化工仪表及自动化_第五版_课后习题答案完整版（可编辑）

化工仪表及自动化_第五版_课后习答案完整版（可编辑） 化工仪表及自动化_第五版_课后习题答案完整版 习题答案 《化工仪表及自动化》第五版厉玉鸣 主编 化学工业出版社 Ex1. 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。 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。 习题(第一章) Ex2.化工生产过程自动化,一般包括自动检测、自动保护、自 动操纵和自动控制等方面的内容。 习题(第一章) Ex3.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。 Ex7.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。 Ex8.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。 习题(第一章) 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。 Ex15. 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 Ex16. 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。 习题(第一章) Ex17. 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。 Ex19. 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„ 习题(第二章) Ex1.对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。 各种对象千 差万别,有的操作很稳定,操作很容易;有的 稍不小心可能就会超越正常工艺条件,甚至造成事故。有 经验的操作人员需要很熟悉这些对象,才能使生产操作得 心应手;设计自动化装置时,也必须深入了解对象的特 性,了解它的内在规律,才能根据工艺对控制质量的要 求,设计合理的控制系统,选择合适的被控变量和操纵变 量,选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运行 时,也要根据对象特性选择合适的控制器参数,使系统正 常地运行。 Ex2.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。 习题(第二章) Ex4.机理建模法、实验建模法。 Ex5.对象或生产过程的内部机理。 Ex7.阶跃反应曲线法:特点是简易但精度较差。如果输入量是 流量,只要将阀门的开度作突然的改变,便可认为施加了 一个阶跃干扰,同时还可以利用原设备上的仪表把输出量 的变化下来,既不需要增加仪器设备,测试工作量也 不大。但由于对象在阶跃信号作用下,从不稳定到稳定所 需时间一般较长,这期间干扰因素较多,因而测试精度受 到限制。为提高测试精度就必须加大输入量的幅度,这往 往又是工艺上不允许的。 矩形脉冲法:特点是提高了精度,对工艺影响较小。采用 ~时,由于加在对象上的干扰经过一段时间后即被除去, 因此干扰的幅值可以取得较大,提高了实验精度。同时, 对象的输出量又不会长时间偏离给定值,故对工艺生产影 响较小。 习题(第二章) Ex8.放大系数K、时间常数T、滞后时间τ; 放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化 量与输入的变化量之比; 时间常数T指当对象受到阶跃输入作用后,被控变量如果 保持在初始速度变化,达到新的稳态值所需的时间; 滞后时间τ是纯滞后时间和容量滞后时间的总称,它反映 对象受到输入作用后,输出不能立即、迅速变化的现象。。 习题(第二章) Ex10.纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间 而引起的,而测量点选择不当,测量元件安装不合适等原 因也会造成纯滞后。容量滞后一般是由于物料或能量的传 递需要通过一定阻力而引起的。控制通道若存在纯滞后, 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;干扰通道若存在纯滞后,相当 于将干扰推迟一段时间才进入系统,并不影响控制系统的 控制品质。 容量滞后增加,会使对象的时间常数T增加。在控制 通 道,T增大,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减小,会使控制作用对被控变量的影响 来得快,系统控制质量提高。但T不能太大或太小,且各 环节时间常数要适当匹配,否则都会影响控制质量。在干 扰通道,如果容量滞后增加,干扰作用对被控变量的影响 比较平稳,一般有利于控制。 习题(第二章) Ex13. 3 1 1 0 0 1 1 0 5 2 0 2 0 2 0 2 1 1 Q/Q m h dh Q dt h Q dt dt t h h t Δ Δ +Δ Δ ? ? 2 0 设截面积0.5M , 是原来平衡时液位, 是输入量 改变后对应的液位, 。 