过程控制及仪表自动化课后答案2

第三章思考题与习题3.1图3-31为某单位负反馈系统校正前、后的开环对数幅频特性曲线，比较系统校正前后的性能变化。图3-31习题3.1图加入串联P校正装置，提高系统增益后：1）使系统的相对稳定性降低，超调量增加。2）增益提高，系统的稳态精度改善。3.2什么是比例控制规律、积分控制规律和微分控制规律？它们各有什么特点？当控制器的输出变化量与输入变化量（即设定值和测量值之间的偏差）成比例时，这就是比例（P）控制。比例控制能实现被控变量在过渡过程结束后，能稳定在某一个值上。积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值随时间的变化成正比的控制规律，亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。在积分控制时，余差最终会等于零。理想微分控制是指控制器的输出变化量与输入偏差的变化速度成正比的控制规律。微分控制却是根据偏差的变化趋势进行动作的。从而有可能避免产生较大的偏差，且可以缩短控制时间。3.3什么是比例度、积分时间和微分时间？它们对过渡过程有什么影响？比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。比例度来衡量比例控制作用的强弱。使用比例控制器控制系统时，控制器在闭环运行下比例度对系统过渡过程的影响。1）比例控制是有余差的控制，余差的大小与比例度有关，与负荷的变化量有关。在同样的负荷变化扰动下，比例度越小，比例增益越大，余差越小；在相同比例度下，负荷变化量越大，余差越大。2）不论是在设定值变化还是负荷（扰动）变化的情况下，比例度越小，系统的振荡也越剧烈，稳定性越差。当太小时，系统可能出现等幅振荡，甚至发散振荡；反之，则系统越稳定。积分时间Ti定义为：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的时间。积分时间Ti对系统过渡过程的影响。随着Ti减小，积分作用增强，消除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；Ti过小，可能导致系统不稳定。Ti小，扰动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。微分时间Td是时间常数的Kd倍。微分时间Td的大小对系统过渡过程的影响。若取Td太小，则对系统的控制指标没有影响或影响甚微；选取适当的Td，系统的控制指标将得到全面的改善；但若Td取得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡。3.4某混合器出口温度控制系统如图3-32a所示，系统框图如图3-32b所示，其中，，，min，min，调节器比例增益为，F为一扰动信号，利用Simulink仿真辅助分析：1）当，分别为2.4和0.48时系统的干扰阶跃响应。2）当时的系统设定值阶跃响应。3）分析调节器比例增益对设定值阶跃响应和干扰阶跃响应的不同影响。a)混合器出口温度控制系统示意图b)系统框图图3-32习题3.4图1）当，为2.4时系统的干扰阶跃响应当，为0.48时系统的干扰阶跃响应2）当，为2.4时的系统设定值阶跃响应当，为0.48时的系统设定值阶跃响应3）比例增益不管对设定值阶跃响应和干扰阶跃响应都基本相同，比例增益越大，振荡越剧烈、稳态误差越小。第四章思考题与习题4.1什么是标准信号？各种标准信号是多少？标准信号是为了方便有效地把自动化系统中各类现场仪表与控制室内的仪表和装置连接起来，构成各种各样的控制系统，仪表之间的统一信号。标准气压信号：20～100kPa标准电动信号：DC4～20mA或DC0~20mA4.2电动模拟信号传输方式有哪几种？各自的优缺点及适用场合。电动模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流、交流电压四种。直流电流信号抗干扰能力强，便于进行模数转换，且适合于远距离传输；在过程控制仪表及装置中广泛应用。直流电压信号便于进行模数转换，但抗干扰能力差，适合于近距离传输；在过程控制仪表及装置中广泛应用。交流信号抗干扰能力差，容易传输线路中的电感、电容及负荷性质的影响，不适合过程控制仪表及装置使用。4.3测量误差有哪几种分类方法?按出现的规律可分为系统误差、过失误差和随机误差三类；按表示方法分为绝对误差、相对误差及引用误差。4.4某压力计的测压范围为0～4MPa，精确度等级为1级，如果用标准压力计来校验该压力计，当被校表读数为2MPa时，标准表读数为2.03MPa，试问被校压力计在这一点是否符合1级精度?并说明理由。由于，去掉“—”号与“％”号，其值为0.75，小于1，因此，被校压力表在这一点符合1级精度。4.5一台自动平衡式温度计的精度等级为0.5级，测量范围为0～500℃，经校验发现最大绝对误差为4℃，问该表是否合格?应定为几级?由于，去掉“％”号，其值为0.8，大于0.5，因此该表不合格，应定为1级。4.6某反应器的工作压力为15MPa，要求测量误差不超过0.5MPa，现选用一只2.5级，0～25MPa的压力计进行压力测量，是否能满足工艺上对误差的要求?如不满足，应选用几级的压力计?由于，去掉“％”号，其值为2，如果选择精度等级为2.5级的仪表，其允许的误差为±2.5％，超过了工艺上允许的数值，故应选择1.5级仪表才能满足工艺要求。4.7测量温度的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?测量温度的仪表按工作原理，可分为膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、辐射高温计和光学高温计等。