過程控制課后習題答案及解析

1、真誠為您提供優(yōu)質參考資料，若有不當之處，請指正。第1章 自動控制系統(tǒng)基本概念1-3 自動控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？解 自動控制系統(tǒng)主要由檢測變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對象等四個環(huán)節(jié)組成。 1-5 題1-5圖為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說明圖中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意義。題1-5圖 加熱器控制流程圖解 PI-307表示就地安裝的壓力指示儀表，工段號為3，儀表序號為07；TRC-303表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的溫度控制儀表；工段號為3，儀表序號為03；FRC-305表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的流量控制儀表；工段號為3，儀表序號為

2、05。 1-7 在自動控制系統(tǒng)中，測量變送裝置、控制器、執(zhí)行器各起什么作用？解 測量變送裝置的功能是測量被控變量的大小并轉化為一種特定的、統(tǒng)一的輸出信號（如氣壓信號或電壓、電流信號等）送往控制器；控制器接受測量變送器送來的信號，與工藝上需要保持的被控變量的設定值相比較得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結果，然后將此結果用特定信號（氣壓或電流）發(fā)送出去執(zhí)行器即控制閥，它能自動地根據(jù)控制器送來的信號值來改變閥門的開啟度，從而改變操縱變量的大小。1-8試分別說明什么是被控對象、被控變量、給定值、操縱變量、操縱介質？解：被控對象（對象）自動控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)設備或機器。被控變量被

3、控對象內(nèi)要求保持設定值的工藝參數(shù)?？叵到y(tǒng)通常用該變量的名稱來稱呼，如溫度控制系統(tǒng)，壓力制系統(tǒng)等。給定值（或設定值或期望值）人們希望控制系統(tǒng)實現(xiàn)的目標，即被控變量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序變化的。操縱變量（調(diào)節(jié)變量）對被控變量具有較強的直接影響且便于調(diào)節(jié)（操縱）的變量?；驅崿F(xiàn)控制作用的變量。操縱介質(操縱劑)用來實現(xiàn)控制作用的物料。1-11 題l-11圖所示為一反應器溫度控制系統(tǒng)示意圖。A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷卻水流量來控制反應器內(nèi)的溫度不變。試畫出該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖，并指出該系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱變量及可能影響被控變量的干擾是什么？并

4、說明該溫度控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。題1-11圖 反應器溫度控制系統(tǒng)解 該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖題解1-11圖 反應器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中，被控對象：反應器；被控變量：反應器內(nèi)的溫度；操縱變量：冷卻水流量?？赡苡绊懕豢刈兞康母蓴_因素主要有A、B兩種物料的溫度、進料量，冷卻水的壓力、溫度，環(huán)境溫度的高低等。若當反應器內(nèi)的被控溫度在干擾作用下升高時，其測量值與給定值比較，獲得偏差信號，經(jīng)溫度控制器運算處理后，輸出控制信號去驅動控制閥，使其開度增大，冷卻水流量增大，這樣使反應器內(nèi)的溫度降下來。所以該溫度控制系統(tǒng)是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。1-12 題1-11圖所示的溫度控制系統(tǒng)中，如果

5、由于進料溫度升高使反應器內(nèi)的溫度超過給定值，試說明此時該控制系統(tǒng)的工作情況，此時系統(tǒng)是如何通過控制作用來克服干擾作用對被控變量影響的？解：當反應器內(nèi)的溫度超過給定值（即升高）時，溫度測量元件測出溫度值與給定值比較，溫度控制器TC將比較的偏差經(jīng)過控制運算后，輸出控制信號使冷卻水閥門開度增大，從而增大冷卻水流量，使反應器內(nèi)的溫度降下來，這樣克服干擾作用對被控變量影響1-13 按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可分哪幾類？解：按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可以分為以下三類：定值控制系統(tǒng)給定值恒定的控制系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）給定值隨機變化的系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)給定值按一定時間程序變化的系統(tǒng)。 1

6、-19 某化學反應器工藝規(guī)定操作溫度為(90010)。考慮安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80?，F(xiàn)設計的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如題1-19圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質指標：最大偏差、超調(diào)量、衰減比、余差、振蕩周期和過渡時間（被控溫度進入新穩(wěn)態(tài)值的1%（即900（1%）=9）的時間），并回答該控制系統(tǒng)能否滿足題中所給的工藝要求？題1-19圖 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線解 最大偏差A=950-900=50（）；超調(diào)量B=950-908=42（）；由于B=918-908=10（），所以，衰減比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908-900=8；振

