过程控制技术课后作业答案详解

1、过程控制与自动化仪表课后作业详解第一章P152-1. (1)简述图1-6所示系统的工作原理，画出控制系统的方框图并写明每一方框图的输 入/输出变量名称和所用仪表的名称。答：1)图为液位控制系统，由储水箱(被控过程X液位检测器(测量变送器)、液位控制 器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测， 经过液位控制器来控制调节阀，从而调节Q 1 (流量)来实现液位控制的作用。2)框图如图1-7所示：图1-7控制系统框图3)控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e (t )、控制量u(t )；执行器输入输出 分别为：控制量u(t)、操作变量Q 1(t)；被控对象的输

2、入输出为：操作变量Q 1(t)、扰动 量Q2 (t)，被控量h ；所用仪表为：控制器(例如PID控制器)、调节阀、液位测量变送 器。2-3某化学反应过程规定操作温度为800，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)稳态误差：e(8)=810-800=10衰减比：n=B1/B2=(850-810)/(820-810)=4最大超调量：。=(850-810)/810=4.9%假设以系统输出稳定值的2%为标准，则810*2%=16.2,则

3、过渡过程时间：ts=17min2）由于规定操作温度为800 C,而系统稳态值为810 所以不满足工艺要求。第二章P711-3某台测温仪表测量的上下限为5001000,它的最大绝对误差为2,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2则精度等级5 =烹义100% = 0.4%所以仪表精度等级为0.4级1-4某台测温仪表测量的上下限为1001000,工艺要求该仪表指示值的误差不得超过土2,应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：少？答：1）仪表的最大绝对误差为：6。由题可得：5= 2 x100% = 0.22%1000 -100仪表精度等级至少0.2以上。2-1 （1）某一标

4、定为100600的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下:被校表读数/100150200250300400500600标准表读数/1021492042562964034956061）试求该仪表的最大绝对误差。2）确定该仪表的精度等级。3）经过一段时间使用后，仪表的最大绝对误差为土 7，问此时仪表的精度等级为多2)根据5 = -6- x 100% = 1.2%，可知：仪表的精度等级1.2级。 5003）此时仪表的精度等级不变，仍然为1.2级。2-5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0 10 4 Pa,对应 输出信号为4220mA DC,相应流量为0320m3/h。求

5、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：斜率 k = x 10000 = 250020 - 4差压值y = 2500pav.2500流量值 P =x 320 = 160 m 3/h110000第三章P1101-1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

6、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 口 ；模拟直流电压信号为广5V DC。1-2某比例积分调节器的输入、输出范围均为42

7、0mADC,若设5 = 100%、 = 2min , 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:(1 .)(3-1)e + 1edtIT1 J依题意：P = 1T = 100%，即 Kp =1, e=1； KP稳态时：y0=6mA,4min 后：=6 + 1x (1 + 2 x 4)=9 mA1-6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。1-9执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么

8、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。2-5如图3-7所示，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事故状态下，为了保护加热器设 备的安全即耐热材料不被损坏，现在蒸汽管道上

9、有一只气动执行器，试确定其气开、气关 形式，并画出由PID电动器构成的控制系统结构框图。答：1）应选用气开形式，当出现故障导致信号中断时，执行器处于关闭状态，保证耐热材 料不被损坏。2）框图如图3-8所示：图3-8系统框图第四章P1421-4图4-1所示液位过程的输入量为q，流出量为q、液位为被控参数，C为容量系数，并设R、R、R均为线性液阻。要求:1）2）123列写过程的微分方程组; 画出过程的方框图；3)求过程的传递函数G0（s） = H（s） /Q1（s）。答：1）过程的微分方程组如式（4-1）所示:d A hAq1 - Aq2 -Aq3 = C 丁a A hAq =2 R2（4-1）基

10、本练习题（4）液位过程图4-122）3过程控制框图如图4-2所示:1. CS用o*3）图4-2过程控制框图 传递函数如式（4-2）所示：（4-2）2-1如图4-6所示，q1为过程的流入量,为流出量为液位高度，C为容量系数。若以R 2为线性液阻，求过程的传递函数q为过程的输入量，h为输出量（被控量），设R、 11G (s) = H(s) / Q (s)。图4-6综合练习题（1）液位过程答：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如式（4-7）所示:(4-7)Cd A hdt中间变量:A Q2R 2 A Q1 = CRA hR2d A h 一+ A h2 dtR Q (S) =

11、 CR SH (S) + H (S)（4-8）传递函数如式（4-9）所示：W0( s)=R2CR 2 S +1(4-9)如果考虑管道长度L即出现纯时延，由于管道流量恒定，所以其传递函数如式（4-10）所示:R S2e tCR2 S +1(4-10)第五章P1761-12试确定图5-1所示各系统的调节器正反作用方式。已知燃料调节阀为气开式，给水调 节阀为气关式。图5-1加热炉温度、锅炉汽包液位控制系统 a）加热炉温度控制 b）锅炉汽包液位控制 答：a）由于被控对象为正作用，温度检测为正作用，执行器为正作用，因此调节器为 反作用方式b）由于被控对象为正作用，液位检测为正作用，执行器为反作用，因此调

12、节器为正作 用方式3-1如图5-8所示的换热器，用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度。生产工艺要求热水 温度维持在一定范围（一14.4+1），试设计一个简单的温度控制系统，并指出调节 器类型。答：1、被控参数：热水的温度。2、控制参数：热蒸汽的流量（蒸汽管道上的阀门开度）。3、测温元件及其变送器的选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。4、调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度考虑，选择气开阀。K , 一调节器选PID或PD类型的调节器，由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故v为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故为K0正，正作用过程，测量变送Km为正，K_ 为使整个系统中各环节静态

13、放大系数乘积为正，调节器c应为正，所以选用反作用调节器。第六章P1761-12图6-3所示为精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产工艺要求一旦发生事故 应立即停止蒸汽的供应。要求：1）画出控制系统的框图；2）确定调节阀的气开、气关型式；3）确定主、副调节器的正、反作用方式。图6-3温度、流量串级控制系统1）控制系统的框图如图6-4所示：*C-* 7T-MJI fC -便代管苴式青 耳工卡FT 图6-4温度、流量串级控制系统框图2）调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以使 切断蒸汽的供应，确保设备的安全。3）主调节器：反作用方式；副调节器：反作用方式。3-2某

14、加热器采用夹套式加热的方式来加热物料。物料温度要求严格加以控制。夹套通入 的是由加热器加热后的热水，而加热采用的是饱和蒸汽。工艺流程如图6-9所示。要求：1）如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？2）如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？3）如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案；为什么？I映京型水图6-9加热物料工艺流程图答：1）如果冷水流量波动是主要干扰，采用前馈-反馈控制；被控变量为物料出料温度， 控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。2）如果蒸汽压力波动是主要干扰，采用串级控制；主被控变量为物料出料温度，副被 控变量为蒸汽流量或压力，控制变量蒸汽流量。3）如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，采用前馈-串级控制；主被控变量为物料出 料温度，副被控变量为蒸汽流量或压力，控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。3-3对于图6-10所示加热器串级控制系统，要求：1）画出控制系统的方框图；2）若工艺要求加热器的温度不能过高，试确定调节阀的气开、气关型式;3）确定主、副调节器的正、反作用方式；4）当蒸汽压力或冷物料流量突然增加时，分别简述控制系统的控制过程。图6-10加热器串级控制系统答：1）控制系统的方框图如图6-11所示：图6-11控制系统的方框图2）根据工艺要求：调节阀选用气开。3）由工艺可知，当调节阀开度