《過程控制與自動(dòng)化儀表(第2版)》課后答案1

第一章 緒論 2.（ 1） 解： 圖為液位控制系統(tǒng)，由儲(chǔ)水箱（被控過程）、液位檢測(cè)器（測(cè)量變送器）、液位控制器、 調(diào)節(jié)閥組成的反饋控制系統(tǒng)，為了達(dá)到對(duì)水箱液位進(jìn)行控制的目的，對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過 液位控制器來控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié) 流量）來實(shí)現(xiàn)液位控制的作用。 系統(tǒng)框圖如下： 控制器輸入輸出分別為：設(shè)定值與反饋值之差 et、控制量 ut； 執(zhí)行器輸入輸出分別為：控制量 ut、操作變量 t； 被控對(duì)象的輸入輸出為：操作變量 t、擾動(dòng)量 t，被控量 h ； 所用儀表為：控制器（例如 制器）、調(diào)節(jié)閥、液位測(cè)量變送器。 2.（ 4） 解： 控制系統(tǒng)框圖： 蒸汽流量 變化 液位設(shè)定 液位控制器 上水調(diào)節(jié)閥 汽包 實(shí)際液位 液位變送器 被控過程：加熱器 +汽包 被控參數(shù)：汽包水位 控制參數(shù)：上水流量 干擾參數(shù)：蒸汽流量變化 第二章 過程參數(shù)的檢測(cè)與變送 1.（ 1） 答：在過程控制中，過程控制儀表：調(diào)節(jié)器、電 /氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等。 調(diào)節(jié)器選電動(dòng)的因?yàn)殡娫吹膯栴}容易解決，作用距離長(zhǎng)，一般情況下不受限制；調(diào)節(jié)精 度高，還可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。執(zhí)行器多數(shù)是氣動(dòng)的，因?yàn)閳?zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，常常在 高溫、高壓、深冷、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、易爆等惡劣條件下工作，選氣動(dòng)的執(zhí)行 器就沒有電壓電流信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生火花，這樣可以保證安全生產(chǎn)和避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。 氣動(dòng)儀表的輸入輸出模擬信號(hào)統(tǒng)一使用 模擬氣壓信號(hào)。 電動(dòng)儀表的輸入輸出模擬信號(hào)有直流電流、直流電壓、交流電流和交流電壓四種。各國(guó) 都以直流電流和直流電壓作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。過程控制系統(tǒng)的模擬直流電流信號(hào)為 420C， 負(fù)載 250 ；模擬直流電壓信號(hào)為 15V 1.（ 2） 解： uKcet 由式 1 100% 可得 : K C 1 比例積分作用下 u 可由下式計(jì)算得出： 1 1 4 20 3mA uu u(0) 3 6 9過 4調(diào)節(jié)器的輸出 92.（ 5） 解： 調(diào)節(jié)器選氣開型。當(dāng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱， 使設(shè)備不致因溫度過高而發(fā)生事故或危險(xiǎn)。 液位設(shè)定值 制器 氣動(dòng)執(zhí)行器 加熱器 液位實(shí)際值 液位變送器 2.（ 6） 解： （ 1）直線流量特性： 10% ： 100% 50% ： 80% ： 100% 100% 線性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)流量的相對(duì)變化量大，靈敏度高，控制作用強(qiáng)，容易產(chǎn)生振蕩； 而在大開度時(shí)流量的相對(duì)變化量小，靈敏度低，控制作用較弱。由此可知，當(dāng)線性調(diào)節(jié)閥工 作在小開度或大開度時(shí)，它的控制性能較差，因而不宜用于負(fù)荷變化大的過程。 （ 2）對(duì)數(shù)流量特性 10% ： 50% ： 80% ： 100% 100% 100% 對(duì)數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)其放大系數(shù) K v 較小，因而控制比較平穩(wěn)；在大開度工作 時(shí)放大系數(shù) K v 較大，控制靈敏有效，所以它適用于負(fù)荷變化較大的過程。 （ 3）快開流量特性 10% ： 100% h q50% ： 100% 80% ： 100% 快開流量特性是指在小開度時(shí)候就有較大的流量，隨著開度的增大，流量很快達(dá)到最大， 快開流量特性的調(diào)節(jié)閥主要用于位式控制。 第四章 被控過程的數(shù)學(xué)模型 1.(4) 解 : (1)由題可以列寫微分方程組 : C dh h h 2)過程控制框圖 S ) 1/ (S ) 1/ 1 / 3)傳遞函數(shù) S ) H (S ) / S ) S ) H (S ) / ) 1 / (1 / 1 / 2.(1) 解 :首先由題列寫微分方程 d C C h消去 得： h C dh1 C 11S a)同理可得出當(dāng) F10， ： G(s) h 3 C dh2 得： 2 h 3 C dh 則有： C dh 2 h去中間變量 得： C 2 R3 d 2h 2 2 dh 1 h dq1 得： s Hs Q1s 1 2 1 五章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.(13) 解 :(1)只討論系統(tǒng)干擾響應(yīng)時(shí)，設(shè)定值 0 。 由 K 01 K 02 1 , K d 5 2.5 則被控對(duì)象傳遞函數(shù)： T 5s 1)( 1) 擾動(dòng)傳遞函數(shù) : Y ( s) k dT F ( s) 1 k cT (5 s1)(2.5 s1) (5 s 1)(2.5 s 1) 5 s1)(2.5 s1) k c 當(dāng) F 10 ， K c ， 則 有 ： G (s )Y (s ) F (s) s ) G (s ) s ) s) G(s) s) Y G (s )( G (s)F2 10 過反拉氏變換之后可得出：系統(tǒng)干擾響應(yīng) t) e e (s ) (s) FY G (s )( G (s)F2 10 過反拉氏變換之后可得出：系統(tǒng)干擾響應(yīng) t) e e (2)只討論系統(tǒng)設(shè)定值階躍響應(yīng)時(shí)，干擾輸入 F 0 G(s)已知 2 a） 當(dāng) K c ， Y (s) T s) 1 T 5s1)(1) R G(s)反拉氏變換： 2 (5s1)(1) 2.4 s 統(tǒng) 設(shè) 定 值 階 躍 響 應(yīng) ： t) e e b) 當(dāng) K c , G(s) 2 (5s1)(1) s 統(tǒng) 設(shè) 定 值 階 躍 響 應(yīng) ： t) e 0.1t e 0.1t t ) 3） 設(shè)定值響應(yīng)的影響：增大 K c 可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 干擾的影響：增大 以對(duì)干擾的抑制作用增強(qiáng)。 2.(6)解 : 由圖可以得到， 40 ， 230 40 190 ， 對(duì)象增益 K 0 39 /100 0 應(yīng) 1 1 K 0 再查表得 制器參數(shù)結(jié)果。 40 190 40 132s y 1） 液位變送器量程減小，由公式 K 0 u u u 此時(shí) 小， y 不變，對(duì)象增 益 大 1 倍，相應(yīng) 縮小 1 倍 。此時(shí)查表得到的 應(yīng)加大。 3.(1) 解 : 1、 被控參數(shù)：熱水溫度 2、 控制參數(shù)：蒸汽流量 3、 測(cè)溫元件及其變送器選擇：選取熱電阻，并配上相應(yīng)溫度變送器。 4、 調(diào)節(jié)閥的選擇：根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要與安全角度的考慮，選擇氣開閥；調(diào)節(jié)器選 型的調(diào)節(jié)器；由于調(diào)節(jié)閥為氣開式（無信號(hào)時(shí)關(guān)閉），故 K v 為正，當(dāng)被控過 程輸入的蒸汽增加時(shí)，水溫升高，故 K 0 為正，測(cè)量變送 K m 為正，為使整個(gè)系統(tǒng)中 各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)乘積為正，調(diào)節(jié)器 K c 應(yīng)為正，所以選用反作用調(diào)節(jié)器。 第 6 章 常用高性能過程控制系統(tǒng) 1.