何道清《儀表與自動(dòng)化》課后答案.doc

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儀表與自動(dòng)化第二版第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)主要由檢測變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對象等四個(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，工段號為3，儀表序號為07；TRC-303表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的溫度控制儀表；工段號為3，儀表序號為03；FRC-305表示集中儀表盤安裝的，具有指示記錄功能的流量控制儀表；工段號為3，儀表序號為05。 1-7 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測量變送裝置、控制器、執(zhí)行器各起什么作用？解 測量變送裝置的功能是測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（如氣壓信號或電壓、電流信號等）送往控制器；控制器接受測量變送器送來的信號，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（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)控制器送來的信號值來改變閥門的開啟度，從而改變操縱變量的大小。1-8試分別說明什么是被控對象、被控變量、給定值、操縱變量、操縱介質(zhì)？解：被控對象（對象）自動(dòng)控制系統(tǒng)中，工藝參數(shù)需要控制的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器。被控變量被控對象內(nèi)要求保持設(shè)定值的工藝參數(shù)?？叵到y(tǒng)通常用該變量的名稱來稱呼，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)，通過改變進(jìn)入夾套的冷卻水流量來控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度不變。試畫出該溫度控制系統(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1-11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)，其測量值與給定值比較，獲得偏差信號，經(jīng)溫度控制器運(yùn)算處理后，輸出控制信號去驅(qū)動(dòng)控制閥，使其開度增大，冷卻水流量增大，這樣使反應(yīng)器內(nèi)的溫度降下來。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)的溫度超過給定值，試說明此時(shí)該控制系統(tǒng)的工作情況，此時(shí)系統(tǒng)是如何通過控制作用來克服干擾作用對被控變量影響的？解：當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的溫度超過給定值（即升高）時(shí)，溫度測量元件測出溫度值與給定值比較，溫度控制器TC將比較的偏差經(jīng)過控制運(yùn)算后，輸出控制信號使冷卻水閥門開度增大，從而增大冷卻水流量，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度降下來，這樣克服干擾作用對被控變量影響。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)?？紤]安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過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渡過程曲線如題1-19圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質(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)過渡過程曲線解 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)；過渡時(shí)間ts=47min。因?yàn)锳=5080，C=81.0%，所以該壓力表不符合1.0級精度。3-7什么叫壓力？表壓力、絕對壓力、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）絕對壓力是指物體所受的實(shí)際壓力；表壓力=絕對壓力-大氣壓力； 負(fù)壓力（真空度）=大氣壓力-絕對壓力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)的測壓原理是什么？試述彈簧管壓力計(jì)的主要組成及測壓過程。解：（1）彈簧管壓力計(jì)的測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，只要測出了彈簧管自由端的位移大小，就能反映被測壓力p的大小。 （2）彈簧管式壓力計(jì)的主要組成：彈簧管（測量元件），放大機(jī)構(gòu)，游絲，指針，表盤。 （3）彈簧管壓力計(jì)測壓過程為：用彈簧管壓力計(jì)測量壓力時(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)：輸出信號與壓差成正比；應(yīng)用范圍廣，可用于表壓、差壓、流量、液位等的測量。3-15 某壓力表的測量范圍為01MPa，精度等級為1.0級，試問此壓力表允許的最大絕對誤差是多少？若用標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)來校驗(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，試問被校壓力表在這一點(diǎn)是否符合1級精度，為什么？解 壓力表允許的最大絕對誤差為Dmax=1.0MPa1.0%=0.01MPa在校驗(yàn)點(diǎn)0.5MPa處，絕對誤差為D=0.5-0.508=-0.008(MPa)該校驗(yàn)點(diǎn)的測量誤差為故該校驗(yàn)點(diǎn)不符合1.0級精度。