A h h 习题(第二章) Ex14. / 2/ 8 2 / 150 120 / 3.0 2.5 60 2min 60 0.51 60 0.51 145 120 25 25 6 b t 8min 0 0.51 t T t T x Q y T K y x y t e y t e y T e τ τ τ? Δ Δ ? × × Δ ? × 令输入量;输出量?; 放大系数; 又由图知纯滞后时间。 无滞后时一阶对象输出表达式为: ; 有滞后时一阶对象输出表达式为: 。 当时, ?,代入上式,有: / 2/3.35 3.35 2 2 60 T 3.35 mi 0 n 3 1 T t dy t y t x t dt y t e τ τ τ? + + + ? ? ,解出。 微分方程式为 ; 函数表达式为 。 习题(第三章) Ex1.测量过程在实质上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,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。 Ex2? 由仪表读得的被测值与被测量真值之间会存在一定的差 距, 这一差距称为~。 表示方法有:绝对误差和相对误差。 绝对误差: Δ x-x0 相对误差: 0 0 0 y x x x x Δ 习题(第三章) Ex3? 仪表的相对百分误差: 仪表允许的百分误差 100% 100% A δΔ × × Δ 测量范围上限值测量范围下限值 100% 100% A δΔ ? × ? 允× 允 仪表允许的最大绝对误差值 测量范围上限值测量范围下限值 Ex4.仪表的精确度等级是将仪表允许的相对百分误差的“?”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。精确度等级目前是按国家统一规定的允许误差大小来划 分成若干等级的。 习题(第三章) Ex5.某一标尺为0~1000oC的温度计出厂前经校验,其刻度标 尺上的各点测量结果分别为: (1)求出该温度计的最大绝对误差值; (2) 确定该温度计的精度等级; (3) 如果工艺上允许的最大绝对误差为? 8?,问该温度计 是否符合要求? 被校表读数/? 0 201 402 604 706 805 903 1001 表读数/? 0 200 400 600 700 800 900 1000 解:(3)工艺要求: Δ ?8?C 100% 0.8% 1000 0 100% 8 × ?? ? × ? Δ C 满量程允δ 应选择精度等级0.5;所以此温度计不符合要求。 习题(第三章) Ex7.压力指垂直均匀地作用于单位面积上的力。 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 Ex8.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。 Ex9.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。 习题(第三章) Ex10.主要的弹性元件有: 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; 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; 波纹管:这种弹性元件易变形,常用于微压与低压的测量。 Ex11.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。 主要组成:弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头。 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。 习题(第三章) Ex12? 控制线路图: p下限 p上限2 2 0 V ~ 绿灯 红灯 警笛 Ex13? 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。 习题(第三章) Ex14.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。 Ex15.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。 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。 Ex20. 1 100% 1% 1% 1 0 1% 0.01 0.01 2 0.5 0.508 0.008 A A MPa MPa x x MPa δ Δ ? × ? ?Δ × × Δ Δ 允 允 允 测标 ) ( ) ( ) 允许的最大绝对误差为。 ) ( ) ?-0.01 0.01 ?在这一点符合1级精度。 习题(第三章) Ex23.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: 空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力;且只需要 就地观察,不需要远传变送,所以选择普通单圈弹簧管压 力计(类型); 测量范围选择: 查表,压力计的测量范围可选0~2.5MPa,此时 2 3 3 3 2 2 p ? p , p ? p ×1.6 2.4 MPa 测上限上限测即: ( min 1 3 p 1.1MPa ? × 2.5 0.83MPa 测 ?