過程控制作業(yè)答案

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1、 第一章 概述 1.1 過程控制系統(tǒng)由哪些基本單元構(gòu)成？畫出其基本框圖。 控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控過程、檢測(cè)與傳動(dòng)裝置、報(bào)警，保護(hù)，連鎖等部件 1.2 按設(shè)定值的不同情況，自動(dòng)控制系統(tǒng)有哪三類？ 定值控制系統(tǒng)、隨機(jī)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 1.3 簡(jiǎn)述控制系統(tǒng)的過渡過程單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)，它們分別表征過程控制系統(tǒng)的什么性能？ a.衰減比和衰減率：穩(wěn)定性指標(biāo)； b.最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量：動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)； c.余差：穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)； d.調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率：反應(yīng)控制快速性指標(biāo)。 第二章 過程控制系統(tǒng)建模方法 習(xí)題2.10 某水槽如圖所示。其中F為槽

2、的截面積，R1，R2和R3均為線性水阻，Q1為流入量，Q2和Q3為流出量。要求： （1） 寫出以水位H為輸出量，Q1為輸入量的對(duì)象動(dòng)態(tài)方程； （2） 寫出對(duì)象的傳遞函數(shù)G(s)，并指出其增益K和時(shí)間常數(shù)T的數(shù)值。 （1）物料平衡方程為 增量關(guān)系式為 而， ， 代入增量關(guān)系式，則有 （2）兩邊拉氏變換有： 故傳函為： K=, T= 第三章 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 有一蒸汽加熱設(shè)備利用蒸汽將物料加熱，并用攪拌器不停地?cái)嚢栉锪希轿锪线_(dá)到所需溫度后排出。試問： （1） 影響物料出口溫度的主要因素有哪些？ （2） 如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為

3、被控變量與操縱變量應(yīng)選誰？為什么？ （3） 如果物料在溫度過低時(shí)會(huì)凝結(jié)，據(jù)此情況應(yīng)如何選擇控制閥的開、閉形式及控制器的正反作用？ 解：（1）物料進(jìn)料量，攪拌器的攪拌速度，蒸汽流量 （2）被控變量：物料出口溫度。因?yàn)槠渲庇^易控制，是加熱系統(tǒng)的控制目標(biāo)。 操作變量：蒸汽流量。因?yàn)槠淙菀淄ㄟ^控制閥開閉進(jìn)行調(diào)整，變化范圍較大且對(duì)被控變量有主要影響。 （3）由于溫度低物料凝結(jié)所以要保持控制閥的常開狀態(tài)，所以控制閥選擇氣關(guān)式?？刂破鬟x擇正作用。 2. 如下圖所示為一鍋爐鍋筒液位控制系統(tǒng)，要求鍋爐不能燒干。試畫出該系統(tǒng)的框圖，判斷控制閥的氣開、氣關(guān)型式，確定控制器的正、

4、反作用，并簡(jiǎn)述當(dāng)加熱室溫度升高導(dǎo)致蒸汽蒸發(fā)量增加時(shí)，該控制系統(tǒng)是如何克服干擾的？ 解：系統(tǒng)框圖如下： 控制器 閥門 給水流量 檢測(cè)元件 液位設(shè)定值 液位 擾動(dòng)通道 - 擾動(dòng) 過控對(duì)象 由于鍋爐不能燒干故選擇氣關(guān)式，增益為負(fù)控制器選擇正作用。 克服干擾過程：當(dāng)加熱室溫度升高導(dǎo)致蒸汽蒸發(fā)量增加時(shí)，鍋筒液位下降，具有正作用后調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減小，使氣關(guān)型的閥門開度增大，從而使給水流量增大，進(jìn)而使鍋筒液位升高，克服蒸汽流量干擾的影響。 3. 如下圖所示為精餾塔溫度控制系統(tǒng)，它通過調(diào)節(jié)進(jìn)入再沸器的蒸汽量實(shí)現(xiàn)被控變量的穩(wěn)定。試畫出該控制系統(tǒng)的框圖，確定控制閥的氣開、氣

