过程控制技术课后作业答案详解

过程控制与自动化仪表课后作业详解第一章 P152-1. （1）简述图1-6所示系统的工作原理，画出控制系统的方框图并写明每一方框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

LTLC1Q 2Q A图1-6 控制系统流程图答：1）图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节Q 1（流量）来实现液位控制的作用。

2）框图如图1-7所示：控控控LC控控控控控控控A控控控控LT_2()Q t ()1Q t ()r t ()e t ()u t h图1-7 控制系统框图3）控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e (t )、控制量u (t )；执行器输入输出分别为：控制量u (t )、操作变量Q 1 (t ) ；被控对象的输入输出为：操作变量Q 1 (t ) 、扰动量Q 2 (t ) ，被控量h ；所用仪表为：控制器（例如PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。

2-3某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于或等于5％，要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图所示。

要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间； 2）说明该系统是否满足工艺要求。

答：1）稳态误差：e(∞)=810-800=10衰减比：n=B 1/B 2=(850-810)/(820-810)=4 最大超调量：σ=(850-810)/810=4.9%假设以系统输出稳定值的2%为标准，则810*2%=16.2，则 过渡过程时间：ts=17min2）由于规定操作温度为800︒C ，而系统稳态值为810︒C 所以不满足工艺要求。

第二章P711-3 某台测温仪表测量的上下限为500℃~1000℃，它的最大绝对误差为±2℃，试确定该仪表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2℃则精度等级%4.0%1005002±=⨯±=δ 所以仪表精度等级为0.4级1-4某台测温仪表测量的上下限为100℃~1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：由题可得：%22.0%10010010002±=⨯-±=δ仪表精度等级至少0.2以上。

2-1 （1）某一标定为100~600℃的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下： 被校表读数/℃ 100 150 200 250 300 400 500 600 标准表读数/℃1021492042562964034956061)试求该仪表的最大绝对误差。

2）确定该仪表的精度等级。

3）经过一段时间使用后，仪表的最大绝对误差为±7℃，问此时仪表的精度等级为多少？答：1）仪表的最大绝对误差为：±6℃。

2）根据6100% 1.2%500δ=±⨯=±，可知：仪表的精度等级1.2级。

3）此时仪表的精度等级不变，仍然为1.2级。

2-5 用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。

若差压变送器量程为0~410Pa ，对应输出信号为4~20mA DC ，相应流量为0~320m 3/h 。

求差压变送器输出信号为8mA DC 时，对应的差压值及流量值各是多少？答：根据题意可知：斜率 2500100004204=⨯-=k差压值y = 2500pa 流量值160320100002500=⨯=p h m /3第三章P1101-1在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？答：1）在过程控制中，过程控制仪表有：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。

2）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。

执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。

3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa 的模拟气压信号。

电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。

各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。

过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mA DC ，负载250 Ω ；模拟直流电压信号为1~5V DC 。

1-2某比例积分调节器的输入、输出范围均为4~20mADC ，若设100%δ=、12min T =，稳态时其输出为6mA ；若在某一时刻输入阶跃增加1mA ，试求经过4min 后调节器的输出。

答：由比例积分公式（3-1）所示： 111y e edt P T ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰ （3-1） 依题意：%1001==pK p ，即K p =1, e ＝1； 稳态时：y 0＝6mA ， 4min 后：mAdt T e P y y 9)4211(16e 11410=⨯+⨯+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=⎰1-6调节器的正、反作用是如何规定的？答：若调节器输出随反馈值输入的增加而增加，称为正作用调节器，反之为反作用调节器。

正作用：偏差=测量值-给定值； 反作用：偏差=给定值-测量值。

1-9执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执行器有何特点？答：1）执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。

在过程控制系统中，他接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。

2）特点：气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆的等优点，电动执行器优点是能源取用方便。

信号传输速度快和便于远传，缺点就是结构复杂。

价格贵，适用于防爆要求不高或缺乏气源的场所。

2-5如图3-7所示，冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。

在事故状态下，为了保护加热器设备的安全即耐热材料不被损坏，现在蒸汽管道上有一只气动执行器，试确定其气开、气关形式，并画出由PID 电动器构成的控制系统结构框图。

图3-7蒸汽加热器答：1）应选用气开形式，当出现故障导致信号中断时，执行器处于关闭状态，保证耐热材料不被损坏。

2）框图如图3-8所示：PID 控制器气动执行器加热器液位变送器设定值-e实际值u(t)图3-8 系统框图第四章P1421-4图4-1所示液位过程的输入量为1q ，流出量为2q 、3q ，液位为h 被控参数，C 为容量系数，并设1R 、2R 、3R 均为线性液阻。

