7.何谓系统辨识和参数估计？；答:应用对象的输人输出的实测数据来确定其数学模型；8.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对；答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需；二.例题分析；1.已知一个具有纯滞后的一阶过程的时间常数为4m；解该过程特性仍为一阶微分方程式，但由于存在纯滞后；4dy(t+1)；dt+y(t+1)=10x(t)；2.已知一个对
7.何谓系统辨识和参数估计？
答:应用对象的输人输出的实测数据来确定其数学模型的结构和参数，通常称为系统辨识。在已知对象数学模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。
8.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？
答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。在控制通道，如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。 对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低。T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的。
二. 例题分析
1.已知一个具有纯滞后的一阶过程的时间常数为4min，放大系数为10，纯滞后时间为lmin，试写出描述该过程特性的一阶微分方程式。
该过程特性仍为一阶微分方程式，但由于存在纯滞后lmin，故输出y(t)比输人x(t)在时间坐标上平移了lmin，假定方程式中的时间量纲为min，则微分方程式为
dt+y(t+1)=10x(t)
2. 已知一个对象为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。
(1)试写出描述该对象的微分方程；
(2)求出描述该对象的传递函数。
解(1)与题6类似，该对象的微分方程式数学模型为
dt+y(t+2)=10x(t)
式中y表示输出变量，x表示输入变量。
(2)将式[1]在零初始条件下，两端都取拉普拉斯变换，则有
5sY(s)e2s+Y(s)e2s=10X(s)
则对象的传递函数为
第三章 检测仪表与传感器
一. 问题解答
1. 什么叫测量过程？
答 测量过程实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般它都是利用专门的技术工具，即测量仪表将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。
2.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。任何测量过程都存在着测量误差。在使用仪表测量生产过程中的工艺变量时，不仅需要知道仪表的指示值，而且还应该了解仪表的精度。
仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。目前中国生产的仪表精度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，
2.5，4.0等。仪表的精度等级是将仪表允许相对百分误差的“±”号及“%”去掉后的数值，以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许相对百分误差为1.0%。
3.电动模拟式变送器、数字式变送器二者的输出信号有什么不同？
答 模拟式变送器的输出信号一般为统一标准的模拟量信号，例如：DDZ- II型仪表输出0~10mA DC，DDZ-III型仪表输出4~20mA DC等，在一条电缆上只能传输一个模拟量信号。智能式变送器的输出信号则为数字信号，数字通信可以实现多个信号在同一条通信电缆(总线)上传输，但它们必须遵循共同的通信规范和标准。
11.电动模拟式变送器的电源和输出信号的连接方式有哪几种？目前在工业现场最常见的是哪一种？
答 电动模拟式变送器传输电源和输出信号有四线制和二线制两种连接方式。目前大多数变送器均为二线制连接方式。
15.测压仪表有哪几类？各基于什么原理？
答 测压仪表按其转换原理不同，主要有四大类：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变形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祛码的质量来进行测量的。
16.作为感受压力的弹性元件有哪几种？各有什么特点？
答 主要的弹性元件有：①弹簧管，可分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；②膜片，可分平薄膜、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；③波纹管，这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。 24.体积流量、质量流量、瞬时流量、累积流量的含义各是什么？ 答 流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量；在某一段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。
以体积表示的瞬时流量称为体积流量，以质量表示的瞬时流量称为质量流量。
26.什么叫节流现象？流体经节流装置时为什么会产生静压差？
答 节流现象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处，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，由于流速发生变化，使流体的动能发生变化，根据能量守恒定律，动能的变化必然引起静压能变化，所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。
27.试述差压式流量计测量流量的原理。并说明哪些因素对差压式流量计的流量测量有影响？
答 根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程，可以导出流体流经节流装置时的压差与流量之间有一定的对应关系，其定量关系符合流量基本方程式。根据这个方程式，就可以由测量得到的压差来计算出流过的流量值，这就是差压式流量计测量流量的原理。
由于流量基本方程是在一定的条件下推导而得的，这些条件包括节流装置的形式、尺寸、取压方式以及流体的工艺条件(密度、温度、压力、雷诺数等)，当以上这些条件改变时都会影响流量的测量。
37.根据工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型？
答 按其工作原理主要有下列几种类型。
(1)直读式物位仪表(2)差压式物位仪表(3)浮力式物位仪表(4)电磁式物位仪表(5)核辐射式物位仪表(6)声波式物位仪表(7)光学式物位仪表。
40.在液位测量中，如何判断“正迁移”和“负迁移”？
答 在液位测量中，当被测液位H=0时，如果差压变送器的输人信号△p&0，则为“正迁移”；反之，当H=0时，△p &O，则为“负迁移”。
50.热电偶补偿导线的作用是什么？在选择使用补偿导线时需要注意什么问题？
答 由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。茬实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。
在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。