5、關(guān)型式和控制器的正、反作用，并簡(jiǎn)述由于外界干擾使精餾塔溫度升高時(shí)該系統(tǒng)的控制過程（此處假定精餾塔的溫度不能太高）。 解：系統(tǒng)框圖如下： 控制器 閥門 蒸汽流量 檢測(cè)元件 溫度設(shè)定值 溫度 擾動(dòng)通道 - 擾動(dòng) 過控對(duì)象 根據(jù)題意閥門選擇氣開型，增益為正控制器為反作用。 克服干擾過程： 當(dāng)外界干擾使蒸餾塔溫度升高時(shí)，具有反作用的調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減小，使得氣開型的閥門開度減小，蒸汽流量隨之減小，使精餾塔溫度降低，克服干擾的影響。 第四章 PID調(diào)節(jié)原理 習(xí)題4.2 試總結(jié)調(diào)節(jié)器P, PI, PD動(dòng)作規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響。 習(xí)題4.7 某

6、電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器的測(cè)量范圍為100~200oC，其輸出為0~10mA。當(dāng)溫度從140oC變化到160oC時(shí)，測(cè)得調(diào)節(jié)器的輸出從3mA變化到7mA。試求出該調(diào)節(jié)器比例帶。 解： 習(xí)題4.9某水槽液位控制系統(tǒng)如圖所示。已知，F(xiàn)=1000cm2，R=0.03s/cm2，調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，其靜態(tài)增益|Kv|=28cm3/smA，Km=1mA/cm。 （1） 畫出系統(tǒng)的傳遞方框圖； （2） 調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，其比例帶δ=40%，試分別求出擾動(dòng)ΔQd=56cm3/s以及定值擾動(dòng)Δr=0.5mA 時(shí)，被調(diào)量h的殘差； （3） 若δ改為120%，其他條件不變，h的殘差又是多少？比較（2）（

7、3）的計(jì)算結(jié)果，總結(jié)δ值對(duì)系統(tǒng)殘差的影響； （4） 液位調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后，h的殘差又是多少？ 解：(1) 液位控制器器 控制閥 液位對(duì)象 液位檢測(cè)器 設(shè)定值 - (2)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程 增量關(guān)系式為 又 所以有 對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，得到 從而得到單容液位過程的具體傳遞函數(shù)為 由系統(tǒng)方框圖可得液位輸出對(duì)于擾動(dòng)輸入和設(shè)定值輸入的傳遞函數(shù)分別為： 擾動(dòng)為時(shí)，余差（這部分用到終值定理）： 擾動(dòng)為時(shí)，余差： 若，則有 {過程的增益為正，氣關(guān)式閥門增益為負(fù)

8、，檢測(cè)器增益為正，由負(fù)反饋系統(tǒng)全部各個(gè)環(huán)節(jié)（包括比較環(huán)節(jié)）增益乘積為負(fù)可判斷控制器增益為負(fù)}。 {過程的增益為正，氣關(guān)式閥門增益為負(fù)，檢測(cè)器增益為正，由負(fù)反饋系統(tǒng)全部各個(gè)環(huán)節(jié)（包括比較環(huán)節(jié)）增益乘積為負(fù)可判斷控制器增益為負(fù)。} 將，， 以及其它條件代入上式，可得 (3) ，此時(shí)有 結(jié)論：比例度變大，殘差變大。 （4）若改為PI調(diào)節(jié)，則 對(duì)于擾動(dòng)，余差： 對(duì)于設(shè)定值擾動(dòng)，余差： 第五章 串級(jí)控制 1. 對(duì)于如圖所示的加熱器串級(jí)控制系統(tǒng)，要求： （1） 畫出該控制系統(tǒng)的框圖，并說明主被控變量、

