化工仪表及自动化课后习题问题详解.doc

第一章自动控制系统基本概念P161.化学自动化是化学、炼油、食品、轻工业等化学类型生产过程自动化的简称。在化工设备上安装了一些自动化设备，代替工人的部分直接劳动，使生产自动进行到不同水平。利用这种自动化设备管理化工生产工艺的方法称为化工自动化。化工生产过程自动化的重要性：(1)加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。(二)减少劳动强度，改善劳动条件；(3)能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，延长设备使用寿命，提高设备使用能力的目的。(4)改变劳动方式，提高劳动者文化技术水平，逐步创造消除体力劳动和脑力劳动差异的条件。2、一般应包括自动检测、自动保护、自动操作和自动控制等内容。3、闭环控制具有反馈环，通过反馈系统提高了系统的精度，缩短了响应时间，缩短了系统的响应时间，适用于稳定性要求高的系统。开环控制没有反馈环，用于系统稳定性不高，响应时间相对长，精度不高，系统稳定性精度要求不高的简单系统。4、自动控制系统主要由什么组成？自动控制系统主要由测量元件和变送器、自动控制器、执行器、控制对象等4个会话组成。5，p76、PI-307为现场安装压力指示器，第3节，仪表序列号07；TRC-303表示安装了集中式仪表盘，具有表示日志记录功能的温度控制仪表。区段号码是3，仪表序号是03。FRC-305表示安装了集中式仪表盘，具有表示记录功能的流控制仪表盘。区段号码是3，仪表序号是05。7、方块图是用于表示控制系统中每个链接之间关系的图形类型。每个链接在图中均显示为一个框，因此称为块图。8、传输装置的功能是测量控制变量的大小，并将气压信号或电压、电流信号等传输为一定输出信号的控制器。控制器接收测量仪发送的信号，将其与工艺中必须保持的受控变量的设置进行比较，计算偏差，通过一定的计算法则得出结果，然后将结果发送到特定的信号(气压或电流)。执行器是控制阀，它根据控制器发送的信号值自动改变阀打开，从而改变控制变量的大小。9、受控实体(对象)自动控制系统中必须由流程参数控制的生产流程、生产设备或机器。受控变量必须保持设定值的受控目标内的进程参数。控制系统通常使用此变量的名称，例如温度控制系统、压力表系统等。给定值(或设定值或期望值)控制系统要实现的目标，即控制变量的期望值。可以是固定的，也可以根据程序变化。操作变量(调整变量)是直接影响控制变量且易于调整(操作)的变量。或实现控制角色的变量。控制介质(操纵剂)用于控制功能的材料。10、控制作用是受外部干涉的影响，脱离正常状态后恢复到规定范围。干涉会导致各种元素，操控的变数超出指定值，操控的变数除外。11、温度控制系统方框图故障排除1-11图反应器温度控制系统方框图其中控制对象：reactor；控制变量：反应器的温度；操作变量：冷却液流动。可能影响受控变量的干涉因素主要包括a，b两种物质的温度、供应量、冷却剂的压力、温度和环境温度的高低。当反应器内的控制温度在干扰作用下升高时，测量与给定值进行比较，获得偏差信号，在温度控制器运算处理后，输出控制信号驱动控制阀，实现热增量，冷却水流增加，降低反应器内的温度。所以这个温度控制系统是具有负反馈的闭环控制系统。12，如果反馈信号与输入信号极性相反或方向相反(相反)，则由于叠加的结果，净输入信号减弱，这种反馈称为负反馈。负反馈可以减少非线性失真。引入负反馈后，输出部的失真波形与输入波形重叠，与输入波形一起传递，因此净输入信号成为正伴奏、负伴奏波形，在此波形扩大后，输出正确、负伴奏波形的差异减小，从而减少放大电路输出波形的非线性失真。在第13，11题中15、值控制系统、伺服控制系统、程序控制系统。16、在自动化领域，不随时间变化的控制变量的平衡状态称为系统的静态状态，随时间变化的控制变量的不平衡状态称为系统的动力学状态。干涉是客观的，是必然的。自动控制系统运行时总是受到干扰，破坏正常的工艺生产状态。