化工仪表及自动化(习题课)(精品).ppt

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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化 习题习题课课Huaqiao University1.干干扰是指是指除除操作操作变量量以外，作用于以外，作用于对象并引起被控象并引起被控变量量变化的一切因素；化的一切因素；2被控被控对象象是指是指 需要需要实现控制的控制的设备、机器或生、机器或生产过程，称程，称为对象。象。3被控被控变量量是指是指 对象内要求保持象内要求保持给定数定数值的工的工艺变量称量称为被控被控变量。量。4.给定定值是是被控被控变量的量的预定定值称称为给定定值。它反映的是它反映的是工工艺过程的具体要求。程的具体要求。5.操作操作变量量是指是指受到控制装置操受到控制装置操纵，用以使被控，用以使

2、被控变量保持量保持给定定值的物料量或的物料量或能量。能量。Huaqiao University过渡渡过程的基本形式有哪几种（用程的基本形式有哪几种（用图表示）？表示）？简要要阐述其特点；工述其特点；工业生生产一般需要什么一般需要什么类型的型的过渡渡过程？程？非周期衰减非周期衰减过程程，又叫单调过程：特征：被控变量没有来会（沿t轴）的波动，沿着一侧作缓慢的变化，最后稳定下来；衰减振衰减振荡过程程：特征：被控变量上下波动，但振幅逐渐减小，最后稳定在某一个值上面；等幅振等幅振荡过程程：特征：振幅不变；发散振散振荡过程程：特征：振幅不断增大，被控变量最终远离给定值；工业生产一般需要衰减振荡过程Huaq

3、iao University闭环控制系控制系统分分为哪三哪三类？简要要阐述各述各类的特点。的特点。1、定、定值控制系控制系统：特点：被控：特点：被控变量的量的给定定值恒定不恒定不变；2、随、随动控制系控制系统：特点：特点：给定定值不断不断变化，而且化，而且变化是随机化是随机的；的；3、程序控制系、程序控制系统：特点：特点：给定定值不断不断变化，但化，但x=x(t)是已知是已知的。的。Huaqiao University画出画出简单控制系控制系统的方的方块图，并，并简要要阐述各述各环节的的作用。作用。a检测元件和元件和变送器：把被控送器：把被控变量量y（t）转化化为测量量值z（t），），z（t）

4、是）是统一一标准信号。准信号。b“O”比比较机构：作用是机构：作用是计算偏差算偏差e（t）。）。c调节装置：依据偏差的大小、正装置：依据偏差的大小、正负，按照一定的，按照一定的规律律给出出调节作用。作用。d执行器：接受行器：接受调节器送来的信号器送来的信号p（t）,发出相关的信号，改出相关的信号，改变操作操作变量。量。闭环控制系控制系统通常是由通常是由 检测元件和元件和变送器；送器；比比较机构；机构；调节装置；装置；执行器行器 四个部分四个部分组成的。成的。Huaqiao University当当输入流量入流量qi作作阶跃变化，化，试绘图说明被控明被控变量量h1、h2的的变化化情况。情况。Hu

5、aqiao University过渡渡过程的品程的品质指指标有有衰减比衰减比，振振荡周期或周期或频率率，余差余差，最大偏差或超最大偏差或超调量量；过渡渡时间。图2所示是一反所示是一反应器温度控制系器温度控制系统示意示意图，工，工艺要求反要求反应器器温度需要控制，通温度需要控制，通过冷却水流量的冷却水流量的变化可以达到温度控制的目的。化可以达到温度控制的目的。试画出画出该系系统的方的方块图，并指出被控，并指出被控对象、被控象、被控变量、操量、操纵变量量和可能的干和可能的干扰？现因生因生产因素的因素的变化，要求反化，要求反应温度从开始的温度从开始的120提高到提高到122，当，当给定定值作作阶跃变

