第一章 思考題與習(xí)題12 圖1.6為溫度控制系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的框圖，簡述其工作原理；指出被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。 解：乙炔發(fā)生器中電石與冷水相遇產(chǎn)生乙炔氣體并釋放出熱量。當電石加入時，內(nèi)部溫度上升，溫度檢測器檢測溫度變化與給定值比較，偏差信號送到控制器對偏差信號進行運算，將控制作用于調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)冷水的流量，使乙炔發(fā)生器中的溫度到達給定值。系統(tǒng)框圖如下：被控過程：乙炔發(fā)生器被控參數(shù)：乙炔發(fā)生器內(nèi)溫度控制參數(shù)：冷水流量13 常用過程控制系統(tǒng)可分為哪幾類?答：過程控制系統(tǒng)主要分為三類：1. 反饋控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)被控參數(shù)與給定值的偏差進行控制的，最終達到或消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。它是最常用、最基本的過程控制系統(tǒng)。 2前饋控制系統(tǒng)：前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動量的大小進行控制的，擾動是控制的依據(jù)。由于沒有被控量的反饋，所以是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。由于是開環(huán)系統(tǒng)，無法檢查控制效果，故不能單獨應(yīng)用。3. 前饋反饋控制系統(tǒng)：前饋控制的主要優(yōu)點是能夠迅速及時的克服主要擾動對被控量的影響，而前饋反饋控制利用反饋控制克服其他擾動，能夠是被控量迅速而準確地穩(wěn)定在給定值上，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。34 過程控制系統(tǒng)過渡過程的質(zhì)量指標包括哪些內(nèi)容？它們的定義是什么？哪些是靜態(tài)指標？哪些是動態(tài)質(zhì)量指標？ 答：1. 余差(靜態(tài)偏差）e：余差是指系統(tǒng)過渡過程結(jié)束以后，被控參數(shù)新的穩(wěn)定值y()與給定值c之差。它是一個靜態(tài)指標，對定值控制系統(tǒng)。希望余差越小越好。2. 衰減比n:衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)質(zhì)量指標，它等于振蕩過程的第一個波的振幅與第二個波的振幅之比，即： n1系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，是發(fā)散振蕩；n=1,系統(tǒng)也是不穩(wěn)定的，是等幅振蕩；n1,系統(tǒng)是穩(wěn)定的，若n=4,系統(tǒng)為4：1的衰減振蕩，是比較理想的。 衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性也可以用衰減率4最大偏差A(yù)：對定值系統(tǒng)，最大偏差是指被控參數(shù)第一個波峰值與給定值C之差，它衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。5 過程過渡時間ts：過渡過程時間定義為從擾動開始到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值的±5%或±3 （根據(jù)系統(tǒng)要求）范圍內(nèi)所需要的時間。它是反映系統(tǒng)過渡過程快慢的質(zhì)量指標，ts越小，過渡過程進行得越快。6峰值時間tp: 從擾動開始到過渡過程曲線到達第一個峰值所需要的時間，（根據(jù)系統(tǒng)要求）范圍內(nèi)所需要的時間。稱為峰值時間tp。它反映了系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏程度。靜態(tài)指標是余差，動態(tài)時間為衰減比（衰減率）、最大偏差、過程過渡時間、峰值時間。 第二章 思考題與習(xí)題21 如圖所示液位過程的輸入量為Q1，流出量為Q2，Q3，液位h為被控參數(shù)，C為容量系數(shù)，并設(shè)R1、R2、R3均為線性液阻，要求：（1） 列出過程的微分方程組；（2） 求過程的傳遞函數(shù)W0（S）H（S）/Q1（S）；（3） 畫出過程的方框圖。解：（1）根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，流入量流出量： 過程的微分方程的增量形式：中間變量：消除中間變量： 同除 (R2+R3) 得到：令：上式可寫為：（2）Laplace 變換得到：傳遞函數(shù): （3） 過程的方框圖：22如圖所示：Q1為過程的流入量，Q2為流出流量，h為液位高度，C為容量系數(shù)，若以Q1為過程的輸入量，h為輸出量（被控量），設(shè)R1、R2為線性液阻，求過程的傳遞函數(shù) W0(S)H(S)/Q1(S)。