1、PAGE PAGE 17第一章 思考題與習題(xt)課后練習題 1-1,1-3,1-5,1-8,2-4部分(b fen)參考答案：1 如圖所示為一制備乙炔(y qu)氣體的溫度控制系統，試畫出系統的框圖，簡述其工作原理；指出被控過程、被控參數和控制參數。 解：乙炔發生器中電石與冷水相遇產生乙炔氣體并釋放出熱量。當電石加入時，內部溫度上升，溫度檢測器檢測溫度變化與給定值比較，偏差信號送到控制器對偏差信號進行運算，將控制作用于調節閥，調節冷水的流量，使乙炔發生器中的溫度到達給定值。系統框圖如下：被控過程：乙炔發生器被控參數：乙炔發生器內溫度控制參數：冷水流量參照此題完成2-42 常用過程控制系統結

2、構可分為哪幾類? 課后題1-8答：過程控制系統主要分為三類：1. 反饋控制系統：反饋控制系統是根據被控參數與給定值的偏差進行控制的，最終達到或消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據。它是最常用、最基本的過程控制系統。 2前饋控制系統：前饋控制系統是根據擾動量的大小進行控制的，擾動是控制的依據。由于沒有被控量的反饋，所以是一種開環控制系統。由于是開環系統，無法檢查控制效果，故不能單獨應用。3. 前饋反饋(fnku)控制系統：前饋控制的主要優點(yudin)是能夠迅速及時的克服主要擾動對被控量的影響，而前饋反饋控制利用反饋控制克服其他擾動，能夠是被控量迅速(xn s)而準確地穩定在給定值上，提高

3、控制系統的控制質量。3 過程控制系統過渡過程的質量指標包括哪些內容？它們的定義是什么？哪些是靜態指標？哪些是動態質量指標？ 課后題1-5 答：1. 余差(靜態偏差）e：余差是指系統過渡過程結束以后，被控參數新的穩定值y()與給定值c之差。它是一個靜態指標，對定值控制系統。希望余差越小越好。衰減比n:衰減比是衡量過渡過程穩定性的一個動態質量指標，它等于振蕩過程的第一個波的振幅與第二個波的振幅之比，即： n1系統是不穩定的，是發散振蕩；n=1,系統也是不穩定的，是等幅振蕩；n1,系統是穩定的，若n=4,系統為4：1的衰減振蕩，是比較理想的。 衡量系統穩定性也可以用衰減率4最大偏差A：對定值系統，最

4、大偏差是指被控參數第一個波峰值與給定值C之差，它衡量被控參數偏離給定值的程度。過程過渡時間ts：過渡過程時間定義為從擾動開始到被控參數進入新的穩態值的5%或3 （根據系統要求）范圍內所需要的時間。它是反映系統過渡過程快慢的質量指標，ts越小，過渡過程進行得越快。6峰值時間tp: 從擾動開始到過渡過程曲線到達第一個峰值所需要的時間，（根據系統要求）范圍內所需要的時間。稱為峰值時間tp。它反映了系統響應的靈敏程度。靜態指標是余差，動態時間為衰減比（衰減率）、最大偏差、過程過渡時間、峰值時間。第二(d r)章 思考題與習題(xt)課后練習題 1-1,1-4,1-5,1-6，1-8,1-11,1-14

5、，2-5,2-6,3-1部分(b fen)參考答案與補充內容：1 有一壓力控制系統選用DDZ壓力變送器，其量程為0200kPa。生產工藝要求被控壓力為1502kPa，現將該變送器量程調整到100200 kPa，求零點遷移前后該壓力變送器的靈敏度。解： 零點遷移前靈敏度：零點遷移后靈敏度：2.說明DDZ熱電偶溫度變送器的冷端溫度補償原理。以A 和B 兩種導體組成的熱電偶產生的熱電勢與材料種類和接觸點的溫度有關。熱電偶產生的熱電勢與被測溫度T 具有單值函數關系。但是，其前提條件必須保持冷端溫度T0 不變。熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關，而且還與冷端溫度有關。實際使用中冷端暴露在儀表之外，受環

