过程控制仪表及控制系统课后习题答案

1、1XC第一章思考题与习题12图1、6为温度控制系统,试画出系统得框图，简述其工作原理：指出被控过程、被控乙快气电石乙烘发生器参数与控制参数。解:乙块发生器中电石与冷水相遇产生乙块气体 并释放岀热量。当电石加入时，内部温度上升，温度 检测器检测温度变化与给左值比较，偏差信号送到控 制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调 节冷水得流量，使乙烘发生器中得温度到达给左值。 系统框图如下：f(t)被控过程:乙烘:呦 e(t)-o被控参数:乙烘；zd)控制参数:冷水1调节器H4*I y(i)|温度测最变送调节阀一乙缺发生器卜L1-3常用过程控制系统可分为哪几类?答:过程控制系统主要分为三类:1、反

2、馈控制系统:反馈控制系统就是根据被控参数与给上值得偏差进行控制得，最终达到或消除或减小偏差得目得，偏差值就是控制得依据。它就是最常用、最基本得过程控制系 统。2前馈控制系统:前馈控制系统就是根据扰动量得大小进行控制得，扰动就是控制得依 据。由于没有被控量得反馈，所以就是一种开环控制系统。由于就是开环系统,无法检査控制 效果，故不能单独应用。3、前馈-反馈控制系统:前馈控制得主要优点就是能够迅速及时得克服主要扰动对被控 量得彫响，而前馈一反馈控制利用反馈控制克服英她扰动，能够就是被控疑迅速而准确地稳 龙在给定值上，提高控制系统得控制质量。3-4过程控制系统过渡过程得质捲指标包括哪些内容?它们得定

3、义就是什么?哪些就是静 态指标？哪些就是动态质呈指标？答：1余差(静态偏差)余差就是指系统过渡过程结束以后，被控参数新得稳左值y(8) 与给泄值C之差。它就是一个静态指标，对泄值控制系统。希望余差越小越好。2.衰减比n:衰减比就是衡量过渡过程稳左性得一个动态质量指标，它等于振荡过程得第一个波得振幅与第二个波得振幅之比，即:nVl系统就是不稳左得，就是发散振荡:n=l.系统也就是不稳立得，就是等幅振荡: n 1 ,系统就是稳立得，若n =4,系统为4:1得衰减振荡，就是比较理想得。衡量系统稳宦性也可以用衰减率(p4. 最大偏差A：对左值系统，最大偏差就是指被控参数第一个波峰值与给左值C之差, 它

4、衡疑被控参数偏离给徒值得程度。5. 过程过渡时间fs:过渡过程时间泄义为从扰动开始到被控参数进入新得稳态值得 5%或3 % (根据系统要求)范囤内所需要得时间。它就是反映系统过渡过程快慢得质量指 标仏越小，过渡过程进行得越快。6. 峰值时间t p:从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个邮值所需要得时间，(根据系 统要求)范囤内所需要得时间。称为稣值时间炉。它反映了系统响应得灵敏程度。静态指标就是余差，动态时间为衰减比(衰减率)、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。第二章思考题与习丿2-1如图所示液位过程得输入量为Q1,流出量为Q2.Q3,液位h为被控参数，C为容量系数，并设Rl、R2、R3均为线性液

5、阻，要求：(1)列出过程得微分方程组；(2)求过程得传递函数W0(S)=H(S)/Q, (S);(3)画岀过程得方框图。解：(1)根据动态物料平衡关系，流入量=流出量:过程得微分方程得增量形式：中间变量:消除中间变量：同除(R2+R3)得到：令：上式可写为：(2 ) Laplace变换得到：传递函数：(3)过程得方框图：01何R尺H(s)R+R,rCo2 2如图所示:Q,为过程得流入量,02为流出流量，力为液位髙度，C为容量系数，若以0 为过程得输入量，力为输岀量（被控量），设皿、乩为线性液阻，求过程得传递函数W（S）=H（S） /QHS）。解:根据动态物料平衡关系，流入量=流出量:过程得微分

6、方程得增量形式:中间变量:传递函数:其传递函数为：其中：23.设矩形脉冲响应幅值为2旳,脉冲宽度为4匸10m i久某温度过程得矩形脉冲响应记录数据如下：t(mi n ).5YCC)0.461 .73.79.01 9. 02 6.436.037. 5t(min)27080YCC)33.527.22 1.010.452. 81.10.5（1）将该脉冲矩形响应曲线转换成阶跃响应曲线;（2）用一阶惯性环肖求该温度对象得传递函数。解:将脉冲响应转换成阶跃响应曲线，数拯如下：t(min)5Y(C)0.4 61.7379.019.02 6436.037.5Y,(t)0.4 6173.79. 019026.

