过程与控制部分课后题答案

(2)什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、r(t) e八_z(t)控制器u(t)执行器q(t) *f被控过程压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。过程控制系统的一般性框图如图1-1所示：(3)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。1)模拟仪表的信号：气动 0.02 0.1MPa ;电动HI型:(4)试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示：420mAD喊 15V DC检测变送装置 <图1-1过程控制系统的一般性框图2)数字式仪表的信号：无统一标准烟气 .*-A引风机冷油入口干扰2燃油压力干扰1给定值TTPTTCPC f 阀-管道加热炉热油出口温 度图1凸加热炉过程控制系统流程方框图.图1-2加热炉过程控制系统流程(5)过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？答：1)单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。2)各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；超调量°：第一个波峰值 y1与最终稳态值y()之比的百分数：y1100%y()最大动态偏差A:在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；静差，也称残余偏差 C：过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y ()与设定值之间的偏差 C称为残余偏差，简称残差;调节时间ts：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5% ( 2%)范围内所需要的时间；振荡频率 n ：过渡过程中相邻两同向波峰(或波谷)之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；上升时间tp :系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；峰值时间tp :过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。.(9)两个流量控制系统如图 1-4所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。,图1-4两个流量控制回路示意图*-由答：系统1是前馈控制系统，系统 2是反馈控制系统。系统框图如图1-5如下：AK1T测量变q_执行器|执行器"一测量变送r被控过稔1被控过程刍系统1系统2图1-5两个流量控制回路方框图(10)只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？答：1)不是这样。2 )比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。(11)构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？答：1)是的。 2)因为安全火花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计成安全火花型。2 .综合练习题一，(3)某化学反应过程规定操作温度为80 + 5C,最大超调量小于或等于5%,要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图1-8所示。要求：1)计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间；2)说明该系统是否满足工艺要求。答：1)由上图可得 y(8)= 81 C,设定值 r=80 C , B1=85 - 81=4,B2=82-81=1图1用设定值干扰的过渡过程曲线示意图.，衰减比：，n最大超调量:B1B24,4:11y(tp) y( )85 81p100% 100%过渡过程时间ts :大概在18min814.938%2)虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为80C,而最后趋于稳定的值却为81C,因此不满足工艺要求。稳态误差 e(8)= r - y( 00) =80 C-81 = -1 (4)图1-9所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？图1-9锅炉汽泡水位控制流程图答：1)控制系统框图如图1-10所示:液位设定蒸汽流量变化_a 液位控制器 * 上水调节阀 + 汽包液位变送器.实际液位图1-10锅炉汽泡水位控制框图2)被控过程：加热器+汽包;被控参数：汽包水位;控制参数：上水流量;干扰参数：蒸汽流量变化。1 .基本练习题(3)某台测温仪表测量的上下限为500c1000C,它的最大绝对误差为土 2C,试确定该仪表的精度等级;答：根据题意可知：最大绝对误差为土则精度等级100%(4)500某台测温仪表测量的上下限为0.4%所以仪表精度等级为0.4级100c1000C,工艺要求该仪表指示值的误差不得超过土2C,应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求?(5)答：由题可得：仪表精度等级至少为0.001级。或者0.002有一台DDZ-W型两线制差压变送器,已知其量程为20100kPa,当输入信号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少?答:由题可得：变送器输出的分别是 8mAW 16mA(12)某被测温度信号在 4080c范围内变化，工艺要求测量误差不超过土1%,现有两台测温仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围为0100C,另一台仪表的测量范围为 0200C,试问：这两台仪表能否满足上述测量要求？答：由题可得：这两台仪表均不能满足上述测量要求。(13)热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采用哪几种？答：1)只有当热电偶的冷端温度恒定时，其热电动势才是单值函数。依据等值替换原理制成的补偿导线，虽然可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，但还不能保持绝对不变。因此，为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可以进行冷端温度校正。2)补偿方法常采用查表校正法和电桥补偿法。2.综合练习题(5)用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。若差压变送器量程为4一一0-10 Pa,对应输出信号为 420mA DC相应流量为 0320m3/h。求差压变送器输出信号为 8mA DC时，对应的差压值及流量值各是多少?答：根据题意可知：4斜率k 10000 250020 4差压值y = 2500pa25003流量值 p 320 160 m / h100003.设计题(1)用分度号为K的银铭-银硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为600C ,此时冷端温度为 50 Co试问:实际温度是多少？如果热端温度不变，使冷端温度为20c时，此时显示仪表指示值应为多少?答：1)已知冷端温度为50 C,由分布表可查得E(t0，O) = E(5。，。)= 2.022mV 又已知热电动势E=24.902+2.022=26.924mV所以实际温度为648 C2）当冷端温度为 20c时，热电势为 0.798 mV 26.924-0.798=26.126 mV 26.176-25.751=0.425 mV6301.基本练习题26.176 26.1260.42510629C当冷端温度为20c时，显示仪表指示值为629 C(1)在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么?气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？答：1 )在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。2)调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。执行器多数是气动的， 因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有 电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。3)气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.020.1MPa 的模拟气压信号。电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。过程控制系统的模拟直流电流信号为420mA DC,负载250 Q ;模拟直流电压信号为15V DC(2)某比例积分调节器的输入、输出范围均为420mADC若设10°%、T12mi” ,稳态时其输出为6mA若在某一时刻输入阶跃增加1mA试求经过4min后调节器的输出。答：由比例积分公式(3-1)所示： 111y e edt，、=p 100%y p e T(3-1)依题意：，K p即 Kp =1, e =1;11 4y y0 e edtPTi 0F4min 后:16 1 (1 - 4)29 mA稳态时：y0 = 6mA（6）调节器的正、反作用是如何规定的？答：若调节器输出随反馈值输入的增加而增加，称为正作用调节器，反之为反作用调节器。正作用：偏差=测量值-给定值；反作用：偏差=给定值-测量值。（9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执行器有何特点？答：1）执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。在过程控制系统中，他接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。2）特点：气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆的等优点，电动执行器优点是能源取用方便。信号传输速度快和便于远传，缺点就是结构复杂。价格贵，适用于防爆要求不高或缺乏气源的场所。（11）什么叫气开式执行器和气关式执行器？它们是怎样组合的？试举两例分别说明它们的使用。答：1）所谓“气开”，是指当前气压信号 p>0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；“气关”则相反，即指当前气压信号p>0.02MPa时，阀由全开状态逐渐关闭。2）组合如表3-1所示：表3-1执行器组合表执行机构作用方式阀体作用方式执行器气开、气关形式正正气关正反气开反正气开反反气关3）举例：一般加热器选用“气开”式，这样当控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不会因为温度过高发生事故或危险。又如，锅炉进水的执行器则应选用“气关”式，即当控制信号中断时，执行器处于打开状态，保证有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。（15）什么是调节阀的流量特性？调节阀的理想流量特性有哪几种？它们各是怎样定义的？调节阀的工作流量特性与阻力系数有关，而阻 力系数又是怎样定义的？它的大小对流量特性有何影响？答：1）理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性。2）常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比（对数）流量特性、快开特性。3）直线流量特性是指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系。等百分比流量特性是指单位行程变化所引起的相对流量变