化工仪表及自动化 课后 答案 第5版 厉玉鸣（史上最全版本）

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1. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自

动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。 ", 实现化工生产过程自动化的意义：

（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。 （2）减轻劳动强度，改善劳动条件。

（3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。 （4）能改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。 2、化工自动化主要包括哪些内容？

一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。

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。

4、自动控制系统主要由哪些环节组成？

自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、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PI-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。

6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。

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。

7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。

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）——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)——用来实现控制作用的物料。

8.测量元件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号、电压、电流信号等）；控制器：将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保

持的给定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号送住执行器。执行器：能自动地根据控制器送来

的信号值相应地改变流入（或流出）被控对象的物料量或能量，从而克服扰动影响，实现控制要求。 Ex9.被控对象：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做~。被控变量：被控对象内要求保持给定值的工艺参数。给定值：被控变量的预定值。操纵变量：

受控制阀操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持给定值的物料量或能量。

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？

反应器温度控制系统

该温度控制系统的方块图

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。

1-11 题l-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具有负反馈的闭环系统。

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——给定值恒定的控制系统。

?随动控制系统（自动跟踪系统）——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。

15. 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

16. 在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。

∵干扰是客观存在的，是不可避免的。一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都受到干扰作用，破坏正常的工艺生产状态。这就需要通过自动化装置不断施加控制作用去对抗或抵消干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺所要求的技术指标上。一个正常工作的自动控制系统，总受到频繁的干扰作用，总处在频繁的动态过程中。∴了解系统动态更为重要。

17. 阶跃作用：在某一瞬间t0，干扰突然地阶跃式地加到系统上，并保持在这个幅度。

采用阶跃干扰的原因：阶跃干扰比较突然，比较危险，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效克服阶跃干扰，对其他比较缓和的干扰也一定很好地克服。阶跃干扰形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。

19. 等幅振荡过程和发散振荡过程是不稳定过程，生产上不能采用；非周期衰减过程虽是稳定过程，但该过程中被控变量达到新的稳定值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏

离给定值，所以一般也不采用；衰减振荡过程能够较快地使系统达到稳定状态，并且最终的稳态值必然在两峰值之间，决不会出现太高或太低的现象，更不会远离给定值以致造成 事故。所以…

1-19 某化学反应器工艺规定操作温度为(900?10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过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900?（?1%）=?9℃）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（℃）；

超调量B=950?908=42（℃）； 由于B?=918?908=10（℃），所以，衰减比n=B:B?=42:10=4.2； 余差C=908?900=8℃；

振荡周期T=45?9=36(min)； 过渡时间ts=47min。

因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，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80℃提高到81℃，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81℃）。

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=81.5?81=0.5（℃）； 由于B=81.5?80.7=0.8（℃），B?=80.9?80.7=0.2（℃），所以，衰减比n=B:B?=0.8:0.2=4； 余差C=80.7?81= ?0.3（℃）。

21、某化学反应器工艺规定操作温度为(900?10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过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900?（?1%）=?9℃）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（℃）； 超调量B=950?908=42（℃）； 由于B?=918?908=10（℃），所以，衰减比n=B:B?=42:10=4.2； 余差C=908?900=8℃；

振荡周期T=45?9=36(min)； 过渡时间ts=47min。

因为A=50℃<80℃，C=8℃<10℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。

22、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80℃提高到81℃，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81℃）。

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4-14图 电子平衡电桥测温原理图

当被测温度为测量下限时，Rt有最小值及Rt0，滑动触点应在RP的左端，此时电桥的平衡条件是

R3（Rt0+RP）=R2R4 （1）

当被测温度升高后，热电阻阻值增加?Rt，滑动触点应右移动才能使电桥平衡，此时电桥的平衡条件是

R3（Rt0+?Rt+RP?r1）=R2(R4+ r1) （2）

用式（1）减式（2），则得

?Rt R3? r1R3= R2r1

即

r1?R3?Rt （3）

R2?R3从上式可以看出：滑动触点B的位置就可以反映热电阻阻值的变化，亦即反映了被测温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。

当热电阻短路时，Rt=0，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向左滑动，直至始端；当热电阻断路时，Rt=?，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向右滑动，直至终终端；当电源停电时，指针指在任何位置，电桥输出都为0，（电桥“平衡”）。

16试述电-气阀门定位器的用途。

答 电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。

4-19 有一分度号为Cul00的热电阻，接在配分度号为Ptl00的自动平衡电桥上，指针读数为143℃，问所测实际温度是多少?