所选测量范围合适。 习题(第三章) 续: 精度等级确定:?允1.1×5%0.055MPa, 0.055 2.5 100% 100% 2.2% A δ Δ ? × ? × ? 允 允 ?1.5<2.2<2.5,?应选1. 5级精度等级。 类型确定:要求就地指示,选弹簧管压力表就可满足要求。 综上,可选测量范围为0~2.5MPa,1.5级精度的Y-150普通 弹簧管压力表。 Ex29.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~。 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 的变化,所以在流体流经节流装置时必然会产生静压差。 习题(第三章) Ex30.流体流经节流装置时所产生的压差与流量之间有一定的 对应关系,通过测量压差的大小,即可得知流量的大小。 由于流 量基本方程式是在一定的条件下推导出的,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。 Ex33.因为转子流量计在流量变化时,转子两端的压降是恒定 的;而差压式流量计在流量变化时,节流装置两端的压差 也是随之改变的。 Ex37. 0 1 0 1 0 1 0 1 1.293 0.65 293 50 1. Q Q 977 0.10133 313 99.1 p T p T ρ ρ × × × ? × × × (L/s) 习题(第三章) Ex39.椭圆齿轮流量计属于容积式流量计,它有两个相互啮合 的椭圆齿轮,当流体流过时,带动齿轮旋转。齿轮每转1 周排出定量流体,只要测了椭圆齿轮的转速,便可知被测 流体的流量。 Ex41.电磁流量计的原理:是基于电磁感应定律工作的。它是 将流体的流速转换为感应电势的大小来进行测量的。 Ex42.漩涡流量计的原理:是利用流体自然振荡的原理制成的 一种漩涡分离型流量计。当流体以足够大的流速流过垂直 于流体流向的漩涡发生体时,若该物体几何尺寸适当,则 在阻挡体后面,沿两条平行直线上会产生整齐排列、转向 相反的漩涡列。漩涡产生的频率和流体的流速成正比。通 过测出漩涡产生的频率可知流体的流量。 习题(第三章) Ex46. (1)直读式物位仪表:利用连通器的原理工作。 (2)差压式物位仪表:利用液柱或物料堆积对某定点产生压 力的原理而工作。 (3)浮力式物位仪表:利用浮子的高度随液位变化而改变, 或液体对浸沉于液体中的浮子(或沉筒)的浮力随液位高度 而变化的原理来工作的。 (4)电磁式物位仪表:把物位的变化转换为一些电量的变 化,通过测出电量的变化测出物位。 (5)核辐射式物位仪表:利用核辐射透过物体时,其强度随 物质层的厚度而变化的原理来工作。目前γ射线应用最多。 (6)声波式物位仪表:由于物位的变化引起声阻抗的变化、 声波的遮断和声波反射距离的不同,测出这些变化即可测出 物位。 (7)光学式物位仪表:利用物位对光波的遮断和反射原理工 作。 习题(第三章) Ex47.差压式液位计是利用容器内的液位改变时,由液柱产生 的静压也相应变化的原理而工作的。 当测量有压容器的液位时, 即容器是受压的,则需将差压变 送器的负压室与容器的气相相连接,以平衡气相压力p变化 时对液位测量的影响。 Ex48.生产中欲连续测量液体的密度,根据已学的测量压力及 液位的原理,试考虑一种利用差压原理来连续测量液体密度 的。 解: p0 H p2 ρ p1 溢出孔 1 2 1 2 p H g p p p p p p H g H g p p ρ ρ ρ ρ +? ? Δ ΔΔ 大气 大气 ?当、不变时, 与成 的量 正。 测的测量 比 习题(第三章) Ex48.思考: 3 3 min 3 3 3 2 min 3 2 2 1.0 10 / , 1.5 10 / 2 9.8 1.0 10 19600 2 9.8 1.5 10 29400 19600 ~ 29400 H m kg m kg m m Pa m Pa Pa Pa ρ ρ ρ ρ × × Δ × × × Δ × × × min 若, 被测液体密度 。求差压变送器的差压变化 范围。(g取9.8N/kg) p Hg N/ p Hg N/ 范围: 。 解: Ex49. 习题(第三章) Ex49. 1 0 2 1 2 1 0 2 2 1 0 1 0 0 1 2 0 2 1 0 1 p h g h h g p p h h h g p p p p h p h g Kh ρ ρ ρ ρ ρ + + + + + + Δ Δ 利用差压式液位计可以测液体的分界面。 ? 与分界面高度成正比。 ) 2)注意: 测量界面时,两种液体应互不相溶,且有明显的密度差; 差压变送器的正取压口应在最低分界面之下,负取压口应在 最高分界面之上,但不能高于容器内的液位高度(即不能气 相取压。) 习题(第三章) Ex50.使用差压变送器测量液位时,一般差压Δp与液位高度H 之间的关系为: ΔpHρg。这就是“无迁移”的情况。当 H0时,作用在正、负压室的压力是相等的。实际应用 中,由于安装有隔离罐、凝液罐、或由于差压变送器安装 位置的影响等,使得在液位测量中,当H0时,正、负压 室的压力并不相等,即Δp?0,这就是液位测量时的零点 迁移问题。 