合肥工業(yè)大學過程儀表復習題

1、.6. 在圖 1-11 的換熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，工藝要求熱物料出口溫度保持為某一設定值。試畫出該控制系統(tǒng)的方框圖；方框圖中各環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號是什么？整個系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號又是什么？系統(tǒng)在遇到干擾作用（如冷物料流量突然增大）時，該系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動控制的？蒸汽TCTT冷物料熱物料干擾Ts執(zhí)行器換熱器T溫度控制器溫度測量變送裝置答：如圖所示為該控制系統(tǒng)的方框圖。該控制系統(tǒng)及各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號如圖所示。整個系統(tǒng)的輸入信號為：給定值ys，干擾作用 f ，輸出為熱物料出口溫度 T ，當冷物料流量增大，則出口溫度 y 減小， TT 檢測后所得 ym 減小，偏差信號e=ym- ys<

2、;0，輸入調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生控制信號 u，使執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥加大閥門開度，使溫度T 升高，從而實現(xiàn)控制。7. 圖 1-12 為貯糟液位控制系統(tǒng)，工藝要求液位保持為某一數(shù)值，（ 1）試畫出該系統(tǒng)的方框圖；（ 2）指出系統(tǒng)中被控對象，被控變量，操縱變量，干擾作用各是什么？'.qv1LTLCqv2（ 1）如圖所示為該控制系統(tǒng)的方框圖；fhs執(zhí)行器貯槽h液位控制器液位測量變送裝置-（ 2）該系統(tǒng)中被控變量對象為貯槽；被控變量為貯槽液位；操縱變量為出水流量；干擾作用為：進水流量，大氣溫度等。例 1 管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)。1）指出該系統(tǒng)中主、副對象、主、副變量、操縱變量、主、副擾動變量、主、副調(diào)

3、節(jié)器各是什么？2）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定各個環(huán)節(jié)的正反作用方向；3）當燃料油負荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制的。'.3）當燃料油負荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制的。在穩(wěn)定工況下，原料油出口溫度和爐膛溫度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，控制燃料油的閥門保持在一定的開度。當燃料油負荷突然增加，這個干擾會使爐膛的溫度T2 升高，原料油出口溫度T1 也會隨之提高，此時溫度檢測變送器TT1 將信號送給主控制器TC1 ， e1 增大，主控制器輸出 u1 減小，即副控制器的給定值減小，副控制器的輸入偏差e2 增大，副控制器的輸出信號u2 減小，控制閥開度減小，即操縱變量燃料油m 減

4、小，爐膛溫度T2 下降，從而爐管內(nèi)原料油出口溫度T1 也會隨之下降。例題 2：如圖 1-5 所示的夾套反應器溫度控制系統(tǒng)圖1 ）指出該系統(tǒng)中主被控對象、副被控對象、主被控變量、副被控變量、操縱變量、擾動變量各是什么？ 2）畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖，并確定各個環(huán)節(jié)的正反作用方向；'.3）當蒸汽負荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制。3）當蒸汽負荷突然增加，試分析該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制。當蒸汽負荷突然增加，反應器內(nèi)的溫度T1 將升高， 此時溫度檢測變送器TT1 將信號送給主控制器TC1 ， e1 增大，主控制器輸出u1 減小，即副控制器的給定值減小，副控制器的輸入偏差e2 增大，副控

5、制器的輸出信號u2 減小，控制閥開度減小，即操縱變量m 減小，夾套內(nèi)的蒸汽溫度T2 下降，從而反應器內(nèi)的溫度T1 也會隨之下降。例題 3： 如圖所示為聚合釜溫度控制系統(tǒng)，冷卻水通入夾套內(nèi)，以移走聚合反應所產(chǎn)生的熱量。試問：（ 1）這是一個什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出它的方塊圖。'.（ 2）如果聚合溫度不允許過高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開、氣關形式。（ 3）確定主、副控制器的正、反作用。（ 4）簡述當冷卻水壓力變化時的控制過程。（ 5）如果冷卻水的溫度是經(jīng)常波動的，上述系統(tǒng)應如何改進？（ 6）如果選擇夾套內(nèi)的溫度作為副變量構成串級控制系統(tǒng)，試畫出它的方塊圖，并確定主、副控制器的正

