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過程控制作業(yè)答案

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1、 第一章 概述 1.1 過程控制系統(tǒng)由哪些基本單元構(gòu)成?畫出其基本框圖。 控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控過程、檢測與傳動裝置、報警,保護(hù),連鎖等部件 1.2 按設(shè)定值的不同情況,自動控制系統(tǒng)有哪三類? 定值控制系統(tǒng)、隨機(jī)控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng) 1.3 簡述控制系統(tǒng)的過渡過程單項品質(zhì)指標(biāo),它們分別表征過程控制系統(tǒng)的什么性能? a.衰減比和衰減率:穩(wěn)定性指標(biāo); b.最大動態(tài)偏差和超調(diào)量:動態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo); c.余差:穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo); d.調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率:反應(yīng)控制快速性指標(biāo)。 第二章 過程控制系統(tǒng)建模方法 習(xí)題2.10 某水槽如圖所示。其中F為槽

2、的截面積,R1,R2和R3均為線性水阻,Q1為流入量,Q2和Q3為流出量。要求: (1) 寫出以水位H為輸出量,Q1為輸入量的對象動態(tài)方程; (2) 寫出對象的傳遞函數(shù)G(s),并指出其增益K和時間常數(shù)T的數(shù)值。 (1)物料平衡方程為 增量關(guān)系式為 而, , 代入增量關(guān)系式,則有 (2)兩邊拉氏變換有: 故傳函為: K=, T= 第三章 過程控制系統(tǒng)設(shè)計 1. 有一蒸汽加熱設(shè)備利用蒸汽將物料加熱,并用攪拌器不停地攪拌物料,到物料達(dá)到所需溫度后排出。試問: (1) 影響物料出口溫度的主要因素有哪些? (2) 如果要設(shè)計一溫度控制系統(tǒng),你認(rèn)為

3、被控變量與操縱變量應(yīng)選誰?為什么? (3) 如果物料在溫度過低時會凝結(jié),據(jù)此情況應(yīng)如何選擇控制閥的開、閉形式及控制器的正反作用? 解:(1)物料進(jìn)料量,攪拌器的攪拌速度,蒸汽流量 (2)被控變量:物料出口溫度。因為其直觀易控制,是加熱系統(tǒng)的控制目標(biāo)。 操作變量:蒸汽流量。因為其容易通過控制閥開閉進(jìn)行調(diào)整,變化范圍較大且對被控變量有主要影響。 (3)由于溫度低物料凝結(jié)所以要保持控制閥的常開狀態(tài),所以控制閥選擇氣關(guān)式。控制器選擇正作用。 2. 如下圖所示為一鍋爐鍋筒液位控制系統(tǒng),要求鍋爐不能燒干。試畫出該系統(tǒng)的框圖,判斷控制閥的氣開、氣關(guān)型式,確定控制器的正、

4、反作用,并簡述當(dāng)加熱室溫度升高導(dǎo)致蒸汽蒸發(fā)量增加時,該控制系統(tǒng)是如何克服干擾的? 解:系統(tǒng)框圖如下: 控制器 閥門 給水流量 檢測元件 液位設(shè)定值 液位 擾動通道 - 擾動 過控對象 由于鍋爐不能燒干故選擇氣關(guān)式,增益為負(fù)控制器選擇正作用。 克服干擾過程:當(dāng)加熱室溫度升高導(dǎo)致蒸汽蒸發(fā)量增加時,鍋筒液位下降,具有正作用后調(diào)節(jié)器輸出信號減小,使氣關(guān)型的閥門開度增大,從而使給水流量增大,進(jìn)而使鍋筒液位升高,克服蒸汽流量干擾的影響。 3. 如下圖所示為精餾塔溫度控制系統(tǒng),它通過調(diào)節(jié)進(jìn)入再沸器的蒸汽量實現(xiàn)被控變量的穩(wěn)定。試畫出該控制系統(tǒng)的框圖,確定控制閥的氣開、氣

5、關(guān)型式和控制器的正、反作用,并簡述由于外界干擾使精餾塔溫度升高時該系統(tǒng)的控制過程(此處假定精餾塔的溫度不能太高)。 解:系統(tǒng)框圖如下: 控制器 閥門 蒸汽流量 檢測元件 溫度設(shè)定值 溫度 擾動通道 - 擾動 過控對象 根據(jù)題意閥門選擇氣開型,增益為正控制器為反作用。 克服干擾過程: 當(dāng)外界干擾使蒸餾塔溫度升高時,具有反作用的調(diào)節(jié)器輸出信號減小,使得氣開型的閥門開度減小,蒸汽流量隨之減小,使精餾塔溫度降低,克服干擾的影響。 第四章 PID調(diào)節(jié)原理 習(xí)題4.2 試總結(jié)調(diào)節(jié)器P, PI, PD動作規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響。 習(xí)題4.7 某

