仪表习题解杨丽明答案重点.doc

化工自动化及仪表（杨丽明）习题答案第一章12、方块图：把控制方案已定的自控系统中的各部分（环节）用一个方块来表示，方块间用带箭头的线条来表示相互间的信号联系，方块内填入相应的传递函数以表示信息的动态关系，便构成了方块图。方块图的基本元素：信息、环节、加法器。13、（1）Y(S) G=Y(S)X(S)=G1(S)G2(S)（2）、并联Y=G1X+G2X G= Y=G1+G2 X(3)、正反馈Y=(X+Y)G1G2 G=YG1G2= X1-G1G2(3)、负反馈Y=(X-Y)G1G2 G=14、图YG1G2= X1-G1G2 (1)步骤：（1）把相互交叉的环路整理成相互包含的环路；（2）、从最内环开始，有里到外外化简；（3）、每次化简，首先求该环路的输出与输入间的关系，再求出该环路的传递函数，从而把该环路化简成对应的一个环节。依次类推。最后求出整个系统的传递函数，YY=(X-Y)G1G2/Y/G1G2 G=/= X1+G1G2/Y=(X+G=G4GGY)12G3 G11+G1G2G1G2G3Y =X1+G1G2-G2G3G4（2）、图1-32P18XG1+(X-Y)G2=Y G=15、（1）、方块图（咯）被控对象：加热器被控变量;物料出口温度控制变量：蒸汽流量或压力可能存在的干扰：物料进口流量及温度 GG2+G21+G200 （2）、由于工艺需要出口温度从80C提高到85C，即设定值发生了变化，故属随动控制系统。5GcGvG05 G= =51+GcGvG0Hm1+117s+97s+411155T=GX=(s)(s) (s)7s+9s （因阶跃A=5）又在零初始条件下，T(s)=T(s)由端点性质得 T()=limT(t)=limsT(s)=limsts0s055=2.780C 7s+9s即物料出口温度的稳态变化量系统的余差为 c=5-2.78=2.22C第二章 0T()=2.7801、对象特性：对象的输出与输入间的关系。3、控制通道;控制作用至被控变量的信号联系；干扰通道：干扰作用至被控变量的信号联系。4、对象的数学模型有;参量模型: 采用数学方程式来表示对象输入输出间的关系，如微分方程、偏微分方程、状态方程、差分方程、传递函数等；非参量模型 ：采用曲线或表格来表示对象输入输出的关系。5、建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模。6、一阶对象：可用以阶线性微分方程来描述其特性的对象。7 、由克希霍夫定律：Ldidt+Ri+u0=ui L=C=idti=du0uc0dt 代入上式得Rcdu0dt+udu0=ui T0dt+u0=Kui K=1TsU0(s)+U0(s)=KUi(s)G(s)=KTs+18、容器内气体质量的变化量为 dM=cdP0（由c=dMdP)管路及阀门通过的气体质量变化量（质量流量）为Gdt由R=Pi-P0G得 G=Pi-P0R故有dM=cdPPi-P0P-P00=Gdt=Rdt cdP0=iRdtRcdP0dt+P TdP00=Pi dt+P0=KPiTsP0(s)+P0(s)=KPi(s) GK(s)=Ts+19、对贮槽1和2列物料平衡方程c1dh1=(q1-q2)dt （1） c2dh2=(q2-q3)dt（1）+（2）得 c1dh1+c2dh2=qh2dtdt1-q3=q1-R （3）24 (电感） 2） （对（2）求导c1得d2h2h-hhcdhcdh2c1c2c12=(12)/c1-(2)/c1=11-1-dh2 （4） dtR1R2R1dtRdtR21（3）代入（4）得d2h2c1dh2c11h2dh2 c1c2+dh=(q-c) 2122dtR1dtR2R1R2dtd2h2dhdhdh 整理得R1c1R2c22+R1c12R2c22R2c12+h2=R2q1 dtdtdtdt令T1=R1c1 T2=R2c2 K=R2d2h2dh2+(T+T+RC)+h2=Kq1 得 T1T21221dt2dt拉氏变换得 T1T2s2H(S)+(T1+T2+R2c1)sH(s)+H(s)=KQ(s)G(s)=10、对象特性参数有： 放大系数K、时间常数T 和滞后时间。