过程控制系统与仪表习题答案.docx
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过程控制系统与仪表习题答案
一、某化学反应器,工艺规定操作温度为200±10℃,考虑安全因素,调节过程中温度规定值最大不得超过15℃。
现设计运行的温度定值调节系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示,试求:
该系统的过渡过程品质指标(最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间),并问该调节系统是否满足工艺要求.
参考答案:
最大偏差A=230—200=30℃
余差C=205—200=5℃
衰减比n=y1:
y3=25:
5=5:
1
振荡周期T=20–5=15(min)
设被控变量进入稳态值的土2%,就认为过渡过程结束,则误差区域=205×(±2%)=±4。
1℃
在新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4.1℃画一区域(阴影线).曲线进入时间点Ts=22min
工艺规定操作温度为200±10℃,考虑安全因素,调节过程中温度规定值最大不得超过15℃,而该调节系统A=30℃,不满足工艺要求。
最大偏差A=230-200=30℃
余差C=205—200=5℃
衰减比n=y1:
y3=25:
5=5:
1
二、如图所示,用差压变送器检测液位。
已知ρ1=1200kg/m3,ρ2=950kg/m3,h1=1。
0m,h2=5。
0m,液位变化的范围为0~3.0m,如果当地重力加速度g=9.8m/s,求差压变送器的量程和迁移量.
当液位在0~3.0m变化时,差压的变化量为
ρ1gHmax=1200×9.8×3.0=35280Pa
根据差压变送器的量程系列,可选差变的量程为40kPa
当H=0时,有
Δp=-ρ2g(h2-h1)=-950×9。
8×(5。
0-1。
0)=-37240Pa
所以,差压变送器需要进行负迁移,负迁移量为37.24kPa
迁移后该差变的测量范围为-37.24~2.76kPa
若选用DDZ—Ⅲ型仪表,则当变送器输出I=4mA时,表示H=0;当I=20mA时,H=40×3.0/35.28=3。
4m,即实际可测液位范围为0~3。
4m。
如果要求H=3。
0m时差变输出满刻度(20mA),
则可在负迁移后再进行量程调整,
使得当Δp=-37.24+35。
28=-1。
96kPa时,差变的输出达到20mA。
三、有一台电动差压变送器,表量程为25000Pa,对应的最大流量为50t/h,工艺要求40t/h时报警。
问:
①不带开方器时,报警值设定在多少?
②带开方器时,报警信号设定在多少?
参考答案:
①不带开方器时对应40t/h流量的差压
ΔP1=25000(40/50)2=16000Pa
对应40t/h流量的输出
I出1=(16000/25000)16+4=12。
24mA
∴报警值S=12.24mA
②带开方器时,∵ΔQ=KΔP
对应40t/h流量的差压
ΔP2=25000(40/50)=20000Pa
对应40t/h流量的输出
I出2=(20000/25000)16+4=16。
8mA
∴报警值S=16。
8mA
四、某比例控制器,温度控制范围为400~800℃,输出信号范围是4~20mA。
当指示指针从600℃变到700℃时,控制器相应的输出从8mA变为16mA.求设定的比例度.
即:
温度的偏差在输入量程的50%区间内(即200℃)时,e和y是2倍的关系.
五、有一台比例积分调节器,它的比例度为50%,积分时间为1分,开始时,测量、给定和输出都在50%,当测量变化到55%时,输出变化到多少?
1分钟后又变化到多少?
(1)当测量由50%跃变到55%的一瞬间,时间t=0。
已知调节器的比例度δ=50%,积分时间TI=1分,ε=ΔI入=55%-50%=5%
代入上式可得Δy(0+)=ΔI出(0+)==10%
即输出变化为10%加上原有的50%,所以输出跃变到60%。
(2)一分钟后,输出变化为Δy
(1)=ΔI出
(1)=20%
加上原有的50%,所以一分钟后输出变到50%+20%=70%
六、请判定图所示温度控制系统中,调节阀和调节器的作用型式。
TC
物料
1.当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质,调节介质为过热蒸汽时;(A)
2.当物料为温度过高时易结焦或分解的介质,调节介质为过热蒸汽时;(B)
3.当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质,调节介质为待加热的软化水时;(C)
4.当物料为温度过高时易结焦或分解的介质,调节介质为待加热的软化水时;(D)
A.气关调节阀,正作用调节器;
B.气开调节阀,反作用调节器;
C。
气开调节阀,正作用调节器;
D。
气关调节阀,反作用调节器.
七、对于图示的加热器串级控制系统。
要求:
(1)画出该控制系统的方框图,并说明主变量、副变量分别是什么?
主控制器、副控制器分别是哪个?