6、、反方向。'.例題 1：若被測介質(zhì)的實際溫度為500，儀表的指示值為495，儀表的量程為對誤差、折合誤差和對儀表的讀數(shù)的修正值。0 1000，試確定絕對誤差、相解 :絕對誤差 : = X 指 X0 = 495 500=5儀表讀數(shù)的修正值:C=X0X指=5相對誤差 :y= /X0 = -5/500× 100% = -1%引用誤差 : = max/ （ x 上 x下） = -0.5%例 2：某臺測溫儀表的測溫范圍為200700。校驗該表時得到的最大絕對誤差為±4，試確定該儀表 的精度等級。解：該儀表的允許的引用誤差為：max100%40.8%允x下100%x上70020

7、00.5 0.8 1.0所以，該測溫儀表的精度等級為1.0 級。例3：某反應器內(nèi)的最高溫度500。根據(jù)工藝要求，最大允許誤差不超過+7，試問應如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？解：根據(jù)工藝要求：儀表的量程上限：X 上 =2 X Max= 1000 儀表的允許引用誤差為：max7100%0.7%允x下100%'.x上10000.去掉±、 %，0.5 0.7 1.0，所以選精度等級0.5 的儀表才能滿足工藝要求。精度等級1.0 的儀表，其允許引用誤差為± 1.0%，超過了工藝上允許的數(shù)值.小結：在確定一個儀表的精度等級時，要求儀表的允許誤差應該大于或等于儀表校驗時

8、所得到的最大引用誤差；而根據(jù)工藝要求來選擇儀表的精度等級時，儀表的允許誤差應該小于或等于工藝上所允許的最大引用誤差。這一點在實際工作中要特別注意。例 4 ：一臺精度等級為0.5，量程范為6001200 的電子電位差計，校驗時，其中的某一點最大絕對誤差是4，問此表是否合格？解：根據(jù)工藝上的要求，儀表的允許誤差為：允 max=N × %=（ 1200 600） × 0.5% =3 而測 max= 4 3 ，所以此表不合格，需重新進行校驗。補充題 1：某化學反應器工藝規(guī)定操作溫度為（ 800± 10）。為確保生產(chǎn)安全， 控制中溫度最高不得超過850。'.現(xiàn)設計的

9、溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動下的過渡過程曲線如下圖所示。（ 1）分別求出最大偏差 A 、超調(diào)量 B 、余差 C、衰減比 n、過渡時間 Ts（溫度進入± 1%新的穩(wěn)定值即示為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和震蕩周期 T 。（ 2）分析此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求？（ 1）分別求出最大偏差 A 、超調(diào)量 B、余差 C、衰減比 n、過渡時間 Ts（溫度進入± 1%新的穩(wěn)定值即示為系統(tǒng)已穩(wěn)定）和震蕩周期 T 。解：最大偏差： A =845 800 = 45超調(diào)量： =（ 845 805） /805 = 4.97%衰減比： n= B/B = （ 845 805） / （ 815 805） =4： 1

10、余差：C= 805 800= 5 過 渡 時 間： Ts = 25 min震 蕩 周 期： T = 20 7=13 min(2) 符合要求： 系統(tǒng)新的穩(wěn)定值是 805 ，符合工藝規(guī)定操作溫度為（ 800±10）的要求 845 850 ，符合控制中溫度最高不得超過850的要求'.6. 什么叫氣動執(zhí)行器的氣開式與氣關式？其選擇原則是什么？答：隨著送經(jīng)執(zhí)行器的氣壓信號的增加，閥逐漸打開的稱為氣開式，反之稱為氣關式。氣開式，氣關式的選擇主要是由工藝生產(chǎn)上安全條件決定的。一般來講，閥全開時，生產(chǎn)過程或設備比較危險的選氣開式；閥全關時，輸出過程或設備比較危險的應選擇氣關式。21. 何為阻