9、副被控變量分別是什么？ （2） 試確定控制閥的氣開、氣關(guān)型式；（氣開型） （3） 確定主、副控制器的正、反作用；（副控制器：反作用。主控制器：反作用） （4） 溫度變送器量程由原來的0~500℃改變?yōu)?00~300℃，控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？應(yīng)如何解決？（Km1增大，控制作用減弱，余差增大，則應(yīng)增大Kc1） （5） 流量變送器量程由原來的0~250kg/h改變?yōu)?~400kg/h，控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？應(yīng)如何解決？（Km2減小，副回路等效時(shí)間常數(shù)增大，控制變慢，響應(yīng)速度減慢，則應(yīng)增大Kc2） 2. 對(duì)于如圖所示加熱爐出口溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，要求： （1） 在進(jìn)料流量或燃料成分?jǐn)_

10、動(dòng)下，設(shè)計(jì)合理串級(jí)控制系統(tǒng)，畫出框圖，確定控制器的正、反作用； （2） 在燃料油壓力擾動(dòng)下，設(shè)計(jì)合理串級(jí)控制系統(tǒng)。 解：（1）進(jìn)料流量擾動(dòng) TT2 TC2 TT1 TC1 加熱爐 原料 控制閥：氣開 副控制器：反作用 副被控量：加熱爐內(nèi)部溫度 主控制器：反作用 主被控量：物料出口溫度 系統(tǒng)框圖如下 擾動(dòng) 擾擾動(dòng)通道 擾動(dòng)通道 動(dòng) 溫度控制器 溫度控制器 溫度檢測(cè) 溫度監(jiān)測(cè) 閥門 出口溫度設(shè)定 爐膛溫度（出口溫度對(duì)象） 流量（爐膛溫度對(duì)象）內(nèi)

11、 （2）燃料油壓力擾動(dòng) PC TT TC 加熱爐 原料 PT 主控制器：反作用 主被控量：物料出口溫度 副控制器：反作用 福被控量：燃料油管內(nèi)壓力 控制閥：氣開 系統(tǒng)框圖： 擾動(dòng) 擾擾動(dòng)通道 擾動(dòng)通道 動(dòng) 壓力控制器 溫度控制器 溫度檢測(cè) 壓力監(jiān)測(cè) 閥門 出口溫度設(shè)定 壓力（出口溫度對(duì)象） 燃料罐內(nèi)壓力對(duì)象 第六章 特殊控制方法 1. 比值控制系統(tǒng)有哪

12、些類型？各有什么特點(diǎn)？ 開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。 2. 某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A、B兩物料保持的比例,兩物料的最大流量=625,=290.通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B兩物料流量因管線壓力波動(dòng)而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，要求： 1）設(shè)計(jì)一個(gè)比較合適的比值控制系統(tǒng)； 2）計(jì)算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù)； 3）在該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于何處？設(shè)置值應(yīng)該是多少（假定采用DDZ-Ⅲ型儀表）？ 4）選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正反作用。 解：（1） A B (2)將A物件作為主動(dòng)量，B物件作

13、為從動(dòng)量。 若采用開方器 若不采用開方器 (3)該系統(tǒng)若采用比值器方案實(shí)施，將比值系數(shù)直接設(shè)置即可，。 （若采用乘法器實(shí)現(xiàn)，因，則將乘法器放置在從動(dòng)量一側(cè)，設(shè)定。） (4)A、B閥門均選用氣開型閥門，控制器選反作用。 3. 管式加熱爐原油出口溫度分程控制 （1）調(diào)節(jié)閥開關(guān)型式：瓦斯氣調(diào)節(jié)閥（A）氣開 燃料油調(diào)節(jié)閥（B）氣開 工作新號(hào)段： A 低信號(hào)4~12mA 0.02~0.06MPa B 高信號(hào)12~20mA 0.06-0.1MPa （2）調(diào)節(jié)器正反作用：反作用 （3）系統(tǒng)框

