过程控制系统作业问题详解.doc

word第一章 概述1.1 过程控制系统由哪些根本单元构成？画出其根本框图。控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标； b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反响控制快速性指标。第二章 过程控制系统建模方法某水槽如下列图。其中F为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。要求：（1） 写出以水位H为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K和时间常数T的数值。1物料平衡方程为增量关系式为 而， ，代入增量关系式，如此有2两边拉氏变换有：故传函为：K=, T=第三章 过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。试问：（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式与控制器的正反作用？解：1物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量2被控变量：物料出口温度。因为其直观易控制，是加热系统的控制目标。操作变量：蒸汽流量。因为其容易通过控制阀开闭进展调整，变化围较大且对被控变量有主要影响。3由于温度低物料凝结所以要保持控制阀的常开状态，所以控制阀选择气关式。控制器选择正作用。2. 如如下图所示为一锅炉锅筒液位控制系统，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的框图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克制干扰的？解：系统框图如下：控制器阀门给水流量检测元件液位设定值 液位扰动通道- 扰动过控对象由于锅炉不能烧干应当选择气关式，增益为负控制器选择正作用。克制干扰过程：当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，锅筒液位下降，具有正作用后调节器输出信号减小，使气关型的阀门开度增大，从而使给水流量增大，进而使锅筒液位升高，克制蒸汽流量干扰的影响。3. 如如下图所示为精馏塔温度控制系统，它通过调节进入再沸器的蒸汽量实现被控变量的稳定。试画出该控制系统的框图，确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用，并简述由于外界干扰使精馏塔温度升高时该系统的控制过程此处假定精馏塔的温度不能太高。解：系统框图如下：控制器阀门蒸汽流量检测元件温度设定值 温度扰动通道- 扰动过控对象根据题意阀门选择气开型，增益为正控制器为反作用。克制干扰过程：当外界干扰使蒸馏塔温度升高时，具有反作用的调节器输出信号减小，使得气开型的阀门开度减小，蒸汽流量随之减小，使精馏塔温度降低，克制干扰的影响。第四章 PID调节原理习题4.2 试总结调节器P, PI, PD动作规律对系统控制质量的影响。习题4.7 某电动比例调节器的测量围为100200oC，其输出为010mA。当温度从140oC变化到160oC时，测得调节器的输出从3mA变化到7mA。试求出该调节器比例带。解：某水槽液位控制系统如下列图。，F=1000cm22，调节阀为气关式，其静态增益|Kv|=28cm3/s·mA，Km=1mA/cm。（1） 画出系统的传递方框图；（2） 调节器为比例调节器，其比例带=40%，试分别求出扰动Qd=56cm3/s以与定值扰动r=0.5mA 时，被调量h的残差；（3） 假如改为120%，其他条件不变，h的残差又是多少？比拟23的计算结果，总结值对系统残差的影响；（4） 液位调节器改用PI调节器后，h的残差又是多少？解：(1)液位控制器器控制阀液位对象液位检测器设定值 - (2)系统动态方程增量关系式为 又 所以有 对上式进展拉氏变换，得到 从而得到单容液位过程的具体传递函数为 由系统方框图可得液位输出对于扰动输入和设定值输入的传递函数分别为：扰动为时，余差这局部用到终值定理：扰动为时，余差：假如，如此有 过程的增益为正，气关式阀门增益为负，检测器增益为正，由负反响系统全部各个环节包括比拟环节增益乘积为负可判断控制器增益为负。 过程的增益为正，气关式阀门增益为负，检测器增益为正，由负反响系统全部各个环节包括比拟环节增益乘积为负可判断控制器增益为负。 将， 以与其它条件代入上式，可得(3) ，此时有结论：比例度变大，残差变大。4假如改为PI调节，如此对于扰动，余差：对于设定值扰动，余差：第五章 串级控制1. 对于如下列图的加热器串级控制系统，要求：（1） 画出该控制系统的框图，并说明主被控变量、副被控变量分别是什么？（2） 试确定控制阀的气开、气关型式；气开型（3） 确定主、副控制器的正、反作用；副控制器：反作用。主控制器：反作用（4） 温度变送器量程由原来的0500改变为200300，控制系统会出现什么现象？应如何解决？