可调节差压变送器上的迁移弹簧,以使当H0时,尽管 差 压变送器的输入信号Δp?0,但变送器的输出为标准最小 值(对DDZ?,即I04mA)。 零点迁移实质上是变送器零点的大范 围调整,它改变了测 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。 习题(第三章) Ex51.在液位测量中,当被测液位H0时,如果差压变送器的 输入信号Δp>0,则为“正迁移”;反之如果被测液位H0 时,差压变送器的输入信号Δp<0,则为“负迁移”。 Ex54.在电容器和极板之间,充以不同介质时,电容量的大小 也有所不同。因此可通过测量电容量的变化来检测液位、料 位和两种不同液体的分界面。 Ex58.热电偶的热电特性除与两接点处的温度有关外,还与热 电极的材料有关。 Ex59.常用热电偶及其补偿导线如下:(参教材P79) 习题(第三章) Ex59.补偿导线的作用:工程上常用一种专用导线,把暴露在空 间的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方,解决 冷端温度难以保持恒定的问题。 使用补偿导线时注意:1)要注意 型号匹配。2)极性不能接 错,热电偶正、负极分别与补偿导线正、负极相接。3)热电 偶与补偿导线连接端所处的温度在0~100?内。 Ex60.作用:采用补偿导线可把热电偶的冷端从温度较高和不 稳定的地方,延伸到温度较低和比较稳定的操作室内,但冷 端温度还不是0? ,而工业上常用热电偶的Et-t关系曲线是 在冷端温度t00?情况下得到的,与它配套使用的仪表也是 根据这一关系曲线进行刻度的。而操作室的温度往往不是 0? ,这样测量结果就会有误差,因此需要进行冷端温度的 补偿。(解决冷端温度不为零的问题) 方法:冷端温度保持为0? 的方法;冷端温度修正法;校正 仪表零点法;补偿电桥法;补偿热电偶法。 习题(第三章) Ex62.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,在相同的条件下,E热电偶测得的热电势是多少? K K K K K E E E E E E ,25 20 25,0 1 ,0 ,25 25,0 20 1 21 509 25,0 1.5 509 ,0 509,0 37.7 ,25 ,0 25,0 37.7 1.5 36.2 E t mV K E mV E t E t E mV t E mV E t E mV E t E t E mV + + 已测出,查表可知, 故, 再查K表,得?。 改用E热电偶后,查E表得, 设备温度为?,查表得, ? 。 解: 习题(第三章) 解:不对。因为此时冷端温度为30 ?,而仪表指示值 400 ? 是在仪表的机械零位在0 ?时的值,而Et-t关系又是非线性 的,所以此时仪表指示值不是换热器的实际温度。 400,0 28.943 ,30 ,30 400,0 28.943 ,0 ,30 30,0 28.943 1.801 30.744 422 E E mV E t E t E mV E t E t E mV t + + ? 查表可得,此热电势即为。 即: 。 , 查表可得: ?。 Ex63.现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度,其冷端 温度为30 ?,显示仪表的机械零位0 ?时,这时指示值为 400 ?,则认为换热器内的温度为430 ?对不对?为什 么?正确值为多少? 习题(第三章) Ex65.热电阻温度计的原理:是利用金属导体的电阻值随温度 变化而变化的特性测温的。只要测出感温热电阻的阻值变 化,便可得知被测温度大小。常用热电阻的种类:Pt10、 Pt100、Cu50、Cu100。R0分别为:10Ω、100 Ω 、50 Ω 、 100 Ω 。 Ex76.信号变换电路:将生产过程中的工艺变量经过检测变送 后的信号,转换成相应的电压或电流值。前置放大电路:将 输入的微小信号放大至伏级电压信号。非线性校正电路:一 般是为了校正检测元件的非线性特性。开方运算电路:通常 是为了将差压信号转换成相应的流量值。A/D转换电路:将 模拟量转换成断续变化的数字量。标度变换电路:实质上就 是进行比例尺的变更,使数显仪表的显示值和被测原始参数 统一起来。数字显示部分:被测数据以数字形式显示出来。 V/I转换电路:将电压信号转换成直流电流标准信号。控制 电路:可根据PID控制规律或其他控制规律进行运算,输出 控制信号。 习题(第四章) Ex1.~指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系,即pfe。 基本控制规律有位式控制、比例控制、积分控制和微分控制。 Ex2.双位控制的输出只有两个特定的数值,对应的执行机构只 有两个特定的位置(关或开)。优点:结构简单、价格便宜、 易于实现,应用较普遍;缺点:控制作用不是连续变化的, 双位控制系统中被控变量的变化将是一个等幅振荡过程,不 能稳定在某一个数值上。 Ex3.比例控制是按偏差大小进行控制的,控制器的输出信号p 与其输入信号e成正比。当比例控制系统的控制过程结束之 后,其被控变量新的稳定值与给定值之间仍存在一定的偏 差,即比例控制的余差。余差的产生是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。当系统受到一定的扰动后,为 了克服扰动,必定要有一定的控制作用,才能使系统达到新 的平衡,所以必定存在与该控制作用相对应的偏差,即余差。 