（1）、K：表征对象对其输入的放大能力，为对象的稳特性。K=H(s)Q(s)=K 2T1T2s+(T1+T2+R2c1)s+1 K0越大，控制作用对被控变量的影响越大，但K0不可过大，否则放大能力太强，易引起振荡，使过程不稳定。一般要求K0适当大。Kf越大，干扰作用对被控变量的影响越大，所以Kf越小越好。（2）、T：反应对象输出对其输入响应的快慢程度，为动特性（为对象从受到阶跃干扰到其输出达到最终稳态值的63.2%所需时间，或对象输出保持初速度大最终稳态值所需时间）。T0:T0越大，控制作用越不及时，一般要求T0适当小，但不可过小，否则响应太快，易引起振荡，不易稳定。Tf：Tf越大，被控变量对干扰作用的响应越慢，越易控制。所以Tf越大 5越好。（3）、：又分纯滞后（传递滞后）和容量滞后（过渡滞后）。纯滞后：由于物料或能量的传递需通过一定的距离而引起的时间滞后 。 容量滞后：由于物料或能量的传递需克服一定的阻力而引起的时间滞后。0：控制通道滞后时间越大，控制作用越不及时，故其越小越好。 f：干扰通道滞后时间的存在，只是把干扰的进入推迟了一段时间，所以其对过渡过程影响不大。11、有滞后的一阶对象特性方程 Tdydt+y=Kx(t-）已知T=5 K=10 =2故其微分方程为 5dydx+y=10x(t-2)拉氏变换得5sY-2s(s)+Y(s)=10X(s)e传递函数为 GS)10e-2s(s)=Y(X=(S)5s+112、c=0.5 q0不变 f=0.1m3h-1稳定时 q0=qi f进入后 qi=qi-q0cdh=(qi-q0)dt=qidtcdhdt=q5dhdhi 即0.dt=qi（即Tdt=Kqi）拉氏变换得 0.5sH(s)=Q(s)GH(S)1(s)=Q=(S)0.5s=2s由（1)得 0.5dh=qidt当qi=0.1m3h-1时 积分得6 1） 2） （0.5dh=0.1dt 0.5h=0.1t 00htht h= 5(h)13、()=KA=(3.0-2.5)K=150-120=30K=60 =2-0=2min0 由图可知： 当t=8min时，=145C, 即被控变量在（8-2）min-(8-2)内的增量为（145-120）C,故(8-2)=KA1-e 0- 即 25=30(1-e) T=3.35min因对象为一阶线性对象，故有dy+y=Kx(t-) Tdtdy 3.35+y=60x(t-2) dt3.35sY(S)+Y(s)=60X(s)e-2sG(S)=Y(S)X(s)=60e-2s 3.35s+118、控制规律:控制器的输出与其输入的关系。工业上常用的控制规律有位式、比例式、比例积分式、比例微分式、比例积分微分式。它们各自的特点如下。（1）、位式 属简单的控制规律，一般适用于控制质量要求不高的场合。(2)、比例式 克服干扰能力强，控制及时，过渡时间短。属最基本的控制规律。其缺点是有余差。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上允许存在余差的场合。（3）、比例积分式 积分作用可消除余差。缺点是稳定性降低。适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺要求不允许存在余差的场合。 7（4）、比例微分式 微分控制具超前作用，它能反应偏差变化的速度。但稳定性差。适用于对象有较大容量滞后的场合。但对于滞后小、干扰频繁、及测量信号噪声严重的系统，则不适用。（5）、比例积分微分式 综合了比例、积分、微分三者的优点，适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。20、（1）、比例度 比例控制器输入的相对变化量与其输出的相对变化量之比的百分数。