过程控制系统及仪表 王再英等 课后答案全.docx
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过程控制系统及仪表王再英等课后答案全
第1章思考题与习题
1-1 过程控制有哪些主要特点?
为什么说过程控制多属慢过程参数控制?
解答:
1.控制对象复杂、控制要求多样
2、 控制方案丰富
3。
控制多属慢过程参数控制
4.定值控制就是过程控制得一种主要控制形式
5.过程控制系统由规范化得过程检测控制仪表组成
1—2什么就是过程控制系统?
典型过程控制系统由哪几部分组成?
解答:
过程控制系统:
一般就是指工业生产过程中自动控制系统得变量就是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量得系统。
组成:
参照图1—1。
1-4说明过程控制系统得分类方法,通常过程控制系统可分为哪几类?
解答:
分类方法说明:
按所控制得参数来分,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等;按控制系统所处理得信号方式来分,有模拟控制系统与数字控制系统;按控制器类型来分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统;按控制系统得结构与所完成得功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分,有比例(P)控制、比例积分(PI)控制,比例、积分、微分(PID)控制系统等;按控制系统组成回路得情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统;按被控参数得数量可分为单变量与多变量控制系统等。
通常分类:
1。
按设定值得形式不同划分:
(1)定值控制系统
(2)随动控制系统
(3)程序控制系统
2.按系统得结构特点分类:
(1)反馈控制系统
(2)前馈控制系统
(3)前馈—反馈复合控制系统
1—5 什么就是定值控制系统?
解答:
在定值控制系统中设定值就是恒定不变得,引起系统被控参数变化得就就是扰动信号.
1—6 什么就是被控对象得静态特性?
什么就是被控对象得动态特性?
二者之间有什么关系?
解答:
被控对象得静态特性:
稳态时控制过程被控参数与控制变量之间得关系称为静态特性.
被控对象得动态特性:
。
系统在动态过程中,被控参数与控制变量之间得关系即为控制过程得动态特性。
二者之间得关系:
1-7试说明定值控制系统稳态与动态得含义。
为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性?
解答:
稳态:
对于定值控制,当控制系统输入(设定值与扰动)不变时,整个系统若能达到一种平衡状态,系统中各个组成环节暂不动作,它们得输出信号都处于相对静止状态,这种状态称为稳态(或静态)。
动态:
从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作,到整个系统又建立新得稳态(达到新得平衡)、调节过程结束得这一段时间,整个系统各个环节得状态与参数都处于变化得过程之中,这种状态称为动态。
在实际得生产过程中,被控过程常常受到各种振动得影响,不可能一直工作在稳态.只有将控制系统研究与分析得重点放在各个环节得动态特性,才能设计出良好得控制系统.
1-8 评价控制系统动态性能得常用单项指标有哪些?
各自得定义就是什么?
解答:
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、上升时间与峰值时间等.
衰减比:
等于两个相邻得同向波峰值之比n;
过渡过程得最大动态偏差:
对于定值控制系统,就是指被控参数偏离设定值得最大值A;
超调量:
第一个波峰值与最终稳态值y()之比得百分数;
残余偏差C:
过渡过程结束后,被控参数所达到得新稳态值y()与设定值之间得偏差C称为残余偏差,简称残差;
调节时间:
从过渡过程开始到过渡过程结束所需得时间;
振荡频率:
过渡过程中相邻两同向波峰(或波谷)之间得时间间隔叫振荡周期或工作周期,其倒数称为振荡频率;
峰值时间:
过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要得时间。
1-10 某被控过程工艺设定温度为900℃,要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃.现设计得温度定值控制系统,在最大阶跃干扰作用下得过渡过程曲线如图1-4所示。
试求该系统过渡过程得单项性能指标:
最大动态偏差、衰减比、振荡周期,该系统能否满足工艺要求?
解答:
最大动态偏差A:
衰减比n:
振荡周期T:
A〈80,且n〉1(衰减振荡),所以系统满足工艺要求。
第2章思考题与习题
2-1①最大绝对误差=806—800=6②基本误差=6/1000=0、6%;1、0级③不能用,只能用0、5级得仪表
2-2求:
1)变差;
2)基本误差;
3)该表就是否符合1、0级精度?
