何道清《仪表与自动化》课后答案

仪表与自动化第二版第1章自动控制系统基本概念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Pl-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）一一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）一一用来实现控制作用的物料。1-11题1-11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：定值控制系统一一给定值恒定的控制系统。随动控制系统（自动跟踪系统）一一给定值随机变化的 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 （90010） Co考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80C。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%(即卩900 ( 1%=9C)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 (C)；超调量 B=950 908=42 (C)；由于 B =918 908=10 ( C ), 所以，衰减比n=B: B =42:10=4.2 ;余差 C=908 900=8C;振荡周期 T=45 9=36(min);过渡时间ts=47min因为A=50C 80C, C=8C 10C，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80C提高到81C,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81C) oRO.O lbVM頑题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=81.581=0.5 (C)；由于 B=81.580.7=0.8 (C) , B =80.980.7=0.2 (C),所以，衰减比 n=B: B =0.8:0.2=4 ；余差 C=80.781=0.3C)。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t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，即输出量的变化量K输入量的变化量对象的放大系数 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 t表示。对象的滞后时间t，使对象的被控变量对输入的变化响应 滞后，控制不及时。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5dy(t 2) y(t 2)10x(t)dt2-12如题2-12图所示的RC电路中，已知 R= 5k , C= 2000 F。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eiT de。dt当ei =5V时，微分方程的解为eo=5(1e t/T) = 5(1 e ) (V)（该系统的时间常数T=RC5 103 200010 6=10s)当 t=T 时，e o=5(1当 t=2T 时，eo=5(1当 t=3T 时，eo=5(1Te )= 5(12T/Te)= 5(13T/Te)= 5(1e 1)=3.16V ;e 2)=4.32V ;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2-14为了测定某重油预热炉的对象特性， 在某瞬间（假定 为to=O）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。150r c1/! i/nint)2RHnrin（熾料T的阶抵变化（b）岀口温度反应曲线题2-14图重油预热炉的(输入)燃料变化量0,t 0;x(t)0.5(t/h)50/6(kg/mi n),t 0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dy(t)Ty(t) Kx(t)dt当 x(t)= A=50/6(kg/mi n)=c on st.时，方程的解为 y(t)=KA(1 e t/T) C由题图知，y( )=KA=150 120=30C,则K=30/ A=30/(50/6)=3.6( C /(kg/mi n)首先不考虑延迟，y(t)的变化从10=2min开始，到11=8min 时，实际变化时间t=6min，由题图知/-I-y(t)=y(6)=30(1 e )=145120=25 (C)由此解出T=3.35(mi n)所以y(t)=30(1 e t/3.35 ) C若考虑滞后时间=2mi n,则y t0,t2mi n;y(t )30(1 e(t 2)/3.35),t 2min微分方程为3.35dy 2) y (t 2)3.6x(t)dt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y (t)=y(t)=3.6(1 e (t 2)/3.35) C第3章检测仪表与传感器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3-5某一标尺为01000C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：