何道清《儀表與自動化》課后答案

儀表與自動化第二版第1章自動控制系統(tǒng)基本概念1-3自動控制系統(tǒng)主要由哪些環(huán)節(jié)組成？解 自動控制系統(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Pl-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 被控變量的設定值相比較得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結 果，然后將此結果用特定信號（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)設備或機器。被控變量被控對象內(nèi)要求保持設定值的工藝參數(shù)?？?系統(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（或設定值或期望值）一一人們希望控制系統(tǒng)實現(xiàn) 的目標，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的直接影 響且便于調(diào)節(jié)（操縱）的變量?；?qū)崿F(xiàn)控制作用的變量。操縱介質(zhì)（操縱劑）一一用來實現(xiàn)控制作用的物料。1-11題1-11圖所示為一反應器溫度控制系統(tǒng)示意圖。A、B兩種物料進入反應器進行反應，通過改變進入夾套的冷卻水 流量來控制反應器內(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)是一個題1-11圖 反應器溫度控制系統(tǒng)解 該溫度控制系統(tǒng)的方塊圖題解1-11圖 反應器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中，被控對象：反應器；被控變量：反應器內(nèi)的溫度； 操縱變量：冷卻水流量。可能影響被控變量的干擾因素主要有A、B兩種物料的溫度、進料量，冷卻水的壓力、溫度，環(huán)境溫度的高低等。若當反應器內(nèi)的被控溫度在干擾作用下升高時，其測量值 與給定值比較，獲得偏差信號，經(jīng)溫度控制器運算處理后，輸 出控制信號去驅(qū)動控制閥，使其開度增大，冷卻水流量增大， 這樣使反應器內(nèi)的溫度降下來。所以該溫度控制系統(tǒng)是一個具 有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。1-12題1-11圖所示的溫度控制系統(tǒng)中，如果由于進料溫度升高使反應器內(nèi)的溫度超過給定值，試說明此時該控制系統(tǒng) 的工作情況，此時系統(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：當反應器內(nèi)的溫度超過給定值（即升高）時，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，自動控制系統(tǒng)可分哪幾類？解：按給定值形式不同，自動控制系統(tǒng)可以分為以下三類：定值控制系統(tǒng)一一給定值恒定的控制系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）一一給定值隨機變化的 系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng) 給定值按一定時間程序變化的系統(tǒng)。1-19某化學反應器工藝規(guī)定操作溫度為 （90010） Co考慮安全因素，控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過80C。現(xiàn)設計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：最大偏差、超調(diào)量、衰減比、余差、振蕩周期和 過渡時間(被控溫度進入新穩(wěn)態(tài)值的1%(即卩900 ( 1%=9C)的時間),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=950 900=50 (C)；超調(diào)量 B=950 908=42 (C)；由于 B =918 908=10 ( C ), 所以，衰減比n=B: B =42:10=4.2 ;余差 C=908 900=8C;振蕩周期 T=45 9=36(min);過渡時間ts=47min因為A=50C <80C, C=8C <10C，所以，該控制系統(tǒng)能滿足題中所給的工藝要求。1-20題l-20(a) 圖是蒸汽加熱器的溫度控制原理圖。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出被控對象、被控變量、操縱變量和可能存在的干擾是什么？現(xiàn)因生產(chǎn)需要，要求出口物料溫 度從80C提高到81C,當儀表給定值階躍變化后，被控變量的變化曲線如題1- 20(b)圖所示。試求該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指 標：最大偏差、衰減比和余差(提示：該系統(tǒng)為隨動控制系統(tǒng)， 新的給定值為81C) oRO.O lbVM頑題1-20圖蒸汽加熱器溫度控制解 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)的方塊圖如下圖所示題解1-20圖 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng)方塊圖其中：被控對象是蒸汽加熱器； 被控變量是出口物料溫度； 操縱變量是蒸汽流量?？赡艽嬖诘母蓴_主要有：進口物料的流量、溫度的變化； 加熱蒸汽的壓力、溫度的變化；環(huán)境溫度的變化等。該系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)指標：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，衰減比 n=B: B =0.8:0.2=4 ；余差 C=80.781=0.3C)。第2章被控對象的數(shù)學模型2-1什么是對象特性？為什么要研究對象特性?解 對象特性就是的對象的輸出 - 輸入關系研究對象的特性，就是用數(shù)學的方法來描述對象輸入量 與輸出量之間的關系。