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)由哪些基本單元構成？畫出其基本框圖。 控制器、執(zhí)行機構、被控過程、檢測與傳動裝置、報警，保護，連鎖等部件 1.2 按設定值的不同情況，自動控制系統(tǒng)有哪三類？ 定值控制系統(tǒng)、隨機控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 1.3 簡述控制系統(tǒng)的過渡過程單項品質指標，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； b.最大動態(tài)偏差和超調量：動態(tài)準確性指標； c.余差：穩(wěn)態(tài)準確性指標； d.調節(jié)時間和振蕩頻率：反應控制快速性指標。 第二章 過程控制系統(tǒng)建模方法 習題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為輸入量的對象動態(tài)方程； （2） 寫出對象的傳遞函數G(s)，并指出其增益K和時間常數T的數值。 （1）物料平衡方程為 增量關系式為 而， ， 代入增量關系式，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)設計 1. 有一蒸汽加熱設備利用蒸汽將物料加熱，并用攪拌器不停地攪拌物料，到物料達到所需溫度后排出。試問： （1） 影響物料出口溫度的主要因素有哪些？ （2） 如果要設計一溫度控制系統(tǒng)，你認為

3、被控變量與操縱變量應選誰？為什么？ （3） 如果物料在溫度過低時會凝結，據此情況應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。因為其直觀易控制，是加熱系統(tǒng)的控制目標。 操作變量：蒸汽流量。因為其容易通過控制閥開閉進行調整，變化范圍較大且對被控變量有主要影響。 （3）由于溫度低物料凝結所以要保持控制閥的常開狀態(tài)，所以控制閥選擇氣關式?？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、氣關型式，確定控制器的正、

4、反作用，并簡述當加熱室溫度升高導致蒸汽蒸發(fā)量增加時，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 檢測元件 液位設定值 液位 擾動通道 - 擾動 過控對象 由于鍋爐不能燒干故選擇氣關式，增益為負控制器選擇正作用。 克服干擾過程：當加熱室溫度升高導致蒸汽蒸發(fā)量增加時，鍋筒液位下降，具有正作用后調節(jié)器輸出信號減小，使氣關型的閥門開度增大，從而使給水流量增大，進而使鍋筒液位升高，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)，它通過調節(jié)進入再沸器的蒸汽量實現被控變量的穩(wěn)定。試畫出該控制系統(tǒng)的框圖，確定控制閥的氣開、氣

5、關型式和控制器的正、反作用，并簡述由于外界干擾使精餾塔溫度升高時該系統(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 檢測元件 溫度設定值 溫度 擾動通道 - 擾動 過控對象 根據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： 當外界干擾使蒸餾塔溫度升高時，具有反作用的調節(jié)器輸出信號減小，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調節(jié)原理 習題4.2 試總結調節(jié)器P, PI, PD動作規(guī)律對系統(tǒng)控制質量的影響。 習題4.7 某

6、電動比例調節(jié)器的測量范圍為100~200oC，其輸出為0~10mA。當溫度從140oC變化到160oC時，測得調節(jié)器的輸出從3mA變化到7mA。試求出該調節(jié)器比例帶。 解： 習題4.9某水槽液位控制系統(tǒng)如圖所示。已知，F=1000cm2，R=0.03s/cm2，調節(jié)閥為氣關式，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） 調節(jié)器為比例調節(jié)器，其比例帶δ=40%，試分別求出擾動ΔQd=56cm3/s以及定值擾動Δr=0.5mA 時，被調量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）的計算結果，總結δ值對系統(tǒng)殘差的影響； （4） 液位調節(jié)器改用PI調節(jié)器后，h的殘差又是多少？ 解：(1) 液位控制器器 控制閥 液位對象 液位檢測器 設定值 - (2)系統(tǒng)動態(tài)方程 增量關系式為 又 所以有 對上式進行拉氏變換，得到 從而得到單容液位過程的具體傳遞函數為 由系統(tǒng)方框圖可得液位輸出對于擾動輸入和設定值輸入的傳遞函數分別為： 擾動為時，余差（這部分用到終值定理）： 擾動為時，余差： 若，則有 {過程的增益為正，氣關式閥門增益為負