为此，需要持续的控制功能，以通过自动化设备防止或抵消干扰效果的影响，从而将控制变量保持为流程所需的规格。总是经常受到干扰，总是在频繁的力学过程中正常运行的自动控制系统。了解系统动力学更重要。17，阶跃角色：在某一时刻t0，干涉突然添加到系统中，以保持此振幅。阶跃干涉的原因：阶跃干涉更突然、更危险，对控制变量的影响最大。如果一个控制系统能有效地克服步进干涉，那么还必须很好地克服其他更平缓的干涉。步进干涉形式简单，易于实现，便于分析、实验和计算。19、各向同性振荡过程和发散振荡过程是不稳定的过程，不能在生产中采用；非周期衰减过程是稳定的过程，但控制变量达到新稳定性值的过程太慢，需要控制变量很长时间与给定值分开，通常不使用。衰减振动过程可以使系统快速稳定，最终正常状态值必须在两个峰值之间，远离给定值或不发生事故。所以21，最大偏差a=950-900=50(c)；泛光化b=950-908=42(c)；B=918-908=10 (c)，因此衰减比n=b :b=42333610=4.2剩馀c=908-900=8；振动周期t=45-9=36(min)；转换时间ts=47min。因为a=50c 80c、c=8c 10c，所以此控制系统可以满足表头上指定的工艺要求。22、蒸汽加热器温度控制系统的框图如下图所示。故障排除1-20图蒸汽加热器温度控制系统方框图其中：控制对象是蒸汽加热器。控制变量是出口材料温度。操作变量是蒸汽流量。可能的干扰主要是进口物质的流动、温度的变化。加热蒸汽压力、温度变化；环境温度的变化等。系统的转换过程质量指标：最大偏差a=81.5-81=0.5(c)；B=81.5-80.7=0.8 (c)，b=80.9-80.7=0.2 (c)，因此衰减比n=b : b=0.8:0.2=4；剩馀c=80.7-81=-0.3 (c)。第二章控制对象的数学模型P331、物件性质为物件的输出输入关系。研究对象的特性是用数学方法说明对象输入量和输出量之间的关系。采用的时候自动化装置配置自动控制系统时，首先要深入了解对象的特性，了解其本质规律，才能根据过程控制质量要求设计合理的控制系统，选择适当的控制变量和操作变量，选择合适的测量因素和控制器。控制系统运行时，必须根据对象属性选择相应的控制器参数(也称为控制器参数的工程设置)，以便系统正常运行。受控对象的特性对自动控制系统的控制质量影响很大，需要深入研究。2、物件性质的数学描述(方程式、曲线、表格等)称为物件的数学模型。稳态数学模型描述了稳态时对象输入量与输出量的关系。动态数学模型描述了输入量更改后对象的输出变化。总是性和力学是事物特性的两个方面，可以这样说。动态数学模型是基于稳态数学模型的发展，稳态数学模型是达到平衡状态时对象动态数学模型的特例。4、机构建模方法、实验建模方法。5、对象或生产过程的内部机制。7、阶跃反应曲线法：特点是简单，但准确度低。如果输入量为流量，则阀门的开闭度突然改变可以认为应用了阶段干扰，可以通过增设仪器设备或使用测试工作量大的原始设备的仪表记录输出变化。但是，在对象充当相位信号的过程中，从不稳定到稳定通常需要很长时间，因此在此期间，由于存在很多碰撞因素，因此测试精度受到限制。要提高测试精度，必须增加输入大小，这在技术上往往是不允许的。阶跃反应曲线法：特点是简单，但准确度低。如果输入量为流量，则阀门的开闭度突然改变可以认为应用了阶段干扰，可以通过增设仪器设备或使用测试工作量大的原始设备的仪表记录输出变化。但是，在对象充当相位信号的过程中，从不稳定到稳定通常需要很长时间，因此在此期间，由于存在很多碰撞因素，因此测试精度受到限制。要提高测试精度，必须增加输入大小，这在技术上往往是不允许的。8，解法：放大系数k，时间常数t和延迟t放大系数k是当数值保持对象(再次)稳定时，输出变化量与(引起输出变化的)输入变化量的比率，即对象的放大系数k越大，对象的输入量发生轻微变化时对输出量的影响就越大，或者控制变量对该量的变化更敏感，因此k实质上是对象的灵敏度。时间常数t是当对象由步骤输入操作时，控制变量达到新正常状态值的63.2%所需的时间。