习题(第四章) Ex4.比例度是控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对 值之比的百分数。 min min min min ? ? 0 ? 10 % ? e p x x p p e p x x p p δ ×输入变化量; 相应的输出变化量; 输入的最大变化量,即仪表的量程; 输出的最大变化量,即控制器输出的工作范。 ( 围 Ex5. 0 min min 0 0 80% 100 100% 1000 0 20 4 1 2 I 00% e I x x I I I δ Δ × Δ Δ Δ ×? 代入得: ( (mA ( ) 习题(第四章) Ex6. 比例度对控制过程的影响:比例度越大,比例控制越 弱,过渡过程曲线越平稳,但余差也越大;比例度越小,比 例控制越强,过渡过程曲线越振荡,系统的稳定性和动态性 能变差,但余差也越小,提高了系统的静态准确度;比例度 过小,可能会出现发散振荡。 选择比例度要注意:若对象的滞后 较小,时间常数较大以及 放大系数较小,可选择小比例度来提高系统的灵敏度,使过 渡过程曲线形状较好;反之,为保证系统的稳定性,应选择 大的比例度。 Ex7. 积分控制能消除余差的原因:因为积分控制作用的输出 与输入偏差的积分成正比,只要有偏差存在,积分控制作 用将随时间不断变化,直至偏差完全消除,系统才能稳定 下来,所以„„ 习题(第四章) Ex8. TI就用来表示积分控制强弱的一个参数。TI越小,积分 控制作用越强;TI越大,积分控制作用越弱。 TI越小,余差消除 越快,可提高系统的静态准确度,但会 使系统稳定性下降,动态性能变差; TI越大,余差消除越 慢; TI??时,成为纯比例控制。 Ex10. 因为微分控制作用的输出与输入偏差的变化速度成正 比,一旦偏差不变化,即使偏差非常大,微分控制也无能 为力了,所以微分控制规律不能单独使用。 Ex12? P控制:抗干扰能力强、反应快、控制及时,但有余差; I 控制:控制缓慢,但能消除余差,不单独使用; D控制:超前控制,不能 消除余差,不单独使用。 习题(第四章) Ex13. ?采用国际电工委员会IEC推荐的统一标准信号; ?广泛采用集成电路,可靠性提高,维修工作量减少; ?由电源箱集中统一供给24VDC电源,并有蓄电池作为备用 电源; ?结构合理、功能多样; ?整套仪表可构成安全火花型防爆系统。 Ex14.主要有输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手 动切换电路、输出电路及指示电路等组成。 控制器接收变送器 来的测量信号(4~20mADC或 1~5VDC),在输入电路中与给定信号进行比较,得出偏差 信号;然后在PD或PI电路中进行PID运算,最后由输出电路 转换为4~20mADC输出。自动与手动切换电路可进行控制 器自动与手动操作的选择;指示电路可对控制器的给定值、 测量值以及输出值进行指示。 习题(第四章) Ex17? 实现了模拟仪表与计算机一体化; 具有丰富的运算控制 功能; 使用灵活方便,通用性强; 具有通讯功能,便于系统扩展; 可 靠性高,维护方便。 Ex18? 数字式控制器的基本构成:由硬件电路和软件两大部分组 成,其控制功能主要是由软件所决定。 (1)硬件电路:由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、 人机接口电路以及通信接口电路等部分组成。 (2)软件:包括系统软件和用户软件。 习题(第五章) Ex2. 有三个出入口与工艺管配比控制或旁路控制 道联结,可组成分流与 合流两种型式 三通控制阀 现场管道要求直角连接、高压差、 介质粘度大、含有少量悬浮物和 颗粒状固体 角形控制阀流路简单,阻力较小 不平衡力小、泄露量较最为常用 大 直通双座控 制阀 结构简单、泄露小、易小口径、低压差 于保证 关闭、不平衡力大。 直通单座控 制阀 类 型特 点主 要 使 用 场 合 习题(第五章) 压差大、要求噪音小的场合。对 高温、高粘度及含固体颗粒的介 质不适用 可调范围大、振动小、 不平衡力小、结构简单、 套筒互换性好、气蚀小、 噪音小 拢式阀 密封性好、重量轻、体介质粘度高、含悬浮物颗粒 积小、安装方便 凸轮挠曲阀 球阀阀心与阀体都呈球型体高粘度和污秽介质 大口径、大流量、低压差、含少 量纤维或悬浮颗粒状介质 结构简单、重量轻、价 格便宜、流阻极小、泄 漏量大 蝶阀 强酸、强碱、强腐蚀性、高粘度、 含悬浮颗粒状的介质 结构简单、流阻小、流 通能力大、耐腐蚀性强 隔膜控制阀 类 型特 点主 要 使 用 场 合 Ex2.续 习题(第五章) Ex3.因为双座阀的阀体内有两个阀芯和阀座,当流体流过的时 候,作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相 等,可以互相抵消,所以说双座阀产生的不平衡力比单座阀 的小。 Ex4.控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀 门的相对开度(或相对位移)之间的关系,即: Q f l Q L 控制阀的理想流量特性是在不考虑控制阀前后压差变化时得到 的流量特性。它取决于阀芯的形状,是一个控制阀固有的特 性。 Q l f Q L Δp C(常数)时, 常用的控制阀的理想流量特性有:直线、等百分比(对数)、 抛物线及快开特性。 