7、4-t(mi n)27080Y(C)33.527. 221.010.4512.81.10.5Yi(t)59、980、991、396、499、21 0 0、3100、8绘出阶跃响应曲线如下:由图 y ）=0、4 y（8）,y （0）=0、8y（8）处可得:tl=14mi n12=3 0 5tl /t2 =0、46 故二阶系统数字模型为根拯经验公式有：所有：2- 5某过程在阶跃扰动量厶u=2 0%,其液位过程阶跃响应数据见下表:t /s100140500h000.0.82.3.5.48.811.814.416.61 8.419 ./cm2062（1）画岀液位h得阶跃响应曲线（2）求液位过程得数学模

8、型解:方法一:图解法由图可以瞧出:过程应该用一阶加延时系统。从图中得到：r=4 0 s, T= 2 6 0 -4 0=22 0 s方法二：计算法:在图中取 $()=0、33 y( ) y (“)=0、39y(8)y(/3 ) =0、632 y() y(角)=0、ly(8)得 t j=12 5 st2 =140s h =225s4 = 2 60s可见数据很接近，于就是:过程数学模型：2- 6某过程在阶跃扰动AI= 1 . 5mADC作用下，其输出响应数据见下表:t (nin)123456789101 ooY(C)4.4 .4.245.15.45.75.85.855.6.0 6.00089解:求出

9、y(8)y(t)值如下表:t(min)1234567891(1 ooY2.2.1.811.20.50.30.20 .150.10 0CC)005根据表格在半对数纸上描绘出曲线1,曲线1作直线部分得延长线2. 2线减去1线得到直线3。过程放大倍数K。根据直线2与直线3,与纵坐标、横坐标构成得两个三角形，可以求出时间参数T2 :由 A ?=71,0=10 s由人2=5, B2=0、1r?=6s航亥过程得数学模型为：第三章思考题与习题3- 2有一压力控制系统选用DDZ-III压力变送器，英量程为02 0 OkPa。生产工艺要求 被控压力为15O2kPa.现将该变送器量程调整到100200 kPa,求

10、零点迁移前后该压力变送器得灵敏度。Z 7/U20解：零点迁移前灵敏度:零点迁移后灵敏度:113- 4某DDZ-III直流亳伏变送器，其零点移到Vio=5mV育 |0 100 200 送器输出7o=10mADC时得输入就是多少亳伏？解:分析:零点迁移后5-10mV对应输出为42 OmA,如右图所示。根据图得几何关系有：a b : ac=eb : de/. Io= 10mA时，输入电压为：5=5+1. 8 8=6、88(m V DC) 37、说明DDZ-III热电偶温度变送器得冷端温度补偿原理。以A 与B两种导体组成得热电偶产生得热电势与材料种类与接触点得温度有关。热电偶产生得热电势与被测温度T具

11、有单值函数关系。但就是其前提条件必须保持冷端温 度TO不变。热电偶得热电势大小不仅与热端温度有关而且还与冷端温度有关。实际使用中冷端暴 露在仪表之外，受环境影响较大，因此必须进行冷端补偿(温度校正)热电偶冷端温度得补偿方法(1) 补偿导线法(延伸导线法)：用与热电偶热电性质相同得臂长补偿导线(或称延伸导线) 将热电偶得冷端延伸到温度保持恒定得地方。(2) 冷端恒温法:将热电偶得冷端置于恒定温度得容器内或场合内。(3) 冷端温度修正法(计算校正法)：(4) 补偿电桥法：利用不平衡电桥产生相应得不平衡电势补偿由于热电偶冷端温度变化引起得测量误差。3-8、DDZ-III温度变送器就是如何使被测温读与

12、输出信号人成线性关系得?简述热电偶温度 变送器与热电阻温度得线性化原理。3-5 . DDZ-IH温度变送器测温范用为8 0 01200弋。选择哪一种测温元件较为合适?当输岀I/mAIJII 厂I800电流为DC 16mA时,被测温度就是多少？解:检测温度高于6 0 0C,应选择热电偶测温元件。a b : ac=bd : c e:%=16mA时，被测温度为:7=800+ 3 00=1 1 00(C )3- 6 、DDZ-IH温度变送器测温范恫为4006 0(TC选择哪一种测温元件较为合理？当温S00 550Jo沃旳、0划丿贝乡姒r/c度从5 00C变化到55 0 C时，输出电流变化多少？ /ml