(12) 解 : 1）畫出控制系統(tǒng)的框圖 溫度控制 器 流量控制 器 調(diào)節(jié)閥 蒸汽管道 再沸器 精餾塔 流量變送 器 溫度變送 器 2）調(diào)節(jié)閥：氣開形式；這是因?yàn)楫?dāng)控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥必須關(guān)閉，以便切斷 蒸汽的供應(yīng)，確保設(shè)備的安全。 3）主調(diào)節(jié)器：反作用方式；副調(diào)節(jié)器：反作用方式。對(duì)于副回路， 開為正， 正， 為正，所以有 為正，即副調(diào)節(jié)器為反作用方式；對(duì)于主回路， 正， 正， 正，所以有 正，即主調(diào)節(jié)器為反作用方式。 1.(13) 解 : 按 4:1 衰減曲線法測(cè)得數(shù)據(jù)，由表 5）得： 副調(diào)節(jié)器采用 P 調(diào)節(jié)規(guī)律，查表得： 2 2 s 44% 主調(diào)節(jié)器采用 節(jié)規(guī)律，查表得： 1 s 64% ， 3 1 2.(4) Gvs 解： 1）前饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng) :取進(jìn)料流量 F (s) 作為前饋信號(hào)，經(jīng)前饋控制器輸出控制作 用到調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)框圖如下 2）前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： sG fssss s 0 s e 3）討論前饋實(shí)現(xiàn)的可能性： 1）要求 f 0 ， 2）分子階次不高于分母階次，這樣才物理上可實(shí)現(xiàn)。 3.(2) 解： 1、如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾，采用前饋反饋控制；被控變量為物料出料溫度 ,控制變 量蒸汽流量 ,前饋信號(hào)為冷水流量。 2、如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，采用串級(jí)控制；主被控變量為物料出料溫度 , 副被控變量 為蒸汽壓力 ,控制變量蒸汽流量。 3、如果冷水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，采用前饋串級(jí)控制；主被控變量為物料出料溫度 , 副被控變量為蒸汽流量或壓力 ,控制變量蒸汽流量 , 前饋信號(hào)為冷水流量。 第七章 實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求的過程控制系統(tǒng) 1.（ 15） 解： （ 1） A、 B 兩閥均采用氣開形式， A 閥工作在在 號(hào)段，當(dāng)信號(hào)超過 ， A 閥全開； B 閥工作在 號(hào)段。 （ 2）由于 A、 B 兩個(gè)閥都采用氣開形式，所以當(dāng)執(zhí)行器信號(hào)增大時(shí)， A、 B 兩閥開度變大，所 以執(zhí)行器為正作用形式；而當(dāng)進(jìn)入加熱爐燃料量增大時(shí)，原油溫度升高，所以被控對(duì)象為正 作用形式；所以調(diào)節(jié)器選擇增益為正，反作用形式。 （ 3）控制框圖如下： 溫度設(shè)定 溫度控制器 天然氣閥 加熱爐 原油出口 溫度 燃料油閥 溫度變送器 K帶開方器時(shí)： K2 625工作原理：當(dāng)控制器根據(jù)溫度設(shè)定與實(shí)際原油出口溫度之差運(yùn)算得到控制信號(hào)在 A 閥工作信 號(hào)段內(nèi)時(shí)，僅 A 閥開啟；而當(dāng)控制信號(hào)在 B 閥工作信號(hào)段時(shí)，則 A 閥全開， B 閥開啟。 2（ 1） 解： 1）選擇雙閉環(huán)的比值控制系統(tǒng)，因?yàn)殡p閉環(huán)比值控制能實(shí)現(xiàn)主、副回路的抗干擾性能， 使主、副流量既能保持一定比值，又能使總物料流量保持平穩(wěn)。 2）因?yàn)榱髁亢蛪毫Τ史蔷€性關(guān)系 4 : Kq2 2 290帶開方器時(shí)： K K q2 ）當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，所以選擇兩調(diào)節(jié)閥都為氣開形式；兩調(diào)節(jié)器選擇為反作用。 2（ 2） 解： 均勻控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，比例作用和積分作用均不能太強(qiáng)，通常設(shè)置較大的 比例度（較小的比例系數(shù)）和較長(zhǎng)的積分時(shí)間，以較弱的控制作用達(dá)到均勻控制的目的。 