膨胀式温度计是根据气体、液体或金属受热时膨胀产生压力或体积变化而工作的；热电偶温度计是根据热电效应工作的；热电阻温度计是根据导体或半导体的电阻值随温度而改变而工作的；辐射高温计是根据加热体的辐射能量随温度高低而变化的原理工作的；光学高温计是根据加热体的亮度随温度高低而变化的原理工作的。4.8常用的热电偶有哪些？常用热电偶有铂铑30-铂铑6（B）、铂铑10-铂（S）、镍铬-镍硅（K）、镍铬-康铜（E）、铜-康铜（T）等。4.9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?在实际使用中，热电偶的冷端是暴露在装置外的，受环境温度波动的影响，不可能保持恒定，更不可能保持在0℃，而热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表都要求冷端温度恒为0℃，否则将产生测量误差。因此，必须采取措施，对热电偶的冷端温度的影响进行补偿。常用的补偿方法有冰浴法、查表修正法、校正仪表零点法和补偿电桥法等。4.10用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况，显示仪表指示值为600℃，此时冷端温度为50℃。试问：实际温度是多少，如果热端温度不变，使冷端温度为20℃。此时显示仪表指示值应为多少？由附录B可以查得E（t，50）=E（600，0）=24.902mVE（50，0）=2.022mV由E（t，50）=E（t，0）―E（50，0）可得E（t，0）=E（t，50）+E（50，0）=24.902+2.022=26.924mV由附录B可得实际温度℃如果热端温度不变，使冷端温度为20℃。E（647.7，20）=E（647.7，0）―E（20，0）=26.924-0.798=26.126mV则仪表显示温度为628.8℃4.11热电阻Cu100中Cu代表什么？100代表什么？Cu代表热电阻的材料为铜，100代表温度t=0℃时的电阻值为100Ω。4.12温度检测仪表安装要求是什么？1）与工艺管道垂直安装时，取源部件中心线应与工艺管道轴线垂直相交；在工艺管道的拐弯处安装时，应逆着介质流向，取源部件中心线应与工艺管道中心线相重合；与工艺管道成45°斜安装时，应逆着介质流向，取源部件中心线应与工艺管道中心线相交。2）热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上。3）为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。4）测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性。4.13温度检测仪表如何选型？应根据安装环境、测量范围、操作要求等因素综合考虑。4.14常用的压力物理量有哪些？其含义是什么？常用的压力物理量有：绝对压力：以完全真空（即绝对零压）作参考点的压力称为绝对压力。大气压力：由地球表面大气层空气重力所产生的压力，称为大气压力。表压力：以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压力称为表压力。真空度：当被测压力低于大气压力的压力值，称为负压，也叫真空度。差压（力）：任意两个相关压力之差称为差压。4.15检测压力的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?依据压力检测仪表的工作原理可分为液柱式压力计、弹性式压力计、活塞式压力计、电气式压力计等四大类。液柱式压力计是依据液体静力平衡原理工作的，弹性式压力计是依据弹性元件弹性变形原理工作的，活塞式压力计是根据液体静力平衡原理工作的，电气式压力计是根据应变效应、霍尔效应或将压力转换为电容、电感、电阻等参数的原理工作的。4.16如何用差压变送器来测量压力?将被测介质的高、低两个压力信号分别通入左、右两个压室时，压力差就可被转换为电参量，再通过转换电路将电参量转换成4～20mA的统一标准信号，作为变送器的输出，从而实现了压力的测量。4.17压力检测仪表如何选型？压力检测仪表应从类型、量程及准确度三方面进行选择。仪表的选型必须满足生产过程的要求，量程应由生产过程需要测量的压力大小来决定，准确度应根据生产过程对压力测量所能允许的最大误差来决定。4.18表示流量的物理量有哪些？表示流量的物理量有体积流量和质量流量。按单位时间还是累计可分为瞬时流量和累积流量。4.19检测流量的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?测量流量的仪表可分为差压式、容积式、转子式、速度式、旋涡式、靶式、电磁式等。差压式是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。容积式采用容积分界的方法，转子每转一周都可送出固定容积的流体，则可利用转子的转速来实现流量的测量。转子式是基于流体流动的节流原理，利用流体流经转子时，截流面积的变化来实现流量测量。速度式是利用叶轮或涡轮被液体冲转后，转速与流量的关系来实现流量测量。旋涡式是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体的流量。靶式是利用流体的流量与靶所受到的力之间的关系来实现流量的测量。电磁式利用电磁感应原理来实现流量的测量。4.20什么是物位？物位有哪几种？物位是指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。物位有液位、料位、界位三种。4.21检测液位的仪表分为哪几类?分别依据什么原理工作?检测液位的仪表分为直读式、差压式、浮力式、电气式、核辐射式、超声