要求：1）列写过程的微分方程组； 2）画出过程的方框图；3）求过程的传递函数01()()/()G s H s Q s =。

答：1）过程的微分方程组如式（4-1）所示：1232233q q q q q d h Cdt hR h R ⎧∆∆-∆-∆=⎪⎪⎪∆∆=⎨⎪⎪∆∆=⎪⎩（4-1） 2）过程控制框图如图4-2所示：图4-2 过程控制框图3）传递函数如式（4-2）所示：0123()1()11()H S G s Q S CS R R ==++ （4-2）2-1 如图4-6所示，1q 为过程的流入量，2q 为流出量，h 为液位高度，C 为容量系数。

若以1q 为过程的输入量，h 为输出量（被控量），设1R 、2R 为线性液阻，求过程的传递函数01()()/()G s H s Q s =。

图4-1 基本练习题（4）液位过程图4-6 综合练习题（1）液位过程答：根据动态物料平衡关系：流入量＝流出量过程的微分方程的增量形式如式（4-7）所示： 12d hQ Q Cdt∆∆-∆= （4-7） 中间变量：22212212()()()h Q R d h R Q CR h dt R Q S CR SH S H S ∆⎧∆=⎪⎪∆⎪∆=+∆⎨⎪=+⎪⎪⎩（4-8）传递函数如式（4-9）所示： 2012()()()1R H s W s Q s CR S ==+ （4-9） 如果考虑管道长度l ， 即出现纯时延，由于管道流量恒定，所以Ql τ=其传递函数如式（4-10）所示：2012()()()1S R H s W s e Q s CR S τ-==+（4-10）第五章P1761-12 试确定图5-1所示各系统的调节器正反作用方式。

已知燃料调节阀为气开式，给水调节阀为气关式。

gq图5-1加热炉温度、锅炉汽包液位控制系统 a) 加热炉温度控制 b) 锅炉汽包液位控制答：a ）由于被控对象为正作用，温度检测为正作用，执行器为正作用，因此调节器为 反作用方式b ）由于被控对象为正作用，液位检测为正作用，执行器为反作用，因此调节器为正作用方式3-1 如图5-8所示的换热器，用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度。

生产工艺要求热水温度维持在一定范围（℃℃11+≤∆≤-T ），试设计一个简单的温度控制系统，并指出调节器类型。

蒸汽冷水热水冷凝水q图5-8 热交换器原理图答：1、被控参数：热水的温度。

2、控制参数：热蒸汽的流量（蒸汽管道上的阀门开度）。

3、测温元件及其变送器的选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。

4、调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度考虑，选择气开阀。

调节器选PID 或PD 类型的调节器，由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故vK 为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故为0K 正，正作用过程，测量变送mK 为正，为使整个系统中各环节静态放大系数乘积为正，调节器cK 应为正，所以选用反作用调节器。

第六章P1761-12图6-3所示为精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。

生产工艺要求一旦发生事故应立即停止蒸汽的供应。

要求：1）画出控制系统的框图；2）确定调节阀的气开、气关型式；3）确定主、副调节器的正、反作用方式。

图6-3 温度、流量串级控制系统1）控制系统的框图如图6-4所示：图6-4温度、流量串级控制系统框图2）调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以使切断蒸汽的供应，确保设备的安全。

3）主调节器：反作用方式；副调节器：反作用方式。

3-2某加热器采用夹套式加热的方式来加热物料。

物料温度要求严格加以控制。

夹套通入的是由加热器加热后的热水，而加热采用的是饱和蒸汽。

工艺流程如图6-9所示。

要求：1）如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？2）如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？3）如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案；为什么？图6-9 加热物料工艺流程图答：1）如果冷水流量波动是主要干扰，采用前馈-反馈控制；被控变量为物料出料温度，控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。