8、，檢測器增益為正，由負反饋系統(tǒng)全部各個環(huán)節(jié)（包括比較環(huán)節(jié)）增益乘積為負可判斷控制器增益為負}。 {過程的增益為正，氣關式閥門增益為負，檢測器增益為正，由負反饋系統(tǒng)全部各個環(huán)節(jié)（包括比較環(huán)節(jié)）增益乘積為負可判斷控制器增益為負。} 將，， 以及其它條件代入上式，可得 (3) ，此時有 結論：比例度變大，殘差變大。 （4）若改為PI調節(jié)，則 對于擾動，余差： 對于設定值擾動，余差： 第五章 串級控制 1. 對于如圖所示的加熱器串級控制系統(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)會出現什么現象？應如何解決？（Km1增大，控制作用減弱，余差增大，則應增大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)會出現什么現象？應如何解決？（Km2減小，副回路等效時間常數增大，控制變慢，響應速度減慢，則應增大Kc2） 2. 對于如圖所示加熱爐出口溫度簡單控制系統(tǒng)，要求： （1） 在進料流量或燃料成分擾

10、動下，設計合理串級控制系統(tǒng)，畫出框圖，確定控制器的正、反作用； （2） 在燃料油壓力擾動下，設計合理串級控制系統(tǒng)。 解：（1）進料流量擾動 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 擾擾動通道 擾動通道 動 溫度控制器 溫度控制器 溫度檢測 溫度監(jiān)測 閥門 出口溫度設定 爐膛溫度（出口溫度對象） 流量（爐膛溫度對象）內

11、 （2）燃料油壓力擾動 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：燃料油管內壓力 控制閥：氣開 系統(tǒng)框圖： 擾動 擾擾動通道 擾動通道 動 壓力控制器 溫度控制器 溫度檢測 壓力監(jiān)測 閥門 出口溫度設定 壓力（出口溫度對象） 燃料罐內壓力對象 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？ 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. 某化學反應過程要求參與反應的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A、B兩物料流量因管線壓力波動而經常變化。根據上述情況，要求： 1）設計一個比較合適的比值控制系統(tǒng)； 2）計算該比值系統(tǒng)的比值系數； 3）在該比值系統(tǒng)中，比值系數應設置于何處？設置值應該是多少（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物件作為主動量，B物件作

13、為從動量。 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施，將比值系數直接設置即可，。 （若采用乘法器實現，因，則將乘法器放置在從動量一側，設定。） (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）調節(jié)閥開關型式：瓦斯氣調節(jié)閥（A）氣開 燃料油調節(jié)閥（B）氣開 工作新號段： A 低信號4~12mA 0.02~0.06MPa B 高信號12~20mA 0.06-0.1MPa （2）調節(jié)器正反作用：反作用 （3）系統(tǒng)框

14、圖 控制器 天然氣調節(jié)閥 溫度對象 溫度變送器 出口溫度 - 燃油調節(jié)閥 工作原理： 當原油出口溫度較低時，反作用控制器輸出信號較高，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）。溫度高至苯一點時，反作用控制器輸出為低信號，燃油閥完全關閉，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)。直至溫度達到苯設定值。 4. 如圖所示高位槽向用戶供水，為保證供水流量的平穩(wěn)，要求對高位槽出口流量進

15、行控制。但為了防止高位槽過高而造成溢水事故，需對液位采取保護性措施。根據上述情況，要求設計一連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)。試畫出該系統(tǒng)的框圖，確定調節(jié)閥的氣開、氣關形式和調節(jié)器的正、反作用形式以及選擇器的類型，并簡述該系統(tǒng)的工作原理。 LT LC LS FC FT 流量 控制器 出口流量對象 溫度變送器 出口 溫度 - 閥門 液位對象 低選器 設 定值 流量 控制器 出口 溫度 設 定值 - 溫度變送器 出口 流量 調節(jié)閥為氣關型，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，流量控制器工作，出口流量受干擾增大時，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，當液位超過限值時，由低選器選擇液位控制器參加工作，當液位繼續(xù)增加時，具有正作用的液位控制器輸出信號減小，使閥門開度變大，出口流量增加使液位回降。 第七章 補償控制 補充題目：前饋-串級復合控制 如圖所示精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)。生產工藝要求一旦發(fā)生事故應立即停止蒸汽的供應。要求： 1. 畫出控制系統(tǒng)框圖； 2. 確定調節(jié)閥的氣開氣關形式； 3. 確定主、副控制器的正、反作用方式； 4. 如果進料流量波動較大，試設計一個前饋-

17、串級復合控制系統(tǒng)，已知系統(tǒng)中有關傳遞函數分別為 ，， 試畫出此復合控制系統(tǒng)的傳遞函數框圖，并寫出前饋調節(jié)器的傳遞函數，討論其實現的可能性。 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） 3.主副控制器均為反作用 4. FT PC 進料 TC TT FT FC T

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