11、塞流？他有什么意義？答：阻塞流是指當閥入口壓力P1 保持恒定，并逐步降低出口壓力P2 時，流過閥的流量會增加到一個最大值，此時若繼續(xù)降低出口壓力，流量不再增加，此極限流量稱為阻塞流。意義：在阻塞流條件下， 流經(jīng)閥的流量不隨閥后壓力的降低而增加，因此在計算流量系數(shù)時，首先要確定調(diào)節(jié)閥是否處于阻塞流狀態(tài)。22. 流量敘述的定義是什么？試寫出不可壓縮流體系數(shù)計算的基本公式。答：我國規(guī)定的流量系數(shù)定義為：在給定行程下，閥兩端的壓差為0.1Mpa，流體密度為1000kg/m3 時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)(m3/h),以 C表示，它表示流體通過調(diào)節(jié)閥的流通能力，不可壓縮流體：pFl2( p1FF pv ), c

12、10qvlL/( p1p2 )pF2( pFfp ), c10qL/ F 2( pFp )l1vvlL1Fvc 10qvlL / FL2 ( p1 FF pv )1. 計算機控制系統(tǒng)是由哪幾部分組成的？各部分有什么作用？答：計算機控制系統(tǒng)是由工業(yè)對象和工業(yè)控制計算機兩大部分組成。工業(yè)控制計算機主要由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部分主要包括計算機主機，外部設備，外圍設備，工業(yè)自動化儀表和操作控制臺，軟件是指計算機系統(tǒng)的程序系統(tǒng)，各部分作用參見課本P234-235 。'.9試列出一些改進的PID算法，并分析其改進特點及適用場合答：改進的 PID算法有：（1）帶有死區(qū)的 PID控制當控制偏

13、差在某個閥值以內(nèi)時，系統(tǒng)不進行調(diào)節(jié)；當超過當| e(k) |B, PID控制動作這個閥值時，系統(tǒng)按照 PID進行調(diào)節(jié)，表示為p(k ).p( k)| e(k) |，無控制輸出值當0.B式中 B為閥值， O-B的區(qū)間稱為死區(qū)。該控制方式適用于要求控制作用盡可能少變動的場合，如在中間器皿的液面控制。（ 2）飽和作用的抑制（ A）PID位置算法的積分飽和作用機器抑制采用遇限削弱積分法和積分分離法。（ B）PID增量算法的飽和作用及其抑制（ C）干擾的抑制四點中的差分法。該控制方式適用于可能出現(xiàn)飽和效應的場合，即控制量因受到執(zhí)行元件機械和物理性能的約束而限制在有限范圍以內(nèi)，Umax<=U<

14、=Umax，控制器執(zhí)行的控制量不再是計算值。U<=Umax.第二章所謂 簡單控制系統(tǒng)是指單輸入 -單輸出的線性控制系統(tǒng)，這是控制系統(tǒng)的基本形式，也是應用最廣泛的形式。所謂 被控對象的特性，就是當被控對象的輸出變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間變化的規(guī)律。對一個被控對象來說，其輸出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操縱變量和干擾作用。被控對象輸入與輸出變量之間的聯(lián)系稱為通道，操縱變量與被操縱變量之間的聯(lián)系稱為控制通道，干擾作用與被控變量之間的通道稱為干擾通道。通常所講的對象特性是指控制通道的對象特性。被控對象的特性參數(shù)：放大系數(shù)K 時間常數(shù)T 滯后時間（滯后分為傳遞滯后和

15、容量滯后）加入的激勵信號不一樣，實驗數(shù)據(jù)的分析方法也不一樣，據(jù)此分類，常用的實驗測定法主要有以下幾種：時域分析法 頻域分析法 統(tǒng)計分析法單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉合系統(tǒng)。被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值或按一定規(guī)律變化的過程參數(shù)在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制工程作用的變量就是操縱變量。執(zhí)行器：接收調(diào)節(jié)器送來的控制信號，調(diào)節(jié)管道中介質(zhì)的流量，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。執(zhí)行器通常為調(diào)節(jié)閥，包括執(zhí)行機構和閥兩個部分調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的心臟，他的作用是將測量變送信號與給定值相比較產(chǎn)生偏差信號，然后按

