控制仪表及装置课后答案.docx
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控制仪表及装置课后答案
控制仪表及装置课后答案
【篇一:
过程控制仪表及控制系统(林德杰)课后答案机械工业出版社】
>1-2图1.6为温度控制系统,试画出系统的框图,简述其工作原理;指出被控过程、被控参数和控制参数。
解:
乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。
当电石加入时,内部温度上升,温度检测器检测温度变化与给定值比较,偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算,将控制作用于调节阀,调节冷水的流量,使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下:
被控过程:
乙炔发生器被控参数:
乙炔发生器内温度控制参数:
冷水流量
1-3常用过程控制系统可分为哪几类?
答:
过程控制系统主要分为三类:
1.反馈控制系统:
反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的,最终达到或消除或减小偏差的目的,偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2.前馈控制系统:
前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的,扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈,所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统,无法检查控制效果,故不能单独应用。
3.前馈-反馈控制系统:
前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响,而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动,能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上,提高控制系统的控制质量。
3-4过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容?
它们的定义是什么?
哪些是静态指标?
哪些是动态质量指标?
答:
1.余差(静态偏差)e:
余差是指系统过渡过程结束以后,被控参数新的稳定值y(∞
)
与给定值c之差。
它是一个静态指标,对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2.衰减比n:
衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标,它等于振荡过程的第
一个波的振幅与第二个波的振幅之比,即:
n?
bb?
?
?
b?
b?
b
4.最大偏差a:
对定值系统,最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值c之差,它衡量被控参数偏离给定值的程度。
6.峰值时间tp:
从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间,(根据系统要求)范围内所需要的时间。
称为峰值时间tp。
它反映了系统响应的灵敏程度。
静态指标是余差,动态时间为衰减比(衰减率)、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。
第二章思考题与习题
2-1如图所示液位过程的输入量为q1,流出量为q2,q3,液位h为被控参数,c为容量系数,并设r1、r2、r3均为线性液阻,要求:
(1)列出过程的微分方程组;
(2)求过程的传递函数w0(s)=h(s)/q1(s);(3)画出过程的方框图。
dh解:
(1)根据动态物料平衡关系,流入量=流出量:
q1?
(q2?
q3)?
dt
d?
h
过程的微分方程的增量形式:
中间变量:
消除中间变量:
同除(r2+r3)得到:
令:
?
q2?
?
h
r2
?
q3?
?
h
r3
r2r3?
q1?
cr2r3
d?
h
?
(r3?
r2)?
hdt
r2r3cr2r3d?
h
?
q1?
?
?
h
r2?
r3r2?
r3dt
r?
r2r3
r2?
r3
(3)过程的方框图:
d?
h上式可写为:
r?
q1?
cr?
?
hdt
(2)laplace变换得到:
rq1(s)?
crsh(s)?
h(s)
h(s)r传递函数:
w0(s)?
?
q1(s)
rcs?
1
2-2.如图所示:
q1为过程的流入量,q2为流出流量,h为液位高度,c为容量系数,若以q1为过程的输入量,h为输出量(被控量),设r1、r2为线性液阻,求过程的传递函数w0(s)=h(s)/q1(s)。
解:
根据动态物料平衡关系,流入量=流出量:
d?
h
?
q1?
?
q2?
c过程的微分方程的增量形式:
dt
?
h?
q2?
中间变量:
r2
d?
h
r?
q?
cr?
?
h212
dt
传递函数:
r2q1(s)?
cr2sh(s)?
h(s)
w0(s)?
r2h(s)?
q1(s)cr2s?
1
ql
如果考虑管道长度l,即出现纯时延,由于管道流量恒定,所以?
?
其传递函数为:
?
r2h(s)
w0(s)?
?
e
q1(s)cr2s?
1
s
?
其中:
?
?
ql
2-3.设矩形脉冲响应幅值为2t/h,脉冲宽度为△t=10min,某温度过程的矩形脉冲响应记录数据如下:
(1)将该脉冲矩形响应曲线转换成阶跃响应曲线;
(2)用一阶惯性环节求该温度对象的传递函数。
解:
将脉冲响应转换成阶跃响应曲线,数据如下:
绘出阶跃响应曲线如下:
k0?
y(?
)?
y(0)101
?
?
50.5
x02
由图y(t1)=0.4y(∞),y(t2)=0.8y(∞)处可得:
t1=14mint2=30.5t1/t2≈0.46故二阶系统数字模型为w0(s)?
k0
2
(ts?
1)
根据经验公式有:
t0(s)?
t1?
t2
?
2.16?
10.32
所有:
w0(s)?
k050.5
?
22
(ts?
1)(10.3s?
1)
(1)画出液位h的阶跃响应曲线
(2)求液位过程的数学模型解:
方法一:
图解法
【篇二:
仪表自动化习题答案】
txt>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。
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。
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。
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。
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。
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(℃)。
第2章被控对象的数学模型
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。
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。
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?
控制系统与仪表课后习题答案完整版
>1-1过程控制有哪些主要特点?
为什么说过程控制多属慢过程参数控制?
解答:
1.控制对象复杂、控制要求多样2.控制方案丰富
3.控制多属慢过程参数控制
4.定值控制是过程控制的一种主要控制形式5.过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2什么是过程控制系统?
典型过程控制系统由哪几部分组成?
解答:
过程控制系统:
一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成:
参照图1-1。
1-4说明过程控制系统的分类方法,通常过程控制系统可分为哪几类?
