，是指被测压力低于大气压力的差值D、压力的国际标准单位为PSI(Pound per Square Inch)答案： D6.关于磁致伸缩物位计，下列说法错误的是（）。
A、属于接触式物位计B、受安装和维护的限制，测量范围不能太大，多用于卧式储罐的物位测量C、介质密度变化不会影响测量精度D、精度很高，可以达到计量级精度答案： C7.气动执行器在石油化工场合使用较多的原因是（）。
A、安全防爆B、价格便宜C、尺寸小D、使用方便答案： A8.浮球式物位计若测量过程中浮球脱落，则物位计的输出会（）。
A、不变B、达到最大C、达到最小D、不确定答案： B9.差压物位计进行零点迁移的实质是（）。
A、改变差压变送器测量范围的上下限，而量程不变B、使得液位高度为测量范围下限时，差压变送器输出4mAC、使得液位高度为测量范围上限时，差压变送器输出20mAD、改变差压变送器测量范围的量程，而测量范围不变答案： A10.DCS控制系统中PID控制算法是由（）完成。
化工仪表及自动化——简答题详解第一章3.闭环控制系统和开环控制系统有什么不同？答：闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。
从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制。
从信号传递关系上看，未构成闭合回路。
4.自动控制系统主要有哪些环节组成？答：自动控制系统主要有三个环节组成：检测、运算、执行10.什么是干扰作用？什么是控制作用？是说明两者关系。
答：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。
两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。
12.什么是负反馈？负反馈在自动控制系统中的重要意义？答：系统的输出变量是被控变量，但是它经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。
负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量，y受到干扰的影响而升高时，只有负反馈才能使反馈信号升高，经过比较到控制器去的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被控变量下降回到给定值，这样就达到了控制的目的。
第二章2.何谓对象的数学建模？静态数学模型与动态数学模型有什么区别？答：对象的数学模型指对象特性的数学描述。
静态数学模型：描述的是对象在静态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型：描述的是对象在输入量改变以后输出量的变化情况。
4.建立对象的数学模型有哪两类主要方法？答：机理建模、实验建模。
9.为什么说放大系数K是对象的静态特性？而时间常数T和滞后时间τ是对象的动态特性？答:放大系数K反映的是：对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系。
时间常数T 是指：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间滞后时间τ是指：对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这种现象的参数。
11.已知一个对象特性具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5，放大系数为10，纯滞后时间为2，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。
第三章1.什么叫测量过程？答：测量过程实际上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。
2.何谓测量误差？测量误差的表示方法？各是什么意义？答：（1）测量误差：由仪表读的被测值与测量值之间，总是存在一定的差距（2）表示方法：绝对误差和相对误差绝对误差：指仪表指示值和被测量的真值之间的差值，∆=x-x0。
相对误差：某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值x0之比，y=∆/x0。
4.何谓仪表的精度等级？答：仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。
将仪表的允许相对误差去掉±号及%号，便可以用来确定仪表的精度等级。
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∆max =1.0MPa ⨯1.0%=0.01MPa在校验点0.5MPa 处，绝对误差为∆=0.5-0.508=-0.008(MPa)该校验点的测量误差为%57.1%100508.0008.0-=⨯-=δ故该校验点不符合1.0级精度。
50.什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?答：（1）当被测液位为零时，将差压变送器输出零点所对应的输入差压由零迁移到某一不为零的数值，称为液位测量时的零点迁移。
（2）采用零点迁移的办法就能达到目的，调节仪表上的迁移弹簧，抵消固定压差的作用。
（3）实质：零点迁移实质就是改变变送器零点，改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。
74.什么是软测量技术？答：软测量技术也称为软仪表技术。
概括地讲，就是利用易测过程变量（辅助变量），依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量（主导变量）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。
75.现代传感技术发展的显著特征是什么？答：现代传感器技术发展的显著特征：研究新材料，开发利用新功能，使传感器多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化。
第四章1.什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？答：所谓控制规律是控制器的输出信号P与输入信号e之间的关系。
P=f(e)基本控制规律有：位式控制、比例控制、积分控制、微分控制3.比例控制规律是怎样的？什么是比例控制的余差？为什么比例控制会产生余差？答：（1）规律是：控制器的输出信号p与其输入信号e成正比。
（2）控制过程结束后，新稳态值与给定值之间的差值就叫余差。
（3)由比例控制本身的特性所决定的。
因为比例控制作用是与偏差成比例的，只有偏差存在，才能产生控制作用。
8.什么是积分时间T i？积分时间对控制过程的影响。
答：（1）积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。
只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
（2）在实际的控制器中，常用积分时间T i来表示积分作用的强弱，在数值上，T i=1／K i。
显然，T i越小，K i就越大，积分作用就越强，反之亦然。
13.电动控制器DDZ-Ⅲ型有何特点？答：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号（2）广泛采集运算放大器电路，可靠性提高，维修工作量减小（3）Ⅲ型仪表统一由电源供给24VDC电源，并有蓄电池作为备用电源（4）结构合理，与之Ⅱ型有许多先进之处16.什么叫控制器的无扰动转换？答：系统运行中出现工况异常时，需要重自动切向手动，在切换的瞬间，应保持控制器的输出不变，才能使执行器的位置在切换过程中不至于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这就是无扰动切换。
第五章1.气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？答：执行机构和控制机构。
执行机构是执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。
控制机构是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
2.试问控制阀的结构有哪些主要类型？各使用在什么场合？答：（1）直通单座控制阀：一般适用于小口径、低压差的场合。
（2）直通双座控制阀：适用于压差较大，允许较大泄露量的场合。
（3）角形控制阀：适用于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。
（4）三通控制阀：适用于配比控制盒旁路控制。
（5）隔膜控制阀：适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。
（6）蝶阀：适用于大口径、大流量、低压差的场合，也适用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。
（7）球阀：适用于高黏度和污秽介质的控制。
（8）凸轮挠曲阀：适用于高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。
（9）笼式阀：特别适用于要求低噪声及压差较大的场合，但不适合高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。
6.什么叫控制阀的工作流量特性？答：在实际生产中，控制阀的前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。
7.什么叫控制阀的可调范围？在串、并联管道中可调范围为什么会变化？答：控制阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值称为控制阀的可调范围。
由于分压和分流的作用，都会使可调范围变小。
11.什么叫气动执行器的气开式和气关式？其选择原则是什么？答：有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式，反之，为气开式。
考虑原则是：信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。
如果阀处于打开位置危害性小，则应选择气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。
14.试述电气转换器的用途与工作原理？答：电-气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。
在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，但所选择的执行器为气动执行器，。
这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应的气信号，才能为气动执行器所接受。
电-气转换器是接力矩平衡原理工作的。
当由输入电流所产生的电磁力与由输出气压所产生的反馈力相平衡时，就建立了输出气压信号与输人电流信号的一一对应关系。
第六章1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。
检测变送装置的作用：检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。
控制器的作用：接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。
执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。
被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。
4、什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。
在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。
5、被控变量的选择原则是什么？答：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常受到一些干扰影响而变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。
（6）被控变量应是独立可控的。
6、什么叫可控因素（变量）与不可控因素？当存在若干个可控因素时，应如何选择操纵变量才是比较合理的控制方案？答：工艺上允许加以控制的变量称为可控变量；否则称不可控变量。
当存在若干个可控因素时，应选择其中对被控变量影响较大且较快的作为操纵变量，同时应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
7、操纵变量的选择原则是什么?答：(1)操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量(2)操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小(3)操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。
11、被控对象、执行器、控制器的正、反作用各是怎样规定的？答：被控对象的正、反作用方向规定为：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。