7、蕩周期T=45-9=36(min)；過渡時間ts=47min。因為A=5080，C=81.0%，所以該壓力表不符合1.0級精度。3-7什么叫壓力？表壓力、絕對壓力、負壓力(真空度)之間有何關系？解 （1）工程上的壓力是物理上的壓強，即P=F/S（壓強）。（2）絕對壓力是指物體所受的實際壓力；表壓力=絕對壓力-大氣壓力； 負壓力（真空度）=大氣壓力-絕對壓力3-10作為感受壓力的彈性元件有哪幾種？解 彈簧管式彈性元件、薄膜式彈性元件（有分膜片式和膜盒式兩種）、波紋管式彈性元件。3-11彈簧管壓力計的測壓原理是什么？試述彈簧管壓力計的主要組成及測壓過程。解：（1）彈簧管壓力計的測壓原理是彈簧管受壓

8、力而產(chǎn)生變形，使其自由端產(chǎn)生相應的位移，只要測出了彈簧管自由端的位移大小，就能反映被測壓力p的大小。 （2）彈簧管式壓力計的主要組成：彈簧管（測量元件），放大機構，游絲，指針，表盤。 （3）彈簧管壓力計測壓過程為：用彈簧管壓力計測量壓力時，壓力使彈簧管產(chǎn)生很小的位移量，放大機構將這個很小的位移量放大從而帶動指針在表盤上指示出當前的壓力值。3-14 電容式壓力傳感器的工作原理是什么？有何特點？解 見教材第3章3.2.5節(jié)。當差動電容傳感器的中間彈性膜片兩邊壓力不等時，膜片變形，膜片兩邊電容器的電容量變化（不等），利用變壓器電橋將電容量的變化轉換為電橋輸出電壓的變化，從而反映膜片兩邊壓力的差異（即

9、壓差）。其特點：輸出信號與壓差成正比；應用范圍廣，可用于表壓、差壓、流量、液位等的測量。試簡述智能型變送器的組成及特點？答：智能型變送器的特點是：(1)可進行遠程通信，利用手持通信器，可對現(xiàn)場變送器進行各種運行參數(shù)的選擇與標定；(2)精確度高，使用與維護方便；(3)通過編制各種程序，使變送器具有自修正、自補償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能，因而提高了變送器的精確度，簡化了調(diào)整、校準與維護過程；(4)促使變送器與計算機、控制系統(tǒng)直接對話，(5)長期穩(wěn)定工作能力強，每五年才需校驗一次。3-15 某壓力表的測量范圍為01MPa，精度等級為1.0級，試問此壓力表允許的最大絕對誤差是多少？若用標準壓力

10、計來校驗該壓力表，在校驗點為0.5MPa時，標準壓力計上讀數(shù)為0.508MPa，試問被校壓力表在這一點是否符合1級精度，為什么？解 壓力表允許的最大絕對誤差為Dmax=1.0MPa1.0%=0.01MPa在校驗點0.5MPa處，絕對誤差為D=0.5-0.508=-0.008(MPa)該校驗點的測量誤差為故該校驗點不符合1.0級精度。3-16為什么測量儀表的測量范圍要根據(jù)測量大小來選取？選一臺量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)值有何問題？解 （1）為了保證敏感元件能在其安全的范圍內(nèi)可靠地工作，也考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地，但還必須考慮實際使用時的測量誤差

11、，儀表的量程又不宜選得過大。 （2）由于儀表的基本誤差Dm由其精度等級和量程決定，在整個儀表測量范圍內(nèi)其大小是一定的，選一臺量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)值這樣會加大測量誤差。 3-17 如果某反應器最大壓力為0.8MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa。現(xiàn)用一臺測量范圍為01.6MPa，精度為l.0級的壓力表來進行測量，問能否符合工藝上的誤差要求？若采用一臺測量范圍為01.0MPa，精度為1.0級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試說明其理由。解 用01.6MPa、精度為l.0級的壓力表來進行測量的基本誤差D1max=1.6MPa1.0%=0.016MPa0.01MPa(允許值)該表不符合工藝

12、上的誤差要求。 用01.0MPa、精度為l.0級的壓力表來進行測量的基本誤差D2max=1.0MPa1.0%=0.01MPa0.01MPa(允許值)該表符合工藝上的誤差要求。3-18 某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為1.11.6MPa，工藝要求就地觀察罐內(nèi)壓力，并要求測量結果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的5，試選擇一臺合適的壓力計(類型、測量范圍、精度等級)，并說明其理由。解 空壓機緩沖器內(nèi)壓力為穩(wěn)態(tài)壓力，其工作壓力下限pmin=1.1MPa，工作壓力上限pmax=1.6MPa。設所選壓力表量程為p，則根據(jù)最大、最小工作壓力與選用壓力表量程關系，有根據(jù)壓力表量程系列（附表1），可選YX-150型