16、一定的運算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，推動執(zhí)行器，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號隨輸入信號變化的規(guī)律。基本的調(diào)節(jié)規(guī)律可歸為四種：位式、比例、積分、微分。其中，除位式是斷續(xù)調(diào)節(jié)外，其他都是連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律。對于輸入輸出信號都是統(tǒng)一標準信號的調(diào)節(jié)器，比例度與比例互為倒數(shù)關系，即調(diào)節(jié)器的比例度越小，則比例放大'.倍數(shù)越大，比例控制作用越強比例度減小，系統(tǒng)的余差也隨之減小對積分調(diào)節(jié)器來說，其輸出信號的大小不僅與輸入偏差信號的大小有關，而且還取決于偏差存在時間的長短。只有在偏差等于零的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出信號才能相對穩(wěn)定。因此可以認為，積分控制作用是力圖消除余差。比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（

17、PI）比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID ）串級控制系統(tǒng)的主要特點：1.能迅速克服進入副回路的干擾2.能改善被控對象的特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力3.主回路對副對象具有“魯棒性”，提高了系統(tǒng)的控制精度均勻控制特點： 1.表征前后供求矛盾的兩個變量都應該是變化的，且變化是緩慢的2.前后互相聯(lián)系又互相矛盾的兩個變量應保持在所允許的范圍內(nèi)實現(xiàn)均勻控制，可行方案1.簡單均勻控制2.串級均勻控制3 雙沖量均勻控制第三章儀表環(huán)節(jié)：感受器（傳感器）、中間件（變送器或變換器）、顯示件（顯示器） 、傳輸通道。傳感器要求：靈敏性準確性穩(wěn)定性其他。傳感器也往往被稱為敏感元件、一次儀表顯示儀表常被稱為二次儀表。顯示方式有三

18、種類型：指示式( 模擬式顯示 )、數(shù)字式、屏幕式（圖像顯示式）測量結果與被測變量真值之差稱為誤差誤差：系統(tǒng)誤差隨機誤差粗大誤差傳感器由敏感元件、轉換元件、測量電路與其他輔助部件組成敏感元件是整個傳感器核心熱電偶溫度儀表是基于熱電效應原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導線組成，其核心元件是熱電偶熱電偶基本定律： 1.均勻?qū)w定律2.中間導體定律3.中間溫度定律4.標準電極定律中間溫度定律兩種勻質(zhì)導體 A 與 B 構成的熱電偶，兩端溫度為t 和 t0,如果存在一個中間溫度nt ,則熱電勢存在以下關系()()=()?t, ?+ ?,?0?t, ?0轉子式流量計的測量原理： 轉子式流量器由

19、一個錐形管和一個可在錐形管中上下自由運動的轉子兩個基本部分組成。當被測流體通過錐形管時，流體從轉子與錐形管的環(huán)隙中流過，轉子受到一個向上的力而浮起。當轉子在流體中受到的向上作用力與轉子在流體中的重量相等時，轉子就靜止在某一高度上。這樣通過轉子的重力、浮力求得轉子兩'.邊的壓差后，可以根據(jù)壓差求得流體通過環(huán)隙的速度，進而求得所測的流量。物位是液位、料位及界位的統(tǒng)稱，其中液位指容器內(nèi)液體介質(zhì)液面的高低。電容式液位計由電容式液位傳感器和測量電路兩部分組成，傳感部件結構簡單，動態(tài)響應快，能夠連續(xù)、及時地測量液位的變化。電容法測液位原理：電容器由兩個同軸的金屬圓筒組成，兩圓筒半徑分別為R，r ，

20、高為 L 。當兩筒之間充滿介電常數(shù)為的介質(zhì)時，則兩筒之間電容量為?2?1（設 > 1 ）的另一種介若圓筒電極的一部分被介電常數(shù)為0 =ln?( R/r)2 L 2( 1) hcR質(zhì)充滿，在保證電容不放電的情況下，電容量發(fā)生變化，則R兩式相減得lnlnrr在、 1、 R、r 均為常數(shù)時，電容變化量C 與液位高度h 成正比。當測得電容變化后，可以測得h 的大小。選擇液位計主要考慮：儀表特性工作環(huán)境輸出方式過程控制裝置與被控對象構成了過程控制系統(tǒng)的基本要素。測量變送單元、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器三個環(huán)節(jié)構成了過程控制裝置的硬件差壓變送器用來把差壓、流量、液位等被測參數(shù)轉換成統(tǒng)一標準信號，并將此統(tǒng)一信號輸