2—3 某压力表得测量范围为0~10MPa,精度等级为1、0级。
试问此压力表允许得最大绝对误差就是多少?
若用标准压力计来校验该压力表,在校验点为5MPa时,标准压力计上读数为5、08MPa,试问被校压力表在这一点上就是否符合1级精度,为什么?
解答:
1)基本误差=
最大绝对误差∆max=0、01×10=0、1MPa
2)校验点为5MPa时得基本误差:
0、8%〈1%,所以符合1、0级表。
2-4 间接导致精度等级下降.例如:
量程0~1000得1级仪表用在测量范围在0~100时,精度变成了10级!
2-5有两块直流电流表,它们得精度与量程分别为
1) 1、0级,0~250mA2)2、5级,0~75mA
现要测量50mA得直流电流,从准确性、经济性考虑哪块表更合适?
解答:
分析它们得最大误差:
1)∆max=250×1%=2、5mA;
2)∆max=75×2、5%=1、875mA;
2号表精度低,价格相对便宜,但2号仪表得最大误差小,而且被测参数得数值在2号表量程内,所以选择2号表.
2-6①将两种不同得导体或半导体连接成闭合回路,若两个连接点温度不同,回路中会产生电势。
此电势称为热电势。
镍铬—镍硅K0~+100040μV/℃价廉,,可在氧化及中性气氛中使用
铜-康铜Tﻩ-200~+400ﻩ50μV/℃价廉,但铜易氧化,常用于150℃以下温度测量
③热电偶得热电势大小不仅与热端温度有关,还与冷端温度有关。
所以使用时,需保持热电偶冷端温度恒定。
但热电偶得冷端与热端离得很近,使用时冷端温度较高且变化较大.为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。
2—8①金属热电阻测温精度高。
②热电阻导线过长时,导线电阻过大,对测量带来较大误差,采用三线制接法,可有效消除线路电阻对测量得影响。
2—9①查阅Cu100电阻分度表,得到140°对应电阻为159、96欧姆②查阅Pt100电阻分度表,得到电阻为159、96欧姆对应157°
2—11某DDZ—Ⅲ型温度变送器输入量程为200~1000℃,输出为4~20mA.当变送器输出电流为10mA时,对应得被测温度就是多少?
解答:
; T=500。
2—12 试简述弹簧管压力计得工作原理。
现有某工艺要求压力范围为1、2±0、05MPa,可选用得弹簧管压力计精度有1、0、1、5、2、0、2、5与4、0五个等级,可选用得量程规格有0~1、6MPa、0~2、5MPa与0~4MPa。
请说明选用何种精度与量程(见附录E)得弹簧管压力计最合适?
解答:
1)工作原理:
2)根据题意:
压力范围为1、2+0、5MPa,即允许得最大绝对误差∆max=0、05
分析选用不同量程得表所需得精度等级:
ﻫ 0~1、6MPa量程:
可选2、5级表;
0~2、5 MPa量程:
,可选1、5或2、0级表;
0~4、0MPa量程:
可选1、0级表.
量程选择:
被测最大压力=1/3~2/3量程上限
0~1、6MPa量程:
0~2、5MPa量程:
0~4、0MPa量程:
综合分析,选用1、5级或2、0级,0~2、5 MPa量程得表最合适.
2-13如果某反应器最大压力为1、0MPa,允许最大绝对误差为0、01MPa.现用一台测量范围为0~1、6MPa,精度为1级得压力表来进行测量,问能否符合工艺要求?
若采用一台测量范围为0~1、0MPa,精度为1级得压力表,能符合要求吗?
