《过程控制与自动化仪表第2版》课后答案.docx

第一章 绪论2.（1）解：图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节 q1 （流量）来实现液位控制的作用。系统框图如下：控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差 e(t )、控制量 u(t )；执行器输入输出分别为：控制量 u(t )、操作变量 q1 (t )；被控对象的输入输出为：操作变量 q1 (t )、扰动量 q2 (t )，被控量 h ；所用仪表为：控制器（例如 PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。2.（4）解：控制系统框图：蒸汽流量 变化液位设定液位控制器上水调节阀汽包实际液位液位变送器被控过程：加热器+汽包被控参数：汽包水位控制参数：上水流量干扰参数：蒸汽流量变化第二章 过程参数的检测与变送1.（1）答：在过程控制中，过程控制仪表：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。气动仪表的输入输出模拟信号统一使用 0.020.1MPa 的模拟气压信号。电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。过程控制系统的模拟直流电流信号为 420mA DC，负载 250 ；模拟直流电压信号为 15V DC。1.（2）解：由式 =1KC100% 可得: K C = 1比例积分作用下 u 可由下式计算得出：1TI 1 42 0dt = 3mAu = u + u(0) = 3mA + 6mA = 9mA经过 4min 后调节器的输出 9mA.2.（5）解：调节器选气开型。当出现故障导致控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。液位设定值PID 控制器气动执行器加热器液位实际值液位变送器2.（6）解：（1）直线流量特性：10% ：22.7 13.013.0100% = 74.62%50% ：80% ：61.3 51.751.790.3 80.680.6100% = 18.57%100% = 12.03%线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大，灵敏度高，控制作用强，容易产生振荡；而在大开度时流量的相对变化量小，灵敏度低，控制作用较弱。由此可知，当线性调节阀工作在小开度或大开度时，它的控制性能较差，因而不宜用于负荷变化大的过程。（2）对数流量特性10% ：50% ：80% ：6.58 4.674.6725.6 18.318.371.2 50.850.8100% = 40.90%100% = 39.89%100% = 40.18%对数流量特性调节阀在小开度时其放大系数 K v 较小，因而控制比较平稳；在大开度工作时放大系数 K v 较大，控制灵敏有效，所以它适用于负荷变化较大的过程。（3）快开流量特性10% ：38.1 21.721.7100% = 75.58%u=Kce(t)+50% ：84.5 75.875.8100% = 11.48%80% ：99.03 96.1396.13100% = 3.02%快开流量特性是指在小开度时候就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快达到最大，快开流量特性的调节阀主要用于位式控制。第四章 被控过程的数学模型1.(4)解:(1)由题可以列写微分方程组:q1 q2 q3 = Cd hdtq2 =q3 =hR2hR3(2)过程控制框图Q1 (S )1/ CSH (S )1/ R21 / R3(3)传递函数 G0 (S ) = H (S ) / Q1 (S )G0 (S ) = H (S ) / Q1(S ) = 1 / (CS +1 / R2 +1 / R3 )2.(1)解:首先由题列写微分方程 dh1q1 q2 = C dtq2 q3 = Cq2 = R2h23h = h1 h2消去 q2 、 q3 ，得：q1 hR2= Cdh1dthq=hR2h2R3= Cdh2dt可得： q1 2hR2+h2R3= Cdhdt则有： h2 = Cdhdt q1 + 2h R3消去中间变量 h2 可得：C 2 R3d 2h2 2R3 R2 dh dt+1R2h = q1 + CR3dq1dt可得： G0 (s) =H (s)Q1(s)=1 + CR3S 2R3 R2 1R2第五章 简单控制系统的设计1.(13)解:(1)只讨论系统干扰响应时，设定值 Tr = 0 。