化工仪表及自动化课后习题答案.doc

第1章 自动控制系统基本概念 P161. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。 实现化工生产过程自动化的意义： （1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。 （2）减轻劳动强度，改善劳动条件。 （3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。 （4）能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。2、 一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。3、闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统. 开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。4、自动控制系统主要由哪些环节组成？ 自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。5、p76、PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07； TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03； FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。7、方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。8、测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去。执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。9、被控对象（对象）自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。 被控变量被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。 给定值（或设定值或期望值）人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。 操纵变量（调节变量）对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。或实现控制作用的变量。 操纵介质(操纵剂)用来实现控制作用的物料。10、控制作用是对在受到外界干扰影响偏离正常状态后，回复到规定范围内。干扰作用是引起被控变量偏离给定值，除操控变量以外的各种因素。11、该温度控制系统的方块图题解1-11图 反应器温度控制系统方块图其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：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。若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。所以该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。12、反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反（反相），则叠加的结果将使净输入信号减弱，这种反馈叫负反馈。负反馈可以减小非线性失真。因为引入负反馈后，输出端的失真波形反馈到输入端，与输入波形叠加，因此净输入信号成为正半周小，负半周大的波形，此波形放大后，使其输出端正、负半周波形之间的差异减小，从而减小了放大电路输出波形的非线性失真。13、在11题15、定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。16、在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。 干扰是客观存在的，是不可避免的。一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都受到干扰作用，破坏正常的工艺生产状态。这就需要通过自动化装置不断施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺所要求的技术指标上。一个正常工作的自动控制系统，总受到频繁的干扰作用，总处在频繁的动态过程中。了解系统动态更为重要。17、阶跃作用：在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上，并保持在这个幅度。 采用阶跃干扰的原因：阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。19、等幅振荡过程和发散振荡过程是不稳定过程，生产上不能采用；非周期衰减过程虽是稳定过程，但该过程中被控变量达到新的稳定值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏 离给定值，所以一般也不采用；衰减振荡过程能够较快地使系统达到稳定状态，并且最终的稳态值必然在两峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会远离给定值以致造成 事故。所以21、最大偏差A=950-900=50（）；超调量B=950-908=42（）；由于B=918-908=10（），所以，衰减比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908-900=8；振荡周期T=45-9=36(min)；过渡时间ts=47min。因为A=5080，C=81.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。7 解 （1）工程上的压力是物理上的压强，即P=F/S（压强）。（2）绝对压力是指物体所受的实际压力；表压力=绝对压力-大气压力； 负压力（真空度）=大气压力-绝对压力8.通常，由于各种工艺设备和检测仪表本身就处于大气压力之下，因此工程上常采用表压和真空度来表示压力的大小，一般仪表所指的压力也是表压或真空度。9.测压仪表按其转换原理不同，主要分为四大类：液柱式压力计：它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的；弹性式压力计：它是将被测压力转换成弹性元件的位移来进行测量的；电气式压力计：它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的；活塞式压力计：它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。10.主要的弹性元件有：1 弹簧管：可分为单圈弹簧管与多圈弹簧管，它们的测压范围较宽，最高可测量高达1000MPa的压力；2膜片：可分为平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器； 3波纹管：这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。11 解：（1）弹簧管压力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，使其自由端产生相应的位移，只要测出了弹簧管自由端的位移大小，就能反映被测压力p的大小。