西科大自动化仪表与过程控制大作业.docx
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西科大自动化仪表与过程控制大作业
自动化仪表与过程控制课程大作业
1、（20分）如图所示热化工生产中的连续反应器示意图。
其工艺为：
物料自顶部连续进入槽中，经反应产生的热量由冷却夹套中的冷却水带走。
为了保证产品质量，必须严格控制反应温度θ1。
原来选择的控制方案如图所示，控制精度无法达到预期要求。
（1）该系统是一个时间常数较大的系统，尤其是冷却水的进水流量常常波动，导致反应器内部温度动态偏差较大。
试设计一个串级控制系统，提高控制精度。
（画出控制系统连接图和方框图）
（2）分析当冷却水的进水流量突然增大时，该系统是如何消除扰动、提高控制精度的。
解：
（1）温度-流量串级控制系统的系统连接图
图1.1温度-流量串级控制系统连接图
温度-流量串级控制系统的系统方框图
图1.2温度-流量串级控制系统的系统方框图
温度-流量串级控制系统将冷水管道流量作为副变量，反应釜温度作为主变量，系统可对副闭环内的干扰进行有效遏制，同时也可降低系统的时间常数。
（2）当冷水流量突然增大时，先通过副回路调节，即孔板将拾测的流量传给压力变送器,变送器的数据需经过开方器才能传给压力控制器,然后调节电磁阀,减小送水量。
当水量扰动过大时，主回路参与调节，通过温度调节器来调节温度控制器，接下来调节压力控制量，电磁阀开度，使流量稳定。
2、（20分）（用MATLAB仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下：
t（s）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
h（mm）
0
0.8
2.8
4.5
5.4
5.9
6.1
6.2
6.3
6.3
6.3
如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T和
，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。
解：
（1）确定参数K、T、τ
静态放大系数
t=[0102030405060708090100];
h=[00.82.84.55.45.96.16.26.36.36.3];
plot（t,h）;
xlabel（'时间t（s）'）;
ylabel（'液位h（mm）'）;
gridon;
holdon;
2、在拐点处做切线，与稳态值h=6.3和时间轴都有交点;
3、输入以下指令，取点
[x,y]=ginput
（1）
[x1,y1]=ginput
（1）
得到时间τ=7.0276；T=31.2212-7.0276=24
则过程传递函数:
（2）PI参数整定
Kp=0.0505,Ti=14.5，I=Kp/Ti
3、（20分）某隧道窑系统，考虑将燃料室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数
分别为：
，
，其中有一个10s的传输延迟，其传递函数为
。
当延迟环节分别放在主回路和副回路时，设计串级控制主、副PID控制器的参数，并绘制出整定后的阶跃响应曲线，分析二次扰动系统的影响。
解：
由于主、副回路的时间常数比在3-10范围内，所以用逐步逼近法对副、主回路经行整定。
副控制器为P调节，主控制器为PI调节。
（1）延时单元在主回路
1）第一步，主回路开环，先整定副回路。
按单回路方法整定副控制器，不断的试验，当Kc2=10时，控制曲线如下：
，从下图中可知，此时的衰减比约为4：
1。
2）第二步：
主回路闭合，整定主回路。
副控制的参数为Kc2=10，调节主控制器参数，当Kc1=3.3时，阶跃响应如下图所示：
串级控制系统是针对二次干扰而提出来的，由于副回路的存在，对二次干扰有很强的抑制作用,下面就从理论上加以证明。
在串级控制系统中，假定二次干扰从控制阀前进入副回路，如下图所示
由上图可得串级控制系统与单回路系统的抗二次扰动能力之比：
当调节器都采用P调节时：
从上述分析可知，由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动的影响。
4、（15分）根据如图所示，当选择进水流量Q1为控制量时，设计水箱水位的单回路控制系统。
（1）要求画出系统的连接图和方框图；
（2）若进水阀为气动阀，选择其气开、气关的形式，并确定调节器的正、反作用方式。
要求有分析过程。
Q1
Q2
解：
（1）若进水流量为控制量，则系统为一阶系统，其系统连接图
图4.1水箱水位控制系统连接图
水箱水位控制系统方框图
图4.2水箱水位控制系统方框图
（2）调节阀选用气开式，一旦调节器损坏，调节阀处于安全状态，切断水流进入水箱，防止水溢出。
当调节阀打开，进水量上升时，水箱内压力增大，因此输出量也增大，所以被控制量为正作用。
由于控制器、对象、执行机构三者乘积为副，所以调节器为反作用方式。
5、（25分）温度流量解耦控制系统的设计与仿真
已知被控对象传递函数为：
，
控制器传递函数为
采用对角阵解耦法来做。
1）确定解耦调节器的另外两个控制器传递函数
2）画出温度流量解耦控制系统的系统方框图
3）画出无解耦调节器的控制系统的系统方框图
4）用Matlab的simulink画出上述两个系统
5）选PID调节器的参数使解耦控制系统的控制性能较好，并画出系统的单位阶跃响应曲线
6）观察无解耦控制器时控制系统的耦合现象和有解耦调节器时控制系统的无耦合现象，并说明原因。
解：
1）解耦控制器的另外两个控制器传递函数
耦合过程：
设广义过程：
由
由
则
2）温度流量解耦控制系统的系统方框图
3）无解耦控制器的控制系统的系统方框图
4）用Matlab的simulink画出上述两个系统
解耦控制系统框图
无解耦控制系统框图
5）取Kp=30,有解耦控制时其阶跃响应如下图
解耦控制时阶跃响应图
无解耦控制时其阶跃响应如下图
6）、现象及原因分析
有解耦解耦网络每相输出只受相应输入的影响，两输入之间没有联系。
所以当回路1加入阶跃信号，回路2依然为0。
当回路2延时3s加入阶跃信号后，回路1也不会发生任何改变。
不带解耦网络每一输出都受到两个输入的影响。
因此当第1个回路加入阶跃信号后，回路2输出不为0。
当回路2延时3s后加入阶跃信号，回路1也改变不再恒为1。
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