兰州理工大学过控作业答案

1.5锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液。降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-16是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：(1)画出该控制系统方块图；(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?(3)当蒸汽负荷忽然增加，该系统如何实现自动控制？答：(1)(2)被控对象：锅炉汽包。被控变量：锅炉汽包水位。操纵变量：锅炉给水量。扰动量：冷水温度、压力、蒸汽压力、流量，燃烧状况等。(3)当蒸汽负荷突然增加，会导致汽包水位下降，液位变送器检测到液位h下降信号并与设定水位h0进行比较，将偏差信号传给控制器，控制器使执行器动作，增大阀门开度，使冷却水流量增加，从而降低加热室燃烧程度，进一步使得汽包液位升高。1.6.评价过程控制的衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些？有哪些因素影响这些指标？答：（1）稳态误差sse；sse=r-)(y影响因素：开环增益，系统型号，输入信号；（2）衰减比n=1B/2B;影响因素：阻尼；（3）超调量σ=∞)(∞)()(yytyp×100%;影响因素：闭环主导极点的衰减率；（4）过渡过程时间st；影响因素：扰动动作时间的长短。1.8某化学反应器工艺规定操作温度为(800±10)℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。现运行的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1-13所示。(1)分别求出稳态误差，衰减比、过渡过程时间。(2)说明此温度控制系统是否满足工艺要求。解：（1）稳态误差sse=805-800=5衰减比:1B=845-805=40;2B=815-805=10;n=B1/B2=4:1过渡过程时间:st=25min,(2)给定最大偏差值：850-800=50℃；最大偏差：845-800=45℃由于最大偏差值为45℃，不超过50℃，故满足工艺要求。2.4.什么是真值、绝对误差、相对误差、引用误差和精度等级？若用测量范围为0-200℃温度计测温，在正常工作情况下进行数次测量，其误差分别为-0.2℃、0℃、0.1℃、0.3℃，试确定该仪表的精度等级。答：（1）被测变量本身所具有的真实值，称为真值。（2）绝对误差是指仪表输出信号所代表的被测值与被测参数真值之差。Δ=M-A（3）绝对误差与约定真值的百分比定义为仪表的相对误差，即δ=Δ/A×100%（4）绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差，即δm=Δ/X×100%（X表示量程）（0+0.1+0.3-0.2）/200×100%=0.2%，故精度等级为0.22.5某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0-100m³/h的流量计，流量测量误差小于±0.6m³/h，试问选择何种精度等级的流量计才能满足要求？解：引用误差δm=Δ/X×100%=0.6/100×100%=0.6%精度为0.1的流量计，所以精度等级为0.52.8试简述防爆安全栅的作用及其工作原理。答：（1）由安全系统中连接设备与非本愿设备的关联设备，用以限制进入危险场所设备的电能，实现危险场所设备的防爆作用。（2）一方面传输信号，另一方面将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合的点火能量以下，当防爆系统的仪表发生故障时能将串入到仪表能量限制到安全值以下。2.11.用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种?解：（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T（或t）的单值函数。热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接应用分度表或分度曲线。若T0≠0℃，则应进行冷端补偿和处理。（2）冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0℃恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。2.24试列表比较分析各种流量监测的基本原理及其主要特点。基本原理主要特点容积式流量计流体通过流量计，就会在流量计进出口产生一定的压力差。流量计转动部分产生旋转，并将流体从入口排向出口。具有对上游流动状态变化不敏感，测量精确度高，可用于高黏度液体，并直接得到流体累计量等特点节流式流量计（或差压式流量计）根据安装于管道中流量测量元件产生的差压、已知的流体条件和测量元件与管道的几何尺寸以测量流量的仪表结构简单、工作原理清晰，可以直接运用伯努利方程和连续性方程推导得出流量方程，而且安装方便、积累了大量可靠的实验数据浮子式流量计被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。1)主要适用于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；2)结构简单、使用方便、工作可靠、仪表前直管段长度要求不高；3)流量计的基本误差约为仪表量程的±2%，量程比可达10:14)测量精度易受被测介质密度、黏度、温度、压力、纯净度。安装质量等的影响涡轮流量计以动量矩守恒原理为基础，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，旋转速度随流量表面化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲。安装方便，磁电感应转换器不需密封和齿轮传动机构，测量精度高，具有较高的反应速度，可测脉动流量。漩涡流量计利用流体振动原理，即在特定的流动条件下流体一部分动能产生流体振动。