解：根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，流入量流出量： 過程的微分方程的增量形式：中間變量： 傳遞函數(shù)： 如果考慮管道長度l， 即出現(xiàn)純時延，由于管道流量恒定，所以其傳遞函數(shù)為：其中：23設(shè)矩形脈沖響應(yīng)幅值為2 t/h ，脈沖寬度為t10min，某溫度過程的矩形脈沖響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如下：t(min)134581015165 Y()046173790190264360375t(min)2025304050607080 Y()33527221010451281105（1） 將該脈沖矩形響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線；（2） 用一階慣性環(huán)節(jié)求該溫度對象的傳遞函數(shù)。解：將脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線，數(shù)據(jù)如下：t(min)134581015165 Y()046173790190264360375Y1（t）046173790190264t(min)2025304050607080 Y()33527221010451281105Y1（t）59.980.991.396.499.2100.3100.8 繪出階躍響應(yīng)曲線如下： 由圖y(t1)0.4y() ，y(t2)0.8y()處可得：t1=14min t2=30.5t1/t20.46 故二階系統(tǒng)數(shù)字模型為 根據(jù)經(jīng)驗公式有： 所有： 25 某過程在階躍擾動量u20，其液位過程階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)見下表：t/s01020406080100140180260300400500h/cm00020820365488118144166184192（1） 畫出液位h的階躍響應(yīng)曲線（2） 求液位過程的數(shù)學(xué)模型解：方法一：圖解法 由圖可以看出：過程應(yīng)該用一階加延時系統(tǒng)。 從圖中得到：40s， T26040220s方法二：計算法：在圖中取y(t1)0.33 y() y(t2)0.39y() y(t3)0.632 y() y(t4)0.7 y()得t1125s t2 140s t3 225s t4 260s 可見數(shù)據(jù)很接近，于是： 過程數(shù)學(xué)模型：26 某過程在階躍擾動I1.5mADC作用下，其輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)見下表：t(min)1234567891011 Y()4040424851545758585596060t(min)1234567891011 Y()20201815120503020150100解：求出y()y(t)值如下表：根據(jù)表格在半對數(shù)紙上描繪出曲線1，曲線1作直線部分的延長線2，2線減去1線得到直線3。 過程放大倍數(shù) K0根據(jù)直線2和直線3，與縱坐標、橫坐標構(gòu)成的兩個三角形，可以求出時間參數(shù)T1、T2 ：由A17，B10.1 ， t110s 由 A25，B20.1 t26s該過程的數(shù)學(xué)模型為：第三章 思考題與習(xí)題32 有一壓力控制系統(tǒng)選用DDZ壓力變送器，其量程為0200kPa。生產(chǎn)工藝要求被控壓力為150±2kPa，現(xiàn)將該變送器量程調(diào)整到100200 kPa，求零點遷移前后該壓力變送器的靈敏度。解： 零點遷移前靈敏度：零點遷移后靈敏度：34 某DDZ直流毫伏變送器，其零點移到Vio5mV，零遷后的量程為DC10mV，求該變送器輸出I010mADC時的輸入是多少毫伏？ 解：分析：零點遷移后510mV對應(yīng)輸出為 420mA，如右圖所示。 根據(jù)圖的幾何關(guān)系有： ab : aceb : dc I010mA時，輸入電壓為： Vin51.886.88（mVDC）37.說明DDZ熱電偶溫度變送器的冷端溫度補償原理。以A 和B 兩種導(dǎo)體組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與材料種類和接觸點的溫度有關(guān)。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與被測溫度T 具有單值函數(shù)關(guān)系。但是，其前提條件必須保持冷端溫度T0 不變。熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且還與冷端溫度有關(guān)。實際使用中冷端暴露在儀表之外，受環(huán)境影響較大，因此必須進行冷端補償（溫度校正）熱電偶冷端溫度的補償方法 （1）補償導(dǎo)線法（延伸導(dǎo)線法）：用與熱電偶熱電性質(zhì)相同的臂長補償導(dǎo)線（或稱延伸導(dǎo)線）將熱電偶的冷端延伸到溫度保持恒定的地方。 （2）冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于恒定溫度的容器內(nèi)或場合內(nèi)。（3）冷端溫度修正法（計算校正法）：（4）補償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡電勢補償由于熱電偶冷端溫度變化引起的測量誤差。 38.DDZ溫度變送器是如何使被測溫讀與輸出信號I。成線性關(guān)系的？簡述熱電偶溫度變送器與熱電阻溫度的線性化原理。35 .DDZ溫度變送器測溫范圍為8001200°C。