何道清儀表與自動(dòng)化課后答案

1、第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？解 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由檢測(cè)變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象等四個(gè)環(huán)節(jié)組成。1-5 題1-5圖為某列管式蒸汽加熱器控制流程圖。試分別說(shuō)明圖中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意義。題1-5圖 加熱器控制流程圖解 PI-307表示就地安裝的壓力指示儀表，工段號(hào)為3，儀表序號(hào)為07；TRC-303表示集中儀表盤(pán)安裝的，具有指示記錄功能的溫度控制儀表；工段號(hào)為3，儀表序號(hào)為03；FRC-305表示集中儀表盤(pán)安裝的，具有指示記錄功能的流量控制儀表；工段號(hào)為3，儀表序號(hào)為05。1-7 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送裝置、控制

2、器、執(zhí)行器各起什么作用？解 測(cè)量變送裝置的功能是測(cè)量被控變量的大小并轉(zhuǎn)化為一種特定的、統(tǒng)一的輸出信號(hào)（如氣壓信號(hào)或電壓、電流信號(hào)等）送往控制器；控制器接受測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)，與工藝上需要保持的被控變量的設(shè)定值相比較得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果，然后將此結(jié)果用特定信號(hào)（氣壓或電流）發(fā)送出去執(zhí)行器即控制閥，它能自動(dòng)地根據(jù)控制器送來(lái)的信號(hào)值來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)啟度，從而改變操縱變量的大小。1-8試分別說(shuō)明什么是被控對(duì)象、被控變量、給定值、操縱變量、操縱介質(zhì)？解：被控對(duì)象（對(duì)象）自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。被控變量被控對(duì)象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)?？叵到y(tǒng)通常用該變量

3、的名稱來(lái)稱呼，如溫度控制系統(tǒng)，壓力制系統(tǒng)等。給定值（或設(shè)定值或期望值）人們希望控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，即被控變量的期望值。它可以是恒定的，也可以是能按程序變化的。操縱變量（調(diào)節(jié)變量）對(duì)被控變量具有較強(qiáng)的直接影響且便于調(diào)節(jié)（操縱）的變量。或?qū)崿F(xiàn)控制作用的變量。操縱介質(zhì)(操縱劑)用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制作用的物料。1-11 題l-11圖所示為一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖。A、B兩種物料進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)改變進(jìn)入夾套的冷卻水流量來(lái)控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度不變。試畫(huà)出該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖，并指出該系統(tǒng)中的被控對(duì)象、被控變量、操縱變量及可能影響被控變量的干擾是什么？并說(shuō)明該溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。題1-

4、11圖 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)解 該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖題解1-11圖 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中，被控對(duì)象：反應(yīng)器；被控變量：反應(yīng)器內(nèi)的溫度；操縱變量：冷卻水流量?？赡苡绊懕豢刈兞康母蓴_因素主要有A、B兩種物料的溫度、進(jìn)料量，冷卻水的壓力、溫度，環(huán)境溫度的高低等。若當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的被控溫度在干擾作用下升高時(shí)，其測(cè)量值與給定值比較，獲得偏差信號(hào)，經(jīng)溫度控制器運(yùn)算處理后，輸出控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制閥，使其開(kāi)度增大，冷卻水流量增大，這樣使反應(yīng)器內(nèi)的溫度降下來(lái)。所以該溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。1-12 題1-11圖所示的溫度控制系統(tǒng)中，如果由于進(jìn)料溫度升高使反應(yīng)器內(nèi)的溫度超過(guò)給定值，試說(shuō)明此

5、時(shí)該控制系統(tǒng)的工作情況，此時(shí)系統(tǒng)是如何通過(guò)控制作用來(lái)克服干擾作用對(duì)被控變量影響的？解：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的溫度超過(guò)給定值（即升高）時(shí)，溫度測(cè)量元件測(cè)出溫度值與給定值比較，溫度控制器TC將比較的偏差經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)使冷卻水閥門(mén)開(kāi)度增大，從而增大冷卻水流量，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度降下來(lái)，這樣克服干擾作用對(duì)被控變量影響。1-13 按給定值形式不同，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分哪幾類？解：按給定值形式不同，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為以下三類：定值控制系統(tǒng)給定值恒定的控制系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）給定值隨機(jī)變化的系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)給定值按一定時(shí)間程序變化的系統(tǒng)。1-19 某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(90010)