解 温度为143℃时，分度号为Ptl00的热电阻阻值（查Ptl00分度表）为154.70?。而自动平衡电桥上实际接的是分度号为Cul00的热电阻，利用154.70?查Cul00分度表，得所测实际温度为128℃。

4-20有一配K分度号热电偶的电子电位差计，在测温过程中错配了E分度号的热电偶，此时仪表指示196℃，问所测的实际温度是多少?此时仪表外壳为28℃。

解 电子电位差计指示196℃，输入信号为

EK(196，28)= E(196，0)? E(28，0)=7.977?1.122=6.855(mV)，

而该热电势实际是由E型热电偶提供的。设所测的实际温度为t，则有

EE(t，0)= EE(t，28)? EE(28，0)= EK(196，28)+ EE(28，0)=6.855+1.679=8.534(mV) 查E型热电偶分度表，得所测的实际温度为t=132.2℃

第5章 自动控制仪表

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1、简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。

控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。 被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

5-1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？

解 控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输入信号e之间的关系，即

p?f(e)?f(z?x)

控制器的基本控制规律有：位式控制（其中以双位控制比较常用）；比例控制(P)；积分控制(I)；微分控制(D)。

5-4 何为比例控制器的比例度？一台DDZ—Ⅱ型液位比例控制器，其液位的测量范围为0~1.2m，若指示值从0.4m增大到0.6m，比例控制器的输出相应从5mA增大到7mA，试求控制器的比例度及放大系数。

解 比例控制器的比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：

????x?x?maxmin式中 e ——输入变化量；

p ——相应的输出变化量；

xmax?xmin——输入的最大变化量，即仪表的量程；

?e?p??100% ?pmax?pmin?pmax?pmin——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。

根据题给条件，该控制器的比例度为

0.6?0.47?5???100%?83.3%

1.2?010?0对于单元组合仪表，其放大系数为

KP=1/?=1/83.3%=120%

5-5 一台DDZ—Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0～1000℃，当指示值变化100℃，控制器比例度为80％，求相应的控制器输出将变化多少？

解 ??epmax?pmin20?41001.6?????80% pxmax?xminp1000?0p控制器的输出变化量 p=1.6/80%=2(mA)

7、操纵变量的选择应遵循哪些原则？

（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；

（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；

（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

5-9 一台具有比例积分控制规律的DDZ—Ⅱ型控制器，其比例度?为200％，稳态时输出为5mA。在某瞬间，输入突然变化了0.5mA，经过30s后，输出由5mA变为6mA，试问该控制器的积分时间TI为多少？

解 控制器的放大倍数

KP=1/?=1/200%=0.5

控制器的输入变化量为A=0.5mA；控制器的输出变化量为?p=6?5=1(mA)，经历时间t=30s。由

?p?KPA?得

KPAt TITI?KPAt0.5?0.5?30??10(s)

?p?KPA1?0.5?0.55-10 某台DDZ—Ⅲ型比例积分控制器，比例度?为100％，积分时间TI为2min。稳态时，输出为5mA。某瞬间，输入突然增加了0.2mA，试问经过5min后，输出将由5mA变化到多少？

解 控制器的放大倍数

KP=1/?=1/100%=1

控制器的积分时间TI=2min，稳态输出p0=5mA；控制器的输入变化量为A=0.2mA。经历时间t=5min。则输出变化量

?p?KPA?KP1At?1?0.2??0.2?5?0.7(mA) TI2所以，经历时间5min后，控制器的输出为

p=p0+?p=5+0.7=5.7(mA)

2和12题7-2图是一反应器温度控制系统示意图。试画出这一系统的方块图，并说明各方块的含义，指出它们具体代表什么？假定该反应器温度控制系统中，反应器内需维持一定温度，以利反应进行，但温度不允许过高，否则有爆炸危险。试确定执行器的气开、气关型式和控制器的正、反作用。