（2）弹簧管式压力计的主要组成：弹簧管（测量元件），放大机构，游丝，指针，表盘。（3）弹簧管压力计测压过程为：用弹簧管压力计测量压力时，压力使弹簧管产生很小的位移量，放大机构将这个很小的位移量放大从而带动指针在表盘上指示出当前的压力值。12.13.将霍尔元件与弹簧管配合，可组成霍尔片式弹簧管压力传感器。当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例，利用这一电势就可实现压力的测量。14.应变片式压力传感器：测压元件是电阻应变片。利用金属导体的电阻应变效应制成的。压阻式压力传感器：测压元件是单晶硅片。利用半导体的压阻效应制成的。15.工作原理：将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。特点：结构紧凑、灵敏度高、过载能力大、测量精度可达0.2级、可以测量压力和差压。20. 解 压力表允许的最大绝对误差为Dmax=1.0MPa1.0%=0.01MPa在校验点0.5MPa处，绝对误差为D=0.5-0.508=-0.008(MPa)该校验点的测量误差为故该校验点不符合1.0级精度。21. 解 （1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地，但还必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。（2）由于仪表的基本误差Dm由其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测量误差。22. 解 用01.6MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差D1max=1.6MPa1.0%=0.016MPa0.01MPa(允许值)该表不符合工艺上的误差要求。 用01.0MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差D2max=1.0MPa1.0%=0.01MPa0.01MPa(允许值)该表符合工艺上的误差要求。23. 解 空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限pmin=1.1MPa，工作压力上限pmax=1.6MPa。设所选压力表量程为p，则根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为02.5MPa的电接点压力表。根据测量误差要求，测量的最大误差为Dmax1.15%=0.055(MPa)则所选压力表的最大引用误差应满足要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。24. 解 合成塔控制压力14MPa为高压，设所选压力表的量程为p，则根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为025MPa的电接点压力表。根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。25. 解 压力表的校验压力表的校验数据及其数据处理结果被校表读数/MPa0.0 0.4 0.8 1.2 1.6最大误差标准表上行程读数/MPa0.000 0.385 0.790 1.210 1.595标准表下行程读数/MPa0.000 0.405 0.810 1.215 1.595升降变差/MPa0.000 0.020 0.020 0.005 0.0000.020标准表上、下行程读数平均值/MPa0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595绝对误差D/MPa0.000 0.005 0.000 -0.013 0.005-0.013仪表的最大引用误差（从绝对误差和升降变差中选取绝对值最大者做为Dm，求仪表的最大引用误差）所以，这台仪表1.5级的精度等级合格。空气贮罐的压力属稳态压力，且pmax=1.0MPa1.61/3MPa；最大误差Dmax=1.61.5%=0.024MPa0.6时，与理想流量特性相差无几。9. 解 并联管道中的分流比x为x值变化时，控制阀的流量变化，控制阀所控制的流量与总管的流量产生差异，因此，其理想流量特性将会发生畸变。x=1时，控制阀的流量就是总管的流量，工作特性与理想特性一致。随着x值的减小，旁路阀逐渐打开，虽然控制阀的流量特性变化不大，但可调范围却降低了。11. 解 气动执行器（控制阀）的气开式为，有压力控制信号时阀开，无压力控制信号时阀处于全关；气关式为，有压力控制信号时阀关，无压力控制信号时阀处于全开。气动执行器的气开式与气关式的选择原则是考虑工艺生产的安全，即控制信号中断时，应保证设备和工作人员的安全。16.试述电-气阀门定位器的用途。答电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。第6章 简单控制系统 p1681、简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。2.解 该反应器温度控制系统方块图如下图所示。题解7-2图 反应器温度控制系统方块图其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度控制器TC。根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。3、试简述家用电冰箱的工作过程，画出其控制系统的方框图。7（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。12. 根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。13 解 （1）根据工艺要求，题7-13(a) 图所示加热器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；加热剂流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。（2）根据工艺要求，题7-13(b) 图所示冷却器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；冷剂流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“正”作用。14 解 （1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。（2）当选择流入量Qo为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“反”作用。16. 解 PI作用时控制器的比例度d=66%，积分时间TI=2.55min。PID作用时控制器的比例度d=51%，积分时间TI=1.5min，微分时间TD=0.375min。17. 解 PI作用时控制器的比例度d=60%，积分时间TI=2.5min。PID作用时控制器的比例度d=40%，积分时间TI=1.5min，微分时间TD=0.5 min。第7章 复杂控制系统 p199 5.解 （1）这是一个温度-流量串级控制系统，其方块图如下：题解8-5图1 温度-流量串级控制系统的方块图其中：主对象是聚合釜，主变量是聚合釜内的温度，主控制器是温度控制器TC；副对象是冷却水管道，副变量是冷却水流量，副控制器是流量控制器FC；操纵变量是冷却水流量。（2）如果聚合釜的温度不允许过高，控制阀应为气关型式（“反”作用）。（3）由于副变量就是操纵变量（冷却水流量）本身，所以副对象是“