6、?？紤]安全因素，控制過(guò)程中溫度偏離給定值最大不得超過(guò)80?，F(xiàn)設(shè)計(jì)的溫度定值控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如題1-19圖所示。試求該系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)：最大偏差、超調(diào)量、衰減比、余差、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間（被控溫度進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的1%（即900（1%）=9）的時(shí)間），并回答該控制系統(tǒng)能否滿足題中所給的工藝要求？題1-19圖 溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線解 最大偏差A(yù)=950-900=50（）；超調(diào)量B=950-908=42（）；由于B=918-908=10（），所以，衰減比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908-900=8；振蕩周期T=45-9=36(min)；過(guò)渡時(shí)間ts=4

7、7min。因?yàn)锳=5080，C=81.0%，所以該壓力表不符合1.0級(jí)精度。3-7什么叫壓力？表壓力、絕對(duì)壓力、負(fù)壓力(真空度)之間有何關(guān)系？解 （1）工程上的壓力是物理上的壓強(qiáng)，即P=F/S（壓強(qiáng)）。（2）絕對(duì)壓力是指物體所受的實(shí)際壓力；表壓力=絕對(duì)壓力-大氣壓力； 負(fù)壓力（真空度）=大氣壓力-絕對(duì)壓力3-10作為感受壓力的彈性元件有哪幾種？解 彈簧管式彈性元件、薄膜式彈性元件（有分膜片式和膜盒式兩種）、波紋管式彈性元件。3-11彈簧管壓力計(jì)的測(cè)壓原理是什么？試述彈簧管壓力計(jì)的主要組成及測(cè)壓過(guò)程。解：（1）彈簧管壓力計(jì)的測(cè)壓原理是彈簧管受壓力而產(chǎn)生變形，使其自由端產(chǎn)生相應(yīng)的位移，只要測(cè)出了彈

8、簧管自由端的位移大小，就能反映被測(cè)壓力p的大小。 （2）彈簧管式壓力計(jì)的主要組成：彈簧管（測(cè)量元件），放大機(jī)構(gòu)，游絲，指針，表盤(pán)。 （3）彈簧管壓力計(jì)測(cè)壓過(guò)程為：用彈簧管壓力計(jì)測(cè)量壓力時(shí)，壓力使彈簧管產(chǎn)生很小的位移量，放大機(jī)構(gòu)將這個(gè)很小的位移量放大從而帶動(dòng)指針在表盤(pán)上指示出當(dāng)前的壓力值。3-14 電容式壓力傳感器的工作原理是什么？有何特點(diǎn)？解 見(jiàn)教材第3章3.2.5節(jié)。當(dāng)差動(dòng)電容傳感器的中間彈性膜片兩邊壓力不等時(shí)，膜片變形，膜片兩邊電容器的電容量變化（不等），利用變壓器電橋?qū)㈦娙萘康淖兓D(zhuǎn)換為電橋輸出電壓的變化，從而反映膜片兩邊壓力的差異（即壓差）。其特點(diǎn)：輸出信號(hào)與壓差成正比；應(yīng)用范圍廣，可