6、電動比例調(diào)節(jié)器的測量范圍為100~200oC,其輸出為0~10mA。當(dāng)溫度從140oC變化到160oC時,測得調(diào)節(jié)器的輸出從3mA變化到7mA。試求出該調(diào)節(jié)器比例帶。 解: 習(xí)題4.9某水槽液位控制系統(tǒng)如圖所示。已知,F(xiàn)=1000cm2,R=0.03s/cm2,調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式,其靜態(tài)增益|Kv|=28cm3/smA,Km=1mA/cm。 (1) 畫出系統(tǒng)的傳遞方框圖; (2) 調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器,其比例帶δ=40%,試分別求出擾動ΔQd=56cm3/s以及定值擾動Δr=0.5mA 時,被調(diào)量h的殘差; (3) 若δ改為120%,其他條件不變,h的殘差又是多少?比較(2)(

7、3)的計算結(jié)果,總結(jié)δ值對系統(tǒng)殘差的影響; (4) 液位調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后,h的殘差又是多少? 解:(1) 液位控制器器 控制閥 液位對象 液位檢測器 設(shè)定值 - (2)系統(tǒng)動態(tài)方程 增量關(guān)系式為 又 所以有 對上式進(jìn)行拉氏變換,得到 從而得到單容液位過程的具體傳遞函數(shù)為 由系統(tǒng)方框圖可得液位輸出對于擾動輸入和設(shè)定值輸入的傳遞函數(shù)分別為: 擾動為時,余差(這部分用到終值定理): 擾動為時,余差: 若,則有 {過程的增益為正,氣關(guān)式閥門增益為負(fù)

8、,檢測器增益為正,由負(fù)反饋系統(tǒng)全部各個環(huán)節(jié)(包括比較環(huán)節(jié))增益乘積為負(fù)可判斷控制器增益為負(fù)}。 {過程的增益為正,氣關(guān)式閥門增益為負(fù),檢測器增益為正,由負(fù)反饋系統(tǒng)全部各個環(huán)節(jié)(包括比較環(huán)節(jié))增益乘積為負(fù)可判斷控制器增益為負(fù)。} 將,, 以及其它條件代入上式,可得 (3) ,此時有 結(jié)論:比例度變大,殘差變大。 (4)若改為PI調(diào)節(jié),則 對于擾動,余差: 對于設(shè)定值擾動,余差: 第五章 串級控制 1. 對于如圖所示的加熱器串級控制系統(tǒng),要求: (1) 畫出該控制系統(tǒng)的框圖,并說明主被控變量、

9、副被控變量分別是什么? (2) 試確定控制閥的氣開、氣關(guān)型式;(氣開型) (3) 確定主、副控制器的正、反作用;(副控制器:反作用。主控制器:反作用) (4) 溫度變送器量程由原來的0~500℃改變?yōu)?00~300℃,控制系統(tǒng)會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?應(yīng)如何解決?(Km1增大,控制作用減弱,余差增大,則應(yīng)增大Kc1) (5) 流量變送器量程由原來的0~250kg/h改變?yōu)?~400kg/h,控制系統(tǒng)會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?應(yīng)如何解決?(Km2減小,副回路等效時間常數(shù)增大,控制變慢,響應(yīng)速度減慢,則應(yīng)增大Kc2) 2. 對于如圖所示加熱爐出口溫度簡單控制系統(tǒng),要求: (1) 在進(jìn)料流量或燃料成分?jǐn)_

10、動下,設(shè)計合理串級控制系統(tǒng),畫出框圖,確定控制器的正、反作用; (2) 在燃料油壓力擾動下,設(shè)計合理串級控制系統(tǒng)。 解:(1)進(jìn)料流量擾動 TT2 TC2 TT1 TC1 加熱爐 原料 控制閥:氣開 副控制器:反作用 副被控量:加熱爐內(nèi)部溫度 主控制器:反作用 主被控量:物料出口溫度 系統(tǒng)框圖如下 擾動 擾擾動通道 擾動通道 動 溫度控制器 溫度控制器 溫度檢測 溫度監(jiān)測 閥門 出口溫度設(shè)定 爐膛溫度(出口溫度對象) 流量(爐膛溫度對象)內(nèi)

11、 (2)燃料油壓力擾動 PC TT TC 加熱爐 原料 PT 主控制器:反作用 主被控量:物料出口溫度 副控制器:反作用 福被控量:燃料油管內(nèi)壓力 控制閥:氣開 系統(tǒng)框圖: 擾動 擾擾動通道 擾動通道 動 壓力控制器 溫度控制器 溫度檢測 壓力監(jiān)測 閥門 出口溫度設(shè)定 壓力(出口溫度對象) 燃料罐內(nèi)壓力對象 第六章 特殊控制方法 1. 比值控制系統(tǒng)有哪

