過(guò)程控制儀表及控制系統(tǒng)_復(fù)習(xí)題2014

1、第一章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)題 1-1,1-3,1-5,1-8,2-4部分參考答案：1 如圖所示為一制備乙炔氣體的溫度控制系統(tǒng)，試畫(huà)出系統(tǒng)的框圖，簡(jiǎn)述其工作原理；指出被控過(guò)程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。 解：乙炔發(fā)生器中電石與冷水相遇產(chǎn)生乙炔氣體并釋放出熱量。當(dāng)電石加入時(shí)，內(nèi)部溫度上升，溫度檢測(cè)器檢測(cè)溫度變化與給定值比較，偏差信號(hào)送到控制器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，將控制作用于調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)冷水的流量，使乙炔發(fā)生器中的溫度到達(dá)給定值。系統(tǒng)框圖如下：被控過(guò)程：乙炔發(fā)生器被控參數(shù)：乙炔發(fā)生器內(nèi)溫度控制參數(shù)：冷水流量參照此題完成2-42 常用過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為哪幾類? 課后題1-8答：過(guò)程控制系統(tǒng)主要分為三類

2、：1. 反饋控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行控制的，最終達(dá)到或消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。它是最常用、最基本的過(guò)程控制系統(tǒng)。 2前饋控制系統(tǒng)：前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行控制的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。由于沒(méi)有被控量的反饋，所以是一種開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。由于是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)法檢查控制效果，故不能單獨(dú)應(yīng)用。3. 前饋反饋控制系統(tǒng)：前饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速及時(shí)的克服主要擾動(dòng)對(duì)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(dòng)，能夠是被控量迅速而準(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3 過(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)包括哪些內(nèi)容？它們的定義是什么？哪些是靜態(tài)

3、指標(biāo)？哪些是動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)？ 課后題1-5 答：1. 余差(靜態(tài)偏差）e：余差是指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束以后，被控參數(shù)新的穩(wěn)定值y()與給定值c之差。它是一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)，對(duì)定值控制系統(tǒng)。希望余差越小越好。2. 衰減比n:衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)，它等于振蕩過(guò)程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)波的振幅之比，即： n1系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，是發(fā)散振蕩；n=1,系統(tǒng)也是不穩(wěn)定的，是等幅振蕩；n1,系統(tǒng)是穩(wěn)定的，若n=4,系統(tǒng)為4：1的衰減振蕩，是比較理想的。 衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性也可以用衰減率4最大偏差A(yù)：對(duì)定值系統(tǒng)，最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)波峰值與給定值C之差，它衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。5 過(guò)程過(guò)渡

4、時(shí)間ts：過(guò)渡過(guò)程時(shí)間定義為從擾動(dòng)開(kāi)始到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值的±5%或±3 （根據(jù)系統(tǒng)要求）范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。它是反映系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程快慢的質(zhì)量指標(biāo)，ts越小，過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得越快。6峰值時(shí)間tp: 從擾動(dòng)開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間，（根據(jù)系統(tǒng)要求）范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。稱為峰值時(shí)間tp。它反映了系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。靜態(tài)指標(biāo)是余差，動(dòng)態(tài)時(shí)間為衰減比（衰減率）、最大偏差、過(guò)程過(guò)渡時(shí)間、峰值時(shí)間。第二章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)題 1-1,1-4,1-5,1-6，1-8,1-11,1-14，2-5,2-6,3-1部分參考答案與補(bǔ)充內(nèi)容：1 有一壓力控制系統(tǒng)選用DDZ壓

5、力變送器，其量程為0200kPa。生產(chǎn)工藝要求被控壓力為150±2kPa，現(xiàn)將該變送器量程調(diào)整到100200 kPa，求零點(diǎn)遷移前后該壓力變送器的靈敏度。解： 零點(diǎn)遷移前靈敏度：零點(diǎn)遷移后靈敏度：2.說(shuō)明DDZ熱電偶溫度變送器的冷端溫度補(bǔ)償原理。以A 和B 兩種導(dǎo)體組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與材料種類和接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與被測(cè)溫度T 具有單值函數(shù)關(guān)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(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且還與冷端溫度有關(guān)。實(shí)際使用中冷端暴露在儀表之外，受環(huán)境影響較大，因此必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償（溫度校正）熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償方法 （1）補(bǔ)償導(dǎo)