6、化后，被控化后，被控变量的量的变化曲化曲线如如图所示，所示，试求求该系系统的的过渡渡过程的品程的品质指指标：最大偏差、衰：最大偏差、衰减比和余差。减比和余差。Huaqiao UniversityHuaqiao University描述描述对象特性的三个参数象特性的三个参数是指是指 放大系数放大系数K，时间常数常数T，滞滞后后时间；纯滞后滞后产生的原因是生的原因是 由于信息由于信息传输需要需要时间而引起的而引起的 ；容量滞后容量滞后产生的原因是生的原因是 一般是由物料一般是由物料传递需要通需要通过一定阻力一定阻力而引起的而引起的 ；Huaqiao University 为测量某反量某反应器的器的

7、对象特性，在某瞬象特性，在某瞬间突然将参加反突然将参加反应的反的反应物的流物的流量从量从1t/h增加到增加到1.5t/h，这时反反应器出口温度的器出口温度的阶跃变化曲化曲线如如图3所示。所示。假假设该对象象为二二阶对象（可以看成由一个一象（可以看成由一个一阶对象和象和纯滞后滞后对象象组成），成），试写出描述写出描述该对象的微分方程（反象的微分方程（反应物的流量物的流量为输入量，反入量，反应器出口温度器出口温度为输出量），并解出反出量），并解出反应物的流量作物的流量作单位位阶跃变化化时反反应器出口温度器出口温度变化化量的函数表达式量的函数表达式Huaqiao University精度精度不不仅和

8、和 绝对误差有关差有关 ，也和，也和 仪表的表的测量范量范围有关有关 。仪表的精度通常用表的精度通常用 相相对百分百分误差差 来表示。来表示。仪表等表等级度度值越小，表示越小，表示仪表精度表精度 高高 ；标准表精度一般准表精度一般为 0.05 以上以上热电势eAB和两方面因素有关，一是取决于和两方面因素有关，一是取决于 接触接触处的金属性的金属性质的差异的差异，二是，二是 温度温度 有关。有关。Huaqiao University什么是液位什么是液位测量量时的零点迁移的零点迁移问题？怎？怎样进行迁移？其行迁移？其实质是是什么？什么？当被当被测液位液位为零零时，将差，将差压变送器送器输出零点所出

9、零点所对应的的输入差入差压由零迁移由零迁移到某一不到某一不为零的数零的数值，称，称为液位液位测量量时的零点迁移。的零点迁移。测量始点由零量始点由零变为某某一正一正值叫正迁移，若叫正迁移，若变为某一某一负值则叫叫负迁移；可迁移；可调节仪表上的迁移表上的迁移弹簧，簧，以抵消固定以抵消固定压差的作用，此差的作用，此为零点迁移方法。零点迁移方法。零点迁移的零点迁移的实质是将是将测量范量范围平移，不改平移，不改变量程的大小。量程的大小。Huaqiao University用用热电偶偶测温温时为什么要什么要进行冷端温度行冷端温度补偿？补偿的方法有哪的方法有哪几种？几种？采用补偿导线后，把热电偶的冷端从较高

10、和较不稳定的地方，延伸到温度采用补偿导线后，把热电偶的冷端从较高和较不稳定的地方，延伸到温度较低和较稳定的操作室内，但冷端温度还不是较低和较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0。而工业上常用的各种热电。而工业上常用的各种热电偶的温度偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为热电势关系曲线是在冷端温度保持为0的情况下得到的，与它配套的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0，而且是不恒定的，这时，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也热电偶所产生的热电势必然偏

11、小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用 热电偶测温时，又有将冷端温度保持热电偶测温时，又有将冷端温度保持0，或者进行一定的修正才能得到准，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。热电偶的冷端温度补偿。冷端温度补偿的方法有：（冷端温度补偿的方法有：（1）冷端温度保持为）冷端温度保持为0的方法；（的方法；（2 2）冷端温度冷端温度修正法；（修正法；（3）校正仪表零点法；（）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（）补偿电桥法；（5）补偿热电偶