由 K 01 = 5.4 , K 02 = 1 , K d = 1.48 , T015 min , T022.5 min ，则被控对象传递函数：T =5.4(5s 1)(2.5s + 1)扰动传递函数:Y ( s) k d T= =F ( s) 1 + k c T5.41.48 (5 s 1)(2.5 s +1)5.41 + kc (5 s 1)(2.5 s + 1)=7.992(5 s 1)(2.5 s +1) +5.4 k c当F = 10 ， K c = 2.4 时 ， 则 有 ： G (s ) =Y (s ) 7.992=F (s) 12.5s2 + 2.5s + 11.96Y1 (s ) = G (s ) F1 (s )Y2 (s) = G(s) F2 (s)TF = Y = Y1 Y2 = G (s )(F1 F2 ) = G (s) F =27.992 10 79.92经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应TF (t) = 6.682 e0.1t cos(0.9730t ) 0.6867 e 0.1t sin(0.9730t ) + 6.682Y (s ) 7.992F (s) 12.5s 2 + 2.5s +1.5920TF = Y = Y1 Y2 = G (s )(F1 F2 ) = G (s) F =27.992 10 79.92经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应TF (t) = 50.20 50.20 e0.1t cos(0.3426t ) 14.65 e0.1t sin(0.3426t )(2)只讨论系统设定值阶跃响应时，干扰输入 F = 0+C+1+1S+=12.5s3+2.5s+11.96s12.5s+2.5s+11.96sa)同理可得出当F=10，Kc=0.48时，则：G(s)=12.5s3+2.5s2+1.5920s12.5s+2.5s+1.5920sG(s) =已知 Tr = 2a） 当 K c = 2.4 时，Y (s) kc T= =Tr (s) 1 + kc T5.4kc(5s 1)(2.5s +1) + 5.4kcTR = G(s) Tr =反拉氏变换：5.4 2.4 2 25.92 =(5s 1)(2.5s +1) + 5.4 2.4 s 12.5s3 + 2.5s 2 +11.96s系 统设定值阶跃响应：TR (t) = 2.167 e0.1t cos(0.9730t ) 0.2227 e0.1t sin(0.9730t ) + 2.167b) 当 K c = 0.48 时,TR = G(s) Tr =5.4 0.48 2 5.1840 =(5s 1)(2.5s +1) + 5.4 0.48 s 12.5s3 + 2.5s2 +1.5920s系统设定值阶跃响应：TR (t) = 3.256 3.256 e0.1t cos(0.3426t ) 0.9505 e0.1t sin(0.3426 t )3） Kc 对设定值响应的影响：增大 K c 可以减小系统的稳态误差，加速系统的响应速度。Kc 对干扰的影响：增大 Kc 可以对干扰的抑制作用增强。2.(6)解:由图可以得到， = 40 ， T0 = 230 40 = 190 ，对象增益 K 0 =39 / (100 0)0.02 / (0.1 0.02)= 1.56对应 =1 1=K 0 1.56，再查表得 PI 控制器参数结果。1.1 40 = = 1.11.56 = 0.361； T0 190T1 = 3.3 = 3.3 40 = 132sy1） 液位变送器量程减小，由公式 K 0 =uymax yminu max u min，此时 Ymax 减小， y 不变，对象增益 K0 放大 1 倍，相应 缩小 1 倍 。此时查表得到的 应加大。3.(1)解:1、 被控参数：热水温度2、 控制参数：蒸汽流量3、 测温元件及其变送器选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。4、 调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度的考虑，选择气开阀；调节器选 PID或 PD 类型的调节器；由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故 K v 为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故 K 0 为正，测量变送 K m 为正，为使整个系统中各环节静态放大系数乘积为正，调节器 K c 应为正，所以选用反作用调节器。第 6 章 常用高性能过程控制系统1.(12)解:1）画出控制系统的框图温度控制 器流量控制 器调节阀蒸汽管道再沸器精馏塔流量变送 器温度变送 器2）调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以便切断蒸汽的供应，确保设备的安全。3）主调节器：反作用方式；副调节器：反作用方式。对于副回路， kv 气开为正， k02 为正， km 2为正，所以有 kc 2 为正，即副调节器为反作用方式；对于主回路， kv 为正， k01 为正， km1 为正，所以有 kc1 为正，即主调节器为反作用方式。1.(13)解:按 4:1 衰减曲线法测得数据，由表 5-3（P162 页）得：副调节器采用 P 调节规律，查表得： 2 = 2 s = 44%主调节器采用 PID 调节规律，查表得： 1 = 0.81s = 64% ， TI = 0.3T1s = 3 min ，TD = 0.1T1s = 1 min2.