21、送給指示、記錄儀表或調(diào)節(jié)器等，以實現(xiàn)對上述參數(shù)的顯示、記錄或調(diào)節(jié)。DDZ-型系列差壓變送器是兩線制安全火花型變送器，主要用于測量液體、氣體或蒸汽的差壓、流量、液位、相對密度等物理量。 其主要性能指標： 輸出信號 420mA;供電電壓 24V DC± 10%;負載電阻 250350；基本誤差± 0.5%；變差± 0.25%；靈敏度± 0.05%；長期穩(wěn)定性± 0.3%防爆安全柵的作用防爆安余柵分輸入式安全柵和輸出式安傘柵兩種.圖 1-4 是安全柵作用示意圖。'.電動儀表中的變送器、執(zhí)行器、電氣轉換器、安全柵屬安全火花防爆儀表.安全柵安裝在

22、安全場所，作為控制室儀表和現(xiàn)場儀表的關聯(lián)設備。一方面?zhèn)鬏斝盘?，另一方面把流入危險場所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點火能量以下，以確保系統(tǒng)的安全火花性能.安全姍起隔離危險場所和安全場所的作用。2.防爆安全結構的分類（1）隔爆型（ 2）本質(zhì)安全防爆防爆安全柵放在安全場所的入口處，他不會影響到儀表的正常工作，只會起到防止危險能量由安全場所進入危險場所的作用。目前用得最多的防爆安全柵有齊納式安全柵與變壓器隔離式安全柵標準儀表的信號標準：目前大多數(shù)模擬儀表遵循420mADC 的標準信號范圍。調(diào)節(jié)器又稱控制器， 是構成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值（給定值） 相比較后，得出

23、被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而推動執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。假如被調(diào)參數(shù)的測量值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出信號也增加，則稱為正作用調(diào)節(jié)器，反之為反作用調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器分類：直接作用調(diào)節(jié)器間接作用調(diào)節(jié)器集成運算放大器具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特點。PID 調(diào)節(jié)器從整定方式來分，有普通型和電整定型PID 調(diào)節(jié)器主要由輸入電路PID 運算電路和輸出電路三部分組成執(zhí)行器的作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號，自動地改變操縱量，達到對被調(diào)參數(shù)進行調(diào)節(jié)的目的。執(zhí)行器按照工作能源分類：液動啟動 電動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器由氣動執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構（閥體）兩部分組成。執(zhí)行機構是執(zhí)行器的推動

24、裝置，它按調(diào)節(jié)器輸出氣壓信號（ 20100kPa）的大小產(chǎn)生相應的推力，使執(zhí)行機構推桿產(chǎn)生相應位移，推動調(diào)節(jié)機構動作，因此是將信號壓力大小轉換為閥桿位移的裝置。調(diào)節(jié)機構是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，其內(nèi)腔直接與被調(diào)介質(zhì)接觸，調(diào)節(jié)流體的流量，是將閥桿位移轉換為流過閥的流量的裝置。氣動薄膜執(zhí)行機構：調(diào)節(jié)信號壓力增大，閥桿向下移動的，稱為正作用式；反之稱為反作用式，正作用式的信號壓力通入波紋膜片上方的薄膜氣室，而反作用式的信號壓力通入波紋膜片下方的薄膜氣室調(diào)節(jié)閥有正作用和反作用兩種，當閥芯向下位移時，閥芯與閥座之間的流通截面積減少時，稱為正作用式或正裝；反之，則稱為反作用式或反裝?調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移） 之間的關系， 表示為 ? ? =?( )?'.在調(diào)節(jié)閥前后壓差一定情況下的流量特性稱為調(diào)節(jié)閥理想流量特性。根據(jù)閥芯形狀的不同，主要有直線、 等百分比、拋物線及快開四種理想流量特性。中國規(guī)定的流量系數(shù)定義為：在給定行程下、 閥兩端的壓差為0.1MPa 、流體密度為1000kg/m 3 時每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)（ m3/h）,以 C 表示。當