9、用于表壓、差壓、流量、液位等的測(cè)量。3-15 某壓力表的測(cè)量范圍為01MPa，精度等級(jí)為1.0級(jí)，試問(wèn)此壓力表允許的最大絕對(duì)誤差是多少？若用標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)來(lái)校驗(yàn)該壓力表，在校驗(yàn)點(diǎn)為0.5MPa時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)上讀數(shù)為0.508MPa，試問(wèn)被校壓力表在這一點(diǎn)是否符合1級(jí)精度，為什么？解 壓力表允許的最大絕對(duì)誤差為Dmax在校驗(yàn)點(diǎn)0.5MPa處，絕對(duì)誤差為D-0.508=-0.008(MPa)該校驗(yàn)點(diǎn)的測(cè)量誤差為故該校驗(yàn)點(diǎn)不符合1.0級(jí)精度。3-16為什么測(cè)量?jī)x表的測(cè)量范圍要根據(jù)測(cè)量大小來(lái)選??？選一臺(tái)量程很大的儀表來(lái)測(cè)量很小的參數(shù)值有何問(wèn)題？解 （1）為了保證敏感元件能在其安全的范圍內(nèi)可靠地工作，也考慮

10、到被測(cè)對(duì)象可能發(fā)生的異常超壓情況，對(duì)儀表的量程選擇必須留有足夠的余地，但還必須考慮實(shí)際使用時(shí)的測(cè)量誤差，儀表的量程又不宜選得過(guò)大。 （2）由于儀表的基本誤差Dm由其精度等級(jí)和量程決定，在整個(gè)儀表測(cè)量范圍內(nèi)其大小是一定的，選一臺(tái)量程很大的儀表來(lái)測(cè)量很小的參數(shù)值這樣會(huì)加大測(cè)量誤差。3-17 如果某反應(yīng)器最大壓力為0.8MPa，允許最大絕對(duì)誤差為0.01MPa?，F(xiàn)用一臺(tái)測(cè)量范圍為01.6MPa，精度為l.0級(jí)的壓力表來(lái)進(jìn)行測(cè)量，問(wèn)能否符合工藝上的誤差要求？若采用一臺(tái)測(cè)量范圍為01.0MPa，精度為1.0級(jí)的壓力表，問(wèn)能符合誤差要求嗎？試說(shuō)明其理由。解 D1max1.0%=0.016MPa0.01MP

11、a(允許值)該表不符合工藝上的誤差要求。D2max1.0%=0.01MPa0.01MPa(允許值)該表符合工藝上的誤差要求。3-18 某臺(tái)空壓機(jī)的緩沖器，其工作壓力范圍為1.11.6MPa，工藝要求就地觀察罐內(nèi)壓力，并要求測(cè)量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的5，試選擇一臺(tái)合適的壓力計(jì)(類型、測(cè)量范圍、精度等級(jí))，并說(shuō)明其理由。解 空壓機(jī)緩沖器內(nèi)壓力為穩(wěn)態(tài)壓力，其工作壓力下限pmin=1.1MPa，工作壓力上限pmax=1.6MPa。設(shè)所選壓力表量程為p，則根據(jù)最大、最小工作壓力與選用壓力表量程關(guān)系，有根據(jù)壓力表量程系列（附表1），可選YX-150型、測(cè)量范圍為02.5MPa的電接點(diǎn)壓力表。根據(jù)測(cè)量

12、誤差要求，測(cè)量的最大誤差為Dmax5%=0.055(MPa)則所選壓力表的最大引用誤差應(yīng)滿足要求，故可選精度等級(jí)為1.5級(jí)的壓力表。3-19 某合成氨廠合成塔壓力控制指標(biāo)為14MPa，要求誤差不超過(guò)0.4MPa，試選用一臺(tái)就地指示的壓力表(給出型號(hào)、測(cè)量范圍、精度等級(jí))。解 合成塔控制壓力14MPa為高壓，設(shè)所選壓力表的量程為p，則根據(jù)壓力表量程系列（附表1），可選YX-150型、測(cè)量范圍為025MPa的電接點(diǎn)壓力表。根據(jù)測(cè)量誤差要求，所選壓力表的最大允許誤差應(yīng)滿足要求，故可選精度等級(jí)為1.5級(jí)的壓力表。3-20 現(xiàn)有一臺(tái)測(cè)量范圍為01.6MPa，精度為1.5級(jí)的普通彈簧管壓力表，校驗(yàn)后，其結(jié)