(2)若工艺要求加热器温度不能过高,否则易发生事故,试确定控制阀的气开气关型式;
(3)确定主、副控制器的正反
作用;
(4)当蒸汽压力突然增加时,
简述该控制系统的控制过程;
(5)当冷物料流量突然加大时,
简述该控制系统的控制过程;
(注:
要求用各变量间的关系来阐述)
解:
(1)该控制系统的方框图
温度
控制器
控制阀
流量对象象
流量测量变送
主设
定值
扰动1
出口
温度
操纵
变量
流量
控制器
温度对象
蒸汽
流量
温度测量变送
副设
定值
主测量值
副测量值
扰动2
(2)由于工艺要求加热器温度不能过高,否则易发生事故,所以控制阀应选用气开型式,一但气源故障断气,控制阀自动关闭,蒸汽不再进入加热器,以避免介质温度过高发生事故。
(3)确定主、副控制器的正反作用:
在副回路中,由于流量对象是“+”作用(阀开大,流量增加)的(Ko2>0),控制阀也是“+”作用(气开式)的(Kv〉0),故副控制器FC是“+”特性(Kc2〉0),选反作用,这样才起到负反馈的控制作用;
在主回路中,由于主对象是“+”作用(副变量蒸汽流量增大,主变量出口温度也增大)的(Ko1〉0),故主控制器TC是“+”特性(Kc1>0),选反作用,这样才起到负反馈的控制作用。
(4)当蒸汽压力突然增加时,该控制系统的控制过程如下:
蒸汽压力增加,则蒸汽流量增加,由于FC为反作用,故其输出降低,因而气开型的控制阀关小,蒸汽流量减少以及时克服蒸汽压力变化对蒸汽流量的影响,因而减少以致消除蒸汽压力波动对加热炉出口物料温度的影响,提高了控制质量。
(5)当冷物料流量突然加大时,该控制系统的控制过程如下:
冷物料流量加大,加热炉出口物料温度降低,反作用的TC输出增加,因而使FC的给定值增加,FC为反作用,故其输出也增加,于是气开型的控制阀开大,蒸汽流量增加以使加热炉出口物料温度增加,起到负反馈的控制作用。
九、试判断图示两系统各属于何种控制系统?
说明其理由,并画出相应的系统方框图。
右图是以加热器出口温度为主被控变量,以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成的典型串级控制系统;
左图是一种形似串级控制但实际是一种前馈-反馈控制系统。
两个控制器TC与FC串级工作,TC的输出作为FC的给定,形似串级控制,但并没有副回路,只有一个反馈回路,执行器的输出并不能改变原料的流量,所以不能认为是一个串级控制系统.为静态前馈-反馈控制的非标准形式.
有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似,试问任何区分它们?
试分析图示的两个系统各属于什么系统?
说明其理由。
•前馈-反馈控制系统也有两个控制器,但在结构上与串级控制系统是完全不同的。
•串级控制系统是由内、外两个控制回路所组成;
•而前馈-反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。
图(b)是以加热器出口温度为主被控变量,以燃料油流量为副被控变量和操纵变量构成的典型串级控制系统;
图(a)是一种形似串级控制但实际是一种前馈-反馈控制系统。
两个控制器TC与FC串级工作,TC的输出作为FC的给定,形似串级控制,但并没有副回路,只有一个反馈回路,执行器的输出并不能改变原料的流量,所以不能认为是一个串级控制系统。
为静态前馈-反馈控制的非标准形式。
参考答案:
炉出口温度对燃料油流量的串级控制
加热炉的前馈-反馈控制系统
十、图示的热交换器中,物料与蒸汽换热,要求出口温度达到规定的要求。
试分析下述情况下应采取何种控制方案为好。
画出系统的结构图与方块图。
(1)物料流量F比较稳定,而蒸汽压力波动较大。
(2)蒸汽压力比较稳定,而物料流量F波动较大。
(3)物料流量F比较稳定,而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。
(1)物料流量F比较稳定,而蒸汽压力波动较大。
可设计出口温度为主变量,蒸汽压力为副变量的的串级控制系统。
压力控
制器PC
执行器
压力对象
温度T
设定值
扰动f1
控制系统方块图
温度对象
温度控
制器TC
-
+
-
+
扰动f2
测量、变送y1
测量、变送y2
P
(2)蒸汽压力比较稳定,而物料流量F波动较大.可设计出口温度为被控变量,物料流量为前馈量的前馈-反馈控制系统。
给定
前馈-反馈控制系统方块图
温度控制器
执行器
热交换器对象
测量、变送
-
+
流量控制器
测量、变送
干扰
+
出口温度
(3)物料流量F比较稳定,而物料入口温度及蒸汽压力波动都较大。
可设计物料入口温度为前馈量、出口温度为主变量,蒸汽压力为副变量的前馈-串级控制系统。
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