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自动化例题


例题
图A所示为一水箱的液位控制系统。试画出其方块图,指 出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么?简 要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置在 系统中的功能。

图A 水箱液位控制系统

例题分析
解:方块图如图B所示。系统中水箱里水的液位为被控变 量;进水流量为操纵变量;水箱为被控对象。带有浮球及 塞子

的杠杆装置在系统中起着测量与调节的功能。其工 作过程如下:当水箱中的液位受到扰动变化后,使浮球上 下移动,通过杠杆装置带动塞子移动,使进水量发生变化, 从而克服扰动对液位的影响。例如由于扰动使液位上升 时,浮球上升,带动塞子上移,减少了进水量,从而使液位 下降。
h0 _ h

杠杆系统

塞子
浮球 图B 方块图

水箱

1.判断: 自动控制系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产 设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好 的步骤,将生产过程自动地投入运行或自动停车。在受到外界干 扰(扰动)的影响而偏离正常状态时,自动操纵系统能自动地控 制而回到规定的数值范围内。 (X) 2.在合成纤维锦纶生产中,熟化罐的温度是一个重要的参数,其期 望值是一已知的时间函数,则熟化罐的温度控制系统属于( D )。 A. 定值控制系统 B. 随动控制系统 C. 正反馈控制系统 D. 程序控制系统 3.过渡过程结束时,被控变量所达到的新的稳态值与原稳态值 之差叫做 余差 。 4.在调节系统的品质指标中,最大偏差与超调量在任何时候 都完全相等。(×) 新稳定值等于给定值时相等

1.某化学反应器工艺规定的操作温度为900±10℃,考虑安全因素, 控制过程中温度偏离给定值不得超过80℃。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图1-19所示.试求该系 统过渡过程品质指标:最大偏差、超调量、衰减比和振荡周期,并回答 该控制系统能否满足题中所给出的工艺要求? P16(***) 温度(℃) (21) 950
限定范围

9 45 47 时间(min) 最大偏差A=950-900=50 ℃ 超调量B=950-908=42 衰减比B:B'= (950-908): (918-908)=42: 10=4.2 振荡周期T=45-9=36(min) 余差C= 908-900=8 ℃ 限定范围~900×(±2%)=±18 ℃? 过渡时间(给定值为900℃)为47min

918 908 900

化工仪表及自动化-3

练习: P33- 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 1 Q1 0.1 ?h ? ? Q1dt ? ? dt ? 0.5t ? 0.2t A A

△h

t

化工仪表及自动化-3

练习:

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5,放大系数为10,纯滞后时间为2,试写出描述该 对象特性的一阶微分方程式.
dy (t ? 2) ? y (t ? 2) ? 10 x(t ) dt

5

化工仪表及自动化-3

B

1,放大系数K在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输 入变化量之比。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,即被控变量对这个量的变化越灵敏。( v) 2.容量滞后又叫纯滞后,是指对象在受到阶跃 输入作用x后,被控变量y开始变化很慢,后 来才逐渐加快,最后又变慢直至逐渐接近稳定值。(x)

化工仪表及自动化-3

1.下列( a )不是描述对象特性的参数。 A.过渡时间 B.时间常数 C.放大系数 D.滞后时间
2.放大系数K是描述过程动态特性的参数。( x ) 3.注意K,T,? 的连贯性,协调性

4.练习: P33- 14

化工仪表及自动化-4

某工艺?允 ? ?1.2% 选择仪表:精度等级~1.0级

校验仪表等级:精度等级~1.5级

仪表允许的最大绝对误 差值 ?允 ? ? ?100% 测量范围上限值? 测量范围下限值

某工艺?允 ? ?3.0%

选择仪表:精度等级~2.5级 校验仪表等级:精度等级~4.0级

化工仪表及自动化-4

该表的最大引用误差 为

?m
? 1.5 0 0

练习: 一块2.5级刻度为0~100Pa的压 1.4 ?100 0 0 ? 1.4 0 0 力表,发现在50 Pa处的误差最 ? m ? 100 ? 0 大,为1.4 Pa,其它刻度处的误差 均小于1.4 Pa,问这块压力表是 否合格? 所以,这块压力表合格.

