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过程控制仪表及控制系统_课后习题答案(林德杰)

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1 第一章 思考题与习题

1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。

解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体

并释放出热量。当电石加入时，内部温度上升，温度

检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控

制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调

节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。

系统框图如下：

被控过程：乙炔发生器

被控参数：乙炔发生器内温度

控制参数：冷水流量

1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?

答：过程控制系统主要分为三类：

1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。

2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。

3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。

3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？

答：1. 余差(静态偏差）e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞) 2 与给定值c之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。

2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：

n＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。

衡量系统稳定性也可以用衰减率φ

4．最大偏差A：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。

5． 过程过渡时间ts：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％ （根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，ts越小，过渡过程进行得越快。

6．峰值时间tp: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。称为峰值时间tp。它反映了系统响应的灵敏程度。

静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。

第二章 思考题与习题

2－1 如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求：

（1） 列出过程的微分方程组；

（2） 求过程的传递函数W0（S）＝H（S）/Q1（S）；

（3） 画出过程的方框图。

解：（1）根据动态物料平衡关系，流入量＝流出量： BBnBBBdtdh)QQ(Q321dthdC)QQ(Q321 3 过程的微分方程的增量形式：

中间变量：

消除中间变量：

同除 (R2+R3) 得到：

令：

上式可写为：

（2）Laplace 变换得到：

传递函数:

（3） 过程的方框图：

2－2．如图所示：Q1为过程的流入量，Q2为流出流量，h为液位高度，C为容量系数，若以Q1为过程的输入量，h为输出量（被控量），设R1、R2为线性液阻，求过程的传递函数

W0(S)＝H(S)/Q1(S)。

解：根据动态物料平衡关系，流入量＝流出量：

过程的微分方程的增量形式：

中间变量：

22RhQ33RhQh)RR(dthdRCRQRR2332132hdthdRRRCRQRRRR3232132323232RRRRRhdthdCRQR1)S(H)S(CRSH)S(RQ11RCSR)s(Q)s(H)s(W10dthdCQQ2122RhQhdthdCRQR212 4

传递函数：

如果考虑管道长度l， 即出现纯时延，由于管道流量恒定，所以lQ

其传递函数为：

其中：lQ

2－3．设矩形脉冲响应幅值为2 t/h ，脉冲宽度为△t＝10min，某温度过程的矩形脉冲响应记录数据如下：

t(min) 1 3 4 5 8 10 15 16．5

Y(℃) 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 36．0 37．5

t(min) 20 25 30 40 50 60 70 80

Y(℃) 33．5 27．2 21．0 10．4 5．1 2．8 1．1 0．5

（1） 将该脉冲矩形响应曲线转换成阶跃响应曲线；

（2） 用一阶惯性环节求该温度对象的传递函数。

解：将脉冲响应转换成阶跃响应曲线，数据如下：

t(min) 1 3 4 5 8 10 15 16．5

Y(℃) 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 36．0 37．5

Y1（t） 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 － －

t(min) 20 25 30 40 50 60 70 80

Y(℃) 33．5 27．2 21．0 10．4 5．1 2．8 1．1 0．5

Y1（t） 59.9 － 80.9 91.3 96.4 99.2 100.3 100.8

绘出阶跃响应曲线如下： )S(H)S(SHCR)S(QR2121SCRR)s(Q)s(H)s(W2210S2210e1SCRR)s(Q)s(H)s(W 5

5.502101x)0(y)(yK00

由图y(t1)＝0.4y(∞) ，y(t2)＝0.8y(∞)处可得：t1=14min t2=30.5

t1/t2≈0.46 故二阶系统数字模型为 200)1TS(K)s(W

根据经验公式有： 3.1016.22tt)s(T210

所有： 2200)1S3.10(5.50)1TS(K)s(W

2－5 某过程在阶跃扰动量Δu＝20％，其液位过程阶跃响应数据见下表：

t/s 0 10 20 40 60 80 100 140 180 260 300 400

500

h/cm 0 0 0．2 0．8 2．0 3．6 5．4 8．8 11．8 14．4 16．6 18．4 19．2

（1） 画出液位h的阶跃响应曲线

（2） 求液位过程的数学模型

解：方法一：图解法

6 由图可以看出：过程应该用一阶加延时系统。

1002.020x)0(y)(yK00

从图中得到：τ＝40s， T＝260－40＝220s

S40S00e1S220100e1TSK)s(W

方法二：计算法：

在图中取y(t1)＝0.33 y(∞) y(t2)＝0.39y(∞) y(t3)＝0.632 y(∞) y(t4)＝0.7 y(∞)

得t1＝125s t2 ＝140s t3 ＝ 225s t4 ＝260s

s150)tt(2T231 s55tt2321

s1688.0ttT142 s572tt3412

可见数据很接近，于是：

s1592TTT210 s562210

过程数学模型：

S56S00e1S159100e1TSK)s(W

2－6 某过程在阶跃扰动ΔI＝1.5mADC作用下，其输出响应数据见下表：

t(min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … ∞

Y(℃) 4．0 4．0 4．2 4．8 5．1 5．4 5．7 5．8 5．85

5．9 6．0 … 6．0

t(min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … ∞ 7 解：求出y(∞)－y(t)值如下表：