6、線法（延伸導(dǎo)線法）：用與熱電偶熱電性質(zhì)相同的臂長(zhǎng)補(bǔ)償導(dǎo)線（或稱延伸導(dǎo)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(nèi)或場(chǎng)合內(nèi)。（3）冷端溫度修正法（計(jì)算校正法）：（4）補(bǔ)償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡電勢(shì)補(bǔ)償由于熱電偶冷端溫度變化引起的測(cè)量誤差。 3 .DDZ-溫度變送器測(cè)溫范圍為400600°C。選擇哪一種測(cè)溫元件較為合理？當(dāng)溫度從500°C變化到550°C時(shí)，輸出電流變化多少？解:：檢測(cè)溫度低于600，可以選擇鉑電阻測(cè)溫元件。 溫度變化50時(shí)，輸出電流變化： I0.08 mA/×504 mA

7、4 .過(guò)程控制系統(tǒng)的5大被控制參量包括那些？溫度、壓力、流量、液位、化學(xué)成分針對(duì)以上5大參量需要掌握其主要檢測(cè)方法及相應(yīng)儀表的工作原理。第三章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)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(bǔ)充內(nèi)容：1 什么是正作用調(diào)節(jié)器和反作用調(diào)節(jié)器？如何實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正反作用？答：反饋輸入增加時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出也隨之增加稱為正作用調(diào)節(jié)器；輸入增加時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出減小稱為反作用調(diào)節(jié)器。模擬式在調(diào)節(jié)器輸入級(jí)的輸入端設(shè)有一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，通過(guò)切換改變輸入信號(hào)的極性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正反作用，數(shù)字式調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定改變數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。2 某流體的最大流量為80 m3

8、/h ，該流體密度為0.16×102g/cm3，閥前后一壓差為0.1MPa，試選擇調(diào)節(jié)閥的公稱直徑和閥座直徑。（要求泄露量?。?解：調(diào)節(jié)閥的流通能力C為：取 查表得dg32mm，Dg32mm 。 第四章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)題 1-3,1-4,1-7，2-3，部分參考答案與補(bǔ)充內(nèi)容：1 如圖所示液位過(guò)程的輸入量為Q1，流出量為Q2，Q3，液位h為被控參數(shù)，C為容量系數(shù)，并設(shè)R1、R2、R3均為線性液阻，要求：（1） 列出過(guò)程的微分方程組；（2） 求過(guò)程的傳遞函數(shù)W0（S）H（S）/Q1（S）；（3） 畫(huà)出過(guò)程的方框圖。解：（1）根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，流入量流出量： 過(guò)程的微分方程的增

9、量形式：中間變量：消除中間變量： 同除 (R2+R3) 得到：令：上式可寫(xiě)為：（2）Laplace 變換得到：傳遞函數(shù): （3） 過(guò)程的方框圖：2設(shè)矩形脈沖響應(yīng)幅值為2 t/h ，脈沖寬度為t10min，某溫度過(guò)程的矩形脈沖響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如下：t(min)134581015165 Y()046173790190264360375t(min)2025304050607080 Y()33527221010451281105（1） 將該脈沖矩形響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線；（2） 用一階慣性環(huán)節(jié)求該溫度對(duì)象的傳遞函數(shù)。解：將脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線，數(shù)據(jù)如下：t(min)134581015165 Y(

10、)046173790190264360375Y1（t）046173790190264t(min)2025304050607080 Y()33527221010451281105Y1（t）59.980.991.396.499.2100.3100.8 繪出階躍響應(yīng)曲線如下： 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(tǒng)數(shù)字模型為 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有： 所有： ,3某過(guò)程在階躍擾動(dòng)量u20，其液位過(guò)程階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：t/s01020406080100140180260300400500h/cm000208203654881

11、18144166184192（1） 畫(huà)出液位h的階躍響應(yīng)曲線（2） 求液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型解：方法一：圖解法 由圖可以看出：過(guò)程應(yīng)該用一階加延時(shí)系統(tǒng)。 從圖中得到：40s， T26040220s方法二：計(jì)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(jiàn)數(shù)據(jù)很接近，于是： 過(guò)程數(shù)學(xué)模型：第五章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)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(bǔ)充內(nèi)容：1 調(diào)節(jié)器的P、PI、PD、PID控制規(guī)律各有什么特