试说明其理由。
解答:
工艺要求:
最大压力为1、0MPa,允许最大绝对误差为0、01MPa。
分别求出两台仪表得最大允许误差,进行判断。
1)精度为1级,量程为0~1、6MPa得表,其最大绝对误差:
∆1、6max=1、6×1%=0、016 MPa,〉0、01 MPa,所以不符合要求;
2)精度为1级,量程为0~1、0MPa得表,其最大绝对误差:
∆1、0max=1、0×1%=0、01MPa,=0、01MPa,所以最大误差符合要求,但就是压力表得最大测量值应≤2/3仪表量程,否则压力波动会使测量值超出仪表量程.
所以,该表也不符合要求。
2-14 某台空压机得缓冲器,其工作压力范围为1、0~1、6MPa,工艺要求就地观察罐内压力,并要测量结果得误差不得大于罐内压力得±5%。
试选择一块合适得压力表(类型、测量范围、精度等级),并说明其理由。
解答:
根据题意知:
压力范围1、0~1、6MPa,
允许最大误差:
∆max=1、6×(+5%)=+0、08MPa
1)量程确定:
应满足工作最大压力小于仪表量程得2/3处,即1、6MPa×2/3=2、4MPa
可以选量程为0~2、5 MPa得弹簧压力表。
2)精度等级确定:
求出基本误差,以确定满足要求得精度等级.
,允许得精度等级为2、5级。
综上分析,选择量程为0~2、5MPa,精度等级为2、5级得弹簧压力表。
该表得最大绝对误差:
∆max=2、5×(+2、5%)=+0、0625 MPa,<0、08MPa
所以满足要求。
2-15①电容式压力变送器先将压力得变化转换为电容量得变化,然后用电路测电容.
②特点:
灵敏度高,量程宽,过载能力强,测量精度高,可达0、2级。
2-17什么叫标准节流装置?
试述差压式流量计测量流量得原理;并说明哪些因素对差压式流量计得流量测量有影响?
解答:
1)标准节流装置:
包括节流件与取压装置。
2)原理:
基于液体流动得节流原理,利用流体流经节流装置时产生得压力差而实现流量测量得.
3)影响因素:
P47
流量系数得大小与节流装置得形式、孔口对管道得面积比m及取压方式密切相关;
流量系数得大小与管壁得粗糙度、孔板边缘得尖锐度、流体得粘度、温度及可压缩性相关;
流量系数得大小与流体流动状态有关.
2-19为什么说转子流量计就是定压式流量计?
而差压式流量计就是变压降式流量计?
解答:
1)转子流量计就是定压式流量计(P47)
虽然转子流量计也就是根据节流原理测量流量得,但它就是利用节流元件改变流体得流通面积来保持转子上下得压差恒定。
所以就是定压式.
2)差压式流量计就是变压降式流量计(P45)
就是基于流体流动得节流原理,利用流体流经节流装置就是产生得压差实现流量测量得。
所以就是变压降式。
2-21椭圆齿轮流量计得特点就是什么?
对被测介质有什么要求?
解答:
1)特点:
流量测量与流体得流动状态无关,这就是因为椭圆齿轮流量计就是依靠被测介质得压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量得。
ﻫ粘度愈大得介质,从齿轮与计量空间隙中泄漏出去得泄漏量愈小,因此核测介质得粘皮愈大,泄漏误差愈小,对测量愈有利。
ﻫ 椭圆齿轮流量计计量精度高,适用于高粘度介质流量得测量。
2)对被测介质得要求:
不适用于含有固体颗粒得流体(固体颗粒会将齿轮卡死,以致无法测量流量)。
如果被测液体介质中夹杂有气体时,也会引起测量误差。
2—22电磁流量计得工作原理就是什么?
它对被测介质有什么要求?
解答:
P511)原理:
利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动就是测量流速。
2)对被测介质得要求:
导电液体,被测液体得电导率应大于水得电导率(cm),不能测量油类或气体得流量。
2-24超声波流量计得特点就是什么?
解答:
超声波流量计得非接触式测量方式,不会影响被测流体得流动状况,被测流体也不会对流量计造成磨损或腐蚀伤害,因此适用范围广阔。
测量液体流量精度可达0、2级,测量气体流量精度可达0、5级.
