过程控制仪表及控制系统_课后习题答案(林德杰)简答题

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，故设计图所示温度控制系统流程图，画出控制框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器控制规律及其正、反作用方式。解：系统方框图：被控过程为加热炉；被控参数是热物料的温度；控制参数为燃料的流量。加热炉的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。控制器的正反作用的选择应该在根据工艺要求，原则是：使整个回路构成负反馈系统。控制器的正、反作用判断关系为：（控制器“±”）·（控制阀“±”）·（对象“±”）＝“－”调节阀：气开式为“＋”，气关式为“－”；控制器：正作用为“＋”，反作用为“－”；被控对象：按工艺要求分析，通过控制阀的物量或能量增加时，被控制量也随之增加为“＋”；反之随之降低的为“－”；变送器一般视为正作用。根据安全要求，调节阀选气开式Kv为正，温度变送器Km一般为正，当调节器增加时，温度值增加，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定必须稳定。画出控制系统框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器的控制规律及其正反作用方式。解：控制系统框图如下图所示。被控过程为汽包；被控参数是汽包的液位；控制参数为给水的流量。汽包的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。调节阀：选择气关式调节阀，故KV为“－”；被控对象：按工艺要求分析，通过给水增加时，被控制参数的液位也会增加。所以K0为“＋”；变送器一般视为正作用。控制器的正、反作用判断关系为：（控制器“？”）•（控制阀“－”）•（对象“＋”）＝“－”根据判断关系式，调节器应为正作用。－12已知被控制过程的传递函数，其中T0＝6s，τ0＝3s。试用响应曲线法整定PI、PD调节器的参数；再用临界比例度法整定PI调节器的参数（设TK＝10s，δK＝0.4）；并将两种整定方法的PI参数进行比较。解：对有自衡能力的系统ρ＝1，T0/τ0＝0.5。δ≈0.99采用特性参数法（响应曲线法）公式及PI控制规律，有：Ti＝0.8T0＝4.8(s)对PD控制规律调节器，有Ti＝0.25τ0＝0.75(s)采用临界比例度法，对PI调节规律：Ti＝0.85TK＝8,5(s)两种整定方法得到的结果不同，比例度比较接近、TI相差较大。在工程实践中应该应用不同的整定方法进行比较，选择控制效果最佳方案。4－3设DDZ－Ⅲ基型调节器的PID参数的刻度值为δ＝0.50，TI＝30s，TD＝20s。计算实际值δ*、TI*和TD*之值。解：先计算F：F＝1＋TD/TI＝1＋2/3＝1.67δ*、TI*、TD*之实际值：δ*＝δ/F＝0.5/1.67＝0.3TI*＝TI/F＝17.9TD*＝TD/F＝11.94－5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？哪种控制规律的应用更为普遍？答：完全微分型PID算法的微分作用过于灵敏，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。不完全微分是在PID输出端串接一个一阶惯性环节，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。因此不完全微分PID控制规律更为普遍。3－4某DDZ－Ⅲ直流毫伏变送器，其零点移到Vio＝5mV，零迁后的量程为DC10mV，求该变送器输出I0＝10mADC时的输入是多少毫伏？解：分析：零点迁移后5～10mV对应输出为4～20mA，如右图所示。根据图的几何关系有：ab:ac＝eb:dc∴I0＝10mA时，输入电压为：Vin＝5＋1.88＝6.88（mVDC）3－9一只用水标定的浮子流量计，其满刻度值为1000m³/h，不锈钢浮子密度为7.92g/cm³。现用来测量密度为0.72g/cm³的乙醇流量，问浮子流量计的测量上限是多少？解：设转子、水、被测液体的密度分别为ρ1、ρ0、ρ2，由液体流量的修正公式，密度修正系数：根据修正系数求得，浮子流量计的测量上限是：Q2max＝KQ0max＝1.2×1000＝1200m3/h第一章思考题与习题温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。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定值比较，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，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量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.反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统。2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。3.前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1.余差(静态偏差）e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：3.n＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。5.过程过渡时间ts：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％（根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，ts越小，过渡过程进行得越快。6.峰值时间tp:从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。称为峰值时间tp。它反映了系统响应的灵敏程度。静态指标是余差，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。在串级控制系统的设计中，副回路设计和副参数的选择应考虑哪几个原则？答：副回路设计是选择一个合适的副变量，从而组成一个以副变量为被控变量的副回路。副回路设计应遵循的一些原则：(1)副参数选择应该时间常数小，时延小、控制通道短的参数作为副回路的控制参数。当对象具有较大的纯时延时，应使所设计的副回路尽量少包括最好不包括纯时延。(2)使系统中的主要干扰包含在副环内。在可能的情况下，使副环内包含更多一些干扰。当对象具有非线性环节时，在设计时将副环内包含更多一些干扰。(3)副回路应考虑到对象时间常数的匹配：T01/T02＝3～10，以防止“共振”发生。(4)副回路设计应该考虑生产工艺的合理性(5)副回路设计应考虑经济原则。调节器的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，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。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的场合，如流量或压力的控制。比例微分控制规律引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，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的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。比例积分微分控制规律可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。什么是正作用调节器和反作用调节器？如何实现调节器的正反作用？答：输入增加时，调节器输出也随之增加称为正作用调节器；输入增加时，调节器输出减小称为反作用调节器。在调节器输入级的输入端设有一个双向开关S7，通过切换改变输入信号的极性来实现调节器的正反作用。一、填空题1．随着控制通道的增益K0的增加，控制作用增强，克服干扰的能力最大系统的余差减小，最大偏差减小。2．从理论上讲，干扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。3．建立过程对象模型的方法有机理建模和系统辨识与参数估计。4．控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速和可靠。5.控制阀的选择包括结构材质的选择、口径的选择、流量特性的选择和正反作用的选择。6．防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。7．如果对象扰动通道增益增加，扰动作用增强，系统的余差增大，最大偏差增大。8．在离心泵的控制方案中，机械效率最差的是通过旁路控制。一、简答题：1、电气阀门定位器有哪些作用答：①改善阀的静态特性②改善阀的动态特性③改变阀的流量特性④用于分程控制⑤用于阀门的反向动作2.简述串级控制系统的设计原则。答：（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注意生产上的经济性。3.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和变送器，一个调节阀和一个调节器组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号，输出到控制器。控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操纵量，以克服干扰，达到控制的目的。4.前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补,所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成分的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂，或加入一定量的酸、碱，使药物呈酸性或碱性。这种注入过程一般都在混合槽中进行。工艺要求生产药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例，同时在混合过程中不允许药物流量突然发生变化，以免混合过程产生局部的化学副反应，为此设计如下图所示的控制系统。试分析：1图中停留槽的作用是什么？2图中有几个控制系统，分别是什么系统，各系统的作用如何？答:停留槽的作用是稳定药物流量,防止其发生急剧变化.图中共有两个控制系统,一个是停留槽液位与出口流量的均匀控制系统,是药物流量缓慢变化;另一个是药物与添加剂的比值控制系统,保持二者的比例关系简答题1.什么是PID，它有哪三个参数，各有什么作用?怎样控制？答：PID是比例-积分-微分的简称。其三个参数及作用分别为：（1）比例参数KC，作用是加快调节，减小稳态误差。（2）积分参数Ki，作用是减小稳态误差，提高无差度（3）微分参数Kd，作用是能遇见偏差变化趋势，产生超前控制作用，减少超调量，减少调节时间。2．正反方向判断气开气关,如何选择？P84答：所谓