习题(第五章) Ex5.等百分比流量特性与直线特性相比所具有的优点:等百分 比流量特性的控制阀,其放大系数随相对流量的增加而增 加,在同样的行程变化值下,流量小时,流量变化小,控制 平稳缓和;流量大时,流量变化大,控制灵敏有效。 Ex6.实际应用中,控制阀前后的压差会随着阀的开度的变化而 变化(Q?, ?p?),这时的流量特性称为工作流量特性。 Q l f Q L Δp ? C(常数)时, Ex7? 可调范围: min Q Q R 串联管道中,阀全开时,实际Q?,所以实际R?; 并联管道 中,阀全关时,实际Qmin?,所以实际R?。 习题(第五章) Ex8.阻力比s表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比。 当s1时,说明系统总压差全部降在控制阀上,所以控制阀 在工作过程中,随着阀开度的变化,阀两端的压差是不变 的,故工作流量特性与理想流量特性是一致的。 当s1时,系统的 总压差一部分降在控制阀上,另一部分降 在与控制阀串联的管道上。随着阀的开度增大,流量增加, 降在串联管道上的压差增加,从而使降在控制阀上的压差减 少,因而流过控制阀的流量也减少。所以随着s值减小,会 使理想流量特性发生畸变。阀的开度越大,使实际流量值离 开理想值越大。 习题(第五章) Ex9.分流比x表示并联管道时,控制阀全开时流过控制阀的流 量与总管的总流量之比。 当x1时,说明流过控制阀的流量等于总管的流量,即旁路 流量为零,控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。 当x1时,即旁路阀逐渐打开,流过旁路阀的流量会增加。 这时,控制阀即使关死,也有部分流体从旁路通过,所以控 制阀所能控制的最小流量比原先的大大增加,使控制阀实际 可调范围减小,阀的流量特性发生畸变。 Ex10.当旁路流量较大时,会使x值降低,严重时,会使控制 阀几乎失去控制作用。因为当x值很小时,大部分流量都从 旁路通过,控制阀对这部分流量是不起控制作用的。 习题(第五章) Ex11? 气开式:输入气压越高时开度越大,气源断开时则全关; 气关式:输入气压越高时开度越小,气源断开时则全开。 原则:无信号压力时,阀的状态不会损坏设备和人身的安全。 Ex13.控制阀的流量系数KV的定义:当阀两端压差为 100kPa,流体密度为1g/cm3,阀全开时,流经控制阀的 流体流量(以m3/h表示) 计算KV ,查产品目录选择控制阀的口径。 Ex14.电气转换器的用途:将电信号转换为相应的气信号。 原理:电-气转换器是按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入电流信号的一一对应关 系。 习题(第五章) Ex15.电气阀门定位器的基本原理:力矩平衡原理。工作过程: 当由输入电流所产生的电磁力与由阀门位置所产生的反馈 力在杠杆系统中建立力矩平衡时,就使一定的输入电流对 应于一定的阀门位置。 Ex16.电-气阀门定位器用途:~不仅能将电信号转换为气信 号,还能使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系,即实 现控制器来的输入信号与阀门位置之间关系的准确定位。阀 门定位器可使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大 等场合,还可利用阀门定位器改变阀的流量特性,改变执行 器的正、反作用。在分程控制中,利用阀门定位器可使阀在 不同的信号段范围内作全行程移动。 习题(第五章) Ex18.类型:角行程式、直行程式、多转式。 角行程电动执行机 构:以电动机为动力元件,将输入的直 流电流信号转换为相应的角位移(0?~90?),适用于操纵 蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀; 直行程电动执行机构:接收输 入的直流电流信号后,使电 动机转动,然后经减速并转换为直线位移输出,适于操纵 单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式控制机构; 多转式 电动执行机构:主要用来开启和关闭闸阀、截止阀 等多转式阀门,一般用作就地操作和遥控。 习题(第六章) Ex1.简单控制系统由一个测量变送装置、一个控制器、一个执 行器和一个被控对象组成。 测量变送装置:检测被控变量的数值 并将其转换为一种特定 的输出信号;控制器:接受测量变量装置送来的信号,与给 定值相比较得出偏差,并按某种运算规律计算出结果送往执 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,以达到改变被控变量的目的;被控对象: 指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。 Ex3.家用电冰箱是温度的断续控制过程,将冰箱内的温度控制 在某一范围内。(压缩机启动,T?;压缩机停机,T?) 温度上、下控制电路 设定值压缩机冰箱 测量变送装置 冰箱内温度 _ 干扰 习题(第六章) Ex4.如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标,则称之为 直接指标控制;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,称为间接指标控制。 