13、 解：检测温度低于6 0 0 C,应选择铀电阻测温元件。温度变化5 0C时，输出电流变化：4 -J/=0. 0 8 mA/Cx50C=4 mA-03-8用标准孔板测量气体流量,给左设计参数卩=0、8kPg_“ “1=0、8Z;Paji= 30Cu仪表显示流量Q=38 0 0 m3h.求被测介质实际流量大小。3-9 一只用水标左得浮子流量计，其满刻度值为lOOOM/h ,不锈钢浮子密度为7、92g/ciM。 现用来测屋密度为0、7 2g/cm3得乙醇流量，问浮子流量il得测量上限就是多少？解:设转子、水、被测液体得密度分别为P PO. P2,由液体流量得修正公式，密度修正系数:根据修正系数求得，

14、浮子流量计得测量上限就是：Q,2ma v=K Qo max = 1、2x 1 0 0 0= 12 0 0/ h3-16简述涡轮流量计得工作原理。某涡轮流量计得仪表常数K=15 0、4次/L,当它测疑流虽:时得输出频率为/=400Hz时,求其瞬时体积流量为每小时多少立方米？第四章思考题与习题4- 1什么就是正作用调器与反作用调节器？如何实现调节器得正反作用？答:输入增加时，调肖器输出也随之增加称为正作用调肖器;输入增加时，训节器输岀减小称为反作用调节器。在调节器输入级得输入端设有一个双向开关S通过切换改变输入信号得 极性来实现调廿器得正反作用。4- 3如何测定DDZIII调卩器得微分时间与积分时

15、间Tr ?答：一、微分传递函数为： 拉氏反变换得阶跃作用下得时间函数：当t=丿时，当t=8时.由图有：实验得到曲线后，可以按图求取微分时间Td二、积分传递函数：解：先计算 F: F= 1 +Td/Ti=1+2/3 = 1.676 Ti*、之实际值：& = 6ZF=0、5/1、67=0、3T=T 】/F= 1 7、9Td*=Td/F= 1 1、94- 5数字式完全微分PID控制规律与不完全微分PID控制规律有说明区别?哪种控制规律得 应用更为普遍？答：完全微分型P ID算法得微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统 振荡，降低控制品质。不完全微分就是在PID输出端串接一个一阶惯性环

16、节，这样，在偏差变 化较快时，微分作用不至于太强烈，且作用可保持一段时间。因此不完全徹分PID控制规律 更为普遍。4-6 4 一9某流体得最大流量为80 ms/h，改流体密度为0、16X l(y2g/cnA阀前后一压差为0.IMP a ,试选择调节阀得公称直径与阀座直径。（要求泄露量小）解：调节阀得流通能力。为:取查表得 d g=32mm, Dg=32mm。第六章思考题与习丿6-5调节器得P、PI、PD、PID控制规律各有什么特点？它们各用于什么场合？答：比例控制规律适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大,扰动幅度较小，负荷变化 不大，控制质量要求不高，允许有余差得场合。如贮罐液位、塔釜液位得

17、控制与不太重要得 蒸汽压力得控制等。比例积分控制规律 引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大, 工艺上不允许有余差得场合，如流量或压力得控制。比例微分控制规律 引入了微分，会有超前控制作用，能使系统得稳定性増加，最大偏差 与余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大得场合。对于滞 后很小与扰动作用频繁得系统，应尽可能避免便用微分作用。比例积分微分控制规律可以使系统获得较高得控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变 化大、控制质量要求较高得场合，如反应器、聚合釜得温度控制。6-7在某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热，热物料温度必须满足生产工艺要求，

18、 故设讣图所示温度控制系统流程图，画出控制框图，指出被控过程、被控参数与控制参数。 确定调节阀得流量特性、气开、气关形式与调右器控制规律及英正、反作用方式。解：系统方框图:F冷物料MS)丿热物料y（s）z（s）被控过程为加热炉;被控参数就是热物料得温度；控制参数为燃料得流量。加热炉得过程特性一般为二阶带时延特性，即过程为非线性特性。因此，调节阀流量 特性选择对数特性调节阀。根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料，调节阀应选用气开式。即无 气时调节阀关闭。控制器得正反作用得选择应该在根据工艺要求，原则就是：使整个回路构成负庾馈系 统。控制器得正、反作用判断关系为：（控制器“土”）（控