Km1增大，控制作用减弱，余差增大，如此应增大Kc1（5） 流量变送器量程由原来的0250kg/h改变为0400kg/h，控制系统会出现什么现象？应如何解决？Km2减小，副回路等效时间常数增大，控制变慢，响应速度减慢，如此应增大Kc22. 对于如下列图加热炉出口温度简单控制系统，要求：（1） 在进料流量或燃料成分扰动下，设计合理串级控制系统，画出框图，确定控制器的正、反作用；（2） 在燃料油压力扰动下，设计合理串级控制系统。解：1进料流量扰动TT2TC2TT1TC1加热炉原料控制阀：气开副控制器：反作用副被控量：加热炉部温度主控制器：反作用主被控量：物料出口温度系统框图如下扰动扰扰动通道扰动通道动温度控制器温度控制器温度检测温度监测阀门出口温度设定炉膛温度出口温度对象流量炉膛温度对象内2燃料油压力扰动PCTTTC加热炉原料PT主控制器：反作用主被控量：物料出口温度副控制器：反作用福被控量：燃料油管压力控制阀：气开系统框图：扰动扰扰动通道扰动通道动压力控制器温度控制器温度检测压力监测阀门出口温度设定压力出口温度对象燃料罐内压力对象第六章 特殊控制方法1. 比值控制系统有哪些类型？各有什么特点？开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。2. 某化学反响过程要求参与反响的A、B两物料保持的比例,两物料的最大流量=625,=290.通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化。根据上述情况，要求：1设计一个比拟适宜的比值控制系统；2计算该比值系统的比值系数；3在该比值系统中，比值系数应设置于何处？设置值应该是多少假定采用DDZ-型仪表？4选择该比值控制系统控制阀的开闭形式与控制器的正反作用。解：1AB(2)将A物件作为主动量，B物件作为从动量。假如采用开方器假如不采用开方器(3)该系统假如采用比值器方案实施，将比值系数直接设置即可，。假如采用乘法器实现，因，如此将乘法器放置在从动量一侧，设定。(4)A、B阀门均选用气开型阀门，控制器选反作用。3. 管式加热炉原油出口温度分程控制 1调节阀开关型式：瓦斯气调节阀A气开燃料油调节阀B气开工作新号段：A 低信号4 B 高信号1220mA 0.06-0.1MPa 2调节器正反作用：反作用3系统框图控制器天然气调节阀温度对象温度变送器出口温度-燃油调节阀工作原理： 当原油出口温度较低时，反作用控制器输出信号较高，天然气阀门全开后，燃油阀门打开到一定开度，随着燃料量的增加，出口温度上升，控制器输出逐渐减小，使燃料油阀门开度变慢，变小。温度上升速度放缓。温度高至苯一点时，反作用控制器输出为低信号，燃油阀完全关闭，天然气阀开度随温度升高逐渐变小，温度有所降低，控制器信号再次增大，使天然气阀门开大，使出口温度再次上升，如此循环。直至温度达到苯设定值。4. 如下列图高位槽向用户供水，为保证供水流量的平稳，要求对高位槽出口流量进展控制。但为了防止高位槽过高而造成溢水事故，需对液位采取保护性措施。根据上述情况，要求设计一连续型选择性控制系统。试画出该系统的框图，确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用形式以与选择器的类型，并简述该系统的工作原理。LTLCLSFCFT流量控制器出口流量对象温度变送器出口温度-阀门液位对象低选器设定值流量控制器出口温度设定值-温度变送器出口流量调节阀为气关型，液位控制器反作用，流量控制器正作用，选择器选低选器。工作原理：正常工作时，流量控制器工作，出口流量受干扰增大时，具有正作用的流量控制器输出流量增大，使阀门开度变小，出口流量减小，从而克制干扰的影响，当液位超过限值时，由低选器选择液位控制器参加工作，当液位继续增加时，具有正作用的液位控制器输出信号减小，使阀门开度变大，出口流量增加使液位回降。第七章 补偿控制补充题目：前馈-串级复合控制 如下列图精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产工艺要求一旦发生事故应立即停止蒸汽的供给。要求：1. 画出控制系统框图；2. 确定调节阀的气开气关形式；3. 确定主、副控制器的正、反作用方式；4. 如果进料流量波动较大，试设计一个前馈-串级复合控制系统，系统中有关传递函数分别为，试画出此复合控制系统的传递函数框图，并写出前馈调节器的传递函数，讨论其实现的可能性。1.系统框图反作用T反作用2.气开型工艺要求一旦发生事故终止蒸汽供给反作用4.FTPC进料TCTTFTFCT                                  副对象相当于增益为Ko2的随动系统 假如，可实现。第八章 关联分析和解耦控制一2*2耦合过程的传递函数矩阵为试计算该过程的相对增益矩阵，说明其变量配对的合理性，然后按照前馈补偿解耦方式进展解耦，求取前馈补偿解耦装置的数学模型，画出前馈解耦系统框图。解：由题知，开环增益矩阵P= ，利用公式求取相对增益矩阵。P= 或者代公式得到，从而得到相对增益矩阵为。由相对增益矩阵得知：合理，合理。N21N12G11G21G12G22Y2U2U1Y1解耦器的数学模型为,15 / 15