过程控制老师画的课后题目答案,除了7-4没有

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1、- 1 -第一章第一章思考题与习题思考题与习题12 图 1.6 为温度控制系统,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2 2 2 21 1 1 1 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

2、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 W0(S)H(S)/Q1(S) ;(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:dtdh)QQ(Q321=+dthdC)QQ(Q321=+22RhQ=33RhQ=- 2 -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:2 2 2 22 2 2 2如图所示:Q1为过程的流入量,Q2为流出流量,h为液位高度,C为容量系数,若以Q1为过程的输入量,h为输出量(被控量) ,设R1、R2为线性液阻,

3、求过程的传递函数W0(S)H(S)/Q1(S)。解: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:h)RR(dthdRCRQRR2332132+=hdthd RRRCRQRRRR3232 1 3232+=+3232 RRRRR+=hdthdCRQR1+=)S(H)S(CRSH)S(RQ1+=1RCSR )s(Q)s(H)s(W10+=dthdCQQ21=22RhQ=hdthdCRQR212+=)S(H)S(SHCR)S(QR212+=1SCRR )s(Q)s(H)s(W2210+=- 3 -传递函数:如果考虑管道长度l,即出现纯时延,由于管道流量恒定,所以lQ=其传递

4、函数为:其中:lQ=25 某过程在阶跃扰动量u20,其液位过程阶跃响应数据见下表:t/s01020406080100140180260300400500h/cm000 20 82 03 65 48 8118144166184192(1)画出液位h的阶跃响应曲线(2)求液位过程的数学模型解:方法一:图解法由图可以看出:过程应该用一阶加延时系统。1002 . 0 20 x)0( y)( yK00=从图中得到:40s,T26040220sS2210e1SCRR )s(Q)s(H)s(W+=- 4 -S40S0 0e1S220100e1TSK)s(W +=+=方法二:计算法:在图中取y(t1)0.33

5、y()y(t2)0.39y()y(t3)0.632 y()y(t4)0.7y()得t1125st2140st3 225st4260ss150)tt (2T231=s55tt 2321=s1688 . 0 ttT14 2=s572tt 341 2=可见数据很接近,于是:s1592TTT21 0=+=s56221 0=+=过程数学模型:S56S0 0e1S159100e1TSK)s(W +=+=6 6 6 67 7 7 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

6、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:- 5 -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

7、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 6 6 68 8 8 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

8、非线性特性。因此,调节阀流量特性选择对数特性调节阀。- 6 -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:(3)(控制器“?” ) (控制阀“” ) (对象“” )“”根据判断关系式,调节器应为正作用。73 图为加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。工艺要求一旦发生重大事故,立即切断原料的供应。(1)画出控制系统的组成框图(2)确定调

9、节阀的流量特性气开、气关形式(3)确定主副调节器的控制规律及其正反作用方式解: (1)串级系统方框图如下:副回路选择加热炉炉膛温度控制,消除 F1(S)干扰。- 7 -(2)由于发生重大事故时立即切断燃料油的供应,从工艺的安全性考虑,调节阀选择气开式,保证无气时调节阀关闭。(3)主调节器选择 PI(或 PID)控制规律,副调节器选择 P 调节规律。由于燃料增加加热炉温度必然增加,所以过程为正。调节阀气开式为正,根据表 74 可知主副调节器都选择正作用方式。7 7 7 75 5 5 5 某温度温度串级控制系统, 主调节器采用 PID 控制规律, 副调节器采用 P 控制规律。采用两步整定法整定主、

10、副调节器的参数,按 4:1 衰减比测得1S0.12,1S0.5 ,T1S140s,T2S12s。求主、副调节器参数的整定值。解:按照 4:1 两步整定法经验公式:主调节器(温度调节器) :比例度10.81S0.80.129.6积分时间常数TI0.3T1S42 s微分时间常数:TD0.1T1S14 s副调节器:比例度22S507 7 7 78 8 8 8 用蒸汽加热的贮槽加热器,进料量 Q1稳定,而 Q1的初始温度 T1有较大波动,生产工艺要求槽内物料温度 T 恒定。Q2为下一工艺的负荷,要求 Q2 的温度为 T。试设计一过程控制系统,并画出控制系统框图。解:应用前馈反馈控制系统对冷物料进行前馈补偿控制、对被控参数:出口热物料进行反馈控制。系统控制流程图如下图所示。控制系统组成框图:其 中前馈补偿器传递函数 )s(W)s(W)s(W0f FF=

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