化工仪表及自动化-4

P47 例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为25~28MPa,测量误差不得 大于1MPa。工艺上要求就地观察,并能高低限报警, 试正确选用一台压力表,指出型号、精度与测量范围。

P48 练习: 有一台空压机的缓冲罐,其工作压力变化范围为13.5~16 MPa , 工艺要求最大测量误差为0.8 MPa,并可就地观察及高低限报警。 试选一合适的压力表(包括测量范围、精度等级)

化工仪表及自动化-4

化工仪表及自动化-4

例 4~~P57转子流量计的指示值修正

化工仪表及自动化-4

例 5~~P58转子流量计的指示值修正

化工仪表及自动化-4

P102~~练习 37转子流量计的指示值修正

P68 注意: 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等 液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题, 应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器
仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是, 仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。 因此,常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。 仪表的δ允越大,表示它的精确度越低; 反之,仪表的δ允越小,表示仪表的精确度越高。(v)

?应用静压原理检测物位
I0(mA)
20

4 -2000

0 2000 3000 5000 7000

ΔP (Pa)

(a)无迁移

(b)负迁移

(c)正迁移

2 某压力变送器的测量范围:0~5000Pa,固定差压

(h ? h1 ) ?2 g

=2000Pa

物位检测方法及仪表

P75注意: 化工仪表及自动化-4 1.如果组成热电偶回路的两种导体材料相同,则无论两接点温度 如何,闭合回路的总热电势为零; 2.如果热电偶两接点温度相同,尽管两导体材料不同, 闭合回路的总热电势也为零; 3.热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外,还与 热电极的材料有关。也就是说不同热电极材料制成的热电偶在 相同温度下产生的热电势是不同的

铂铑30-铂铑6热电偶(分度号为B) 该种热电偶是60年代发展起来的一种典型的高温热电偶。 正极为含铑30%的铂铑合金(BP)负极为含铑6%的铂铑合金(BN)

冷端温度的修正方法是把测得的热电势E(t,t1) ,加上热端为室温t1,冷端温度为0 ℃的热电 偶的热电势E(t1,0)

化工仪表及自动化-4

中间温度定律:E(t,t1) = E(t,0)- E(t1,0) E(t,0) =E(t,t1) + E(t1,0)

例6 用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。 测得的热电势E(t,t1)=66982μV,而自由端 的温度t1=30℃,求被测的实际温度(t)。
解 由附录三可以查得 E (30 , 0)= 1801 μV 则 E (t , 0)= E (t ,30 )+ E (30 , 0) = 66982+ 1801 = 68783 μV 再查附录三可以查得68783μV对应的温度为900℃。

电阻温度特性方程

化工仪表及自动化-4

练习: P103 67
用分度号Pt100铂电阻测温,在计算时错用了Cu100的分度表, 查得的温度为140 ℃,问实际温度为多少?
解 由附录七可以查得 140 ℃ 的电阻为159.96 Ω 则 由附录五可以查对应的温度为157℃。

练习: P103 64 测温系统如图3-85所示. 请说出这是工业上用的哪种温度计?-----K
R1 R3 R2

化工仪表及自动化-4

tx
热电阻

E

控制室
热电阻的三线制接法 P86图3-66 热电阻温度计 P84图3-63 热电偶温度计

化工仪表及自动化-4 练习: P103 64 测温系统如图3-85所示.请说出这是工业上用的哪种温度计?已知热电偶为K, 但错用与E配套的显示仪表,当仪表指示温度为160 ℃时,计算实际温度tx 为多少? 中间温度定律:
E(t,t1) = E(t,0)- E(t1,0)(附录三----E型热电偶) E(t,0) =E(t,t1) + E(t1,0)

(附录四----K型热电偶)

K t
x

E '(t , t1 ) ? E (t , 0) ? E (t1 , 0)

E 控 制 室
图3-85

1 ? 10501 ? (1192 ? 1801) (附录三----E型热电偶) 2 ? 10501 ? 1496.5 ? 9004.5
E (t , 0) ? E '(t , t1 ) ? E (25, 0) ? 9004.5 ? 1000 ? 10004.5
测温系统图

15.5 t ? 246 ? ? 246.4 40

(附录四----K型热电偶)

化工仪表及自动化-4

某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为0~200℃, 变送器的输出为4~20mA。对这台温度变送器进行校验,得到如下数据:
输入信号 标准温度/℃ 正行程读数x正 输出信号/mA 反行程读数x反 0 4 4.02 50 8 8.10 100 12.01 12.10 150 16.01 16.09 200 20 20.01

试根据以上校验数据计算各测试点正、反行程时 的绝对误差△正和△反和正反行程之差△差, 并确定该仪表的变差、准确度等级与线性度。

化工仪表及自动化-3

化工仪表及自动化-5

一次仪表 (检测仪表)Local instrument 安装在现场且直接与工艺介质相接触 eg. 弹簧管压力表 双金属温度计 二次仪表 (显示仪表) Display instrument, integrator 安装在控制室的仪表盘上,连续地显示 或记录生产过程中各参数的变化情况

控制规律的表示形式
PID控制器的一般形式为:△y=f(e)

p ~ ?y

几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为: 比例作用(P) 比例积分作用(PI) 比例微分作用(PD)

?y ? K P e
?y ? K P (e ? 1 TI

?

t

0

edt )

?y ? K P (e ? TD
TI

de ) dt

比例积分微分作用(PID) y ? K P (e ? 1 ?