52.用热电偶测温时，要进行冷端温度补偿，其冷端温度补偿的方法有哪几种？
答 冷端温度补偿的方法有以下几种：(1)冷端温度保持为0℃的方法；(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。
56.试述DDZ-III型温度变送器的用途。 答 DDZ-III型温度变送器的用途在于它与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度转换成4~20mA和1~5V的统一标准信号，又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，使其转换成4~20mA和1~5V的统一输出信号。然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度及其他各种参数进行显示、控制。
二. 例题分析
(2)问该压力表是否符合1. 0级精度？
解(1)首先计算出各点正、反行程标准表读数的差值，找出其中的最大差值(指绝对值)。本题的最大绝对差值发生在6MPa处，其值为6.06-5.94=0.12(MPa)。
(2)由于该表的变差已超过1.0级表的允许误差，故不符合1.0级精度。 2. 某压力表的测量范围为0~1MPa，精度等级为1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 最大绝对误差?max=(1-0)?1%=0.01(MPa) 变差=最大绝对差值?100%=0.12?100%=1.2%
在0.5MPa处，校验得到的绝对误差为0.508-0.5=0.008(MPa)，此值小于该压力表的允许最大绝对误差，故在这一校验点符合1级精度。
3. 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1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级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。
解 测量范围为0~1.6MPa，精度为1级的压力表的允许最大绝对误差为 (1.6-0)?1%=0.016(MPa)
已经超出了工艺上允许的最大绝对误差，故不能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级的压力表，这时允许的最大绝对误差为
(1.0-0)?1%=0.01(MPa)
故能符合工艺上的误差要求。
4. 某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0~100m3/h的流量计，流量检测误差小于±0.6m3/h，试问选择何种精度等级的流量计才能满足要求？
解 工艺上允许的相对百分误差为
100-0?100%=±0.6%
因此选择0.5级精度的流量计才能满足要求。
5. 某温度控制系统，最高温度为700℃，要求测量的绝对误差不超过±10℃，现有两台量程分别为0~1600℃和0~1000℃的1.0级温度检测仪表，试问应该选择哪台仪表更合适？如果有量程均为0~1000℃，精度等级分别为1. 0级和0.5级的两台温度变送器，那么又应该选择哪台仪表更合适？试说明理由。
解 对于量程为0~1600℃和0~1000℃的l.0级仪表，其允许的最大绝对误差分别为：(1600-0)×1%=16(℃)和(1000-0) ×1%=10(℃)，因此。0~1600℃量程的仪表其绝对误差已经超出了工艺上允许的绝对误差(±10℃)，故不能选用。另外，对于最高温度仅为700℃的温度控制系统，其量程也没有必要选0~1600℃这么大量程的仪表。因此，本温度控制系统应该选择
0~1000℃量程的1.0级温度检测仪表，这时其绝对误差也能满足要求(±10℃)。
如果有量程均为0~1000℃，精度等级分别为1.0级和0.5级的两台温度变送器，应该选择1.0级的更为合适。这时两台仪表都能满足工艺要求，应该选择其中精度较低的仪表，这样可以节省投资，日常维护也比较方便。
(2)确定仪表的允许误差及精度等级；
(3)经过一段时间使用后重新校验时，仪表最大绝对误差为±8℃，问该仪表是否还符合出厂时的精度等级？
解(1)首先计算出各点的绝对误差，找出其中的最大绝对误差是在400℃这一点，其值为
)； ?max=406-400=6(℃
(2) δ允=?max量程?100%=6
500-0?100%=1.2%故该温度计的精度等级确定为1.5级；
500-0?100%=1.6%，已经超过了1.5级(3)当仪表最大绝对误差变为±8℃后，相对百分误差δ=
仪表的最大允许相对百分误差1.5%，故已不符合仪表出厂时的精度要求。
7. 如何根据待测工艺变量的要求来选择仪表的量程和精度？现欲测往复泵出口压力(约1.2MPa)，工艺要求±0.05MPa，就地指示。可供选择的弹簧管压力表的精度为：1.0级，1.5级，2.5级，4.0级，测量范围为0~1.6MPa，0~2.5MPa，0~4.0MPa。试选择压力表的量程和精度。
解 量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。一般而言，仪表的上限应为被测工艺变量的4/3倍或3/2倍，若工艺变量波动较大，例如测量泵的出口压力，则相应取为3/2倍或2倍。为了保证测量值的准确度，通常被测工艺变量的值以不低于仪表全量程的1/3为宜。
仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。一般来说，所选用的仪表越精密，则测量结果越精确、可靠。但不能认为选用的仪表准确度越高越好，因为越精密的仪表，一般价格越贵，操作和维护越费事。因此，在满足工艺要求的前提下，应尽可能选用准确度较低、价廉耐用的仪表。
当往复泵的出口压力为1.2MPa时，由于往复泵的出口压力波动较大，可取仪表上限为正常压力的2倍，即2.4MPa，所以应选择测量范围为0~2.5MPa的弹簧管压力表。由于出口压力不低出2.5MPa的1/3，故能保证测量值的准确度。
根据题意，允许的相对百分误差δ=±0.05
2.5?100%=±2%，故应选择的精度等级为1.5级。
10.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、精度级)。
解 由于合成塔内的压力比较平稳，故压力测量上限可选工作压力的3/2倍，即14×3/2=21(MPa)，测量范围可选0~25MPa。
根据所选量程和误差要求，算得允许相对百分误差
25-0?100%=1.6%，压力表的精度等级应选1.5级。
由于所测的介质是氨气，由产品目录可选氨用压力表YA-100。
11.有一台DDZ-III型两线制差压变送器，已知其测量范围为20~100kPa，当输人信号为40kPa和70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？ 解 当输入为40 kPa时，其输出为
I0=20-4100-20
100-20(40-20)+4=8(mA) 当输入为70kPa时，其输出为 I0=(70-20)+4=14(mA)
18.图3-15所示的液位测量系统中采用双法兰差压变送器来测量某介质的液位。已知介质液位的变化范围
3h=0~950mm，介质密度ρ=1200kg/m，两取压口之间的高度差H=1200mm，变送器毛细管中填充的硅油密
ρ1= 950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。
液位测量系统
解 ?pmax=hmaxρg=0.95?=11183.4(Pa)
因此变送器量程可选0~16kPa。
负迁移量为Hρ1g=1.2?950?9.81=11183.4(Pa)