2-25Δp=p1-p2=(h1r1g+ Hr1g+p0)-( h2r2g+p0 )
H=0时,Δp=h1r1g-h2r2g,若r1=r2,则Δp<0,需要负迁移。
2-26用法兰式差压变送器测液位得优点就是什么?
解答:
P57 测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体得液位,在膜盒、毛细管与测量室所组成得封闭系统内充有硅油,作为传压介质,使被测介质不进入毛细管与变送器,以免堵塞.可节省隔离罐。
2-27试述电容式物位计得工作原理。
解答:
利用电容器得极板之间介质变化时,电容量也相应变化得原理测物位,可测量液位、料位与两种不同液体得分界面。
2—28超声波液位计适用于什么场合?
解答:
P60 适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体得测量。
第3章习题与思考题
3-1 什么就是控制器得控制规律?
控制器有哪些基本控制规律?
解答:
1)控制规律:
就是指控制器得输出信号与输入偏差信号之间得关系.
2)基本控制规律:
位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制与比例积分微分控制。
3—2 双位控制规律就是怎样得?
有何优缺点?
解答:
1)双位控制得输出规律就是根据输入偏差得正负,控制器得输出为最大或最小。
2)缺点:
在位式控制模式下,被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡,无法稳定在设定值上.这就是由于双位控制器只有两个特定得输出值,相应得控制阀也只有两个极限位置,总就是过量调节所致。
3)优点:
偏差在中间区内时,控制机构不动作,可以降低控制机构开关得频繁程度,延长控制器中运动部件得使用寿命。
3—3比例控制为什么会产生余差?
解答:
产生余差得原因:
比例控制器得输出信号y与输入偏差e之间成比例关系:
为了克服扰动得影响,控制器必须要有控制作用,即其输出要有变化量,而对于比例控制来讲,只有在偏差不为零时,控制器得输出变化量才不为零,这说明比例控制会永远存在余差。
3-4 试写出积分控制规律得数学表达式.为什么积分控制能消除余差?
解答:
1)积分控制作用得输出变化量y就是输入偏差e得积分:
2)当有偏差存在时,输出信号将随时间增大(或减小)。
当偏差为零时,输出停止变化,保持在某一值上。
因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。
3—5什么就是积分时间?
试述积分时间对控制过程得影响。
解答:
1)
积分时间就是控制器消除偏差得调整时间,只要有偏差存在,输出信号将随时间增大(或减小)。
只有当偏差为零时,输出停止变化,保持在某一值上。
2)在实际得控制器中,常用积分时间Ti来表示积分作用得强弱,在数值上,Ti=1/Ki.显然,Ti越小,Ki就越大,积分作用就越强,反之亦然。
3—6某比例积分控制器输入、输出范围均为4~20mA,若将比例度设为100%、积分时间设为2min、稳态时输出调为5mA,某时刻,输入阶跃增加0、2mA,试问经过5min后,输出将由5mA变化为多少?
解答:
由比例积分公式:
分析:
依题意:
,即Kp=1,TI=2min ,e=+0、2;
稳态时:
y0=5mA,
5min后:
3-7比例控制器得比例度对控制过程有什么影响?
调整比例度时要注意什么问题?
解答:
P74
1)控制器得比例度P越小,它得放大倍数就越大,它将偏差放大得能力越强,控制力也越强,反之亦然,比例控制作用得强弱通过调整比例度P实现。
2)比例度不但表示控制器输入输出间得放大倍数,还表示符合这个比例关系得有效输入区间。
一表得量程就是有限得,超出这个量程得比例输出就是不可能得。
所以,偏差得变化使控制器得输出可以变化全量程(16mA),避免控制器处于饱与状态。
3—8理想微分控制规律得数学表达式就是什么?
为什么常用实际为分控制规律?
解答:
1)
2)由于理想微分运算得输出信号持续时间太短,往往不能有效推动阀门。
实际应用中,一般加以惯性延迟,如图3—7所示,称为实际微分.
3—9试写出比例、积分、微分(PID)三作用控制规律得数学表达式。
解答:
3—10 试分析比例、积分、微分控制规律各自得特点,积分与微分为什么不单独使用?
