化工仪表及自动化 课后 答案 第5版 厉玉鸣.docx
《化工仪表及自动化 课后 答案 第5版 厉玉鸣.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工仪表及自动化 课后 答案 第5版 厉玉鸣.docx（83页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
化工仪表及自动化课后答案第5版厉玉鸣
P16
1.化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自
动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。
实现化工生产过程自动化的意义：
（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。
（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。
（3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。
（4）能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。
2、化工自动化主要包括哪些内容？
一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。
1-3自动控制系统主要由哪些环节组成？
解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
4、自动控制系统主要由哪些环节组成？
自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
1-5题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图
解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；
TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；
FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；
TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；
FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
1-7在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？
解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；
控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去
执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。
7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。
1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？
解：
被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。
被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。
控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。
给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。
它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。
操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。
或实现控制作用的变量。
操纵介质（操纵剂）——用来实现控制作用的物料。
8.测量元件与变送器：
用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号、电压、电流信号等）；控制器：
将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保
持的给定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号送住执行器。
执行器：
能自动地根据控制器送来
的信号值相应地改变流入（或流出）被控对象的物料量或能量，从而克服扰动影响，实现控制要求。
Ex9.被控对象：
在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做~。
被控变量：
被控对象内要求保持给定值的工艺参数。
给定值：
被控变量的预定值。
操纵变量：
受控制阀操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持给定值的物料量或能量。
11、图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？
反应器温度控制系统
该温度控制系统的方块图
反应器温度控制系统方块图
其中，被控对象：
反应器；被控变量：
反应器内的温度；操纵变量：
冷却水流量。
可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。
1-11题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？
并说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。
题1-11图反应器温度控制系统
解该温度控制系统的方块图
题解1-11图反应器温度控制系统方块图
其中，被控对象：
反应器；被控变量：
反应器内的温度；操纵变量：
冷却水流量。
可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。
若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。
所以该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。
1-12题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控变量影响的？
解：
当反应器内的温度超过给定值（即升高）时，温度测量元件测出温度值与给定值比较，温度控制器TC将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来，这样克服干扰作用对被控变量影响。
1-13按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类？
解：
按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类：
∙定值控制系统——给定值恒定的控制系统。
∙随动控制系统（自动跟踪系统）——给定值随机变化的系统。
∙程序控制系统——给定值按一定时间程序变化的系统。
15.定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
16.在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。
∵干扰是客观存在的，是不可避免的。
一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都受到干扰作用，破坏正常的工艺生产状态。
这就需要通过自动化装置不断施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺所要求的技术指标上。
一个正常工作的自动控制系统，总受到频繁的干扰作用，总处在频繁的动态过程中。
∴了解系统动态更为重要。
17.阶跃作用：
在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上，并保持在这个幅度。
采用阶跃干扰的原因：
阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。
如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。
阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
19.等幅振荡过程和发散振荡过程是不稳定过程，生产上不能采用；非周期衰减过程虽是稳定过程，但该过程中被控变量达到新的稳定值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏
离给定值，所以一般也不采用；衰减振荡过程能够较快地使系统达到稳定状态，并且最终的稳态值必然在两峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会远离给定值以致造成
事故。
所以…
1-19某化学反应器工艺规定操作温度为（900±10）℃。
考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。
现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。
试求该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的±1%（即900⨯（±1%）=±9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？
题1-19图温度控制系统过渡过程曲线
解最大偏差A=950-900=50（℃）；
超调量B=950-908=42（℃）；
由于B'=918-908=10（℃），所以，衰减比n=B:
B'=42:
10=4.2；
余差C=908-900=8℃；
振荡周期T=45-9=36（min）；
过渡时间ts=47min。
因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。
1-20题l-20（a）图是蒸汽加热器的温度控制原理图。
试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？