即ex-x =maxmin100 umax-umin过大，控制作用太弱；过小，控制作用太强，易引起振荡，不易稳定，故要适中。（2）、积分时间Ti 控制器的输出追上阶跃输入偏差e的幅值A所需时间。 Ti过大，积分作用太弱，不利于控制；过小，积分作用太强，易引起振荡。（3）、微分时间Td 控制器输出信号比其输入偏差信号超前的时间。 Td过小，微分作用太弱；过大微分作用太强，震荡加剧，不易稳定。0.6-0.427、=100=83% 0.7-0.5110028、50=100 u=20 即20% 100-029、 ue 2 4 t(min) 2 4 t(min) 第二分钟时，e进入，比例作用使u增至10（KP=1)，然后积分控制起作用，2min后追上e的幅值，第4min时，e=0，积分作用保持不变为10（比 8例消失）。30、初始u=50（设为零），e=0.1，x(t)不变（为零），u(t)=0.6-0.5=0.1 比例作用 u=Kpe 即 0.1=0.1Kp， Kp=1。e%u 0 tt(min) (e进入的瞬间 ，比例和微分同时起作用。因输出线性上升，说明无微分作用）de 比例微分作用 u=Td+eKp 0.1=Td+0.11 Td=0 dt（e进入的瞬间de=） dt1 比例积分作用 u=Kpe+edtTi（0.8-0.5）=1（0.1+1Ti300.1dt）=0.1+0.3 Ti=0.5min Ti纯积分作用 （0.8-0.6）=1Ti300.1dt=0.3 Ti=1.5min Ti31、ueudtde （e=mt） u=Kp(e+Td) dt第三章3、测量误差 ： 测量值与被测量真值之差。仪表的精度等级 ：仪表在规定的工作条件下所允许的最大相对百分误差。4 、=0.61000=0.6 100-00.6介于0.5与1.0之间，若选1.0级仪表，其绝对误差为=1001.0%=1.0mh3-1，超出了0.6mh3-1的范围，而0.5级仪表，其绝对误差为=1000.5=0.5m3h-1，其绝对值小于0.6m3h-1，故应选0.5级流量计。5、该仪表最大相对百分误差为=-0.5max=100=0.625 A100-20可见其精度等级为1.0级，已不能满足工艺要求。或 =-0.5大于（100-20）0.5%=0.4的工艺允许值，超出了工艺要求。 要继续使用，可减小其量程。（） max亦减小。即max100=0.625，在误差不变的情况下，减小A，A0.40.4=0.625 量程范围 A=64 即把量程调整为2084kPa。 A0.62500 6、 （1）、 01600C仪表，量程范围内的最大绝对误差为max=(1600-0)1=160C100C，不可用。01000C仪表，max=(1000-0)1=100C，可用。（2）、量程01000C、精度等级为1.0的仪表，其绝对误差为10C,；量程01000C、精度等级为0.5的仪表，其绝对误差为5C，虽然测量准确度高于前者，但从节约原则出发，应选前者，后者可用于要求更高的场合。7、过程参数检测的一般原理 守恒原理 场的定律 热电效应 热阻效应 应变效应和压阻效应10、变送器量程调整：使变送器输出信号上限与测量范围上限相对应。相当于改变输出输入特性的斜率，一般通过改变反馈部分的特性来实现。如下图。10 00000yy x(xmin) x/max xmax零点调整、零点迁移：都是使变送器输出信号下限值与测量范围下限值相对应。零点调整：使变送器测量起始点为零。零点迁移：把测量起始点由零迁移到某一数值（正值或负值，即正迁移和负迁移）。