过程控制系统与仪表习题答案

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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%)=± 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ρ1=1200kg/m3,ρ2=950kg /m3,h1=1.0m,h2=5.0m,液位变化的范围为0~3.0m,如果当地重力加速度g=9.8m/s,求差压变送器的量程和迁移量。

当液位在0~3.0m变化时,差压的变化量为

ρ1gHmax=1200××=35280 Pa

根据差压变送器的量程系列,可选差变的量程为40kPa

当H=0时,有

Δp=-ρ2g(h2-h1)=-950××(-)=-37240 Pa

所以,差压变送器需要进行负迁移,负迁移量为

迁移后该差变的测量范围为-~

若选用DDZ-Ⅲ型仪表,则当变送器输出I=4mA时,表示H=0;当I=20mA时,H=40×/=3.4m,即实际可测液位范围为0~3.4m。

如果要求H=3.0m时差变输出满刻度(20mA),

则可在负迁移后再进行量程调整,

使得当Δp=-+=-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:①不带开方器时,报警值设定在多少②带开方器时,报警信号设定在多少

参考答案:

①不带开方器时对应40t/h流量的差压

ΔP1= 25000(40/50)2=16000Pa

对应40t/h流量的输出

I出1=(16000/25000)16+4=

∴报警值S=

②带开方器时, ∵ΔQ=KΔP

对应40t/h流量的差压

ΔP2= 25000(40/50)=20000Pa

对应40t/h流量的输出

I出2=(20000/25000)16+4=

∴报警值S=

四、某比例控制器,温度控制范围为400~800℃,输出信号范围是4~20mA。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)当测量由50%跃变到55%的一瞬间,时间t=0。已知调节器的比例度δ=50%,积分时间TI=1分,ε=ΔI入=55%-50%=5%

代入上式可得Δy(0+)= ΔI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Δy(1)= ΔI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.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;

(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

(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FC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。

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