现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20（b）图所示。
试求该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差、衰减比和余差（提示：
该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。
题1-20图蒸汽加热器温度控制
解蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。
题解1-20图蒸汽加热器温度控制系统方块图
其中：
被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。
可能存在的干扰主要有：
进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。
该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差A=81.5-81=0.5（℃）；
由于B=81.5-80.7=0.8（℃），B'=80.9-80.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:
B'=0.8:
0.2=4；
余差C=80.7-81=-0.3（℃）。
21、某化学反应器工艺规定操作温度为（900±10）℃。
考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。
现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。
试求该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的±1%（即900⨯（±1%）=±9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？
题1-19图温度控制系统过渡过程曲线
解最大偏差A=950-900=50（℃）；
超调量B=950-908=42（℃）；
由于B'=918-908=10（℃），所以，衰减比n=B:
B'=42:
10=4.2；
余差C=908-900=8℃；
振荡周期T=45-9=36（min）；
过渡时间ts=47min。
因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。
22、题l-20（a）图是蒸汽加热器的温度控制原理图。
试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？
现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20（b）图所示。
试求该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差、衰减比和余差（提示：
该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。
题1-20图蒸汽加热器温度控制
解蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。
题解1-20图蒸汽加热器温度控制系统方块图
其中：
被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。
可能存在的干扰主要有：
进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。
该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差A=81.5-81=0.5（℃）；
由于B=81.5-80.7=0.8（℃），B'=80.9-80.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:
B'=0.8:
0.2=4；
余差C=80.7-81=-0.3（℃）。
第2章被控对象的数学模型
P33
Ex1.对象特性指对象输入量与输出量之间的关系。
各种对象千差万别，有的操作很稳定，操作很容易；有的
稍不小心可能就会超越正常工艺条件，甚至造成事故。
有
经验的操作人员需要很熟悉这些对象，才能使生产操作得
心应手；设计自动化装置时，也必须深入了解对象的特
性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要
求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变
量，选用合适的测量元件及控制器。
在控制系统投入运行
时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数，使系统正
常地运行。
2-1什么是对象特性？
为什么要研究对象特性？
解对象特性就是的对象的输出-输入关系。
研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系。
当采用
自动化装置组成自动控制系统时，首先也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。
在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数（也称控制器参数的工程整定），使系统正常地运行。
被控对象的特性对自动控制系统的控制质量的影响很大，所以必须对其深入研究。
Ex2.对象的数学模型指对象特性的数学描述。
静态数学模型：
描述的是对象在静态时的输入量与输出量
之间的关系；动态数学模型：
描述的是对象在输入量改变
以后输出量的变化情况。
2-2何为对象的数学模型？
静态数学模型与动态数学模型有什么区别？
解对象特性的数学描述（方程、曲线、表格等）称为对象的数学模型。
稳态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输入量改变以后输出量的变化情况。
稳态与动态是事物特性的两个侧面，可以这样说，动态数学模型是在稳态数学模型基础上的发展，稳态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学模型的一个特例。
4.机理建模法、实验建模法。
5.对象或生产过程的内部机理。
7.阶跃反应曲线法：
特点是简易但精度较差。
如果输入量是流量，只要将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了一个阶跃干扰，同时还可以利用原设备上的仪表把输出量的变化记录下来，既不需要增加仪器设备，测试工作量也大。
但由于对象在阶跃信号作用下，从不稳定到稳定所需时间一般较长，这期间干扰因素较多，因而测试精度受到限制。
为提高测试精度就必须加大输入量的幅度，这往往又是工艺上不允许的。
�矩形脉冲法：
特点是提高了精度，对工艺影响较小。
采用~时，由于加在对象上的干扰经过一段时间后即被除去，因此干扰的幅值可以取得较大，提高了实验精度。
同时，对象的输出量又不会长时间偏离给定值，故对工艺生产影响较小。
8、反映对象特性的参数有哪些？
各有什么物理意义？
解：
放大系数K、时间常数T和滞后时间τ
放大系数K在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即
对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。
时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。
时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大
对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。
滞后现象用滞后时间τ表示。
对象的滞后时间τ，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。
2-8反映对象特性的参数有哪些？
各有什么物理意义？
解：
放大系数K、时间常数T和滞后时间τ
放大系数K在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即
对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。
时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。
时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大
对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。
滞后现象用滞后时间τ表示。
对象的滞后时间τ，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。
10.纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间而引起的，而测量点选择不当，测量元件安装不合适等原因也会造成纯滞后。
容量滞后一般是由于物料或能量的传
递需要通过一定阻力而引起的。
控制通道若存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低；干扰通道若存在纯滞后，相当于将干扰推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。
容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。
在控制通道，T增大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低；T减小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统控制质量提高。
但T不能太大或太小，且各环节时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。
在干扰通道，如果容量滞后增加，干扰作用对被控变量的影响比较平稳，一般有利于控制。
2-11已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5min，放大系数为10，纯滞后时间为2min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。
解该对象特性的一阶微分方程为
12.
