过程控制作业答案2014

第一章 概述

1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。

控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件

1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？

定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统

1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？

a.衰减比和衰减率：稳定性指标；

b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；

c.余差：稳态准确性指标；

d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。

第二章 过程控制系统建模方法

习题2.10

某水槽如图所示。其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。要求：

（1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；

（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。

（1）物料平衡方程为123d ()d H Q Q Q F t

-+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F

t ??-?-?= 而22h Q R ??=， 33

h Q R ??=， 代入增量关系式，则有23123()d d R R h h F

Q t R R +??+=? （2）两边拉氏变换有：

23123

()()()R R FsH s H s Q s R R ++=

故传函为： 232323

123

()()()1

1R R R R H s K G s R R Q s Ts F s R R +===+++ K=

2323

R R R R +, T=2323R R F R R +

第三章 过程控制系统设计

1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。试问：

（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？

（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？

（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器

的正反作用？

解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量

（2）被控变量：物料出口温度。因为其直观易控制，是加热系统的控制目标。

操作变量：蒸汽流量。因为其容易通过控制阀开闭进行调整，变化范围较大且对被

控变量有主要影响。

（3）由于温度低物料凝结所以要保持控制阀的常开状态，所以控制阀选择气关式。控制

器选择正作用。

2. 如下图所示为一锅炉锅筒液位控制系统，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的框图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？

解：系统框图如下：

由于锅炉不能烧干故选择气关式，增益为负控制器选择正作用。

克服干扰过程：当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，锅筒液位下降，具有正作用后调节器输出信号减小，使气关型的阀门开度增大，从而使给水流量增大，进而使锅筒液位升高，克服蒸汽流量干扰的影响。

3. 如下图所示为精馏塔温度控制系统，它通过调节进入再沸器的蒸汽量实现被控变量的稳定。试画出该控制系统的框图，确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用，并简述由于外界干扰使精馏塔温度升高时该系统的控制过程（此处假定精馏塔的温度不能太高）。

解：系统框图如下：

控制器 阀门

蒸汽流量

检测元件

温度设定值

温度

扰动通道

-

扰动

过控对象 控制器 阀门

给水流量

检测元件

液位设定值

液位

扰动通道

-

扰动

过控对象

根据题意阀门选择气开型，增益为正控制器为反作用。

克服干扰过程：

当外界干扰使蒸馏塔温度升高时，具有反作用的调节器输出信号减小，使得气开型的阀门开度减小，蒸汽流量随之减小，使精馏塔温度降低，克服干扰的影响。

第四章 PID 调节原理

习题4.2 试总结调节器P, PI, PD 动作规律对系统控制质量的影响。

习题4.7 某电动比例调节器的测量范围为100~200o C ，其输出为0~10mA 。当温度从140o C

变化到160o C 时，测得调节器的输出从3mA 变化到7mA 。试求出该调节器比例带。

解： max min max

min /()(160140)/(200100)100%100%50%/()(73)/(100)e e e u u u δ---=?=?=---

习题4.9某水槽液位控制系统如图所示。已知，F=1000cm 2，R=0.03s/cm 2，调节阀为气

关式，其静态增益|K v |=28cm 3/s·mA，K m =1mA/cm 。

（1） 画出系统的传递方框图；

（2） 调节器为比例调节器，其比例带δ=40%，试分别求出扰动ΔQd=56cm 3/s 以及定值扰

动Δr=0.5mA 时，被调量h 的残差；

（3） 若δ改为120%，其他条件不变，h 的残差又是多少？比较（2）（3）的计算结果，

总结δ值对系统残差的影响；

（4） 液位调节器改用PI 调节器后，h 的残差又是多少？

解：(1)

(2)系统动态方程 增量关系式为 又

所以有

液位控制器

控制阀 液位对象 液位检测

设定值

-

对上式进行拉氏变换，得到

从而得到单容液位过程的具体传递函数为

由系统方框图可得液位输出对于扰动输入和设定值输入的传递函数分别为：

扰动为时，余差（这部分用到终值定理）：

扰动为时，余差：

若，则有 {过程的增益为正，气关式阀门增益为负，检测器增益为正，由负反馈系统全部各个环节（包括比较环节）增益乘积为负可判断控制器增益为负}。

{过程的增益为正，气关式阀门增益为负，检测器增益为正，由负反馈系统全部各个环节（包括比较环节）增益乘积为负可判断控制器增益为负。}将，，以及其它条件代入上式，可得

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