13、果為：被校表讀數(shù)/MPa00 04 08 12 16標(biāo)準(zhǔn)表上行程讀數(shù)/MPa0000 0385 0790 1210 1595標(biāo)準(zhǔn)表下行程讀數(shù)/MPa0000 0405 0810 1215 1595試問(wèn)這臺(tái)表合格否？它能否用于某空氣貯罐的壓力測(cè)量（該貯罐工作壓力為0.81.0MPa，測(cè)量的絕對(duì)誤差不允許大于0.05MPa）？解 壓力表的校驗(yàn)表3-1 壓力表的校驗(yàn)數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)處理結(jié)果被校表讀數(shù)/MPa最大誤差標(biāo)準(zhǔn)表上行程讀數(shù)/MPa標(biāo)準(zhǔn)表下行程讀數(shù)/MPa升降變差/MPa標(biāo)準(zhǔn)表上、下行程讀數(shù)平均值/MPa絕對(duì)誤差D/MPa儀表的最大引用誤差（從絕對(duì)誤差和升降變差中選取絕對(duì)值最大者做為Dm，求儀表的

14、最大引用誤差）所以，這臺(tái)儀表1.5級(jí)的精度等級(jí)合格?？諝赓A罐的壓力屬穩(wěn)態(tài)壓力，且pmax1/3MPa；最大誤差Dmax0.6時(shí)，與理想流量特性相差無(wú)幾。6-12 什么是并聯(lián)管道中的分流比x ？ 試說(shuō)明x值對(duì)控制閥流量特性的影響？解 并聯(lián)管道中的分流比x為x值變化時(shí)，控制閥的流量變化，控制閥所控制的流量與總管的流量產(chǎn)生差異，因此，其理想流量特性將會(huì)發(fā)生畸變。x=1時(shí)，控制閥的流量就是總管的流量，工作特性與理想特性一致。隨著x值的減小，旁路閥逐漸打開(kāi)，雖然控制閥的流量特性變化不大，但可調(diào)范圍卻降低了。6-13 已知某控制閥串聯(lián)在管道中，系統(tǒng)總壓差為100kPa，阻力比為s=0.5。閥全開(kāi)時(shí)流過(guò)水的

15、最大流量為60m3/h。閥的理想可調(diào)范圍R=30，假設(shè)流動(dòng)狀態(tài)為非阻塞流。問(wèn)該閥的額定(最大)流量系數(shù)Kmax及實(shí)際的可調(diào)范圍Rr為多少？解 由 ，得控制閥全開(kāi)時(shí)閥上壓差 Dp1=Dps=1000.5=50 kPa，則實(shí)際的可調(diào)范圍Rr為6-14 某臺(tái)控制閥的額定流量系數(shù)Kmax100。當(dāng)閥前后壓差為200kPa時(shí)，其兩種流體密度分別為1.2gcm3和0.8gcm3，流動(dòng)狀態(tài)均為非阻塞流時(shí)，問(wèn)所能通過(guò)的最大流量各是多少？解 由，得當(dāng)r=1.2gcm3時(shí)，當(dāng)r=0.8gcm3時(shí)，6-15 對(duì)于一臺(tái)可調(diào)范圍R30的控制閥，已知其最大流量系數(shù)為Kmax100，流體密度為1g/cm3。閥由全關(guān)到全開(kāi)時(shí)

16、，由于串聯(lián)管道的影響，使閥兩端的壓差由l00kPa降為60kPa，如果不考慮閥的泄漏量的影響，試計(jì)算系統(tǒng)的阻力比（或分壓比）s，并說(shuō)明串聯(lián)管道對(duì)可調(diào)范圍的影響（假設(shè)被控流體為非阻塞的液體）。解 由于阻力比s等于控制閥全開(kāi)時(shí)閥上壓差與系統(tǒng)總壓差之比，在不考慮閥的泄漏量的影響時(shí)，閥全關(guān)時(shí)閥兩端的壓差就可視為系統(tǒng)總壓差，故本系統(tǒng)總壓差為l00kPa，閥全開(kāi)時(shí)兩端壓差為60kPa，所以阻力比：。 由于該閥的Cmax100，R30，在理想狀況下，閥兩端壓差維持為l00kPa，流體密度為1g/cm3，則最大流量Qmaxl00m3/h，最小流量QminQmaxR3/h。對(duì)于非阻塞流的液體，。串聯(lián)管道時(shí)，由于