(4)解：1）前馈串级复合控制系统:取进料流量 F (s) 作为前馈信号，经前馈控制器输出控制作用到调节阀。系统框图如下2）前馈调节器的传递函数：GB (s) = G f (s)Gv (s)G02 (s )G01(s)= s 0 s= e3）讨论前馈实现的可能性：1）要求 f 0 ，2）分子阶次不高于分母阶次，这样才物理上可实现。3.(2)解：1、如果冷水流量波动是主要干扰，采用前馈反馈控制；被控变量为物料出料温度,控制变量蒸汽流量,前馈信号为冷水流量。2、如果蒸汽压力波动是主要干扰，采用串级控制；主被控变量为物料出料温度, 副被控变量为蒸汽压力,控制变量蒸汽流量。3、如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，采用前馈串级控制；主被控变量为物料出料温度,副被控变量为蒸汽流量或压力,控制变量蒸汽流量, 前馈信号为冷水流量。第七章实现特殊工艺要求的过程控制系统1.（15）解：（1）A、B 两阀均采用气开形式，A 阀工作在在 0.02Mpa 到 0.06Mpa 信号段，当信号超过 0.06Mpa 时，A 阀全开；B 阀工作在 0.06Mpa 到 0.10Mpa 信号段。（2）由于 A、B 两个阀都采用气开形式，所以当执行器信号增大时，A、B 两阀开度变大，所以执行器为正作用形式；而当进入加热炉燃料量增大时，原油温度升高，所以被控对象为正作用形式；所以调节器选择增益为正，反作用形式。（3）控制框图如下：温度设定温度控制器天然气阀加热炉原油出口 温度燃料油阀温度变送器(Tfs+1)Gv(s)工作原理：当控制器根据温度设定与实际原油出口温度之差运算得到控制信号在 A 阀工作信号段内时，仅 A 阀开启；而当控制信号在 B 阀工作信号段时，则 A 阀全开，B 阀开启。2（1） 解：1）选择双闭环的比值控制系统，因为双闭环比值控制能实现主、副回路的抗干扰性能，使主、副流量既能保持一定比值，又能使总物料流量保持平稳。2）因为流量和压力呈非线性关系q1 : q2 = 4 : 2.5 K =q2q12.5= = 0.62542 = 0.625 = 1.814 290 带开方器时： K = Kq1maxq2 max= 1.353）当出现故障时调节阀关闭，所以选择两调节阀都为气开形式；两调节器选择为反作用。2（2）解：均匀控制系统在调节器参数整定时，比例作用和积分作用均不能太强，通常设置较大的比例度（较小的比例系数）和较长的积分时间，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。本题可根据 PI 的调节规律的性质：Kq1max不带开方器时：K=2625对于该系统，有时出现周期很长、衰减很慢的振荡过程。说明了系统的调节参数：比例系数过大导致振荡；周期很长、衰减很慢是由于积分时间大，导致曲线过渡过程很平缓，等待平衡的时间长。若加大调节器的比例度（比例系数减小）并不能减小振荡；若减小调节器的比例度（比例系数增大）反而能提高衰减比。对于此现象，因为增加调节器比例度，使控制作用减弱，在干扰作用下，导致振荡并不能减小；当减小调节器比例度时，控制作用增强，使得动态响应变快，提高了衰减比。2.（4）解：控制系统框图如下：温度变送器温度设定温度控制器裂解气出口温度选择器执行器热交换器流量设定流量控制器釜液流量流量变送器（2）由于裂解气冷却出口温度要求不得低于 15 摄氏度，否则会引起管道阻塞，因此调节阀选择气开形式。由于调节阀为气开形式，所以为正作用形式；当调节阀开度变大时，釜液流量变大，即为正作用形式，所以流量调节器为反作用形式；而此时裂解气出口温度却下降，即为反作用形式，因此温度控制器为正作用形式。由于裂解气冷却后出口温度不得低于 15 摄氏度，因此当温度低于要求温度时，调节器的输出信号减小，要求选择器选中温度控制器，故选择器为低值选择器。3.（3）解：系统控制框图如下：液位控制器流量控制器调节阀入水管线水槽流量变送器液位变送器为防止故障状况下，水溢出水槽，调节阀采用气开形式，因此调节阀为正作用形式。又由于当调节阀开度变大时，水流量变大，液位升高，因此被控对象均为正作用。所以液位控制器、流量控制器均为反作用形式。第八章 复杂过程控制系统1.（4）解：本题采用增益矩阵计算法获取相对增益矩阵：T 1T0.6170 0.45830.07530 1 00.3830 0.4583 1.0753 从相对增益矩阵可以看出，选用 u1y1,u2y2, u3y3 的变量配对方案，但 u1y1 和 u3y3 间需解耦。2.（2）解：由 K H T = K ( K 1T得：T 0.5 0.3 0.714 0.286由增益矩阵可以看出，两个变量之间存在一定的耦合，因此 u1-y1，u2-y2 配对，同时用前馈补偿设计法进行解耦。可得前馈补偿器的数学模型为：GB 2 (s) = GB1(s) = = = 0.6G011(s ) 0.5= = 0.667G022 (s ) 0.6前馈解耦控制框图略。2.（3）解：q1 aq2q1 q ad= = = = ad bc ad bcq1 dq0.5*1.00.5*1.0 0.5* 0.5= 2因此：