兰州理工大学过控作业答案.docx
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兰州理工大学过控作业答案
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兰州理工大学过控作业答案
1.5锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液。
降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。
而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格的控制。
图1-16是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：
（1）画出该控制系统方块图；
（2）指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么
（3）当蒸汽负荷忽然增加，该系统如何实现自动控制？
答：
（1）
（2）被控对象：
锅炉汽包。
被控变量：
锅炉汽包水位。
操纵变量：
锅炉给水量。
扰动量：
冷水温度、压力、蒸汽压力、流量，燃烧状况等。
（3）当蒸汽负荷突然增加，会导致汽包水位下降，液位变送器检测到液位h下降信号并与设定水位h0进行比较，将偏差信号传给控制器，控制器使执行器动作，增大阀门开度，使冷却水流量增加，从而降低加热室燃烧程度，进一步使得汽包液位升高。
1.6.评价过程控制的衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些有哪些因素影响这些指标
答：
（1）稳态误差
；
=r-
影响因素：
开环增益，系统型号，输入信号；
（2）衰减比n=
/
;影响因素：
阻尼；
（3）超调量σ=
×100%;影响因素：
闭环主导极点的衰减率；
（4）过渡过程时间
；影响因素：
扰动动作时间的长短。
窗体顶端
1.8某化学反应器工艺规定操作温度为（800±10）℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1-13所示。
（1）分别求出稳态误差，衰减比、过渡过程时间。
（2）说明此温度控制系统是否满足工艺要求。
窗体底端
解：
（1）稳态误差
=805-800=5
衰减比:
=845-805=40;
=815-805=10;n=B1/B2=4:
1
过渡过程时间:
=25min,
（2）给定最大偏差值：
850-800=50℃；最大偏差：
845-800=45℃
由于最大偏差值为45℃，不超过50℃，故满足工艺要求。
2.4.什么是真值、绝对误差、相对误差、引用误差和精度等级？
若用测量范围为0-200℃温度计测温，在正常工作情况下进行数次测量，其误差分别为-0.2℃、0℃、0.1℃、0.3℃，试确定该仪表的精度等级。
答：
（1）被测变量本身所具有的真实值，称为真值。
（2）绝对误差是指仪表输出信号所代表的被测值与被测参数真值之差。
Δ=M-A
（3）绝对误差与约定真值的百分比定义为仪表的相对误差，即δ=Δ/A×100%
（4）绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差，即δm=Δ/X×100%（X表示量程）
（0+0.1+0.3-0.2）/200×100%=0.2%，故精度等级为0.2
2.5某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0-100m³/h的流量计，流量测量误差小于±0.6m³/h，试问选择何种精度等级的流量计才能满足要求？
解：
引用误差δm=Δ/X×100%=0.6/100×100%=0.6%
精度为0.1的流量计，所以精度等级为0.5
2.8试简述防爆安全栅的作用及其工作原理。
答：
（1）由安全系统中连接设备与非本愿设备的关联设备，用以限制进入危险场所设备的电能，实现危险场所设备的防爆作用。
（2）一方面传输信号，另一方面将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合的点火能量以下，当防爆系统的仪表发生故障时能将串入到仪表能量限制到安全值以下。
2.11.用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿其冷端温度补偿的方法有哪几种
解：
（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T（或t）的单值函数。
热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接应用分度表或分度曲线。
若T0≠0℃，则应进行冷端补偿和处理。
（2）冷端温度补偿的方法有：
延长导线法，0℃恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。
2.24试列表比较分析各种流量监测的基本原理及其主要特点。
基本原理
主要特点
容积式流量计
流体通过流量计，就会在流量计进出口产生一定的压力差。
流量计转动部分产生旋转，并将流体从入口排向出口。
具有对上游流动状态变化不敏感，测量精确度高，可用于高黏度液体，并直接得到流体累计量等特点
节流式流量计
（或差压式流量计）
根据安装于管道中流量测量元件产生的差压、已知的流体条件和测量元件与管道的几何尺寸以测量流量的仪表
结构简单、工作原理清晰，可以直接运用伯努利方程和连续性方程推导得出流量方程，而且安装方便、积累了大量可靠的实验数据
浮子式流量计
被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。
浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。
1）主要适用于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；
2）结构简单、使用方便、工作可靠、仪表前直管段长度要求不高；