17、壓差由l00kPa降為60kPa，故這時(shí)通過(guò)閥的最大流量將不再是l00m3/h，而是。這時(shí)的可調(diào)范圍；（或）由上可見(jiàn)，串聯(lián)管道時(shí)，會(huì)使控制閥的流量特性發(fā)生畸變，其可調(diào)范圍會(huì)有所降低。如果s值很低，會(huì)使可調(diào)范圍大大降低，以至影響控制閥的特性，使之不能發(fā)揮應(yīng)有的控制作用。當(dāng)然，從節(jié)能的觀點(diǎn)來(lái)看，s值大，說(shuō)明耗在閥上的壓降大，能量損失大，這是不利的一面。6-16 某臺(tái)控制閥的流量系數(shù)Kmax3，流動(dòng)狀態(tài)為非阻塞流時(shí)，問(wèn)所能通過(guò)的最大流量為多少？如果壓差變?yōu)?.2MPa時(shí)，所能通過(guò)的最大流量為多少？解 由公式，得當(dāng)壓差變?yōu)?.2MPa時(shí)，所能通過(guò)的最大流量為：上述結(jié)果表明，提高控制閥兩端的壓差時(shí)，對(duì)于

18、同一尺寸的控制閥，會(huì)使所能通過(guò)的最大流量增加。換句話說(shuō)，在工藝上要求的最大流量已經(jīng)確定的情況下，增加閥兩端的壓差，可以減小所選擇控制閥的尺寸(口徑)，以節(jié)省投資。這在控制方案選擇時(shí)，有時(shí)是需要加以考慮的。例如離心泵的流量控制，其控制閥一般安裝在出口管線上，而不安裝在吸入管線上，這是因?yàn)殡x心泵的吸入高度(壓頭)是有限的，壓差較小，將會(huì)影響控制閥的正常工作。同時(shí)，由于離心泵的吸入壓頭損失在控制閥上，以致會(huì)影響離心泵的正常工作。6-18 什么叫氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開(kāi)式與氣關(guān)式？其選擇原則是什么？解 氣動(dòng)執(zhí)行器（控制閥）的氣開(kāi)式為，有壓力控制信號(hào)時(shí)閥開(kāi)，無(wú)壓力控制信號(hào)時(shí)閥處于全關(guān)；氣關(guān)式為，有壓力控制信號(hào)時(shí)

19、閥關(guān)，無(wú)壓力控制信號(hào)時(shí)閥處于全開(kāi)。氣動(dòng)執(zhí)行器的氣開(kāi)式與氣關(guān)式的選擇原則是考慮工藝生產(chǎn)的安全，即控制信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和工作人員的安全。第7章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)7-2 題7-2圖是一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖。試畫(huà)出這一系統(tǒng)的方塊圖，并說(shuō)明各方塊的含義，指出它們具體代表什么？假定該反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)中，反應(yīng)器內(nèi)需維持一定溫度，以利反應(yīng)進(jìn)行，但溫度不允許過(guò)高，否則有爆炸危險(xiǎn)。試確定執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。題7-2圖 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)解 該反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)方塊圖如下圖所示。題解7-2圖 反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中：被控對(duì)象是反應(yīng)器；被控變量是反應(yīng)器內(nèi)溫度；操縱變量是蒸汽流量；控制器是溫度控制器TC。 根據(jù)工藝要求，執(zhí)行器應(yīng)為氣開(kāi)型式；蒸汽流量增加時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)溫度升高，被控對(duì)象是“正”作用；所以，控制器應(yīng)為“反”作用。7-13 試確定題7-13圖所示兩個(gè)系統(tǒng)中執(zhí)行器的正、反作用及控制器的正、反作用。 （1）題