選擇哪一種測溫元件較為合適？當輸出電流為DC16mA時，被測溫度是多少？解：檢測溫度高于600，應(yīng)選擇熱電偶測溫元件。ab : acbd : ce I016mA時，被測溫度為： T8003001100（）36 .DDZ-溫度變送器測溫范圍為400600°C。選擇哪一種測溫元件較為合理？當溫度從500°C變化到550°C時，輸出電流變化多少？解:：檢測溫度低于600，應(yīng)選擇鉑電阻測溫元件。 溫度變化50時，輸出電流變化： I0.08 mA/×504 mA38 用標準孔板測量氣體流量，給定設(shè)計參數(shù)p0.8kPa，t20°C。實際被測介質(zhì)參數(shù)p10.8kPa，t130C。儀表顯示流量Q3800m³h，求被測介質(zhì)實際流量大小。39 一只用水標定的浮子流量計，其滿刻度值為1000m³/h，不銹鋼浮子密度為7.92g/cm³。現(xiàn)用來測量密度為0.72g/cm³的乙醇流量，問浮子流量計的測量上限是多少？解：設(shè)轉(zhuǎn)子、水、被測液體的密度分別為1、0、2，由液體流量的修正公式，密度修正系數(shù)： 根據(jù)修正系數(shù)求得，浮子流量計的測量上限是：Q2maxKQ0 max1.2×10001200 m3/h316 簡述渦輪流量計的工作原理。某渦輪流量計的儀表常數(shù)K150.4次/L，當它測量流量時的輸出頻率為400Hz時，求其瞬時體積流量為每小時多少立方米？第四章 思考題與習(xí)題41 什么是正作用調(diào)節(jié)器和反作用調(diào)節(jié)器？如何實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正反作用？答：輸入增加時，調(diào)節(jié)器輸出也隨之增加稱為正作用調(diào)節(jié)器；輸入增加時，調(diào)節(jié)器輸出減小稱為反作用調(diào)節(jié)器。在調(diào)節(jié)器輸入級的輸入端設(shè)有一個雙向開關(guān)S7，通過切換改變輸入信號的極性來實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正反作用。43 如何測定DDZ調(diào)節(jié)器的微分時間TD和積分時間TI ？答：一、微分傳遞函數(shù)為：拉氏反變換得階躍作用下的時間函數(shù)：當tt(0+)時，當t時，由圖有： 實驗得到曲線后，可以按圖求取微分時間TD二、積分傳遞函數(shù)：t0時，t時，tTI 時：43 設(shè)DDZ基型調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)的刻度值為0.50，TI30s，TD20s。計算實際值*、TI*和TD*之值。解：先計算F： F1TD/TI12/31.67*、TI* 、TD*之實際值： */F0.5/1.670.3TI*TI/F17.9TD*TD/F11.945 數(shù)字式完全微分PID控制規(guī)律與不完全微分PID控制規(guī)律有說明區(qū)別？哪種控制規(guī)律的應(yīng)用更為普遍？答： 完全微分型PID算法的微分作用過于靈敏，微分作用持續(xù)時間短，容易引起控制系統(tǒng)振蕩，降低控制品質(zhì)。不完全微分是在PID輸出端串接一個一階慣性環(huán)節(jié)，這樣，在偏差變化較快時，微分作用不至于太強烈，且作用可保持一段時間。因此不完全微分PID控制規(guī)律更為普遍。46 49 某流體的最大流量為80 m3/h ，改流體密度為0.16×102g/cm3，閥前后一壓差為0.1MPa，試選擇調(diào)節(jié)閥的公稱直徑和閥座直徑。（要求泄露量小） 解：調(diào)節(jié)閥的流通能力C為：取 查表得dg32mm，Dg32mm 。第六章 思考題與習(xí)題65 調(diào)節(jié)器的P、PI、PD、PID控制規(guī)律各有什么特點？它們各用于什么場合？答： 比例控制規(guī)律 適用于控制通道滯后較小，時間常數(shù)不太大，擾動幅度較小，負荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合。如貯罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽壓力的控制等。 比例積分控制規(guī)律 引入積分作用能消除余差。適用于控制通道滯后小，負荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場合，如流量或壓力的控制。 比例微分控制規(guī)律 引入了微分，會有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，最大偏差和余差減小，加快了控制過程，改善了控制質(zhì)量。適用于過程容量滯后較大的場合。對于滯后很小和擾動作用頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能避免使用微分作用。 比例積分微分控制規(guī)律 可以使系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量，它適用于容量滯后大、負荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫度控制。 