14、圖 控制器 天然氣調(diào)節(jié)閥 溫度對(duì)象 溫度變送器 出口溫度 - 燃油調(diào)節(jié)閥 工作原理： 當(dāng)原油出口溫度較低時(shí)，反作用控制器輸出信號(hào)較高，天然氣閥門全開后，燃油閥門打開到一定開度，隨著燃料量的增加，出口溫度上升，控制器輸出逐漸減小，使燃料油閥門開度變慢，變小。（溫度上升速度放緩）。溫度高至苯一點(diǎn)時(shí)，反作用控制器輸出為低信號(hào)，燃油閥完全關(guān)閉，天然氣閥開度隨溫度升高逐漸變小，溫度有所降低，控制器信號(hào)再次增大，使天然氣閥門開大，使出口溫度再次回升，如此循環(huán)。直至溫度達(dá)到苯設(shè)定值。 4. 如圖所示高位槽向用戶供水，為保證供水流量的平穩(wěn)，要求對(duì)高位槽出口流量進(jìn)

15、行控制。但為了防止高位槽過高而造成溢水事故，需對(duì)液位采取保護(hù)性措施。根據(jù)上述情況，要求設(shè)計(jì)一連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)。試畫出該系統(tǒng)的框圖，確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用形式以及選擇器的類型，并簡(jiǎn)述該系統(tǒng)的工作原理。 LT LC LS FC FT 流量 控制器 出口流量對(duì)象 溫度變送器 出口 溫度 - 閥門 液位對(duì)象 低選器 設(shè) 定值 流量 控制器 出口 溫度 設(shè) 定值 - 溫度變送器 出口 流量 調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)型，液位控制器反作用，流量控制器正作用，選擇器選低選器。 工作原理： 正常工

16、作時(shí)，流量控制器工作，出口流量受干擾增大時(shí)，具有正作用的流量控制器輸出流量增大，使閥門開度變小，出口流量減小，從而克服干擾的影響，當(dāng)液位超過限值時(shí)，由低選器選擇液位控制器參加工作，當(dāng)液位繼續(xù)增加時(shí)，具有正作用的液位控制器輸出信號(hào)減小，使閥門開度變大，出口流量增加使液位回降。 第七章 補(bǔ)償控制 補(bǔ)充題目：前饋-串級(jí)復(fù)合控制 如圖所示精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝要求一旦發(fā)生事故應(yīng)立即停止蒸汽的供應(yīng)。要求： 1. 畫出控制系統(tǒng)框圖； 2. 確定調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式； 3. 確定主、副控制器的正、反作用方式； 4. 如果進(jìn)料流量波動(dòng)較大，試設(shè)計(jì)一個(gè)前饋-

17、串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)，已知系統(tǒng)中有關(guān)傳遞函數(shù)分別為 ，， 試畫出此復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，并寫出前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，討論其實(shí)現(xiàn)的可能性。 1.系統(tǒng)框圖 反作用 T 反作用 2.氣開型（工藝要求一旦發(fā)生事故終止蒸汽供應(yīng)） 3.主副控制器均為反作用 4. FT PC 進(jìn)料 TC TT FT FC T

18、 副對(duì)象相當(dāng)于增益為Ko2的隨動(dòng)系統(tǒng) 若，可實(shí)現(xiàn)。 第八章 關(guān)聯(lián)分析和解耦控制 已知一2*2耦合過程的傳遞函數(shù)矩陣為 試計(jì)算該過程的相對(duì)增益矩陣，說明其變量配對(duì)的合理性，然后按照前饋補(bǔ)償解耦方式進(jìn)行解耦，求取前饋補(bǔ)償解耦裝置的數(shù)學(xué)模型，畫出前饋解耦系統(tǒng)框圖。 解：由題知，開環(huán)增益矩陣P= ，利用公式求取相對(duì)增益矩陣。 P= 或者代公式得到，從而得到相對(duì)增益矩陣為。 由相對(duì)增益矩陣得知：合理，合理。 N21 N12 G11 G21 G12 G22 Y2 U2 U1 Y1 解耦器的數(shù)學(xué)模型為 ,