过程与控制部分课后题答案

1

100%()

y y σ=

⨯∞过程控制系统的一般性框图如图1-1所示：图1-1 过程控制系统的一般性框图 （3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？ 答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。

1）模拟仪表的信号：气动0.02 ~0.1MPa ；电动Ⅲ型：4~20mADC 或1~5V DC 。2）数字式仪表的信号：无统一标准。 （4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。 答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示：

图1-2 加热炉过程控制系统流程

（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？

答：1）单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ； 超调量σ：第一个波峰值

1

y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数：

最大动态偏差A ：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；

静差，也称残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差； 调节时间s t ：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5%±（2%±）范围内所需要的时间；

振荡频率

n ω：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；

上升时间p t

：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；

峰值时间

p

t ：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。

（9）两个流量控制系统如图1-4所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。 图1-4两个流量控制回路示意图

答：系统1是前馈控制系统，系统2是反馈控制系统。系统框图如图1-5如下：

系统1 系统2 图1-5两个流量控制回路方框图

（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？

答：1）不是这样。2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。 （11）构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？

答：1）是的。2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计成安全火花型。 2．综合练习题

（3）某化学反应过程规定操作温度为80±5℃，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1-8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）由上图可得y(∞) = 81℃，设定值r=80℃, B1=85−81=4,B2=82−81=1 稳态误差e(∞) = r − y(∞) =80℃-81℃= −1℃

衰减比：，

最大超调量： 过渡过程时间ts ：大概在18min 左右。

2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为80℃，而最后趋于稳定的值却为81℃，因此不满足工艺要求。

（4）图1-9所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是

什么？

图1-9 锅炉汽泡水位控制流程图 答：1）控制系统框图如图1-10所示：

图1-10 锅炉汽泡水位控制框图

2）被控过程：加热器+汽包；被控参数：汽包水位；控制参数：上水流量；干扰参数：蒸汽流量变化。 1．基本练习题

（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 所以仪表精度等级为0.4级

（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：仪表精度等级至少为0.001级。 或者0.002

（5）有一台DDZ-Ⅲ型两线制差压变送器，已知其量程为20~100kPa ，当输入信号为40kPa 和80kPa 时，变送器的输出分别是多少？ 答：由题可得：变送器输出的分别是8mA 和16mA 。

加热室

12

4

4:11B n B =

==()()8581

100%100% 4.938%()

81

p y t y y δ-∞-=

⨯=

⨯=∞

%4.0%100500

2

±=⨯±=δ

（12）某被测温度信号在40~80℃范围内变化，工艺要求测量误差不超过±1％，现有两台测温仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围为0~100℃，另一台仪表的测量范围为0~200℃，试问：这两台仪表能否满足上述测量要求?

答：由题可得：这两台仪表均不能满足上述测量要求。

（13）热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采用哪几种？

答：1）只有当热电偶的冷端温度恒定时，其热电动势才是单值函数。依据等值替换原理制成的补偿导线，虽然可以将冷端延伸到温度相对稳定的地方，但还不能保持绝对不变。因此，为了消除冷端温度不为零或变化时对测量精度的影响，可以进行冷端温度校正。2）补偿方法常采用查表校正法和电桥补偿法。

2．综合练习题

（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0~4

10Pa ，对应输出信号为4~20mA DC ，相应流量为0~320m3/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

差压值y = 2500pa 流量值 3．设计题

（1）用分度号为K 的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为600℃，此时冷端温度为50℃。试问：实际温度是多少？如果热端温度不变，使冷端温度为20℃时，此时显示仪表指示值应为多少？

答：1）已知冷端温度为50℃，由分布表可查得

0E(t ,0)=E(50,0)=2.022mV 又已知热电动势E=24.902+2.022=26.924mV 所以实际温度为648℃。

2）当冷端温度为20℃时，热电势为0.798 mV26.924-0.798=26.126 mV26.176-25.751=0.425 mV

当冷端温度为20℃时，显示仪表指示值为629℃。

1．基本练习题

（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 。

（2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为4~20mADC ，若设100%δ=、1

2min 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：

（3-1）依题意：，即Kp =1, e ＝1；

稳态时：y0＝6mA ， 111

y e edt P T ⎛⎫=

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