67 在某生產(chǎn)過程中，冷物料通過加熱爐對其進行加熱，熱物料溫度必須滿足生產(chǎn)工藝要求，故設(shè)計圖所示溫度控制系統(tǒng)流程圖，畫出控制框圖，指出被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥的流量特性、氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及其正、反作用方式。解：系統(tǒng)方框圖： 被控過程為加熱爐；被控參數(shù)是熱物料的溫度；控制參數(shù)為燃料的流量。 加熱爐的過程特性一般為二階帶時延特性，即過程為非線性特性。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性選擇對數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。根據(jù)生產(chǎn)安全原則，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時應(yīng)該停止輸送燃料，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式。即無氣時調(diào)節(jié)閥關(guān)閉?？刂破鞯恼醋饔玫倪x擇應(yīng)該在根據(jù)工藝要求，原則是：使整個回路構(gòu)成負反饋系統(tǒng)?？刂破鞯恼?、反作用判斷關(guān)系為：（控制器“±”）·（控制閥“±”） ·（對象“±”）“” 調(diào)節(jié)閥：氣開式為“”，氣關(guān)式為“”； 控制器：正作用為“”，反作用為“”； 被控對象：按工藝要求分析，通過控制閥的物量或能量增加時，被控制量也隨之增加為“”；反之隨之降低的為“”； 變送器一般視為正作用。根據(jù)安全要求，調(diào)節(jié)閥選氣開式Kv為正，溫度變送器Km一般為正，當調(diào)節(jié)器增加時，溫度值增加，故過程（對象）為正，為了保證閉環(huán)為負。所以調(diào)節(jié)器應(yīng)為負作用。68 下圖為液位控制系統(tǒng)原理圖。生產(chǎn)工藝要求汽包水位一定必須穩(wěn)定。畫出控制系統(tǒng)框圖，指出被控過程、被控參數(shù)和控制參數(shù)。確定調(diào)節(jié)閥的流量特性、氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律及其正反作用方式。解：控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。被控過程為汽包；被控參數(shù)是汽包的液位；控制參數(shù)為給水的流量。 汽包的過程特性為一階帶時延特性，即過程為非線性特性。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性選擇對數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。根據(jù)生產(chǎn)安全原則，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時應(yīng)該停止輸送燃料，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣關(guān)式。即無氣時調(diào)節(jié)閥打開。保證在控制出現(xiàn)故障時，汽包不會干燒。調(diào)節(jié)閥：選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，故KV為“”；被控對象：按工藝要求分析，通過給水增加時，被控制參數(shù)的液位也會增加。所以K0為“”； 變送器一般視為正作用。 控制器的正、反作用判斷關(guān)系為： （控制器“？”）·（控制閥“”） ·（對象“”）“”根據(jù)判斷關(guān)系式，調(diào)節(jié)器應(yīng)為正作用。6-9 某過程控制通道作階躍實驗，輸入信號u50，其記錄數(shù)據(jù)見表611t/min00.20.40.60.81.01.2y(t)200.1201.1204.0227.0251.0280.0302.5t/min1.41.61.82.02.22.42.6y(t)318.0329.5336.0339.0340.5341.0341.2(1)用一階加純時延近似該過程的傳遞函數(shù)，求K0、T0、和0值。（2）用動態(tài)響應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)（取1，0.75）。解：（1）根據(jù)表611得到過程階躍響應(yīng)曲線：由圖讀得T01.08 min 00.42 min 0.20.381根據(jù)動態(tài)特性整定公式有： TI0.8 T0 0.74 min610 對某過程控制通道作一階躍實驗，輸入階躍信號5，階躍響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如表所示。（1） 若過程利用一階加純時延環(huán)節(jié)來描述，試求K0、T0、0（2） 設(shè)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，按4：1衰減比，用反應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，求、Ti 。