3-16為什么測量儀表的測量范圍要根據(jù)測量大小來選??？選一臺(tái)量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)值有何問題？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，也考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對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)的測量誤差，儀表的量程又不宜選得過大。 （2）由于儀表的基本誤差Dm由其精度等級和量程決定，在整個(gè)儀表測量范圍內(nèi)其大小是一定的，選一臺(tái)量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)值這樣會(huì)加大測量誤差。 3-17 如果某反應(yīng)器最大壓力為0.8MPa，允許最大絕對誤差為0.01MPa?，F(xiàn)用一臺(tái)測量范圍為01.6MPa，精度為l.0級的壓力表來進(jìn)行測量，問能否符合工藝上的誤差要求？若采用一臺(tái)測量范圍為01.0MPa，精度為1.0級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試說明其理由。解 用01.6MPa、精度為l.0級的壓力表來進(jìn)行測量的基本誤差D1max=1.6MPa1.0%=0.016MPa0.01MPa(允許值)該表不符合工藝上的誤差要求。 用01.0MPa、精度為l.0級的壓力表來進(jìn)行測量的基本誤差D2max=1.0MPa1.0%=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、測量范圍、精度等級)，并說明其理由。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、測量范圍為02.5MPa的電接點(diǎn)壓力表。根據(jù)測量誤差要求，測量的最大誤差為Dmax1.15%=0.055(MPa)則所選壓力表的最大引用誤差應(yīng)滿足要求，故可選精度等級為1.5級的壓力表。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0.4MPa，試選用一臺(tái)就地指示的壓力表(給出型號、測量范圍、精度等級)。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、測量范圍為025MPa的電接點(diǎn)壓力表。根據(jù)測量誤差要求，所選壓力表的最大允許誤差應(yīng)滿足要求，故可選精度等級為1.5級的壓力表。 3-20 現(xiàn)有一臺(tái)測量范圍為01.6MPa，精度為1.5級的普通彈簧管壓力表，校驗(yàn)后，其結(jié)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試問這臺(tái)表合格否？它能否用于某空氣貯罐的壓力測量（該貯罐工作壓力為0.81.0MPa，測量的絕對誤差不允許大于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)/MPa0.0 0.4 0.8 1.2 1.6最大誤差標(biāo)準(zhǔn)表上行程讀數(shù)/MPa0.000 0.385 0.790 1.210 1.595標(biāo)準(zhǔn)表下行程讀數(shù)/MPa0.000 0.405 0.810 1.215 1.595升降變差/MPa0.000 0.020 0.020 0.005 0.0000.020標(biāo)準(zhǔn)表上、下行程讀數(shù)平均值/MPa0.000 0.395 0.800 1.2125 1.595絕對誤差D/MPa0.000 0.005 0.000 -0.013 0.005-0.013儀表的最大引用誤差（從絕對誤差和升降變差中選取絕對值最大者做為Dm，求儀表的最大引用誤差）所以，這臺(tái)儀表1.5級的精度等級合格?？諝赓A罐的壓力屬穩(wěn)態(tài)壓力，且pmax=1.0MPa1.61/3MPa；最大誤差Dmax=1.61.5%=0.024MPa0.6時(shí)，與理想流量特性相差無幾。6-12 什么是并聯(lián)管道中的分流比x ？ 試說明x值對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，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。閥全開時(shí)流過水的最大流量為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)，問所能通過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)到全開時(shí)，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，并說明串聯(lián)管道對可調(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QminQmaxR100/303.33m3/h。對于非阻塞流的液體，。串聯(lián)管道時(shí)，由于壓差由l00kPa降為60kPa，故這時(shí)通過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，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)來看，s值大，說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)Kmax200。當(dāng)閥前后壓差為1.2MPa，流體密度為0.81g/cm3，流動(dòng)狀態(tài)為非阻塞流時(shí)，問所能通過的最大流量為多少？如果壓差變?yōu)?.2MPa時(shí)，所能通過的最大流量為多少？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)，對于同一尺寸的控制閥，會(huì)使所能通過的最大流量增加。換句話說，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）的氣開式為，有壓力控制信號時(shí)閥開，無壓力控制信號時(shí)閥處于全關(guān)；氣關(guān)式為，有壓力控制信號時(shí)閥關(guān)，無壓力控制信號時(shí)閥