當采用自動化裝置組成自動控制系統(tǒng)時，首先也必須深入了解對 象的特性，了解它的內(nèi)在規(guī)律，才能根據(jù)工藝對控制質(zhì)量的要 求，設計合理的控制系統(tǒng)，選擇合適的被控變量和操縱變量， 選用合適的測量元件及控制器。在控制系統(tǒng)投入運行時，也要 根據(jù)對象特性選擇合適的控制器參數(shù) （ 也稱控制器參數(shù)的 工程 整定 ） ，使系統(tǒng)正常地運行。 被控對象的特性對自動控制系統(tǒng)的 控制質(zhì)量的影響很大，所以必須對其深入研究。2-2 何為對象的數(shù)學模型？靜態(tài)數(shù)學模型與動態(tài)數(shù)學模型 有什么區(qū)別？解 對象特性的數(shù)學描述（方程、曲線、表格等）稱為對 象的 數(shù)學模型。穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型描述的是對象在穩(wěn)態(tài)時的輸入量與輸出量之 間的關系；動態(tài)數(shù)學模型描述的是對象在輸入量改變以后輸出量的變化情況。穩(wěn)態(tài)與動態(tài)是事物特性的兩個側(cè)面，可以這樣 說，動態(tài)數(shù)學模型是在穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型基礎上的發(fā)展，穩(wěn)態(tài)數(shù)學 模型是對象在達到平衡狀態(tài)時的動態(tài)數(shù)學模型的一個特例。2-8反映對象特性的參數(shù)有哪些？各有什么物理意義？解：放大系數(shù)K時間常數(shù)T和滯后時間t放大系數(shù)K在數(shù)值上等于對象（重新）處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出變化量與（引起輸出變化的）輸入變化量之比，即輸出量的變化量K輸入量的變化量對象的放大系數(shù) K越大，就表示對象的輸入量有一定變化 時，對輸出量的影響越大，或被控變量對這個量的變化就越靈 敏，所以，K實質(zhì)上是對象的靈敏度。時間常數(shù)T是指當對象受到階躍輸入作用后，被控變量達 到新的穩(wěn)態(tài)值的 63.2%所需時間；或當對象受到階躍輸入作用 后，被控變量如果保持初始變化速度變化，達到新的穩(wěn)態(tài)值的 時間。時間常數(shù)越大，被控變量的變化也越慢，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間也越大對象在受到輸入作用后，被控變量卻不能立即而迅速地變 化的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象；或輸出變量的變化落后于輸入變量的 變化的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象用滯后時間 t表示。對象的滯后時間t，使對象的被控變量對輸入的變化響應 滯后，控制不及時。2-11已知一個對象特性是具有純滯后的一階特性， 其時間 常數(shù)為5min，放大系數(shù)為10，純滯后時間為2min，試寫出描 述該對象特性的一階微分方程式。解該對象特性的一階微分方程為5dy(t 2) y(t 2)10x(t)dt2-12如題2-12圖所示的RC電路中，已知 R= 5k , C= 2000 F。試畫出ei突然由0階躍變化到5V時的eo變化曲 線，并計算出t = T、t = 2T、t = 3T時的eo值。題2-12圖RC電路解RC電路的微分方程為eiT de。dt當ei =5V時，微分方程的解為eo=5(1e t/T) = 5(1 e ) (V)（該系統(tǒng)的時間常數(shù)T=RC5 103 200010 6=10s)當 t=T 時，e o=5(1當 t=2T 時，eo=5(1當 t=3T 時，eo=5(1Te )= 5(12T/Te)= 5(13T/Te)= 5(1e 1)=3.16V ;e 2)=4.32V ;e 3)=4.75V。題解2-12圖RC電路的階躍響應曲線2-13已知一個簡單水槽，其截面積為0.5m2，水槽中的液體由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。如果在穩(wěn)定的情況下，輸入流量突然在原來的基礎上增加了0.1m3/h，試畫出水槽液位 h的變化曲線。解這是一個積分對象，則2-14為了測定某重油預熱爐的對象特性， 在某瞬間（假定 為to=O）突然將燃料氣流量從 2.5t/h增加到3.0t/h，重油出 口溫度記錄儀得到的階躍反應曲線如題 2-14圖所示。假定該對 象為一階對象，試寫出描述該重油預熱爐特性的微分方程式 （分 別以溫度變化量與燃料量變化量為輸出量與輸入量），并解出燃料量變化量為單位階躍變化量時溫度變化量的函數(shù)表達式。150r c1/! i/nint)2RHnrin（熾料T的階抵變化（b）岀口溫度反應曲線題2-14圖重油預熱爐的(輸入)燃料變化量0,t 0;x(t)0.5(t/h)50/6(kg/mi n),t 0由題圖知，該系統(tǒng)屬于一階系統(tǒng)，輸出量(溫度)的變化量y(t)相對于輸入(燃料)變化量x(t)的關系(方程)為dy(t)Ty(t) Kx(t)dt當 x(t)= A=50/6(kg/mi n)=c on st.時，方程的解為 y(t)=KA(1 e t/T) C由題圖知，y( )=KA=150 120=30C,則K=30/ A=30/(50/6)=3.6( C /(kg/mi n)首先不考慮延遲，y(t)的變化從10=2min開始，到11=8min 時，實際變化時間t=6min，由題圖知/-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若考慮滯后時間=2mi n,則y t0,t2mi n;y(t )30(1 e(t 2)/3.35),t 2min微分方程為3.35dy 2) y (t 2)3.6x(t)dt系統(tǒng)的特性參數(shù)是系統(tǒng)的固有特性，不會隨輸入信號的變化而變化，因此，前面求解過程中所確定的K和T的值是不變的。所以，當燃料變化量x(t)= A=1時，溫度變化量的函數(shù)表達 式為y (t)=y(t)=3.6(1 e (t 2)/3.35) C第3章檢測儀表與傳感器3-1什么叫測量過程？解測量過程就是將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比較的過程3-5某一標尺為01000C的溫度儀表出廠前經(jīng)校驗，其刻度標尺上的各點測量結果分別為：