12、法。）补偿热电偶法。Huaqiao University什么是什么是“三三线制制”？引入？引入“三三线制制”的作用是什么？的作用是什么？“三三线制制”：从：从热电阻引出三根阻引出三根导线，其中与，其中与热电阻相阻相连的两根的两根导线分分别接入接入桥路的两个相路的两个相邻桥臂上，第三臂上，第三根根导线与与稳压电源的源的负极相极相连。作用：当作用：当环境温度境温度变化化时，两根，两根导线电阻同阻同时变化，化，便可抵消便可抵消对仪表表读数的影响。数的影响。Huaqiao University 用分度号用分度号Cu100铜电阻测温，但错用了铜电阻测温，但错用了Pt100的分度表，查得温度为的分度表，查

13、得温度为147，问实际温度为多少？已知铜电阻和铂电阻温度关系式分别为：，问实际温度为多少？已知铜电阻和铂电阻温度关系式分别为：解：当温度为解：当温度为147，Pt100电阻值为电阻值为即即铜电阻阻值为156.8，解得解得t=134,故故实际温度为实际温度为134Huaqiao University现用一支用一支镍铬铜镍热电偶偶测某某换热器内的温度，其冷端温度器内的温度，其冷端温度为30，显示示仪表的机械表的机械零点在零点在0时，这时指示指示值为400，则认为换热器内的温度器内的温度为430对不不对？为什么？正什么？正确确值为多少度？多少度？解：不对，解：不对，因为此时冷端温度为因为此时冷端温度

14、为30，而仪表的指示值，而仪表的指示值(400)是在仪表的机械零位在是在仪表的机械零位在0时的值，所以此时仪表指示值不是换热器的实际温度。时的值，所以此时仪表指示值不是换热器的实际温度。查表可得：查表可得：此时电势即为此时电势即为即即查表得查表得Huaqiao University基本控制基本控制规律有哪些？律有哪些？简要要说明明、TI、TD对过渡渡过程的影响。程的影响。基本控制基本控制规律通常包括律通常包括:1）位式控制（主要指双位控制）位式控制（主要指双位控制），2）比例控制（）比例控制（P），），3）积分分控制（控制（I），4）微分控制（）微分控制（D）；：比例控制最大：比例控制最大优点

15、：反映非常迅速，能很快地克服点：反映非常迅速，能很快地克服扰动，使系，使系统稳定定.TI短，短，积分作用增分作用增强，系，系统振振荡加加剧，稳定性下降，定性下降，导致系致系统的不的不稳定。定。Td太大，微分作用太大，微分作用强，导致系致系统振振荡；而；而Td太小或太小或为零，表示微分作用零，表示微分作用弱或没有，弱或没有，对系系统无影响。无影响。Huaqiao University目前在化工生目前在化工生产过程中的自程中的自动控制系控制系统，常用的控制，常用的控制规律有哪些？律有哪些？试加以比加以比较。Huaqiao UniversityHuaqiao University一台具有比例积分控制

16、规律的一台具有比例积分控制规律的DDZ-II型控制器，其比例度为型控制器，其比例度为80%，积分时间为，积分时间为1分钟。稳态时，输出为分钟。稳态时，输出为6mA。某瞬间，输入偏差突然增加了。某瞬间，输入偏差突然增加了0.3mA，问其比例输，问其比例输出为多少？经过出为多少？经过3min后，其输出将为多少？后，其输出将为多少？解：由于解：由于=80%，故比例放大倍数，故比例放大倍数输入变化了输入变化了0.3mA，输出在比例作用下将变化，输出在比例作用下将变化0.3mA假定控制器为正作用式的，输出将在假定控制器为正作用式的，输出将在6mA的基础上增加的基础上增加0.375mA，故为，故为6.37

17、5mA。由于积分时间为由于积分时间为1min，故在积分作用下，每经过，故在积分作用下，每经过1min，输出将增加，输出将增加0.375mA。经过了。经过了3min后，在积分作用下，输出将增加的数值为后，在积分作用下，输出将增加的数值为所以，经过所以，经过3min后，在比例作用与积分作用共同作用的结果，使其输出共后，在比例作用与积分作用共同作用的结果，使其输出共增加了增加了0.375+1.125=1.5mA。由于稳态时为。由于稳态时为6mA，故经过，故经过3min后，输出将变后，输出将变为为7.5mA（如果是反作用式控制器，输出将变为（如果是反作用式控制器，输出将变为4.5mA）。）。Huaqi