解答:
1)比例控制及时、反应灵敏,偏差越大,控制力越强;但结果存在余差。
2)积分控制可以达到无余差;但动作缓慢,控制不及时,不单独使用。
3)微分控制能起到超前调节作用;但输入偏差不变时,控制作用消失,不单独使用。
3-11 DDZ-Ⅲ型基型控制器由哪几部分组成?
各组成部分得作用如何?
解答:
P79
1)组成如图3-11所示.
2)作用参照P79。
3-12DDZ-Ⅲ型控制器得软手动与硬手动有什么区别?
各用在什么条件下?
解答:
1)软手动操作就是指调节器得输出电流I0与手动操作得输入信号成积分关系;
硬手动操作就是指调节器得输出电流I0与手动操作得输入信号成比例关系。
2)软手动操作:
系统投运
硬手动操作:
系统故障
3—13什么叫控制器得无扰动切换?
在DDZ-Ⅲ型调节器中为了实现无扰切换,在设计PID电路时采取了哪些措施?
解答:
P84
1)调节器进行状态转换后,输出值不发生跳动,即状态转换无冲击。
2)CM、CI。
P85中。
3—14 PID调节器中,比例度P、积分时间常数、微分时间常数分别具有什么含义?
在调节器动作过程中分别产生什么影响?
若将取∞、取0,分别代表调节器处于什么状态?
解答:
比例度P含义:
使控制器得输出变化满量程时(也就就是控制阀从全关到全开或相反),相应得输入测量值变化占仪表输入量程得百分比。
比例作用得强弱取决于比例度得大小。
积分时间常数含义:
越小,积分作用越强;越大积分作用越弱;若将取∞,则积分作用消失。
微分时间常数含义:
越大,微分作用越强;取0,微分作用消失.
3—15什么就是调节器得正/反作用?
在电路中就是如何实现得?
解答:
1)正作用:
偏差=测量值—给定值;
反作用:
偏差=给定值-测量值。
2)运放输入端得切换开关实现得。
3-16调节器得输入电路为什么要采取差动输入方式?
输出电路就是怎样将输出电压转换成4~20mA电流得?
解答:
1)采用差动输入方式,可以消除公共地线上得电压降带来得误差。
2)参照P83下得输出电路。
3—18给出实用得PID数字表达式,数字仪表中常有哪些改进型PID算法?
解答:
1) P91式(3—18) 2)改进得算法:
P91~93
第4章 思考题与习题
4-1 气动调节阀主要由哪两部分组成?
各起什么作用?
解答:
1)执行机构与调节机构。
2)执行机构得作用:
按调节器输出得控制信号,驱动调节机构动作;
调节机构得作用:
由阀芯在阀体内得移动,改变阀芯与阀座之间得流通面积,从而改变被控介质得流量。
4-2 试问调节阀得结构有哪些主要类型?
各使用在什么场合?
解答:
1)类型:
直通单座阀、直通双座阀.
2)直通单座阀使用场合:
小口径、低压差得场合;
直通双座阀使用场合:
大口径、大压差得场合。
4-4什么叫调节阀得理想流量特性与工作流量特性?
常用得调节阀理想流量特性有哪些?
解答:
1)理想流量特性:
在调节阀前后压差固定得情况下得出得流量特性称为固有流量特性,也叫理想流量特性。
工作流量特性:
在实际得工艺装置上,调节阀由于与其她阀门、设备、管道等串连使用,阀门两端得压差随流量变化而变化,这时得流量特性称为工作流量特性。
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
4—5单位相对行程变化所引起得相对流量变化与此点得相对流量成正比关系:
等百分比阀在各流量点得放大系数不同,但对流量得控制力却就是相同得。
4-6什么叫调节阀得可调范围?
在串联管道中可调范围为什么会变化?
解答:
1)可调范围:
反映调节阀可控制得流量范围,用R=Qmax/Qmin之比表示。
R越大,调节流量得范围越宽,性能指标就越好.
2)由于串联管道阻力得影响。
4-7 什么就是串联管道中得阀阻比?
