过程控制系统与仪表习题答案

1、.一、某化学反应器，工艺规定操作温度为 200 ±10，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过 15。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示，试求：该系统的过渡过程品质指标（最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间） ，并问该调节系统是否满足工艺要求。参考答案：最大偏差A = 230-200 = 30 余差C= 205-200 = 5 衰减比n = y1: y3 = 25:5 = 5:1振荡周期T = 20 5 = 15（min ）设被控变量进入稳态值的土2，就认为过渡过程结束，则误差区域=205 ×（ ± 2） &#

2、177; 4.1在新稳态值（ 205）两侧以宽度为± 4.1画一区域（阴影线） 。曲线进入时间点Ts =22min工艺规定操作温度为200±10，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15，而该调节系统A=30 ，不满足工艺要求。'.最大偏差A = 230-200 = 30 余差C= 205-200 = 5 衰减比n = y1: y3 = 25:5 = 5:1二、如图所示，用差压变送器检测液位。已知11200kg m3 ，2950kgm3 ，h11.0m ，h2 5.0m ，液位变化的范围为03.0m ，如果当地重力加速度 g 9.8m s，求差压变送器的量

3、程和迁移量。当液位在 03.0m 变化时，差压的变化量为1gHmax 1200×9.8×3.035280 Pa根据差压变送器的量程系列，可选差变的量程为40kPa当 H0 时，有p 2g（h2h1） 950×9.8×（5.01.0） 37240 Pa所以，差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为37.24kPa迁移后该差变的测量范围为37.242.76kPa若选用 DDZ- 型仪表，则当变送器输出I4mA 时，表示H0；当 I 20mA 时， H40×3.0 35.283.4m，即实际可测液位范围为03.4m。'.如果要求 H3.0m 时差

4、变输出满刻度（ 20mA ），则可在负迁移后再进行量程调整，使得当p 37.2435.28 1.96kPa 时，差变的输出达到20mA 。三、有一台电动差压变送器，表量程为25000Pa ，对应的最大流量为50t/h ，工艺要求40t/h时报警。问：不带开方器时，报警值设定在多少？带开方器时，报警信号设定在多少？参考答案：不带开方器时对应40t/h 流量的差压P1= 25000(40/50)2=16000Pa对应 40t/h 流量的输出I 出 1= （16000/25000 ）16+4=12.24mA报警值 S=12.24mA带开方器时 ,Q=KP对应 40t/h 流量的差压P2= 25000

5、(40/50)=20000Pa对应 40t/h 流量的输出I 出 2= （20000/25000 ）16+4=16.8mA报警值 S=16.8mA四、某比例控制器，温度控制范围为400 800 ，输出信号范围是420mA 。当指示指针从 600 变到 700时，控制器相应的输出从8mA 变为 16mA 。求设定的比例度。'.即：温度的偏差在输入量程的50区间内（即 200）时， e 和 y 是 2 倍的关系。五、有一台比例积分调节器，它的比例度为50%，积分时间为 1 分，开始时，测量、给定和输出都在50%，当测量变化到 55%时，输出变化到多少？ 1 分钟后又变化到多少？(1)当测量

6、由 50%跃变到 55%的一瞬间，时间 t=0 。已知调节器的比例度 =50%，积分时间 TI=1分，= I 入=55%-50%=5%代入上式可得y(0+)=I 出 (0+)= =10%即输出变化为 10%加上原有的 50%，所以输出跃变到60%。(2)一分钟后，输出变化为y(1)=I 出 (1)=20%加上原有的 50%，所以一分钟后输出变到50%+20%=70%六、请判定图所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。T物料'.1.当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质， 调节介质为过热蒸汽时；（ A ）2.当物料为温度过高时易结焦或分解的介质， 调节介质为过热蒸汽时；（ B ）3