12、點(diǎn)？它們各用于什么場(chǎng)合？答： 比例控制規(guī)律 適用于控制通道滯后較小，時(shí)間常數(shù)不太大，擾動(dòng)幅度較小，負(fù)荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場(chǎng)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(guī)律 引入積分作用能消除余差。適用于控制通道滯后小，負(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場(chǎng)合，如流量或壓力的控制。 比例微分控制規(guī)律 引入了微分，會(huì)有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過(guò)程，改善了控制質(zhì)量。適用于過(guò)程容量滯后較大的場(chǎng)合。對(duì)于滯后很小和擾動(dòng)作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免使用微分作用。 比例積分微分控制規(guī)律 可以使系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量，

13、它適用于容量滯后大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫度控制。 2在某生產(chǎn)過(guò)程中，冷物料通過(guò)加熱爐對(duì)其進(jìn)行加熱，熱物料溫度必須滿足生產(chǎn)工藝要求，故設(shè)計(jì)圖所示溫度控制系統(tǒng)流程圖，畫(huà)出控制框圖，指出被控過(guò)程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥的流量特性、氣開(kāi)、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及其正、反作用方式。解：系統(tǒng)方框圖： 被控過(guò)程為加熱爐；被控參數(shù)是熱物料的溫度；控制參數(shù)為燃料的流量。 加熱爐的過(guò)程特性一般為二階帶時(shí)延特性，即過(guò)程為非線性特性。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性選擇對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。根據(jù)生產(chǎn)安全原則，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)該停止輸送燃料，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開(kāi)式。即無(wú)氣時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。控制器的

14、正反作用的選擇應(yīng)該在根據(jù)工藝要求，原則是：使整個(gè)回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。控制器的正、反作用判斷關(guān)系為：（控制器“±”）·（控制閥“±”） ·（對(duì)象“±”）“” 調(diào)節(jié)閥：氣開(kāi)式為“”，氣關(guān)式為“”； 控制器：正作用為“”，反作用為“”； 被控對(duì)象：按工藝要求分析，通過(guò)控制閥的物量或能量增加時(shí)，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(jù)安全要求，調(diào)節(jié)閥選氣開(kāi)式Kv為正，溫度變送器Km一般為正，當(dāng)調(diào)節(jié)器增加時(shí)，溫度值增加，故過(guò)程（對(duì)象）為正，為了保證閉環(huán)為負(fù)。所以調(diào)節(jié)器應(yīng)為負(fù)作用。3下圖為液位控制系統(tǒng)原理圖。生產(chǎn)工藝要求

15、汽包水位一定必須穩(wěn)定。畫(huà)出控制系統(tǒng)框圖，指出被控過(guò)程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥的流量特性、氣開(kāi)、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律及其正反作用方式。解：控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。被控過(guò)程為汽包；被控參數(shù)是汽包的液位；控制參數(shù)為給水的流量。 汽包的過(guò)程特性為一階帶時(shí)延特性，即過(guò)程為非線性特性。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性選擇對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。根據(jù)生產(chǎn)安全原則，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)該停止輸送燃料，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣關(guān)式。即無(wú)氣時(shí)調(diào)節(jié)閥打開(kāi)。保證在控制出現(xiàn)故障時(shí)，汽包不會(huì)干燒。調(diào)節(jié)閥：選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，故KV為“”；被控對(duì)象：按工藝要求分析，通過(guò)給水增加時(shí)，被控制參數(shù)的液位也會(huì)增加。所以K0為“”； 變送器一般視為正作

16、用。 控制器的正、反作用判斷關(guān)系為： （控制器“？”）·（控制閥“”） ·（對(duì)象“”）“”根據(jù)判斷關(guān)系式，調(diào)節(jié)器應(yīng)為正作用。4 某過(guò)程控制通道作階躍實(shí)驗(yàn)，輸入信號(hào)u50，其記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)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)318.0329.5336.0339.0340.5341.0341.2(1)用一階加純時(shí)延近似該過(guò)程的傳遞函數(shù)，求K0、T0、和0值。（2）用動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)（取1，0.75）。解：（1