y y yy ymy ym xmin=0 xmax x 0 xmin xmaxx xmin 0 xmax x 未迁移 正迁移 负迁移13、x、y为直线关系，ymax y y x0 xmin x xmaxtg=ymax-yy-ymin= xmax-xx-xminy=(ymax-ymin)(x-xmin)+ymin xmax-xmin11或y=ymax-yminx xmax-xmin本题中 xmax-xmin=100-20=80 ymax-ymin=20-4=16 当x=40 y=当x=70 y=y=（I0=KiP+FZKZ 4=Ki20+FZKZ =Ki100+FZKZ 解得Ki= KZFZ=01 即I0=P 当P=40时 I0=4mA 当P=70时 I0=14mA ） 519、（1）、设量程为A则有1.11 A3.3MPa A31.63 2.1MPa A41670=14 80161640-20+4=8 8080根据压力表量程系列，选02.5MPa的压力表。= 、1.15=0.055MP（2=）a maxmax0.055=0=2.2 10102.5-02.5应选1.5级的压力表。20、（1）、设量程为A，则有14318.67MPa 故应选025MPa的压力表。 A40.4=100=1.6 选1。5级压力表 且不含铜 （2）、xam251.41 A42MPa A329、（1）、E(t,30)=38.5mA 查表得E(30,0)=1.203mAmA E(t,0)=38.5+1.203=39.703热电偶t与E在小的温度范围内，可认为是线性关系，查表知 1239.解得 a=0.0394 b=1.884 则 39.703=0.0394t+1.884 t=950.870C（2）、若为E型 则E(30,0)=1.801mAE(t,0)=38.5+1.801=40.301mA查表得a+ba+b 解得a=0.809 b=-3.45 40.301=0.809t-3.45 t=540.80C30、用分度号为E的分度表求得t=715.20C,查分度号为E的热电偶的分度表得EE(715.2,0)=0.076715.2-2.609=54.32mA又EE(30,0)=1.801mA 则 EE(715.2,0)=EE(715.2,30)+EE(30,0)=54.32 54.32=EE(715.2,30)+1.801 EE(715.2,30)=54032-1.801=52.519mA 即EK(t,30)=52.519mA对K型 EK(30,0)=1.203mA则 EK(t,0)=52.519+1.203=53.722mA查K型分度表得 则有 53.722=0.0344t+7.699 t=1337.880C33、Cu100，查1400C时电阻R=159.96.由Pt100分度表查得则 159.96=0.37t+101.84 t=157.080C44、112P1=P+gh P2=P+1gH P=gh-1gH当h=0时 P=-1gH=-11183.4Pa=11.1834kPa当h=950mm时 P=12009.810.95-11183.4=0kPa设量程A 则 11.1834314.91kPa 4A应选量程为016kPa的变送器需负迁移，迁移量为-11.1834kPa。x)(kPa)第六章3、当调节阀输入信号增大时，阀的流量增大，为正作用，气开阀。反之为反作用，气关阀。阀的正反作用，可通过调节执行机构和调节机构的正反作用来实现。执行机构： 输入信号增大，阀杆下移，为正作用（正装），反之为反作用（反装）。调节机构： 阀杆下移，流量减小，为正作用，反之为反作用。16、KV=10QQgcm-310=14.06） =14.06 （或KV=PP.64取KV=16 （P169表6-3） 查得Dg=32mm S=Rr=S=0.41=6.4以S=0.41 KV=16 P=164 Qi=18（或10） =1代入验算公式可得 k=92 k/=72qi第七章14、气开阀，控制器为反作用。15、图a气开阀，控制器为反作用。图b气开阀，控制器为正作用。 16、（1）、qi为控制变量。164=0.41(在0.30.6之间） （泵出口压力即为管路系统总压） 400Qmax18=1.8 Qmin10气开阀；当qi时，对象为正作用，执行器为正作用，故控制器为反作用。（2）、q0为控制变量气关阀；当q时，对象为反作用，故控制器为反作用。第八章5、（1）、串级控制系统。(2)、气关阀、反作用。副对象为正作用，副控制器