管道内无可动部件，压损较小，精确度约为±（0.5%-1%），量程比20:1电磁流量计法拉第电磁感应定律压力损失较小，反应迅速，可测量脉动流量特点适用场合顺序査表按照顺序从第一项开始逐项寻找，直至找到所要査找的关键字为止，表格要求不严针对无序表格，表格小计算査表表格要求各元素在表中排列的格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列的。表格要求严针对有序表格，表格小，适用于某些数值计算程序对分法查表速度快，针对长表格尤为明显针对长表格特点适用场合顺序査表按照顺序从第一项开始逐项寻找，直至找到所要査找的关键字为止，表格要求不严针对无序表格，表格小计算査表表格要求各元素在表中排列的格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列的。表格要求严针对有序表格，表格小，适用于某些数值计算程序对分法查表速度快，针对长表格尤为明显针对长表格特点适用场合顺序査表按照顺序从第一项开始逐项寻找，直至找到所要査找的关键字为止，表格要求不严针对无序表格，表格小计算査表表格要求各元素在表中排列的格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列的。表格要求严针对有序表格，表格小，适用于某些数值计算程序对分法查表速度快，针对长表格尤为明显针对长表格特点适用场合顺序査表按照顺序从第一项开始逐项寻找，直至找到所要査找的关键字为止，表格要求不严针对无序表格，表格小计算査表表格要求各元素在表中排列的格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列的。表格要求严针对有序表格，表格小，适用于某些数值计算程序对分法查表速度快，针对长表格尤为明显针对长表格3.5已知阀的最大流量qvmax=50m³/h,可调范围R=30。（1）计算其最小流量qmin，并说明是否就是阀的泄漏量。（2）若阀的特性为直线流量特性，求在理想情况下阀的相对行程l/L为0.3和0.9时的流量值qv（3）若阀的特性为等百分比流量特性，求在理想情况下阀的相对行程l/L为0.3和0.9时的流量值qv解：（1）minmaxrrqqR；rminq=50/30≈1.67m³/h；rminq≠阀泄漏量，而是泄漏可以控制的最小流量。（2）LΔ)11(1maxRRqqrv;当LΔ=0.9，]9.0)3011(301[50qv≈4.51m³/h当LΔ=0.3，]3.0)3011(301[50qv≈16.17m³/h（3）)1λ(rmaxvqqLR，max)1λ(qvLvRq当LΔ=0.9，50)19.0(Rqv=35.5m³/h当LΔ=0.3，50)13.0(Rqv=4.624m³/h3.6某台调节阀的流量系数C=100，当阀前后压差为200kPa,其两种液体的密度分别为1.2g/cm³和1.8g/cm³时，问所能通过的最大流量各是多少？解：100qvC当ρ=1.2g/cm³，01.129102.120010100q3v1m³/h当ρ=1.8g/cm³，41.105108.120010100q3v2m³/h3.8图为一加热炉原料油出口温度控制系统，试确定系统中调节阀的气开、气关型式，并说明理由。答：选择气开型调节阀。因为原料油不允许加热，当信号突然中断时，应使爆炸油处于关闭状态，从而避免大量燃烧油流入加热炉使原料油出口温度过高。4.1.什么是对象的动态过程特性？为什么要研究对象的动态特性？答：（1）指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律，是系统在动态过程中被控参数与控制变量之间的关系。（2）实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。4.8如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求：（1）列出过程的微分方程组；（2）求过程的传递函数)()()(W10sQsHs；（3）画出过程的方框图；解：（1）根据动态物料平衡关系，流入量＝流出量：过程的微分方程的增量形式：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）过程的方框图：4.9如图所示两个串联在一起的水位储罐，来水首先进入储罐1，然后再通过储罐2流出。要求：1)求出传递函数H2(s)/Q(s).2)画出串联液体储罐的方框图。dtdh)QQ(Q321dthdC)QQ(Q32122RhQ33RhQh)RR(dthdRCRQRR2332132hdthdRRRCRQRRRR3232132323232RRRRRhdthdCRQR1)S(H)S(CRSH)S(RQ11RCSR)s(Q)s(H)s(W10解：由物料平衡方程，列微分方程为：111QQdtdhAi0122QQdtdhA由重力场中无粘性不可压缩流体定常流动的伯努利方程：2222121122gzvpgzvp可得：2111hhkQ221hkQ泰勒级数展开，线性化有：1211RhhQ，其中11012khR22RhQo，其中22022khR…oQ，1h为中间变量，需消去。首先将各环节进行拉普拉斯变换：221221211111)()()()(1)()()()()()(1)(RsHsQsQsQsAsHRsHsHsQsQsQsAsHooi消去中间变量，可以得出传递函数：1)()()()(1222112221122sARARARsARARRsQsHi方框图为：5.8.试分析P、I、D、PI、PD、PID控制规律各有何特点。其中哪些是有差调节，哪些是无差调节？答：1)位式控制——这是一种简单的控制方式,一般适用于对控制质量要求不高的、被控对象是单容的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈、工艺允许被控变量波动范围较大的场合。2)比例控制比例——控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用的控制规律中,是最基本的控制规律。但纯比例作用在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大,余差越大。比例作用适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。3)比例积分控制——由于在比例作用的基础上引入了积分作用,而积分作用的输出与偏差的积分成正比,只要偏差存在,控制器