13、、測量范圍為02.5MPa的電接點壓力表。根據(jù)測量誤差要求，測量的最大誤差為Dmax1.15%=0.055(MPa)則所選壓力表的最大引用誤差應滿足要求，故可選精度等級為1.5級的壓力表。3-19 某合成氨廠合成塔壓力控制指標為14MPa，要求誤差不超過0.4MPa，試選用一臺就地指示的壓力表(給出型號、測量范圍、精度等級)。解 合成塔控制壓力14MPa為高壓，設所選壓力表的量程為p，則根據(jù)壓力表量程系列（附表1），可選YX-150型、測量范圍為025MPa的電接點壓力表。根據(jù)測量誤差要求，所選壓力表的最大允許誤差應滿足要求，故可選精度等級為1.5級的壓力表。 3-20 現(xiàn)有一臺測量范圍為01

14、.6MPa，精度為1.5級的普通彈簧管壓力表，校驗后，其結果為：被校表讀數(shù)/MPa00 04 08 12 16標準表上行程讀數(shù)/MPa0000 0385 0790 1210 1595標準表下行程讀數(shù)/MPa0000 0405 0810 1215 1595試問這臺表合格否？它能否用于某空氣貯罐的壓力測量（該貯罐工作壓力為0.81.0MPa，測量的絕對誤差不允許大于0.05MPa）？解 壓力表的校驗表3-1 壓力表的校驗數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)處理結果被校表讀數(shù)/MPa0.0 0.4 0.8 1.2 1.6最大誤差標準表上行程讀數(shù)/MPa0.000 0.385 0.790 1.210 1.595標準表下行程讀

15、數(shù)/MPa0.000 0.405 0.810 1.215 1.595升降變差/MPa0.000 0.020 0.020 0.005 0.0000.020標準表上、下行程讀數(shù)平均值/MPa0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595絕對誤差D/MPa0.000 0.005 0.000 -0.013 0.005-0.013儀表的最大引用誤差（從絕對誤差和升降變差中選取絕對值最大者做為Dm，求儀表的最大引用誤差）所以，這臺儀表1.5級的精度等級合格。空氣貯罐的壓力屬穩(wěn)態(tài)壓力，且pmax=1.0MPa1.61/3MPa；最大誤差Dmax=1.61.5%=0.024MPa0.6時，與理想

16、流量特性相差無幾。6-12 什么是并聯(lián)管道中的分流比x ？ 試說明x值對控制閥流量特性的影響？解 并聯(lián)管道中的分流比x為x值變化時，控制閥的流量變化，控制閥所控制的流量與總管的流量產(chǎn)生差異，因此，其理想流量特性將會發(fā)生畸變。x=1時，控制閥的流量就是總管的流量，工作特性與理想特性一致。隨著x值的減小，旁路閥逐漸打開，雖然控制閥的流量特性變化不大，但可調(diào)范圍卻降低了。6-13 已知某控制閥串聯(lián)在管道中，系統(tǒng)總壓差為100kPa，阻力比為s=0.5。閥全開時流過水的最大流量為60m3/h。閥的理想可調(diào)范圍R=30，假設流動狀態(tài)為非阻塞流。問該閥的額定(最大)流量系數(shù)Kmax及實際的可調(diào)范圍Rr為多

17、少？解 由 ，得控制閥全開時閥上壓差 Dp1=Dps=1000.5=50 kPa，則實際的可調(diào)范圍Rr為6-14 某臺控制閥的額定流量系數(shù)Kmax100。當閥前后壓差為200kPa時，其兩種流體密度分別為1.2gcm3和0.8gcm3，流動狀態(tài)均為非阻塞流時，問所能通過的最大流量各是多少？解 由，得當r=1.2gcm3時，當r=0.8gcm3時， 6-15 對于一臺可調(diào)范圍R30的控制閥，已知其最大流量系數(shù)為Kmax100，流體密度為1g/cm3。閥由全關到全開時，由于串聯(lián)管道的影響，使閥兩端的壓差由l00kPa降為60kPa，如果不考慮閥的泄漏量的影響，試計算系統(tǒng)的阻力比（或分壓比）s，并說

18、明串聯(lián)管道對可調(diào)范圍的影響（假設被控流體為非阻塞的液體）。解 由于阻力比s等于控制閥全開時閥上壓差與系統(tǒng)總壓差之比，在不考慮閥的泄漏量的影響時，閥全關時閥兩端的壓差就可視為系統(tǒng)總壓差，故本系統(tǒng)總壓差為l00kPa，閥全開時兩端壓差為60kPa，所以阻力比：。 由于該閥的Cmax100，R30，在理想狀況下，閥兩端壓差維持為l00kPa，流體密度為1g/cm3，則最大流量Qmaxl00m3/h，最小流量QminQmaxR100/303.33m3/h。對于非阻塞流的液體，。串聯(lián)管道時，由于壓差由l00kPa降為60kPa，故這時通過閥的最大流量將不再是l00m3/h，而是。這時的可調(diào)范圍；（或）由上可見，串聯(lián)管道時，會使控制閥的流量特性發(fā)生畸變，其可調(diào)范圍會有所降低。如果s值很低，會使