6、境影響較大，因此必須進行冷端補償（溫度校正）熱電偶冷端溫度的補償方法 （1）補償導線法（延伸導線法）：用與熱電偶熱電性質相同的臂長補償導線（或稱延伸導線）將熱電偶的冷端延伸到溫度保持恒定的地方。 （2）冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于恒定溫度的容器內或場合內。（3）冷端溫度修正法（計算校正法）：（4）補償電橋法：利用不平衡電橋產生相應的不平衡電勢補償由于熱電偶冷端溫度變化引起的測量誤差。 3 .DDZ-溫度(wnd)變送器測溫范圍為400600C。選擇哪一種測溫元件(yunjin)較為合理？當溫度從500C變化(binhu)到550C時，輸出電流變化多少？解:：檢測溫度低于600，可以選擇鉑電阻

7、測溫元件。 溫度變化50時，輸出電流變化： I0.08 mA/504 mA4 .過程控制系統的5大被控制參量包括那些？溫度、壓力、流量、液位、化學成分針對以上5大參量需要掌握其主要檢測方法及相應儀表的工作原理。第三章 思考題與習題課后練習題 1-2,1-6,1-11,1-12,1-13，1-14,1-15,2-5部分參考答案與補充(bchng)內容：1 什么是正作用調節器和反作用調節器？如何(rh)實現調節器的正反作用？答：反饋(fnku)輸入增加時，調節器輸出也隨之增加稱為正作用調節器；輸入增加時，調節器輸出減小稱為反作用調節器。模擬式在調節器輸入級的輸入端設有一個雙向開關，通過切換改變輸入

8、信號的極性來實現調節器的正反作用，數字式調節器根據設定改變數值計算方法實現。2 某流體的最大流量為80 m3/h ，該流體密度為0.16102g/cm3，閥前后一壓差為0.1MPa，試選擇調節閥的公稱直徑和閥座直徑。（要求泄露量小） 解：調節閥的流通能力C為：取 查表得dg32mm，Dg32mm 。 第四章 思考題與習題課后練習題 1-3,1-4,1-7，2-3，部分參考答案與補充內容：1 如圖所示液位過程的輸入量為Q1，流出量為Q2，Q3，液位h為被控參數，C為容量系數，并設R1、R2、R3均為線性液阻，要求：列出過程的微分方程組；求過程的傳遞函數W0（S）H（S）/Q1（S）；畫出過程的方

9、框圖。解：（1）根據(gnj)動態物料平衡關系，流入量流出量： 過程的微分方程的增量(zn lin)形式：中間(zhngjin)變量：消除中間變量： 同除 (R2+R3) 得到：令：上式可寫為：（2）Laplace 變換得到：傳遞函數: （3） 過程的方框圖：2設矩形脈沖響應幅值為2 t/h ，脈沖寬度為t10min，某溫度過程的矩形脈沖響應記錄數據如下：t(min)134581015165 Y()046173790190264360375t(min)2025304050607080 Y()33527221010451281105將該脈沖矩形響應曲線轉換成階躍響應曲線；用一階慣性環節求該溫度對

10、象的傳遞函數。解：將脈沖響應轉換成階躍響應曲線(qxin)，數據如下：t(min)134581015165 Y()046173790190264360375Y1（t）046173790190264t(min)2025304050607080 Y()33527221010451281105Y1（t）59.980.991.396.499.2100.3100.8 繪出階躍響應曲線(qxin)如下： 由圖y(t1)0.4y() ，y(t2)0.8y()處可得：t1=14min t2=30.5t1/t20.46 故二階系統(xtng)數字模型為 根據經驗公式有： 所有： ,3某過程在階躍擾動量u20，其

11、液位過程階躍響應數據見下表：t/s01020406080100140180260300400500h/cm00020820365488118144166184192畫出液位h的階躍響應曲線求液位過程的數學模型解：方法一：圖解法 由圖可以看出(kn ch)：過程應該用一階加延時系統。 從圖中得到(d do)：40s， T26040220s方法(fngf)二：計算法：在圖中取y(t1)0.33 y() y(t2)0.39y() y(t3)0.632 y() y(t4)0.7 y()得t1125s t2 140s t3 225s t4 260s 可見數據很接近，于是： 過程數學模型：第五章 思考題與