2-12如题2-12图所示的RC电路中，已知R＝5kΩ，C＝2000μF。
试画出ei突然由0阶跃变化到5V时的eo变化曲线，并计算出t＝T、t＝2T、t＝3T时的eo值。
题2-12图RC电路
解RC电路的微分方程为
当ei=5V时，微分方程的解为
eo=5（1-e-t/T）=5（1-e-t/10）（V）
（该系统的时间常数T=RC=5⨯103⨯2000⨯10-6=10s）
当t=T时，eo=5（1-e-T/T）=5（1-e-1）=3.16V；
当t=2T时，eo=5（1-e-2T/T）=5（1-e-2）=4.32V；
当t=3T时，eo=5（1-e-3T/T）=5（1-e-3）=4.75V。
题解2-12图RC电路的阶跃响应曲线
2-13已知一个简单水槽，其截面积为0.5m2，水槽中的液体由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。
如果在稳定的情况下，输入流量突然在原来的基础上增加了0.1m3/h，试画出水槽液位∆h的变化曲线。
解这是一个积分对象，则
（m）
题解2-13图水槽液位∆h的变化曲线
14.
2-14为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为t0=0）突然将燃料气流量从2.5t/h增加到3.0t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如题2-14图所示。
假定该对象为一阶对象，试写出描述该重油预热炉特性的微分方程式（分别以温度变化量与燃料量变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。
题2-14图重油预热炉的
解
（输入）燃料变化量
由题图知,该系统属于一阶系统，输出量（温度）的变化量y（t）相对于输入（燃料）变化量x（t）的关系（方程）为
当x（t）=A=50/6（kg/min）=const.时，方程的解为
y（t）=KA（1-e-t/T）℃
由题图知，y（∞）=KA=150-120=30℃,则
K=30/A=30/（50/6）=3.6（℃/（kg/min））
首先不考虑延迟，y（t）的变化从t0=2min开始，到t1=8min时，实际变化时间t=6min，由题图知
y（t）=y（6）=30（1-e-6/T）=145-120=25（℃）
由此解出T=3.35（min）
所以
y（t）=30（1-e-t/3.35）℃
若考虑滞后时间τ=2min，则
微分方程为
系统的特性参数是系统的固有特性，不会随输入信号的变化而变化，因此，前面求解过程中所确定的K和T的值是不变的。
所以，当燃料变化量x（t）=A=1时，温度变化量的函数表达式为
yτ（t）=y（t-τ）=3.6（1-e-（t-2）/3.35）℃
第3章检测仪表与传感器
P101
1.测量过程在实质上是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。
一般它都是利用专门的技术工具，将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。
3-1什么叫测量过程？
解测量过程就是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程
2.由仪表读得的被测值与被测量真值之间会存在一定的差距，这一差距称为~。
表示方法有：
绝对误差和相对误差。
绝对误差：
Δ=x－x0相对误差：
3.
4.仪表的精确度等级是将仪表允许的相对百分误差的“±”号及“%”去掉后的数值，以一定的符号形式表示在仪表标尺板上。
精确度等级目前是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。
5、某一标尺为0~1000℃的温度仪表出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为：
标准表读数/℃
0
200
400
600
700
800
900
1000
被校表读数/℃
0
201
402
604
706
805
903
1001
（1）求出该温度仪表的最大绝对误差值；
（2）确定该温度仪表的精度等级；
（1）校验数据处理：
标准表读数/℃
0
200
400
600
700
800
900
1000
被校表读数/℃
0
201
402
604
706
805
903
1001
绝对误差/℃
0
+1
+2
+4
+6
+5
+3
+1
由以上数据处理表知，最大绝对误差：
+6℃；
（2）仪表误差：
，
仪表的精度等级应定为1.0级；
3-5某一标尺为0~1000℃的温度仪表出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为：
标准表读数/℃
0
200
400
600
700
800
900
1000
被校表读数/℃
0
201
402
604
706
805
903
1001
（1）求出该温度仪表的最大绝对误差值；
（2）确定该温度仪表的精度等级；
（3）如果工艺上允许的最大绝对误差为±8C，问该温度仪表是否符合要求？
解
（1）校验数据处理：
标准表读数/℃
0
200
400
600
700
800
900
1000
被校表读数/℃
0
201
402
604
706
805
903
1001
绝对误差/℃
0
+1
+2
+4
+6
+5
+3
+1
由以上数据处理表知，最大绝对误差：
+6℃；
（2）仪表误差：
，
仪表的精度等级应定为1.0级；
（3）仪表的基本误差：
∆m=1000⨯（±1.0%）=±10℃,
升级会员 