解答:
分类方法说明:
按所控制的参数来分,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等;按控制系统所处理的信号方式来分,有模拟控制系统与数字控制系统;按控制器类型来分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统;按控制系统的结构和所完成的功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分,有比例(p)控制、比例积分(pi)控制,比例、积分、微分(pid)控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统;按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类:
1.按设定值的形式不同划分:
(1)定值控制系统
(2)随动控制系统(3)程序控制系统
2.按系统的结构特点分类:
(1)反馈控制系统
(2)前馈控制系统
(3)前馈—反馈复合控制系统
1-5什么是定值控制系统?
解答:
在定值控制系统中设定值是恒定不变的,引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6什么是被控对象的静态特性?
什么是被控对象的动态特性?
二者之间有什么关系?
解答:
被控对象的静态特性:
稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
被控对象的动态特性:
。
系统在动态过程中,被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。
二者之间的关系:
1-7试说明定值控制系统稳态与动态的含义。
为什么在分析过程控制系统得性能时更
关注其动态特性?
解答:
稳态:
对于定值控制,当控制系统输入(设定值和扰动)不变时,整个系统若能达到一种平衡状态,系统中各个组成环节暂不动作,它们的输出信号都处于相对静止状态,这种状态称为稳态(或静态)。
动态:
从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作,到整个系统又建立新的稳态(达到新的平衡)、调节过程结束的这一段时间,整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中,这种状态称为动态。
在实际的生产过程中,被控过程常常受到各种振动的影响,不可能一直工作在稳态。
只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性,才能设计出良好的控制系统。
1-8评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些?
各自的定义是什么?
解答:
单项性能指标主要有:
衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。
衰减比:
等于两个相邻的同向波峰值之比n;
过渡过程的最大动态偏差:
对于定值控制系统,是指被控参数偏离设定值的最大值a;
超调量:
第一个波峰值y1与最终稳态值y(?
)之比的百分数?
;
1
y1
?
100%y(?
)
残余偏差c:
过渡过程结束后,被控参数所达到的新稳态值y(?
)与设定值之
?
?
间的偏差c称为残余偏差,简称残差;
调节时间:
从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间;
振荡频率:
过渡过程中相邻两同向波峰(或波谷)之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期,其倒数称为振荡频率;
峰值时间:
过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
1-10某被控过程工艺设定温度为900℃,要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超
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图1-4所示。
试求该系统过渡过程的单项性能指标:
最大动态偏差、衰减比、振荡周期,该系统能否满足工艺要求?
解答:
1最大动态偏差a:
a?
950?
c?
900?
c?
50?
c○
950?
900
2衰减比n:
n?
?
5:
1○
910?
900
3振荡周期t:
t?
45?
9?
36(min)○
a80?
c,且n1(衰减振荡),所以系统满足工艺要求。
第2章思考题与习题
求:
1)该表最大绝对误差;
2)该表精度;
2
求:
1)变差;
2)基本误差;
3)该表是否符合1.0级精度?
2-3某压力表的测量范围为0~10mpa,精度等级为1.0级。
试问此压力表允许的最大绝对误差是多少?
若用标准压力计来校验该压力表,在校验点为5mpa时,标准压力计上读数为5.08mpa,试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度,为什么?
解答:
1)基本误差?
=
?
100%
2-4为什么测量仪表的测量范围要根据被测量大小来选取?
选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题?
解答:
1)2)
2-5有两块直流电流表,它们的精度和量程分别为
1)1.0级,0~250ma2)2.5级,0~75ma
现要测量50ma的直流电流,从准确性、经济性考虑哪块表更合适?
解答:
分析它们的最大误差:
2.5
?
100%?
?
5%501.875
选择2.5级,0~75ma的表。
5.08?
5
?
100%?
0.8%10
2-11某ddz-Ⅲ型温度变送器输入量程为200~1000℃,输出为4~20ma。
当变送器
3
输出电流为10ma时,对应的被测温度是多少?
解答:
1000?
200t
?
;t=500?
c。
20?
410
解答:
1)工作原理:
2)根据题意:
压力范围为1.2,即允许的最大绝对误差?
max=0.051分析选用不同量程的表所需的精度等级:
○
0.05
?
100%?
?
3.125%,可选2.5级表;0~1.6mpa量程:
?
?
?
.601.05
?
100%?
?
2%,可选1.5或2.0级表;0~2.5mpa量程:
?
?
?
2.50.05
?
100%?
?
1.2%,可选1.0级表。
0~4.0mpa量程:
?
?
?
4.0
2量程选择:
被测最大压力=1/3~2/3量程上限○
1.232
?
?
0~1.6mpa量程:
11.61.2423
?
0~2.5mpa量程:
?
3.22.5311
?
0.3?
0~4.0mpa量程:
4.03
综合分析,选用1.5级或2.0级,0~2.5mpa量程的表最合适。
2-13如果某反应器最大压力为1.0mpa,允许最大绝对误差为0.01mpa。
现用一台测量范围为0~1.6mpa,精度为1级的压力表来进行测量,问能否符合工艺要求?
若采用一台测量范围为0~1.0mpa,精度为1级的压力表,能符合要求吗?
试说明其理由。
解答:
工艺要求:
最大压力为1.0mpa,允许最大绝对误差为0.01mpa。
分别求出两台仪表的最大允许误差,进行判断。
4
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