12、習題課后練習題 1-4,1-8,1-9,1-10,1-12,2-3,2-4,3-1部分參考答案與補充(bchng)內容：1 調節器的P、PI、PD、PID控制規律各有什么(shn me)特點？它們各用于什么場合？答： 比例控制規律 適用于控制通道滯后較小，時間常數不太大，擾動幅度較小，負荷變化不大，控制質量要求不高，允許(ynx)有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。 比例積分控制規律 引入積分作用能消除余差。適用于控制通道滯后小，負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制。 比例微分控制規律 引入了微分，會有超前控制作用，能使系統的穩定性增加

13、，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質量。適用于過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統，應盡可能避免使用微分作用。 比例積分微分控制規律 可以使系統獲得較高的控制質量，它適用于容量滯后大、負荷變化大、控制質量要求較高的場合，如反應器、聚合釜的溫度控制。 2在某生產過程中，冷物料通過加熱爐對其進行加熱，熱物料溫度必須滿足生產工藝要求，故設計圖所示溫度控制系統流程圖，畫出控制框圖，指出被控過程、被控參數和控制參數。確定調節閥的流量特性、氣開、氣關形式和調節器控制規律及其正、反作用方式。解：系統方框圖： 被控過程(guchng)為加熱爐；被控參數是熱物料的溫度；控制參數

14、為燃料的流量。 加熱爐的過程(guchng)特性一般為二階帶時延特性，即過程為非線性特性。因此，調節閥流量特性選擇對數特性調節閥。根據(gnj)生產安全原則，當系統出現故障時應該停止輸送燃料，調節閥應選用氣開式。即無氣時調節閥關閉。控制器的正反作用的選擇應該在根據工藝要求，原則是：使整個回路構成負反饋系統。控制器的正、反作用判斷關系為：（控制器“”）（控制閥“”） （對象“”）“” 調節閥：氣開式為“”，氣關式為“”； 控制器：正作用為“”，反作用為“”； 被控對象：按工藝要求分析，通過控制閥的物量或能量增加時，被控制量也隨之增加為“”；反之隨之降低的為“”； 變送器一般視為正作用。根據安全要

15、求，調節閥選氣開式Kv為正，溫度變送器Km一般為正，當調節器增加時，溫度值增加，故過程（對象）為正，為了保證閉環為負。所以調節器應為負作用。3下圖為液位控制系統原理圖。生產工藝要求汽包水位一定必須穩定。畫出控制系統框圖，指出被控過程、被控參數和控制參數。確定調節閥的流量特性、氣開、氣關形式和調節器的控制規律及其正反作用方式。解：控制系統框圖如下圖所示。被控過程為汽包；被控參數是汽包的液位；控制參數為給水的流量。 汽包的過程特性為一階帶時延特性，即過程(guchng)為非線性特性。因此，調節閥流量特性選擇對數(du sh)特性調節閥。根據生產安全原則，當系統出現故障時應該停止輸送(sh sn)燃

16、料，調節閥應選用氣關式。即無氣時調節閥打開。保證在控制出現故障時，汽包不會干燒。調節閥：選擇氣關式調節閥，故KV為“”；被控對象：按工藝要求分析，通過給水增加時，被控制參數的液位也會增加。所以K0為“”； 變送器一般視為正作用。 控制器的正、反作用判斷關系為： （控制器“？”）（控制閥“”） （對象“”）“”根據判斷關系式，調節器應為正作用。4 某過程控制通道作階躍實驗，輸入信號u50，其記錄數據見表611t/min00.20.40.60.81.01.2y(t)200.1201.1204.0227.0251.0280.0302.5t/min1.41.61.82.02.22.42.6y(t)31