?

t

0

edt ? TD

de ) dt

KP—控制器的比例增益; TI—控制器的积分时间; TD—控制器的微分时间;

例: 电极式液位自动控制装置

化工仪表及自动化-5

实际的双位控制特性~~作用:降低控制机构开关频率 P 延长运动部件使用寿命 被控变量液位~~等幅震荡 开

e



图4-4 具有中间区的双位控制过程

小结:

化工仪表及自动化-5

1.比例调节依据“偏差的大小”来动作,它的输出与输入偏差的大小 成比例.比例调节及时,有力,但有余差.它用比例度来表示其作用的 强弱,比例度越小,调节作用越强,相反,比例度越大,调节作用就越弱; 比例作用太强时,会引起震荡.

1 pmax ? pmin ?? ? ? 100% K P xmax ? xmin

? :比例度
K P : 放大倍数 xmax ? xmin : 指示值的刻度范围 pmax ? pmin : 输出的工作范围

化工仪表及自动化-5

试述自动控制系统中常用的控制规律及其特点和应用场合。 比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号 (给定值与测量值的偏差)成比例。 它的特点是控制及时,克服干扰能力强, 但在系统负荷变化后,控制结果有余差。

这种控制规律适用于对象控制通道滞后较小、负荷变化不大、 对控制要求不高的场合。

化工仪表及自动化-5

比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例, 而且与输入信号对时间的积分成比例。

它的特点是能够消除余差, 但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。 这种控制规律适用于对象滞后较小、负荷变化不大、 控制结果不允许有余差存在的系统。

化工仪表及自动化-5

比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用,
微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例, 它对克服对象的容量滞后有显著的效果。 这种控制规律适用于对象容量滞后较大、负荷变化大、 控制质量要求较高的系统。

1. 积分时间愈_______长______,积分作用愈弱。 2.对理想微分作用而言,假如偏差固定,即使数值很大, 微分作用也没有输出。(√ )

化工仪表及自动化-5

一台DDZ-Ⅱ型液位比例式控制器,其液位的控制范围为0.5m— 1.2m,比例度为40%。当液位为0.9m时,控制器的输出为5mA。 问液位变化到1.0m时,控制器的输出为多少? 解:由比例度的定义可求出相应的输出的变化数值为: Δp=[(pmax-pmin)/(xmax-xmin)]·e· (1/δ)= [(10-0)/(1.2-0.5)]· (1.0-0.9)·(100/40)=3.6mA 假定该控制器为正作用式控制器,那么当测量值增加时, 其输出应该是增加的,故液位为1.0m时,相应的输出信号应为8.6mA 。若是反作用式控制器,则相应的输出信号应为1.4mA 。

化工仪表及自动化-5

试分别写出(QDZ、)DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ型仪表的信号范围。

答:(QDZ仪表的信号范围为20--100kpa气压信号;)DDZ-Ⅱ型仪 表的信号制采用0--10mA DC作为现场传输信号,控制室内的联络信 号为0--2V DC;DDZ-Ⅲ型仪表的信号制采用4--20mA DC作为现场传 输信号,控制室内的联络信号为1--5V DC。
国产电动单元组合仪表三代产品: 20~60年代 DDZ—I型,电子管磁放大器 70年代 DDZ—II型,晶体管分立元件 80年代 DDZ—III型, 线性集成防爆 自动化控制仪表的信号通信 早期 DDZ—I,DDZ—II 采用0~10mA 目前 DDZ—III ,采用4~20mA(国际标准)

化工仪表及自动化-5

一台DDZ-Ⅲ型温度比例控制器,测量范围为200--1200℃,当温度给定值由 800℃变动到850℃时,其输出由12mA变化到16mA。试求该控制器的比例 度及放大系数。(该控制器是属于正作用还是反作用控制器,为什么?) 解:根据比例度的定义,并代入有关数据,可得比例度为:
? 850 ? 800 16 ? 12 50 ? 4 / ?100% ? ?100% 1200 ? 200 20 ? 4 1000

=20% 由于是单元组合式仪表,输入到温度控制器的信号是由温度变送器来的4—20 mA DC信号,与输出信号一样,都是同一的标准信号,所以温度控制器的放大系 数与其比例度成倒数关系,故有:Kp=1/δ=1/20%=5 (该控制器当给定信号增加时,其输出信号也是增加的。由于给定信号与测 量信号在进行比较时,是相减的运算,控制器的输入信号(偏差)等于测量信号减 去给定信号,所以当给定信号增加时,控制器的偏差信号是减小的,而这时输出 信号反而增加,故该控制器属于反作用式控制器。)

化工仪表及自动化-5 一台具有比例积分控制规律的DDZ-Ⅱ型控制器,其比例度为 80%,积分时间T1为1min。稳态时,输出为6mA。某瞬间,输 入偏差突然增加了0.3mA,问其比例输出为多少?经过3min后, 其输出将为多少? 解:由于比例度为80%,故比例放大系数Kp=1/δ=1.25。 KP 输入变化了0.3mA,输出在比例作用下将