过程控制系统设计仪表习题答案

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＝35280 Pa

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）＝－37240 Pa

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。

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

（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

扰动1

扰动2

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。

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。

?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：

燃料油

炉出口温度对燃料油流量的串级控制

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。

变量的的串级控制系统。

控制系统方块图

（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。

前馈－反馈控制系统方块图

（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。