17、8.0329.5336.0339.0340.5341.0341.2(1)用一階加純時延近似該過程的傳遞函數，求K0、T0、和0值。（2）用動態響應曲線法整定調節器的PI參數（取1，0.75）。解：（1）根據表611得到過程階躍響應曲線：由圖讀得T01.08 min 00.42 min 0.20.381根據動態特性(txng)整定公式有： TI0.8 T0 0.74 min5 對某過程控制通道作一階躍實驗，輸入(shr)階躍信號5，階躍響應記錄(jl)數據如表所示。若過程利用一階加純時延環節來描述，試求K0、T0、0設系統采用PI調節規律，按4：1衰減比，用反應曲線法整定調節器參數，求、Ti 。

18、時間（min）0510152025303540被控量y065006510652066807350817088109791075時間（min）455055606570758085被控量y115112131239126213111329133813501351解：（1）求過程的傳遞函數，由表作圖： 從圖中可以得到：25min 1500s ； T030min 1800s 采用一階加時延系統則：將數值(shz)代入得：（2） 因為(yn wi)/ T0 1500/18000.831 取0.75的有自衡過程(guchng)的整定公式：a比例系數：b積分時間常數Ti ：Ti0.8T01440 (s)第六章

19、 思考題與習題課后練習題 1-1,1-2,1-7,1-11,1-12,2-1,3-2部分參考答案與補充內容：1 在串級控制系統的設計中，副回路設計和副參數的選擇應考慮哪幾個原則？答：副回路設計是選擇一個合適的副變量，從而組成一個以副變量為被控變量的副回路。副回路設計應遵循的一些原則：(1) 副參數選擇應該時間常數小，時延小、控制通道短的參數作為副回路的控制參數。當對象具有較大的純時延時，應使所設計的副回路盡量少包括最好不包括純時延。(2) 使系統中的主要干擾包含在副環內。在可能的情況下，使副環內包含更多一些干擾。當對象具有非線性環節時，在設計時將副環內包含更多一些干擾。副回路應考慮到對象時間常

20、數的匹配：T01/T02310，以防止“共振”發生。副回路設計應該考慮生產工藝的合理性副回路設計應考慮經濟原則。2 圖為加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統。工藝要求一旦發生重大事故，立即切斷原料的供應。畫出控制系統的組成框圖確定調節閥的流量特性(txng)氣開、氣關形式確定(qudng)主副調節器的控制規律及其正反作用(zuyng)方式解：（1）串級系統方框圖如下：副回路選擇加熱爐爐膛溫度控制，消除F1（S）干擾。（2）由于發生重大事故時立即切斷燃料油的供應，從工藝的安全性考慮，調節閥選擇氣開式，保證無氣時調節閥關閉。（3）主調節器選擇PI（或PID）控制規律，副調節器選擇P調節規律。由于燃

21、料增加加熱爐溫度必然增加，所以過程為正。調節閥氣開式為正，根據表74可知主副調節器都選擇正作用方式。3 用蒸汽加熱的貯槽加熱器，進料量Q1穩定，而Q1的初始溫度T1有較大波動，生產工藝要求槽內物料溫度T恒定。Q2為下一工藝的負荷，要求Q2的溫度為T。試設計一過程控制系統，并畫出控制系統框圖。 解：應用前饋反饋控制系統對冷物料進行前饋補償控制、對被控參數：出口熱物料進行反饋控制。系統控制流程圖如下圖所示。控制系統組成框圖： 其中(qzhng) 前饋補償器傳遞函數 第七章 思考題與習題(xt)課后練習題 1-1,1-2,1-5,1-9,1-10,1-14,1-15,1-16,2-1,3-2.部分(b fen)參考答案：1 工藝比值與儀表比值系數的含義有什么不同?它們之間有什么關系？答：工藝比值指工藝流量之比，即：K=F2F1；儀表比值系數指主、副流量變送器輸出電流信號之比，即：K=I2-IminI1-Imin；二者之間的關系由下式決定：K=KF1maxF2max（變送器輸出與流量成線性關系時）K=(KF1maxF2max)2（變送器輸出與流量成開平方關系時） 2 什么是比值