19.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？
解((1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即
E(t,t0)=20mV
E(t0,0)=E(25,0)=1mV
E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20+1=21mV
由此电势，查表可得t=509℃，即设备温度为509℃。
(2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。查表可得
E(t0,0)=E(25,0)=1.5mV
设备温度为509℃，查表可得
E(t,0)=E(509,0)=37.7mV
E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=37.7-1.5=36.2mV
即E热电偶测得的热电势为36.2mV。
22.测温系统如图3-17所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶的分度号为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℃)
测温系统图
解 这是工业上用的热电偶温度计。查分度号E，可得160℃时的电势为10501μV，这电势实际上是由K热电偶产生的，即
E(tx,25)=10501μV
查分度号K，可得E(20,0)=1000μV，由此可见，
E(tx,0)=E(tx,25)+E(25,0)==11501μV
由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283℃。
第四章 显示仪表
一. 问题解答
1.自动电子电位差计是如何基于补偿测量法工作的？线路电阻(即外阻)值的变化，对电子电位差计的测量有无影响？为什么？
答 图4-1是自动电子电位差计的简单原理图。当热电势Et与已知的直流压降相比较时，若Et≠ECB，其比较之后的差值(即不平衡信号)经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，使可逆电机又通过一套传动系统去带动滑动触点C的移动，直到Et=ECB时为止。这时放大器输入端的输入信号为零，可逆电机不再转动，测量线路就达到了平衡，这样ECB就可以代表被测量的Et值。
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自动控制系统基本慨念
P16-2.化工自动化主要包括哪些内容？
答：化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。
P16-4. 自动控制系统主要由哪些环节组成？
表示该压力仪表安装在现场。
表示该温度仪表安装在集中仪表盘正面，操作员监视用。
P16-8. 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（检测元件及变送器）用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等）。
控制器将检测元件及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，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（如气压信号或电流信号）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）操作变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。
P16-11. 图1-18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框图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量的干扰是什么？
被控对象：反应器
被控变量：反应器内温度
操作变量：冷却水流量
扰：A、B两种物料的流量、温度、成分等，冷却水的温度、压力等，搅拌器的速度（电压、电流），夹套的结垢情况等等
P16-18. 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，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。
过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。
①发散振荡过程
如图1-4(a)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许范围。
②非振荡发散过程
如图1-4(b)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧做非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许范围。
③等幅振荡过程
如图1-4(c)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。
④衰减振荡过程
如图1-4(d)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。
⑤非振荡衰减过程
如图1-4(e)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧做缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。
在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。
P16-20. 自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些？各自的含义是什么？
答：衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）等。其各自的含义是：
是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。图1-5中A表示最大偏差。最大偏差描述了被控变量偏离设定值的程度，最大偏差愈大，被控变量偏离设定值就越远，这对于工艺条件要求较高的生产过程是十分不利的。
是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。图1-5中衰减比n=B：B'。对于衰减振荡而言，n总是大于1的。若n接近1，控制系统的过渡过程曲线接近于等幅振荡过程；若n小于1，则为发散振荡过程；n越大，系统越稳定，当n趋于无穷大时，系统接近非振荡衰减过程。根据实际操作经验，通常取n=4～10为宜。
是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。图1-5中C表示余差。余差是一个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，一般希望它为0或在一预定的允许范围内。
是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。从理论上讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。所以在实际应用时，规定只要被控变量进入新的稳态值的±5%（或±2%）的范围内且不再越出时为止所经历的时间。过渡时间短，说明系统恢复稳
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