或者，在应用步长输入后，如果控制变量保持初始更改速度更改，则达到新的正常状态值的时间。时间常数越大，控制变量的变化越慢，达到新的正常状态值所需的时间越长输入后控制变量不会立即快速变化的现象称为滞后。或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为歇斯底里。滞后现象用延迟时间t表示。对象的等待时间t使对象的受控变量响应输入的变更的等待时间，且控制不及时。10、纯滞后通常是由于介质的传递或传热需要时间而发生的，由于选择了不适当的测量点、安装了不适当的测量元素等原因，可能导致纯滞后。容量延迟通常是由于材料或能量传递送货是通过特定的电阻发生的。控制通道存在纯滞后的情况下，控制效果不能及时发生，控制变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。如果干扰信道是纯滞后的，则等于延迟一定时间的干扰进入系统，不影响控制系统的控制质量。容量延迟增加时，对象的时间常数t增加。控制信道中t的增加，控制效果对控制变量的影响降低，系统稳定性降低。减少t，控制效果更快地影响控制变量，提高系统控制质量。t不能太大或太小，并且每个链接的时间常数必须相应地匹配。否则，可能会影响控制质量。在干扰信道中增加容量延迟通常有助于控制干扰效果对控制变量的影响。11，已知对象特性是具有纯滞后的一阶微分方程，其时间常数为5min，放大系数为10，纯滞后时间为2min。解对象特性的一阶微分方程如下12个，问题2-3图RC电路解RC电路的微分方程如下Ei=5V时，微分方程的解是Eo=5(1-e-t/T)=5(1-e-t/10) (V)(此系统的时间常数T=RC=5103200010-6=10s)如果T=T，则EO=5(1-e-T/T)=5(1-e-1)=3.16v；如果T=2T，则EO=5(1-e-2T/t)=5(1-e-2)=4.32v；当T=3T时，eo=5(1-e-3T/T)=5(1-e-3)=4.75V故障排除2-3图RC电路阶跃响应曲线13.如果解决了这是积分目标(m)故障排除2-13水槽标高Dh变化曲线14，解决方案：(输入)燃料变化量该系统从问题图中可以看出，相对于输入(燃料)变化量x(t)的输出量y(t)的关系(方程式)属于主系统X (t)=a=50/6 (kg/min)=const。Y (t)=ka (1-e-t/t) cY ()=ka=150-120=30 K=30/a=30/(50/6)=3.6 (c/(kg/min)首先不考虑延迟，y(t)的变更从t0=2min开始，直到t1=8min为止，实际变更时间t=6min可以问题图的形式表示y(t)=y(6)=30(1-e-6/t)=145-120=25(c)这将解释T=3.35(min)所以Y (t)=30 (1-e-t/3.35) c如果考虑等待时间t=2min微分方程如下系统的特性参数是系统的固有特性，不会随着输入信号的变化而变化，因此在以前的解决过程中确定的k和t的值保持不变。因此，当燃料变化量x(t)=A=1时，温度变化量的函数表达式为yt(t)=y(t-t)=3.6(1-e-(t-2)/3.35)第三章仪器和传感器P1011.测量过程实质上是将测试的参数与其度量进行比较的过程。一般来说，使用特殊的技术工具，以指针位移或数字形式显示测量目标参数，一次或多次转换和测量信号能量形式，容易测量的信号能量形式。2.p343.4.仪表的准确度等级是去除仪表允许的相对百分位数的“”号和“%”后的数值，用一定的符号显示在仪表标尺板上。准确度等级现在根据国家统一规定的容差大小分为多个等级。5，(1)数据处理验证：标准表格读数/c02004006007008009001000校表读数/c02014026047068059031001绝对错误/c01246531以上数据处理表已知，最大绝对误差：6；(2)仪表误差：仪表的准确度水平应设置为1.0；(3)仪表的基本误差：DM=1000(1.0%)=10c，该温度计不符合过程中的误差要求。6、解决方案(1)验证数据处理：标