过程控制课后题答案讲解

1.4 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？反应器温度控制系统该温度控制系统的方块图扰动反应器温度控制系统方块图被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；控制变量：冷却水流量。可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。1.5锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液。降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-16是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：画出该控制系统方块图；指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？⑶当蒸汽负荷忽然增加，该系统如何实现自动控制?

(1)(1)被控对象：锅炉汽包。被控变量：锅炉汽包水位。操纵变量：锅炉给水量。扰动量：冷水温度、压力、蒸汽压力、流量，燃烧状况等。当蒸汽负荷突然增加，会导致汽包水位下降，液位变送器检测到液位h下降信号并与设定水位h0进行比较，将偏差信号传给控制器，控制器使执行器动作，增大阀门开度，使冷却水流量增加，从而降低加热室燃烧程度，进一步使得汽包液位升高。2.4P17-P18，精度等级为0.22.11用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种？解：(1)热电偶的热电势只有当TO(或tO)恒定是才是被测温度T(或t)的单值函数。热电偶标准分度表是以T0=0°C为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0=0°C,才能直接应用分度表或分度曲线。若T0M0C，则应进行冷端补偿和处理。(2)冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0°C恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补2.17AD590是一个电流型集成式温度测量元件，能够从端口输出与绝对温度成比例的电流,然后利用利用10K电阻将电流信号转换为相应的电压变化值，由变送器送给单片机进行A/D采样，最后由单片机显示输出，得到测量的温度。2.21压力表的误差=量程*精度可知量程规格为0〜1.6、0〜2.5、0〜4.0MPa,由于要求测量误差不大于压力示值的±选择量程为2.25因为差压变送器的输出电流信号与输入差压值成正比，故有：104_Ap可得：Ap=88.4Pa此为对应13.6mA电流时的差压值。因为流量与差压平方根成正比，故可得到：、丽_q320可得q=297.6m3/h此为对应13.6mA电流时的被测流量。4.8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：列出过程的微分方程组；画出过程的方框图；(3)求过程的传递函数W0(S)=H(S)/Q1(S)；dhQ-（Q+Q丿=解：（1）根据动态物料平衡关系，流入量=流出量：1 2 3dt过程的微分方程的增量形式:AQ-(AQ+AQ)=CdAh过程的微分方程的增量形式:AQ-(AQ+AQ)=CdAh1dt中间变量:“ AhAQ=——2 R2_Ah~~R~3消除中间变量:R2R3AQ广CR2R'处+(R+R)Ah3dt3 *同除（R2+R3）得到:RR2 3R+R2 3AQ1=CRRR+Rdt2 3dAh+Ah令:. dAh.上式可写为:RAQ=CR——+Ah