题7-2图 反应器温度控制系统

解 该反应器温度控制系统方块图如下图所示。

题解7-2图 反应器温度控制系统方块图

其中：被控对象是反应器；被控变量是反应器内温度；操纵变量是蒸汽流量；控制器是温度控制器TC。

根据工艺要求，执行器应为气开型式；蒸汽流量增加时，反应器内温度升高，被控对象是“正”作用；所以，控制器应为“反”作用。

5-12 试写出比例积分微分（PID）三作用控制规律的数学表达式。 解 PID控制器的控制规律的数学表达式为

?1de??p?KP?e?edt?TD??? Tdt1??其中，e—输入变化量；p—相应的输出变化量；KP—放大倍数；TI—称为积分时间；TD—微分时间。

13、试确定题7-13图所示两个系统中执行器的正、反作用及控制器的正、反作用。

（1）题7-13(a) 图为一加热器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能过高，否则容易分解；

（2）题7-13(b) 图为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶。

题7-13图 温度控制系统

解 （1）根据工艺要求，题7-13(a) 图所示加热器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；加热剂流量增加时，加热器内温度升高，被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。

（2）根据工艺要求，题7-13(b) 图所示冷却器出口物料温度控制系统，执行器应为气开阀；冷剂流量增加时，冷却器内温度降低，被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“正”作用。 5-13 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。

解 比例控制规律的特点是反应快，控制及时；存在余差(有差控制) 积分控制规律的特点是控制动作缓慢，控制不及时；无余差(无差控制)

微分控制规律的特点是控制响应快，故有超前控制之称；但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制器。

3、试简述家用电冰箱的工作过程，画出其控制系统的方框图。

14、题7-14图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。 （1）选择流入量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Qo为操纵变量。

题7-14图 液位控制

解 （1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为满足贮槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所以，控制器应为“反”作用。

（2）当选择流入量Qo为操纵变量时，为满足贮 槽内液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“反”作用。 P199

5、题8-7图所示为聚合釜温度控制系统。试问：

（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图；

（2）如果聚合釜的温度不允许过高，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）简述当冷却水压力变化时的控制过程；

（5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？

（6）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。

题8-5图 聚合釜温度控制系统

解 （1）这是一个温度-流量串级控制系统，其方块图如下：

题解8-5图1 温度-流量串级控制系统的方块图

其中：主对象是聚合釜，主变量是聚合釜内的温度，主控制器是温度控制器TC；副对象是冷却水管道，副变量是冷却水流量，副控制器是流量控制器FC；操纵变量是冷却水流量。

（2）如果聚合釜的温度不允许过高，控制阀应为气关型式（“反”作用）。 （3）由于副变量就是操纵变量（冷却水流量）本身，所以副对象是“正”作用，因此副控制器FC为“正”作用。

当主变量（聚合釜内的温度）增加时，要使主变量减小，要求控制阀关小；副变量（冷却水流量）增加时，要使副变量减小，要求控制阀关大。因此主控制器TC应为“正”作用。

（4）当冷却水压力变化（如压力增大）时，在控制阀开度不变时，其流量增大，聚合釜温度会降低。首先，流量增大，副控制器FC输出信号增大（“正”作用），使气关阀门开度减小，减小冷却水流量；其次，聚合釜温度降低，主控制器TC输出减小（“正”作用），FC给定值减小，FC输出增大，进一步关小控制阀，减小冷却水流量。这样可以有效地控制因冷却水压力增大，导致其流量增大所造成的聚合釜内温度降低的影响。

（5）如果冷却水温度经常波动，则应选择冷却水温度作为副变量，构成温度-温度串级控制系统。如题解8-5图2所示。

9-3 试述题9-3图所示的离心式压缩机两种方案的特点，它们在控制目的上有什么不同？

题9-3图 离心式压缩机的控制方案

解 第一种控制方案是控制旁路回流量的大小，其目的是控制出口流量恒定；第二种控制方案控制旁路流量控制进口流量的，其目的是控制入口流量恒定（足够的吸入流量）以防“喘振”。

9-6某换热器，其载热体是工艺中的主要介质，其流量不允许控制。为了使被加热的物料出口温度恒定，采用了载热体旁路的控制方案如图1l—30(a)、(b)所示。试问该两种方案是否合理？为什么？

题9-6图 换热器控制方案

解 不合理。因为在图11—30(a)中，控制阀与旁路并联，在图(b)中控制阀与换热器

并联。这种并联的连接方式使阀的特性变坏，可调范围降低。且因换热器内流路简单，旁路更是如此，因此阻力小，压差小，必须选择大口径的控制阀，使投资增加。

9-7 题9-7图中 (a)、(b)表示蒸汽加热器，(c)、(d)表示氨冷器，都是属于一侧有相变的换热器。试从传热速率方程式来分析，上述各方案是通过什么方法来改变传热量，从而维持物料出口温度恒定的？