在控 制系统设计时,尽量采用直接指标控制,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 大时,才考虑采用间接指标控制。 习题(第六章) Ex5.被控变量的选择原则: (l)被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作 状态,一般都是工艺过程中比较重要的变量。 (2)被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而 变化。为了维持被控变量的恒定,需要较频繁的调节。 (3)尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标 信号,或其测量和变送信号滞后很大时,可选择与直接指标 有单值对应关系的间接指标作为被控变量。 (4)被控变量应能被测量出来,并具有足够大的灵敏度。 (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。 习题(第六章) Ex6.工艺上允许加以控制的变量称为可控变量,否则称为不可 控变量。 当存在多个可控变量时,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。 Ex7. (l)操纵变量必须是工艺上允许加以控制的可控变量。 (2)操纵变量应是系统中影响被控变量的所有输入变量中比 较灵敏的变量,即要使K0大一些、T0小一些、τ0尽量小。 (3)还应考虑工艺的合理性与生产的经济性。不宜选择代表 生产负荷的变量作为操纵变量,以免引起产量波动。经济 上应尽可能降低物料与能量的消耗。 习题(第六章) Ex8.微分作用的控制器,其输出的控制信号p与输入的偏差e 的变化速度成正比,即pTDde/dt,式中TD为微分时间。 当对象 具有容量滞后时,系统在外界扰动作用下,被控变 量马上有变化,在给定值不变的情况下,控制器的输入偏 差e就有一定的变化速度,因此控制器的输出就能马上变 化,及时克服扰动对被控变量的影响。所以对于具有容量 滞后的对象,增加微分作用能够克服滞后,提高控制质量。 对于 由于测量点位置造成纯滞后的对象,在扰动作用下, 尽管被控变量可能立即会变化,但由于测量点位置造成纯 滞后,送往控制器的被控变量测量值不可能立即变化,必 须等待一个纯滞后时间τ后,控制器的输入偏差信号e才可 能变化。在纯滞后这段时间内,微分作用的控制器是不可 能有输出的,亦即不起作用,所以微分时间对于克服纯滞 后对控制质量的影响是无能为力的。 习题(第六章) Ex9? P控制器:特点是克服干扰能力强、控制及时;但在系统负 荷变化后,控制结果有余差。适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、允许有余差的系统。 PI控制器:特点是积分作用消余差,但会使稳定性降低;可 通过加大比例度改善稳定性,但超调量和振荡周期都相应增 大,过渡过程的时间也加长。适用于控制通道滞后较小、负 荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。 PID控制器:特点是微分作用使控制器的输出与输入偏差的 变化速度成比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。 在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性,再加上积分作 用可以消除余差。所以,适当调整 δ、TI、TD三个参数,可 以使控制系统获得较高的控制质量。适用于对象容量滞后较 大、负荷变化大但不太频繁、控制质量要求较高的系统。 习题(第六章) Ex10.目的是使系统中的控制器与测量变送装置、执行器、对 象几个环节组合起来,构成一个闭环负反馈系统。 Ex15.就是按照已确定的控制方案,求取使控制质量最好的控 制器参数值。(即求取最佳的δ、TI和TD )。 主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。 Ex16.查表6-1。 PI控制器: δ 2.2δK 66 %, TI 0.85TK 2.55min PID控制器:δ 1.7δK 51 %, TI 0.5TK 1.5min , TD0.125TK 0.375min Ex18.控制系统在阶跃输入作用时,能使系统产生等幅振荡过 渡过程的比例度的数值δK称为临界比例度。 因为当δ< δK时, 系统会不稳定,这是生产上所不允许的。 所以工程上控制器所采用的比例度要大于临界比例度δK 。 习题(第六章) Ex20.主要由振荡过程的振荡周期或振荡频率来判断的。 ?比例度过小时,比例控制作用很强,特别是当比例度接近临 界比例度时,系统有可能产生强烈的振荡,被控变量或高或 低。由于比例控制作用比较及时,控制作用的变化与被控变 量的变化几乎是同步的,所以引起的振荡过渡过程周期较 短,频率较高。 ?积分时间过小时,积分控制作用很强,会使系统稳定性降 低,有可能出现振荡过渡过程。但积分控制作用比较缓慢, 不够及时,控制作用的变化总滞后于被控变量的变化,所以 引起的振荡过渡过程周期较长、频率较低。 习题(第六章) Ex20. ?