根据表格在半对数纸上描绘出曲线1，曲线1作直线部分的延长线2，2线减去1线得到直线3。

过程放大倍数 K0

3.15.146x)0(y)(yK00

根据直线2和直线3，与纵坐标、横坐标构成的两个三角形，可以求出时间参数T1、T2 ：

由A1＝7，B1＝0.1 ， t1＝10s

35.2)1.0lg7(lg303.2s10)BlgA(lg303.2tT1111

由 A2＝5，B2＝0.1 t2＝6s

该过程的数学模型为：

第三章 思考题与习题

Y(℃) 2．0 2．0 1．8 1．5 1．2 0．5 0．3 0．2 0．15 0．1 0 …

0

)1s53.1)(1s35.2(3.1)1sT)(1sT(K)s(W210053.1)1.0lg5(lg303.2s6)BlgA(lg303.2tT2222 8 3－2 有一压力控制系统选用DDZ－Ⅲ压力变送器，其量程为0～200kPa。生产工艺要求被控压力为150±2kPa，现将该变送器量程调整到100～200 kPa，求零点迁移前后该压力变送器的灵敏度。

解： 零点迁移前灵敏度：

零点迁移后灵敏度：

3－4 某DDZ－Ⅲ直流毫伏变送器，其零点移到Vio＝5mV，零迁后的量程为DC10mV，求该变送器输出I0＝10mADC时的输入是多少毫伏？

解：分析：零点迁移后5～10mV对应输出为

4～20mA，如右图所示。

根据图的几何关系有：

ab : ac＝eb : dc

88.11665dcebacab

∴ I0＝10mA时，输入电压为：

Vin＝5＋1.88＝6.88（mVDC）

3－7.说明DDZ－Ⅲ热电偶温度变送器的冷端温度补偿原理。

以A 和B 两种导体组成的热电偶产生的热电势与材料种类和接触点的温度有关。热电偶产生的热电势与被测温度T 具有单值函数关系。但是，其前提条件必须保持冷端温度T0

不变。

热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且还与冷端温度有关。实际使用中冷端暴露在仪表之外，受环境影响较大，因此必须进行冷端补偿（温度校正）

热电偶冷端温度的补偿方法

（1）补偿导线法（延伸导线法）：用与热电偶热电性质相同的臂长补偿导线（或称延伸导线）将热电偶的冷端延伸到温度保持恒定的地方。

（2）冷端恒温法：将热电偶的冷端置于恒定温度的容器内或场合内。

（3）冷端温度修正法（计算校正法）： kPa/mA08.00200420K1kPa/mA16.0100200420K1)t(e)t(e)t,t(E0ABAB0

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自动化仪表与过程控制课后习题答案 (1)

自动化仪表与过程控制课后习题答案 (1)

●自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表?

1 答:a:是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表.

●DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处?

答:在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用0~10mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-III型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的4~20mA直流电流作为标准信号.这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活.

●什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分.

答:a.就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b. 1有利于识别仪表的断电断线等故障2不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.3上限值较大,有利于抑制干扰4上下限的比值为5:1与气动仪表信号制对应,便于相互折算,产生较大的磁力c.图.

●什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100~+100℃.精确度为0.5级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少?

答:模拟式仪表的合理精确度,应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量,这种比值称为相对百分误差,仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(100+100)=0.5%x=1℃.

过程控制课后习题-答案

过程控制课后习题-答案

. ..... 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 2 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。

过程检测仪表与控制习题及参考答案

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过程装备控制技术 习题及参考答案

第一章 控制系统的基本概念

1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？

答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有：

被控变量y――被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；

给定值（或设定值）ys――对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值ym――由检测原件得到的被控变量的实际值；

操纵变量（或控制变量）m――受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；

干扰f――引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素； 偏差信号（e）――被控变量的实际值与给定值之差，即e=ym - ys 控制信号u――控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？

答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

过程控制系统习题和答案

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四、测温元件的安装

接触式测温仪表所测得的温度都是由测温（感温）元件来决定的。在正确选择测温元件和二次仪表之后，如不注意测温元件的正确安装，测量精度仍得不到保证。工业上一般是按下列要求进行安装的。

⒈ 测温元件的安装要求

⑴ 在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。因此要求安装时测温元件应迎着被测介质流向插入，至少须与被测介质正交（成90?），切勿与被测介质形成顺流。如图14.3-15所示。

⑵ 测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。一般来说，热电偶、铂电阻、铜电阻保护套管末端应分别越过流束中心线5~10mm、50~70mm、25~30mm。

⑶ 测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。为此，测温元件应斜插安装或在弯头处安装。如图14.3-16所示.

⑷ 若工艺管道过小(直径小于80mm), 安装测温元件处应接装扩大管,如图14.3-17所示.

⑸ 热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其它液体、脏物进入接线盒中影响测量。如图14.3-18所示。

⑹ 为了防止热量散失，测量元件应插在有保温层的管道或设备处。

⑺ 测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防止外界冷空气进入，使读数降低。

⒉ 布线要求

⑴ 按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。

⑵ 热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。

⑶ 为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，应把连接导线或补偿导线穿入钢管或走槽板内。

⑷ 导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流电线合用一根穿线管，以免引起感应。

⑸ 导线应尽量避开交流动力电线。

⑹ 补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，最好与其它导线分开敷设。

五 显示仪表

凡是能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表（或称为二次仪表）。