题9-7图 出口物料温度控制

解 题9-7图中(a)、(d)是通过改变冷热两流体的传热温差，来达到控制物料出口温度 的目的。

题9-7图中(b)、(c)是通过改变传热面积的方法，来达到控制物料出口温度的目的。

9-8 题9-8图所示蒸汽加热器，工艺要求出口物料温度稳定在(90?1)℃。已知主要干扰为进口物料流量的波动。

题9-8图 蒸汽加热器

(1) 确定被控变量，并选择相应的测量元件；

(2) 制定合理的控制方案，以获得较好的控制质量；

(3) 若物料温度不允许过低，否则易结晶，试确定控制阀的气开、气关型式；

(4) 画出控制系统的原理图与方块图； (5) 确定温度控制器的正、反作用。

解 (1) 被控变量是出口物料的温度。测量元件应为热电阻体，可选Ptl00、Cu50或Cul00；也可选K型或E型热电偶测温元件。

(2) 应设计前馈-反馈控制系统。

题解9-8图1 前馈-反馈控制系统原理图

(3) 控制阀应为气关型。

(4) 控制系统原理图如题解9-8图1所示， 控制系统方块图如题解9-8图2所示。

题解9-6图2 前馈-反馈控制系统方块图

图中TC为反馈控制器，FC为前馈控制器(或前馈补偿装置)。 (5) TC应为正作用。

9-9 题9-9图所示的列管式换热器，工艺要求出口物料温度稳定，无余差，超调量小。已知主要干扰为载热体（蒸汽）压力不稳定。试确定控制方案，画出该自动控制系统原理图与方块图；若工艺要求换热器内不允许温度过高，试确定控制阀的气开、气关型式，并确定所选控制器的控制规律及正、反作用。

如果主要干扰是入口介质流量不稳定，又如何设计控制方案？

题9-9图 列管式换热器

解 根据工艺要求，可以设计如下图所示的前馈-反馈控制系统，

题解9-9图1 列管式换热器的前馈-反馈控制系统

其方块图如下图所示，

题解9-9图2 列管式换热器的前馈-反馈控制系统方块图

其中，被控对象是列管式换热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量；主要干扰是蒸汽压力不稳定；前馈控制器是压力控制器PC；反馈控制器是温度控制器TC。

由于工艺要求换热器内温度不宜过高，则控制阀应确定为气开型，控制器TC应为“反”作用，PC应为“反”作用；

（如果工艺要求换热器内温度不宜过底，则控制阀应确定为气关型，控制器TC应为“正”作用，PC应为“正”作用。）

温度控制器TC一般为比例积分控制规律；压力控制器PC一般为比例控制规律。 还可以设计温度-压力串级控制系统。

如果主要干扰是入口介质流量不稳定，可以设计如下图所示的温度与流量的前馈-反馈控制系统

题解9-9图3 列管式换热器的温度与流量的前馈-反馈控制系统

也可以设计成温度-流量串级控制系统。

9-20某原油加热炉系统如题9-20图所示，工艺要求原油出口温度稳定，无余差，已知燃料入口的压力波动频繁，是该控制系统的主要干扰。试根据上述要求设计一个温度控制系统，画出控制系统原理图和方块图，确定调节阀的作用形式，并选择合适的控制规律和控制器的正、反作用。（加热器内不允许温度过高）

如果原油的流量波动频繁，如何设计使原油出口温度稳定的控制系统？

题9-20图 原加热炉的温度控制

解 根据工艺要求，可以设计如下图所示的温度-压力串级控制系统，

题解9-20图1 加热炉温度-压力串级控制系统

控制系统的方块图如下图所示，

题解9-20图2 加热炉温度-流量串级控制系统方块图

其中，主对象是加热炉，主变量是出料温度，主控制器是温度控制器TC；副对象是加热燃料管道，副变量燃料压力，副控制器是压力控制器PC。

工艺要求加热器内不允许温度过高，则控制阀应确定为气开型，主控制器TC应为“反”作用，副控制器PC应为“反”作用。主控制器TC一般为比例积分控制规律，副控制器PC一般为比例控制规律。

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