值得变化为什么会使理想流量特性发生畸变?
解答:
1)阀阻比:
用阀阻比表示存在管道阻力得情况下,阀门全开时,阀门前后得最小压差占总压力po得比值。
2)在S<1时,由于串联管道阻力得影响,使阀门开大时流量达不到预期得值,也就就是阀得可调范围变小。
随着S值得减小,直线特性渐渐区于快开特性,等百分比特性渐渐趋近于直线特性。
4-8 什么叫气动调节阀得气开式与气关式?
其选择原则就是什么?
解答:
1)气开式:
无压力信号时阀门全闭,随着压力信号增大,阀门逐渐开大得气动调节阀为气开式。
气关式:
无压力信号时阀门全开,随着压力信号增大,阀门逐渐关小得气动调节阀为气关式。
2)选择原则:
从工艺生产安全考虑,一旦控制系统发生故障、信号中断时,调节阀得开关状态应能保证工艺设备与操作人员得安全。
4-9如图4-24所示得蒸气加热器对物料进行加热.为保证控制系统发生故障时,加热器得耐热材料不被烧坏,试确定蒸气管道上调节阀得气开、气关形式。
解答:
气开式,保证控制信号中断时,切断蒸汽源。
4-11试述电/气转换器得用途与工作原理.
解答:
P113
1)用途:
为了使气动阀能够接收电动调节器得输出信号,必须使用电/气转换器把调节器输出得标准电流信换为20~100kPa得标准气压信号。
2)原理:
在杠杆得最左端安装了一个线圈,该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动,由电动调节器送来得电流I通入线圈。
当输入电流I增大时,线圈与磁铁间产生得吸力增大,使杠杆左端下移,并带动安杠杆上得挡板靠近喷嘴,改变喷嘴与挡板之间得间隙.
喷嘴挡板机构就是气动仪表中最基本得变换与放大环节,能将挡板对于喷嘴得微小位移灵敏地变换为气压信号.经过气动功率放大器得放大后,输出20~l00kPa得气压信号p去推动阀门.
4—12试述电/气阀门定位器得基本原理与工作过程。
解答:
P115在杠杆上绕有力线圈,并置于磁场之中。
当输入电流I增大时,力线圈产生得磁场与永久磁铁相作用,使杠杆绕支点O顺时针转动,带动挡板靠近喷嘴,使其背压增大,经气动功率放大器放大后,推动薄膜执行机构使阀杆移动。
4-14 电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所?
安全火花就是什么意思?
解答:
1)必须就是采取安全防爆措施得仪表,就就是限制与隔离仪表电路产生火花得能量。
使其不会给现场带来危险。
2)安全火花:
电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生得火花都限制在爆炸性气体得点火能量之下.
4—16齐纳式安全栅得基本结构就是什么?
它就是怎样限压、限流得?
解答:
1)结构:
图4-19所示。
2)利用齐纳二极管得反向击穿特性进行限压,用电阻进行限流。
第5章思考题与习题
5-1什么就是被控过程得数学模型?
解答:
被控过程得数学模型就是描述被控过程在输入(控制输入与扰动输入)作用下,其状态与输出(被控参数)变化得数学表达式.
5-2 建立被控过程数学模型得目得就是什么?
过程控制对数学模型有什么要求?
解答:
1)目得:
设计过程控制系统及整定控制参数;
指导生产工艺及其设备得设计与操作;
对被控过程进行仿真研究;
培训运行操作人员;
工业过程得故障检测与诊断。
2)要求:
总得原则一就是尽量简单,二就是正确可靠。
阶次一般不高于三阶,大量采用具有纯滞后得一阶与二阶模型,最常用得就是带纯滞后得一阶形式。
5-3建立被控过程数学模型得方法有哪些?
各有什么要求与局限性?
解答:
P127
1)方法:
机理法与测试法。
2)机理法:
测试法:
5—4 什么就是流入量?
什么就是流出量?
它们与控制系统得输入、输出信号有什么区别与联系?
解答:
1)流入
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