時間（min）0510152025303540被控量y065006510652066807350817088109791075時間（min）455055606570758085被控量y115112131239126213111329133813501351解：（1）求過程的傳遞函數(shù)，由表作圖： 從圖中可以得到：25min 1500s ； T030min 1800s 采用一階加時延系統(tǒng)則：將數(shù)值代入得：（2） 因為/ T0 1500/18000.831 取0.75的有自衡過程的整定公式：a比例系數(shù)：b積分時間常數(shù)Ti ：Ti0.8T01440 (s)612 已知被控制過程的傳遞函數(shù) ，其中T06s， 03s。試用響應(yīng)曲線法整定PI、PD調(diào)節(jié)器的參數(shù)；再用臨界比例度法整定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)（設(shè)TK 10s，K0.4）；并將兩種整定方法的PI參數(shù)進行比較。 解：對有自衡能力的系統(tǒng)1，T0 / 00.5。采用特性參數(shù)法（響應(yīng)曲線法）公式及PI控制規(guī)律，有：Ti0.8T04.8 (s)對PD控制規(guī)律調(diào)節(jié)器，有Ti0.2500.75 (s) 采用臨界比例度法，對PI調(diào)節(jié)規(guī)律： Ti0.85TK8,5 (s) 兩種整定方法得到的結(jié)果不同，比例度比較接近、TI 相差較大。在工程實踐中應(yīng)該應(yīng)用不同的整定方法進行比較，選擇控制效果最佳方案。第七章 思考題與習(xí)題72 在串級控制系統(tǒng)的設(shè)計中，副回路設(shè)計和副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮哪幾個原則？答：副回路設(shè)計是選擇一個合適的副變量，從而組成一個以副變量為被控變量的副回路。副回路設(shè)計應(yīng)遵循的一些原則：(1) 副參數(shù)選擇應(yīng)該時間常數(shù)小，時延小、控制通道短的參數(shù)作為副回路的控制參數(shù)。當對象具有較大的純時延時，應(yīng)使所設(shè)計的副回路盡量少包括最好不包括純時延。(2) 使系統(tǒng)中的主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)。在可能的情況下，使副環(huán)內(nèi)包含更多一些干擾。當對象具有非線性環(huán)節(jié)時，在設(shè)計時將副環(huán)內(nèi)包含更多一些干擾。(3) 副回路應(yīng)考慮到對象時間常數(shù)的匹配：T01/T02310，以防止“共振”發(fā)生。(4) 副回路設(shè)計應(yīng)該考慮生產(chǎn)工藝的合理性(5) 副回路設(shè)計應(yīng)考慮經(jīng)濟原則。73 圖為加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。工藝要求一旦發(fā)生重大事故，立即切斷原料的供應(yīng)。（1） 畫出控制系統(tǒng)的組成框圖（2） 確定調(diào)節(jié)閥的流量特性氣開、氣關(guān)形式（3） 確定主副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律及其正反作用方式解：（1）串級系統(tǒng)方框圖如下：副回路選擇加熱爐爐膛溫度控制，消除F1（S）干擾。（2）由于發(fā)生重大事故時立即切斷燃料油的供應(yīng)，從工藝的安全性考慮，調(diào)節(jié)閥選擇氣開式，保證無氣時調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。（3）主調(diào)節(jié)器選擇PI（或PID）控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。由于燃料增加加熱爐溫度必然增加，所以過程為正。調(diào)節(jié)閥氣開式為正，根據(jù)表74可知主副調(diào)節(jié)器都選擇正作用方式。75 某溫度溫度串級控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器采用PID控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P控制規(guī)律。采用兩步整定法整定主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，按4：1衰減比測得1S0.12，1S0.5 ，T1S140s，T2S12s。求主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定值。 解：按照4：1兩步整定法經(jīng)驗公式：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）： 比例度 10.8×1S0.8×0.129.6 積分時間常數(shù) TI0.3×T1S42 s 微分時間常數(shù)：TD0.1×T1S14 s 副調(diào)節(jié)器： 比例度22S5078 用蒸汽加熱的貯槽加熱器，進料量Q1穩(wěn)定，而Q1的初始溫度T1有較大波動，生產(chǎn)工藝要求槽內(nèi)物料溫度T恒定。Q2為下一工藝的負荷，要求Q2的溫度為T。試設(shè)計一過程控制系統(tǒng)，并畫出控制系統(tǒng)框圖。 解：應(yīng)用前饋反饋控制系統(tǒng)對冷物料進行前饋補償控制、對被控參數(shù)：出口熱物料進行反饋控制。系統(tǒng)控制流程圖如下圖所示。控制系統(tǒng)組成框圖： 其中 前饋補償器傳遞函數(shù) 18