12、些類型?各有什么特點? 開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。 2. 某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A、B兩物料保持的比例,兩物料的最大流量=625,=290.通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B兩物料流量因管線壓力波動而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況,要求: 1)設(shè)計一個比較合適的比值控制系統(tǒng); 2)計算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù); 3)在該比值系統(tǒng)中,比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于何處?設(shè)置值應(yīng)該是多少(假定采用DDZ-Ⅲ型儀表)? 4)選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正反作用。 解:(1) A B (2)將A物件作為主動量,B物件作

13、為從動量。 若采用開方器 若不采用開方器 (3)該系統(tǒng)若采用比值器方案實施,將比值系數(shù)直接設(shè)置即可,。 (若采用乘法器實現(xiàn),因,則將乘法器放置在從動量一側(cè),設(shè)定。) (4)A、B閥門均選用氣開型閥門,控制器選反作用。 3. 管式加熱爐原油出口溫度分程控制 (1)調(diào)節(jié)閥開關(guān)型式:瓦斯氣調(diào)節(jié)閥(A)氣開 燃料油調(diào)節(jié)閥(B)氣開 工作新號段: A 低信號4~12mA 0.02~0.06MPa B 高信號12~20mA 0.06-0.1MPa (2)調(diào)節(jié)器正反作用:反作用 (3)系統(tǒng)框

14、圖 控制器 天然氣調(diào)節(jié)閥 溫度對象 溫度變送器 出口溫度 - 燃油調(diào)節(jié)閥 工作原理: 當(dāng)原油出口溫度較低時,反作用控制器輸出信號較高,天然氣閥門全開后,燃油閥門打開到一定開度,隨著燃料量的增加,出口溫度上升,控制器輸出逐漸減小,使燃料油閥門開度變慢,變小。(溫度上升速度放緩)。溫度高至苯一點時,反作用控制器輸出為低信號,燃油閥完全關(guān)閉,天然氣閥開度隨溫度升高逐漸變小,溫度有所降低,控制器信號再次增大,使天然氣閥門開大,使出口溫度再次回升,如此循環(huán)。直至溫度達(dá)到苯設(shè)定值。 4. 如圖所示高位槽向用戶供水,為保證供水流量的平穩(wěn),要求對高位槽出口流量進(jìn)

15、行控制。但為了防止高位槽過高而造成溢水事故,需對液位采取保護(hù)性措施。根據(jù)上述情況,要求設(shè)計一連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)。試畫出該系統(tǒng)的框圖,確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式和調(diào)節(jié)器的正、反作用形式以及選擇器的類型,并簡述該系統(tǒng)的工作原理。 LT LC LS FC FT 流量 控制器 出口流量對象 溫度變送器 出口 溫度 - 閥門 液位對象 低選器 設(shè) 定值 流量 控制器 出口 溫度 設(shè) 定值 - 溫度變送器 出口 流量 調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)型,液位控制器反作用,流量控制器正作用,選擇器選低選器。 工作原理: 正常工

16、作時,流量控制器工作,出口流量受干擾增大時,具有正作用的流量控制器輸出流量增大,使閥門開度變小,出口流量減小,從而克服干擾的影響,當(dāng)液位超過限值時,由低選器選擇液位控制器參加工作,當(dāng)液位繼續(xù)增加時,具有正作用的液位控制器輸出信號減小,使閥門開度變大,出口流量增加使液位回降。 第七章 補(bǔ)償控制 補(bǔ)充題目:前饋-串級復(fù)合控制 如圖所示精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝要求一旦發(fā)生事故應(yīng)立即停止蒸汽的供應(yīng)。要求: 1. 畫出控制系統(tǒng)框圖; 2. 確定調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式; 3. 確定主、副控制器的正、反作用方式; 4. 如果進(jìn)料流量波動較大,試設(shè)計一個前饋-

17、串級復(fù)合控制系統(tǒng),已知系統(tǒng)中有關(guān)傳遞函數(shù)分別為 ,, 試畫出此復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖,并寫出前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),討論其實現(xiàn)的可能性。 1.系統(tǒng)框圖 反作用 T 反作用 2.氣開型(工藝要求一旦發(fā)生事故終止蒸汽供應(yīng)) 3.主副控制器均為反作用 4. FT PC 進(jìn)料 TC TT FT FC T

18、 副對象相當(dāng)于增益為Ko2的隨動系統(tǒng) 若,可實現(xiàn)。 第八章 關(guān)聯(lián)分析和解耦控制 已知一2*2耦合過程的傳遞函數(shù)矩陣為 試計算該過程的相對增益矩陣,說明其變量配對的合理性,然后按照前饋補(bǔ)償解耦方式進(jìn)行解耦,求取前饋補(bǔ)償解耦裝置的數(shù)學(xué)模型,畫出前饋解耦系統(tǒng)框圖。 解:由題知,開環(huán)增益矩陣P= ,利用公式求取相對增益矩陣。 P= 或者代公式得到,從而得到相對增益矩陣為。 由相對增益矩陣得知:合理,合理。 N21 N12 G11 G21 G12 G22 Y2 U2 U1 Y1 解耦器的數(shù)學(xué)模型為 ,

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