18、ao University气动执行器分为两部分，分别为气动执行器分为两部分，分别为执行机构执行机构、控制机构控制机构 ；控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性包括包括直线流量特性直线流量特性，等百分比流量特性等百分比流量特性，抛物线流量特抛物线流量特性性 ，快开特性快开特性；可调比可调比R的定义式为的定义式为执行器的气开、气关选择的主要依据执行器的气开、气关选择的主要依据是是 工艺安全工艺安全 ；，国产控制阀可调比，国产控制阀可调比R一般为一般为 30；Huaqiao University试分分别说明什么叫控制明什么叫控制阀的流量特性，理想流量特性和工作流量特性？常用的流量特性，理想流量特性

19、和工作流量特性？常用的控制的控制阀理想流量特性有哪些？理想流量特性有哪些？控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即：（相对位移）间的关系，即：阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。性称为工作流量特性。常用的控制阀理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开常用的控制阀理想

20、流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等几种。等几种。Huaqiao University被控被控变量的量的选择原原则是什么？是什么？操操纵变量的量的选择原原则是什么？是什么？Huaqiao University控制通道、干控制通道、干扰通道存在通道存在纯滞后滞后时，试分分别分析它分析它对被控被控变量的影响。量的影响。如果如果0=0，操作，操作变量量对y(t)的影响如的影响如图中中A所示；当所示；当纯滞后滞后为0时，曲曲线A平移到平移到B位置，曲位置，曲线A和和C之之间的合成就是曲的合成就是曲线D，曲，曲线B和和C之之间的合成的合成为曲曲线E。很。很显然，然，E和和D相比相比恶化多

21、了。控制通道的化多了。控制通道的纯滞后滞后应尽尽量减少。量减少。当干当干扰通道存在通道存在纯滞后滞后时，结论是没有影响。如下是没有影响。如下图，曲，曲线C表示表示没有滞后存在，干没有滞后存在，干扰变量量对被控被控变量的影响，当滞后量的影响，当滞后为f时，C平移到平移到C位置。但在位置。但在f时间内，由于内，由于y(t)没有没有变化，操作化，操作变量量对y(t)也没有影也没有影响，所以控制响，所以控制结果也一果也一样，仅仅延延迟了滞后了滞后时间fHuaqiao University 试简述家用述家用电冰箱的工作冰箱的工作过程，画出其控制系程，画出其控制系统的方的方块图。家用家用电冰箱是属于温度的

22、断冰箱是属于温度的断续控制控制过程，其目的是使冰箱内的温度控制程，其目的是使冰箱内的温度控制在某一范在某一范围内。当冰箱内的温度高于某一上限内。当冰箱内的温度高于某一上限值时，由温度，由温度检测元件通元件通过控控制制电路，使路，使压缩机起机起动，从而使温度下降。当冰箱内温度降到某一下限，从而使温度下降。当冰箱内温度降到某一下限值时，温度温度检测元件通元件通过控制控制电路，使路，使压缩机停止工作，从而使冰箱内的温度由于机停止工作，从而使冰箱内的温度由于周周围环境温度的影响而逐境温度的影响而逐渐上升。如此反复，上升。如此反复，压缩机机时而启而启动，时而停止，而停止，使冰箱内温度在一定范使冰箱内温度在一定范围内作周而复始的内作周而复始的变化。其方化。其方块图如下如下图所示：所示：控制电路控制电路冰箱冰箱压缩机压缩机温度检测组件温度检测组件干扰干扰温度上、温度上、下设定值下设定值偏差偏差温度温度Huaqiao University常用的工程整定方法有常用的工程整定方法有临界比例度法界比例度法 、衰减曲衰减曲线法法 、经验凑凑试法法