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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=