1dt上式可写为:(2)Laplace变换得到：RQ{S)_CRSH(S)+H(S)传递函数:W(s)_传递函数:W(s)_oH(s)_RQ(s)~RCS+1i（3）过程的方框图:4.11该对象具有純滞后的一阶对象，放大系数K由一阶对象的而输出响应A0=kA1-etI丿带入数据可得T=2/ln2已知純滞后时间为2,则可列出微分方程以及传递函数的表达式。4.12解：方法一：图解法由图可以看出：过程应该用一阶加延时系统。y9)-y(0)=20=20从图中得到:t=从图中得到:t=40s,T=260—40=220sKW(s)=—0—e-TS= e-40s0TS+1 220S+1方法二：计算法.7砒髯ua.$在图中取y(“)=0.33y(-) y(t2)=0.39y(-)y(t3)=0.632y(-)y(t4)=0.7y(-)/厶=260st沁2t-1=55s/厶=260st沁2t-1=55s1 2 3T沁2(t-1)=150s1 3 2T沁 =168s2 0.8可见数据很接近，于是:T=T=T1+T2=159s02=T1+T2=56s2过程数学模型:20K20W(s)= o—e-TS= e-56soTS+1 159S+17.8选择第二个，因为F2干扰不进入主控回路对系统有较大影响，串级特性是在副回路中消除干扰。第一章练习与思考1．什么叫过程检测，它的主要内容有哪些？2．检测仪表的技术指标有哪些？如何确定检测仪表的基本技术指标？3．过程检测系统和过程控制系统的区别何在？它们之间相互关系如何？4．开环结构仪表和闭环结构仪表各有什么优缺点？为什么？开环结构设表的灵敏度S=TtS，相对误差s=2n5。请考虑图1—4所示闭环iii=1 i=1结构仪表的灵敏度S三—（S为反馈通道的灵敏度），而相对误差5三—5 （5为Sf fff反馈通道的相对误差），对吗？请证明之。提示：闭环结构仪表的灵敏度S=yx；闭环结构仪表的相对误差5=dSS。由孔板节流件、差压变送器、开方器和显示仪表组成的流量检测系统，可能会出现下列情况：（1）各环节精度相差不多；（2）其中某一环节精度较低，而其他环节精度都较高。问该检测系统总误差如何计算？理论上如何确定仪表精度等级？但是实际应用中如何检验仪表精度等级？用300kPa标准压力表来校验200kPa1.5级压力表，问标准压力表应选何级精度？对某参数进行了精度测量，其数据列表如下：8.271288-29S-308.JI8-32xa11i101]Ji1试求检测过程中可能出现的最大误差?求用下列手动平衡电桥测量热电阻R的绝对误差和相对误差。设电源E和x检流计D引起的误差可忽略不计。已知：R=100，R=1000，R=1000，x 2 Nr=10000，各桥臂电阻可能误差为Ar=0.10，Ar=0.010，Ar=10（如图1一3 2 N 323所示）。某测量仪表中的分压器有五挡。总电阻R要求能精确地保持111110，且其相对误差小于0.01%，问各电阻的误差如何分配？图中各电阻值如下：R=100000，R=10000，R=1000，R=100，R=10（如图1—24所示）。1 2 3 4 5图卜23手动平衝电桥原理线路1图卜23手动平衝电桥原理线路1ri老ru\◎ uL图V24分压瞬电路贮罐内液体质量的检测，常采用测量贮罐内液面高度h，然后乘以贮罐截面积A，再乘以液体密度p，就可求得贮罐内液体质量储量，即M=hAp。但采用该法测量M时，随着环境温度的变化，液体密度p也将随着变化，这就需要不断校正，否则将产生系统误差。试设计一种检测方法，可自动消除（补偿）该系统误差。第二章练习与思考什么叫温标？什么叫国际实用温标？请简要说明ITS-90的主要内容。试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同（可以从原理、系统组成和应用场合三方面来考虑）？用测温件热电偶或热电阻构成测温仪表（系统）测量温度时，应各自注意哪些问题？如图2—11，已知热电偶的分度号为K型，在工作时，自由端温度t30oC,0今测得热电势为38.560mV，求工作端的温度是多少？简要说明选择压力检测仪表主要应考虑哪些问题？某台空压机的缓冲器，其正常工作压力范围为1.1~1.6MPa,工艺要求就地指示压力，并要求测量误差不大于被测压力的±5%,试选择一块合适的压力表（类型、示值范围、精度等级），并说明理由。7•简述下图所示的弹簧管压力计的工作原理？锦賣管压力计—台电子自动测温计，精度等级为0.5级，测量范围为0〜300°C，经校验发现最大绝对误差为4°C,问该表合格吗？若不合格，应定为几级？某空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为1.2~1.5MPa,工艺要求就地观察罐内压力，且测量误差不得大于罐内压力的±0.5%，试选用一个合格的压力表（指明类型，量程，精度等级）。°C,经校验发现最大绝对误差为8°C,问该表合格吗？若不合格，应定为几级？13•某空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为1.0~1.5MPa,工艺要求就地观察罐内压力，且测量误差不得大于罐内压力的±0.5%，试选用一个合格的压力表。14．在下述检测液位的仪表中，受被测液位密度影响的有哪几种？并说明原因：（1） 玻璃液位计；（2） 浮力式液位计；（3） 差压式液位计；电容式液位计;超声波液位计;射线式液位计。如图2—101所示是用双法兰式差压变送器测量密闭容器中有结晶性液体的液位。已知被测液位的密度p=1200kg'm3，液位变化范围H=0~950mm，变送器的正负压法兰中心线距离H0=1800mm，变送器毛细管硅油密度p=950kg[m，试确定变送器的量程和迁移量。圏2-101液拉测量系蜒什么是流量检测仪表的量程比？当实际流量小于仪表量程比规定的最小流量时，会产生什么情况？请举例说明。试设计计算采用角接取压的标准孔扳，并配用电动差压变送器，已知条件如下：被测介质为空气；最大流量q=22000m3h；(3)工作压力p=0.5Mpa(表压)；(4)工作温度t=100oC;相对湿度申二0；管道直径d=350mm,材料为20号钢管；20压力损失及敷设条件无要求。在你学习到的各种流量检测方法中，请指出那些测量结果受被测流体的密度影响？为什么？有一台用来测量液体流量的转子流量计，其转子材料是耐酸不锈钢(密度p厂7900kg'm3)，用于测量密度为750kg'm3的介质，当仪表读数为5.0m3;h时，被测介质的实际流量为多少？有一台电动差压变送器配标准孔板测量流量，差压变送器的量程为16kPa，输出为4〜20mA，对应的流量为0~50th。工艺要求在40厂h时报警。问：差压变送器不带开方器时，报警值设定在多少mA?带开方器时，报警值又设定在多少mA?如图所示的液位系统，当用差压法测量时，其量程和迁移量是多少？应如何迁移？实际可测量范围是多少？已知：P=1200kg/m3,H=1.5m,h=0.5m,h=1.2m,h=3.4m1 2 3什么是流量检测仪表的量程比？根据下图所示的流量系数«与雷诺数Re的关系,分析为什么由标准节流件构成的流量计的量程比通常为3:1？