本題可根據(jù) 調(diào)節(jié)規(guī)律的性質(zhì)： 對(duì)于該系統(tǒng)，有時(shí)出現(xiàn)周期很長(zhǎng)、衰減很慢的振蕩過程。說明了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)：比例 系數(shù)過大導(dǎo)致振蕩；周期很長(zhǎng)、衰減很慢是由于積分時(shí)間大，導(dǎo)致曲線過渡過程很平緩，等 待平衡的時(shí)間長(zhǎng)。 若加大調(diào)節(jié)器的比例度（比例系數(shù)減?。┎⒉荒軠p小振蕩；若減小調(diào)節(jié)器的比例度（比 例系數(shù)增大）反而能提高衰減比。對(duì)于此現(xiàn)象，因?yàn)樵黾诱{(diào)節(jié)器比例度，使控制作用減弱， 在干擾作用下，導(dǎo)致振蕩并不能減小；當(dāng)減小調(diào)節(jié)器比例度時(shí)，控制作用增強(qiáng)，使得動(dòng)態(tài)響 應(yīng)變快，提高了衰減比。 2.（ 4）解： 控制系統(tǒng)框圖如下： 溫度變送器 溫度設(shè)定 溫度控制器 裂解氣出口溫度 選擇器 執(zhí)行器 熱交換器 流量設(shè)定 流量控制器 釜液流量 流量變送器 （ 2）由于裂解氣冷卻出口溫度要求不得低于 15 攝氏度，否則會(huì)引起管道阻塞，因此調(diào)節(jié)閥 選擇氣開形式。 由于調(diào)節(jié)閥為氣開形式，所以為正作用形式；當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度變大時(shí)，釜液流量變大，即 為正作用形式，所以流量調(diào)節(jié)器為反作用形式；而此時(shí)裂解氣出口溫度卻下降，即為反作用 形式，因此溫度控制器為正作用形式。 由于裂解氣冷卻后出口溫度不得低于 15 攝氏度，因此當(dāng)溫度低于要求溫度時(shí)，調(diào)節(jié)器的 輸出信號(hào)減小，要求選擇器選中溫度控制器，故選擇器為低值選擇器。 3.（ 3）解： 系統(tǒng)控制框圖如下： 液位控制器 流量控制器 調(diào)節(jié)閥 入水管線 水槽 流量變送器 液位變送器 為防止故障狀況下，水溢出水槽，調(diào)節(jié)閥采用氣開形式，因此調(diào)節(jié)閥為正作用形式。又 由于當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度變大時(shí)，水流量變大，液位升高，因此被控對(duì)象均為正作用。所以液位控 制器、流量控制器均為反作用形式。 第八章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng) 1.（ 4）解： 本題采用增益矩陣計(jì)算法獲取相對(duì)增益矩陣： 1111111 T 1 T 0 1 0 從相對(duì)增益矩陣可以看出，選用 y1,變量配對(duì)方案，但 需解耦。 2.（ 2）解： 由 K H T K K1 T 得： T 由增益矩陣可以看出，兩個(gè)變量之間存在一定的耦合，因此 對(duì)，同時(shí) 用前饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)法進(jìn)行解耦。可得前饋補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型為： (s) s) 011(s ) 022 (s ) 前饋解耦控制框圖略。 2.（ 3）解： a q bc 2 因此： 1,q 21,q 2 v 2 由增益矩陣可以看出，兩變量之間存在耦合現(xiàn)象。需怎樣解耦？ 第十章 2（ 3） 圖 10示為鍋爐燃燒系統(tǒng)選擇性控制。它可以根據(jù)用戶對(duì)蒸汽的要求，自動(dòng)調(diào) 節(jié)燃燒量和助燃空氣量，不僅能維持兩者的比值不變，而且能使燃燒量與空氣量的調(diào)整滿足 下述邏輯關(guān)系：當(dāng)蒸汽用量增加時(shí)，先增加空氣量后增加燃燒量；當(dāng)蒸汽用量減少時(shí)，先減 少燃燒量后減空氣量。根據(jù)上述要求，試確定圖中控制閥的氣開、氣關(guān)形式、調(diào)節(jié)器的正、 反作用及選擇器的類型，并畫出系統(tǒng)框圖。 擇 器 蒸 汽 1T K 選 擇 器 2T 料 空 氣 解：燃料閥選氣開形式，空氣閥選氣關(guān)形式。 作用， 作用， 節(jié)器正作用。 當(dāng)蒸汽用量增加時(shí)，先增加空氣量后增加燃燒量，圖上面選擇器應(yīng)為高值選擇器 當(dāng)蒸汽用量減少時(shí)，先減少燃燒量后減空氣量，圖下面選擇器應(yīng)為低值選擇器