17、）根據(jù)表611得到過(guò)程階躍響應(yīng)曲線：由圖讀得T01.08 min 00.42 min 0.20.381根據(jù)動(dòng)態(tài)特性整定公式有： TI0.8 T0 0.74 min5 對(duì)某過(guò)程控制通道作一階躍實(shí)驗(yàn)，輸入階躍信號(hào)5，階躍響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如表所示。（1） 若過(guò)程利用一階加純時(shí)延環(huán)節(jié)來(lái)描述，試求K0、T0、0（2） 設(shè)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，按4：1衰減比，用反應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，求、Ti 。時(shí)間（min）0510152025303540被控量y065006510652066807350817088109791075時(shí)間（min）455055606570758085被控量y115112131239126

18、213111329133813501351解：（1）求過(guò)程的傳遞函數(shù)，由表作圖： 從圖中可以得到：25min 1500s ； T030min 1800s 采用一階加時(shí)延系統(tǒng)則：將數(shù)值代入得：（2） 因?yàn)? T0 1500/18000.831 取0.75的有自衡過(guò)程的整定公式：a比例系數(shù)：b積分時(shí)間常數(shù)Ti ：Ti0.8T01440 (s)第六章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)題 1-1,1-2,1-7,1-11,1-12,2-1,3-2部分參考答案與補(bǔ)充內(nèi)容：1 在串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，副回路設(shè)計(jì)和副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮哪幾個(gè)原則？答：副回路設(shè)計(jì)是選擇一個(gè)合適的副變量，從而組成一個(gè)以副變量為被控變量的副回路

19、。副回路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的一些原則：(1) 副參數(shù)選擇應(yīng)該時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延小、控制通道短的參數(shù)作為副回路的控制參數(shù)。當(dāng)對(duì)象具有較大的純時(shí)延時(shí)，應(yīng)使所設(shè)計(jì)的副回路盡量少包括最好不包括純時(shí)延。(2) 使系統(tǒng)中的主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)。在可能的情況下，使副環(huán)內(nèi)包含更多一些干擾。當(dāng)對(duì)象具有非線性環(huán)節(jié)時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)將副環(huán)內(nèi)包含更多一些干擾。(3) 副回路應(yīng)考慮到對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配：T01/T02310，以防止“共振”發(fā)生。(4) 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮生產(chǎn)工藝的合理性(5) 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)原則。2 圖為加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。工藝要求一旦發(fā)生重大事故，立即切斷原料的供應(yīng)。（1） 畫(huà)出控制系統(tǒng)的組成

20、框圖（2） 確定調(diào)節(jié)閥的流量特性氣開(kāi)、氣關(guān)形式（3） 確定主副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律及其正反作用方式解：（1）串級(jí)系統(tǒng)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(fā)生重大事故時(shí)立即切斷燃料油的供應(yīng)，從工藝的安全性考慮，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)式，保證無(wú)氣時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。（3）主調(diào)節(jié)器選擇PI（或PID）控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。由于燃料增加加熱爐溫度必然增加，所以過(guò)程為正。調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)式為正，根據(jù)表74可知主副調(diào)節(jié)器都選擇正作用方式。3 用蒸汽加熱的貯槽加熱器，進(jìn)料量Q1穩(wěn)定，而Q1的初始溫度T1有較大波動(dòng)，生產(chǎn)工藝要求槽內(nèi)物料溫度T恒定。Q2為下一工藝的負(fù)荷，要求Q2的溫度為T。試設(shè)計(jì)一過(guò)程控制系統(tǒng)，并畫(huà)出控制系統(tǒng)框圖。 解：應(yīng)用前饋反饋控制系統(tǒng)對(duì)冷物料進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制、對(duì)被控參數(shù)：出口熱物料進(jìn)行反饋控制。系統(tǒng)控制流程圖如下圖所示。控制系統(tǒng)組成框圖： 其中 前饋補(bǔ)償器傳遞函數(shù) 第七章 思考題與習(xí)題課后練習(xí)題 1-1,1-2,1-5,1-9,1-10,1-14,1-15,1-16,2-1,3-2.部分參考答案：1 工藝比值與儀表比值系數(shù)的含義有什么不同?它