19、制阀土”）（对象“土”调节阀：气开式为“+”，气关式为“一”；控制器：正作用为“+”，反作用为被控对象：按工艺要求分析，通过控制阀得物量或能量增加时，被控制量也随之增加为“+” ：反之随之降低得为“-”;变送器一般视为正作用。根据安全要求，调节阀选气开式乩为正，温度变送器兀一般为正，当调节器增加时，温 度值増加，故过程（对象）为正，为了保证闭环为负。所以调节器应为负作用。6-8下图为液位控制系统原理图。生产工艺要求汽包水位一泄必须稳圧。画出控制系 统框图，指出被控过程、被控参数与控制参数。确怎调肖阀得流量特性、气开、气关形式与调节器得控制规律及其正反作用方式。解：控制系统框图如下图所示。被控过

20、程为汽包;被控参数就是汽包得液 位；控制参数为给水得流量。汽包得过程特性为一阶带时延特性，即 过程为非线性特性。因此，调节阀流量特性选 择对数特性调节阀。根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料调节阀应选用气关式。即无气时调节阀打开。保证在控制出现故障时，汽包不会干烧。调节| f N（S）被控具Z(S)1也会增加。所以Ko1()变送器一般视为正作用。控制器得正.反作用判断关系为：（控制器？ ”）（控制阀一）（对象“+”）=“一”根据判断关系式，调节.器 应为正作用。6-9某过程控制通道作阶跃实验输入信号Au=5 0,其记录数据见表6-11t /mi 刀00、20、40、60、81、0

21、1、2y( t )2 0 0. 1201.1204、02 27、025 1.0280、03 0 2、5t/min1、41、61、82、02、22、42、6y (t)31 8、0329、5336、03 39. 0340、5341、034 1、2（1）用一阶加纯时延近似该过程得传递函数，求K。、T-与值。（2）用动态响应曲线法整定调节器得PI参数（取P =1, /=0、7 5）。解：（1）根据表6-1 1得到过程阶跃响应曲线：1.62.02.4 2.6y(t)由图读得几=1. 08 550500250200根据动态特性整定公式有：Ti= 0、8 T =0. 74 m i n6-10对某过程控制通道

22、作一阶跃实验，输入阶跃信号A u=5,阶跃响应记录数据如表所/Ko（1）若过程利用一阶加纯时延环节来描述，试求Ko. To. 5（2）设系统采用PI调肖规律，按4 : 1衰减比，用反应曲线法整立调肖器参数，求久7； o时间（m in）0510被控量y0.6500.6 50.6 50.6 60.7350.8170.8810. 9 791. 0 75128时间(min)4558 085被控疑y1.1511.2 131.2391.2 6213111 3 291.3 381.3501.351解:（1）求过程得传递函数，由表作图:0.83-0.150.83 + 0.62.6x0.481.246-12已知

23、被控制过程得传递函数，其中 7.9=6 s 0=3so从图中可以得到:i=2 5min=l 5 0 0 s ;几=30加刀 =1800s采用一阶加时延系统则:将数值代入得：（2）因为T/rr;=l 500/1 8 00=0. 831取0、7 5得有自衡过程得整定公式:a 比例系数6: -0.08b 积分时諒数=2.6 x试用响应曲线法整立PI、P】）调节器得参数：再用临界比例度法整龙PI调肖器得参数（设=10s,脣0、4）：并将两种整定方法得PI参数进行比较。解：对有自衡能力得系统P=l/ r o=O.5。釆用特性参数法（响应曲线法）公式及PI控制规律有:TfO、8To=4. 8 （s）对PD控制规律调节器，有7= 0、25 口=0、75 （s）釆用临界比例度法，对PI调节规律：1=0、85Tk=5,5 (s)两种整定方法得到得结果不同，比例度比较接近、乃相差较大。在工程实践中应 该应用不同得整定方法进行比较，选择控制效果最佳方案。第七章思考题与习题7-2任串级控制系统得设讣中,副回路设计与副参数得选择应考虑哪几个原则？答：副回路设计就是选择一个合适得副变量.从而组成一个以副变量为被控变量得副回路。副 回路设计应遵循得一些原则：(1) 副参数选择应该时间常数