Re掠唯孔扳简述热磁式气体分析仪的组成及各组成部分的功能？简述热导式气体分析仪的组成及各组成部分的功能？请比较热导式气体分析仪和热磁式气体分析仪在检测原理上的异同点。什么叫干扰组分？使用热导式气体分析仪、热磁式气体分析仪和红外线气体分析仪时应如何克服或减小干扰组分的影响？氧化锆氧量分析仪在实际使用一段时间后发现指示值始终指示在最大位置(21%)，你认为可能是什么原因引起的？用色谱仪分析双组分混合物，测得甲、乙两组分色谱峰（对称峰）数据及灵敏度值如下表，求各组分含量及两个谱峰的分辩力为多少（设走纸速度为1cms）朝分册!艮单良 *ml/mgI16ui1....._13.0J.L32•有一台电压表，其量程范围为0—100V，当采用该台仪表及标准表同时进行电压检测时，测得的数据如下：标准表（V）20406080电压表（V）19.838.961.280.3试确定该台电压表的精度等级。第三章练习与思考举例说明信号变换有哪几种基本形式？差动式变换和参比式变换各有什么特点？为什么闭环结构的平衡式仪表较开环结构的简单直接变换式仪表反应速度快、线性好、精度高；但稳定性较差，灵敏度降低，结构复杂，试从理论上分析之。有差随动式变换仪表与无差随动式变换仪表在结构形式和特性方面有何不同？

在不平衡电桥设计时要注意哪些问题?6•请设计一个单臂工作的电桥，其中敏感元件的电阻变化范围为100〜142电阻的允许耗散功率为3.6mW。要求电桥的输出电压与电阻的变化量之间的非线性误差小于10%，同时使电桥的输出电压尽可能高。求桥臂上各电阻值、电源电压，并给出电桥的输出电压范围。在6题中，若要求电桥有最大的输出自压，贝収如何设计该电桥，并求出相应的电桥输出电压。信号变换是过程检测系统中的一个重要环节。