過程控制儀表及控制系統(tǒng)_課后習(xí)題答案(林德杰)

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1、第一章思考題與習(xí)題1－2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(dāng)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(jìn)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(dá)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1－3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(jìn)行控制的，最終達(dá)到或消除或減小偏差的目的，偏差值是控制

2、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(jìn)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(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上，提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3－4過程控制系統(tǒng)過渡過程的質(zhì)量指標(biāo)包括哪些內(nèi)容？它們的定義是什么？哪些是靜態(tài)指標(biāo)？哪些是動態(tài)質(zhì)量指標(biāo)？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(∞)18

3、與給定值c之差。它是一個靜態(tài)指標(biāo)，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(biāo)，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：n＜1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；n＞1,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φ4．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(jìn)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

4、統(tǒng)過渡過程快慢的質(zhì)量指標(biāo)，ts越小，過渡過程進(jìn)行得越快。6．峰值時間tp:從擾動開始到過渡過程曲線到達(dá)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(biāo)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2－1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：18過程的

5、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：2－2．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：18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：2－3．設(shè)矩形脈沖響應(yīng)幅值為2t/h，脈沖寬度為△t＝10min，某溫度過程的矩形脈沖

6、響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如下：t(min)13458101516．5Y(℃)0．461．73．79．019．026．436．037．5t(min)2025304050607080Y(℃)33．527．221．010．45．12．81．10．5（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)13458101516．5Y(℃)0．461．73．79．019．026．436．037．5Y1（t）0．461．73．79．019．026．4－－t(min)2025304050607080Y(℃)33．527．221．0

7、10．45．12．81．10．5Y1（t）59.9－80.991.396.499.2100.3100.8繪出階躍響應(yīng)曲線如下：18由圖y(t1)＝0.4y(∞)，y(t2)＝0.8y(∞)處可得：t1=14mint2=30.5t1/t2≈0.46故二階系統(tǒng)數(shù)字模型為根據(jù)經(jīng)驗公式有：所有：2－5某過程在階躍擾動量Δu＝20％，其液位過程階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)見下表：t/s0102040608010014018