7、.当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；（ C）4.当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时；（ D ）A.气关调节阀，正作用调节器；B.气开调节阀，反作用调节器；C.气开调节阀，正作用调节器；D.气关调节阀，反作用调节器.七、对于图示的加热器串级控制系统。要求：（1 ）画出该控制系统的方框图，并说明主变量、副变量分别是什么？主控制器、副控制器分别是哪个？（2 ）若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开气关型式；（3 ）确定主、副控制器的正反作用；（4 ）当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程；'.（

8、5 ）当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程；（注：要求用各变量间的关系来阐述）解：（1）该控制系统的方框图扰动1扰动2主设副设操纵蒸汽定值温度定值流量控制阀变量流量流量对控制器控制器副测量值流量测量变 送主测量值温度测量变 送温度对象出口温度（2）由于工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，所以控制阀应选用气开型式，一但气源故障断气，控制阀自动关闭，蒸汽不再进入加热器，以避免介质温度过高发生事故。（3）确定主、副控制器的正反作用：在副回路中，由于流量对象是“ ”作用（阀开大，流量增加）的（Ko2>0 ），控制阀也是“ ”作用（气开式）的（ Kv>0），故副控制器 F

9、C 是“ ”特性（ Kc2>0 ），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用；在主回路中，由于主对象是“ ”作用（副变量蒸汽流量增大，主变量出口温度也增大）的（Ko1>0 ），故主控制器 TC 是 “” 特性（ Kc1>0），选反作用，这样才起到负反馈的控制作用。（4）当蒸汽压力突然增加时， 该控制系统的控制过程如下： 蒸汽压力增加，则蒸汽流量增加，由于 FC为反作用， 故其输出降低， 因而气开型的控制阀关小， 蒸汽流量减少以及时克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响， 因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响，'.提高了控制质量。（5）当冷物料流量突然加大时，该

10、控制系统的控制过程如下：冷物料流量加大，加热炉出口物料温度降低，反作用的TC 输出增加，因而使FC 的给定值增加，FC 为反作用，故其输出也增加，于是气开型的控制阀开大，蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加，起到负反馈的控制作用。九、试判断图示两系统各属于何种控制系统？说明其理由，并画出相应的系统方框图。右图是以加热器出口温度为主被控变量，以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成的典型串级控制系统；左图是一种形似串级控制但实际是一种前馈反馈控制系统。两个控制器 TC 与 FC串级工作，TC 的输出作为 FC 的给定，形似串级控制，但并没有副回路，只有一个反馈回路，执行器的输出并不能改变原料的流

11、量， 所以不能认为是一个串级控制系统。为静态前馈 - 反馈控制的非标准形式。'.有时前馈反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似，试问任何区分它们？试分析图示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。? 前馈反馈控制系统也有两个控制器，但在结构上与串级控制系统是完全不同的。? 串级控制系统是由内、外两个控制回路所组成；'.? 而前馈反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。图（ b ）是以加热器出口温度为主被控变量，以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成的典型串级控制系统；图（ a）是一种形似串级控制但实际是一种前馈反馈控制系统。两个控制器TC 与 FC

12、 串级工作， TC 的输出作为 FC 的给定，形似串级控制， 但并没有副回路， 只有一个反馈回路，执行器的输出并不能改变原料的流量，所以不能认为是一个串级控制系统。为静态前馈-反馈控制的非标准形式。参考答案：FTFCTCTC+FC进料TT出料T被加热原料出口温度燃料油燃料油'.炉出口温度对燃料油流量的串级控制加热炉的前馈反馈控制系统十、图示的热交换器中，物料与蒸汽换热，要求出口温度达到规定的要求。试分析下述情况下应采取何种控制方案为好。画出系统的结构图与方块图。（ 1）物料流量 F 比较稳定，而蒸汽压力波动较大。（ 2）蒸汽压力比较稳定，而物料流量 F 波动较大。（ 3）物料流量 F 比较稳定，而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。（1）物料流量 F 比较稳定，而蒸汽压力波动较大。可设计出口温度为主变量，蒸汽压力为副变量的的串级控制系统。'.扰动 f2扰动 f1设定值温度控压力控P温度 T压力对象+制器 TC+执行器温度对象制器 PC测量、变送 y2测量、变送 y1控制系统方