微分时间过大时,微分控制作用过强,会使系统稳定性降 低,有可能出现振荡过渡过程。由于微分控制作用是超前 的,其强弱取决于被控变量的变化速度。一旦被控变量变 化,就会有微分作用产生,特别是当对象的时间常数较小, 或系统中有噪声存在时,微分控制作用对被控变量的变化非 常敏感,过强的控制作用会使振荡加剧,这时产生的振荡过 渡过程周期很短,其频率远高于δ过小或TI过小所引起的振荡 频率。 Ex21.关键是“看曲线,调参数”。因此必须先弄清控制器参 数变化对过渡过程曲线的影响关系。 习题(第七章) Ex1.串级控制系统是由其结构上的特征得名的。它是由主、副 两个控制器串接工作的,主控制器的输出作为副控制器的给 定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对主变量的定 值控制。 主控制器副控制器 给定值 执行器副对象主对象 主变量 副测量、变送 副变量 _ 主测量、变送 _ 串级控制系统典型方块图 干扰 F2 干扰 F1 习题(第七章) Ex2.串级控制系统的特点:在系统结构上,它是由两个串接工 作的控制器构成的双闭环控制系统;系统的目的在于通过设 置副变量来提高主变量的控制质量;由于副回路的引入,对 进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了对主变量 的影响;系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 适用于对象的 滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负 荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 Ex3.主变量的选择原则同单回路控制系统中被控变量选择原则。 副变量的选择原则:主、副变量间应有一定的内在联系,副 变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化;要使副回 路包含系统的主要干扰;在可能的情况下,应使副回路包含 更多的次要干扰,但副变量又不能离主变量太近;副变量的 选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的 发生;副回路应尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后。 习题(第七章) Ex4.串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量,使之等于 给定值,而主变量就是主回路的输出,所以说主回路是定值 控制系统。 副回路的输出是副变量,副回路的给定值是主控制器 的输 出,所以在串级控制系统中,副变量不是要求不变的,而是 要求随主控制器的输出变化而变化,因此是一个随动控制系 统。 Ex5. (1)串级控制系统。方块图: T C F C θ1给定值 执行器管道聚合釜 θ1 F流量测量变送 F _ θ1温度测量变送 _ 干扰 F2 干扰 F1 习题(第七章) Ex5.续 (2)为防釜温过高,在无信号压力时应保证冷却水继续供 应,执行器选气关式(“反”)。 (3)副对象为管道,阀开大时流过管道的流量F增加,故副对 象为“正”;由副对象和执行器的的作用方向,要想副回路 组成负反馈控制系统,副控制器FC应选正作用式的。 当主变量 θ1增大时,需要开大控制阀;当副变量F增大时, 需要关小控制阀。所以主控制器TC应选正作用式的。 (4)冷却水压力??流量F?? e2F-p1?,p2 ?(正作用) ?阀关小(气关)?F?。这样就及时克服了冷却水压力波 动对系统的影响,提高了控制质量。 (5)应选聚合釜夹套内的水温θ2作为副变量,这样才能将主 要干扰包含在副回路内,以充分发挥副回路能及时克服主要 干扰的作用。 习题(第七章) Ex5.续 (6)方块图: T1C T2C θ1给定值 执行器夹套聚合釜 θ1 θ2温度测量变送 θ2 _ θ1温度测量变送 _ 干扰 F2 干扰 F1 执行器仍应选气关式(“反”);副对象为夹套,当阀开大 时, θ2会降低,故副对象为“反”的;为使副回路组成负反 馈控制回路,副控制器应为反作用式的。 当θ1? ,需开大控制 阀;当θ2 ?,亦需开大控制阀。因此 主控制器应选择反作用式的。 习题(第七章) Ex6.串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量,对主 变量要求较高,一般不允许有余差,所以主控制器一般选 择比例积分控制规律,当对象滞后较大时,也可引入适当 的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过 程中,副 变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的,副控制器 一般采用比例控制规律即可,必要时引入适当的积分作 用,而微分作用一般是不需要的。 Ex7.两步整定法和一步整定法。 按串级控制系统主、副回路的 情况,先整定副控制器,后 整定主控制器的方法叫两步整定法; 根据经验直接确定副控制 器的参数,只需按照简单控制系 统参数整定的方法来整定主控制器参数的方法称为一步整 定法。 习题(第七章) Ex8. 目的:是为了解决前后工序的供求矛盾,使