3）流量计的基本误差约为仪表量程的±2%，量程比可达10:
1
4）测量精度易受被测介质密度、黏度、温度、压力、纯净度。
安装质量等的影响
涡轮流量计
以动量矩守恒原理为基础，流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，旋转速度随流量表面化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲。
安装方便，磁电感应转换器不需密封和齿轮传动机构，测量精度高，具有较高的反应速度，可测脉动流量。
漩涡流量计
利用流体振动原理，即在特定的流动条件下流体一部分动能产生流体振动。
管道内无可动部件，压损较小，精确度约为±（0.5%-1%），量程比20:
1
电磁流量计
法拉第电磁感应定律
压力损失较小，反应迅速，可测量脉动流量
3.5已知阀的最大流量q=50m³/h,可调范围R=30。
（1）计算其最小流量qmin，并说明是否就是阀的泄漏量。
（2）若阀的特性为直线流量特性，求在理想情况下阀的相对行程l/L为0.3和0.9时的流量值qv
（3）若阀的特性为等百分比流量特性，求在理想情况下阀的相对行程l/L为0.3和0.9时的流量值qv
解：
（1）
；
=50/30≈1.67m³/h；
≠阀泄漏量，而是泄漏可以控制的最小流量。
（2）
;
当
=0.9，
≈4.51m³/h
当
=0.3，
≈16.17m³/h
（3）
，
当
=0.9，
=35.5m³/h
当
=0.3，
=4.624m³/h
3.6某台调节阀的流量系数C=100，当阀前后压差为200kPa,其两种液体的密度分别为1.2g/cm³和1.8g/cm³时，问所能通过的最大流量各是多少？
解：
当ρ=1.2g/cm³，
m³/h
当ρ=1.8g/cm³，
m³/h
3.8图为一加热炉原料油出口温度控制系统，试确定系统中调节阀的气开、气关型式，并说明理由。
答：
选择气开型调节阀。
因为原料油不允许加热，当信号突然中断时，应使爆炸油处于关闭状态，从而避免大量燃烧油流入加热炉使原料油出口温度过高。
4.1.什么是对象的动态过程特性为什么要研究对象的动态特性
答：
（1）指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律，是系统在动态过程中被控参数与控制变量之间的关系。
（2）实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。
4.8如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求：
（1）列出过程的微分方程组；
（2）求过程的传递函数
；
（3）画出过程的方框图；
解：
（1）根据动态物料平衡关系，流入量＝流出量：
过程的微分方程的增量形式：
中间变量：
消除中间变量：
同除（R2+R3）得到：
令：
上式可写为：
（2）Laplace变换得到：
传递函数:
（3）过程的方框图：
4.9如图所示两个串联在一起的水位储罐，来水首先进入储罐1，然后再通过储罐2流出。
要求：
1）
求出传递函数H2（s）/Q（s）.2）画出串联液体储罐的方框图。
解：
由物料平衡方程，列微分方程为：
由重力场中无粘性不可压缩流体定常流动的伯努利方程：
可得：
泰勒级数展开，线性化有：
，其中
，其中
…
，
为中间变量，需消去。
首先将各环节进行拉普拉斯变换：
消去中间变量，可以得出传递函数：
方框图为：
5.8.试分析P、I、D、PI、PD、PID控制规律各有何特点。
其中哪些是有差调节，哪些是无差调节？
答：
1）位式控制——这是一种简单的控制方式,一般适用于对控制质量要求不高的、被控对象是单容的、且容量较大、滞后较小、负荷变化不大也不太激烈、工艺允许被控变量波动范围较大的场合。
2）比例控制比例——控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。
在常用的控制规律中,是最基本的控制规律。
但纯比例作用在过渡过程终了时存在余差。
负荷变化越大,余差越大。
比例作用适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。
3）比例积分控制——由于在比例作用的基础上引入了积分作用,而积分作用的输出与偏差的积分成正比,只要偏差存在,控制器的输出就会不断变化,直至消除偏差为止。
所以,虽然加上积分作用会使系统的稳定性降低,但系统在过渡过程结束时无余差,这是积分作用的优点。
为保证系统的稳定性,在增加积分作用的同时,加大比例度,使系统的稳定性基本保持不变,但系统的超调量、振荡周期都会相应增大,过渡时间也会相应增加。
比例积分作用适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。
4）比例微分控制——由于引入了微分作用,它能反映偏差变化的速度,具有超前控制作用,这在被控对象具有较大滞后场合下,将会有效地改善控制质量。
但是对于滞后小、干扰作用频繁,以及测量信号中夹杂无法剔除的高频噪声的系统,应尽可能避免使用微分作用,因为它将会使系统产生振荡,严重时会使系统失控而发生事故。
5）比例积分微分控制——比例积分微分控制综合了比例、积分、微分控制规律的优点。
适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。
有差调节：
P、D、PD
无差调节：
I、PI、PID
5.9.说明积分饱和现象并解释积分分离PID算法对克服积分饱和的作用。
答：
（1）具有积分作用的控制器在单方向偏差信号的长时间作用下，其输出达到输出范围上限值或下限值以后，积分作用将继续进行，从而使控制器脱离正常工作状态，这种现象称为积分饱和。
（2）积分作用主要用于消除余差,即让其在接近设定值变化的后期起作用。
积分的缺点是会降低系统稳定性。
为此,可将积分作用分离,其改进的方法如下：
当偏差绝对值不大于某一阈值ε时,引入积分作用;当偏差绝对值大于阈值时,去除积分作用。
其PI控制器的增量式算法为：
△u（k）=△up（k）+△ui（k）[|e（k）<ε|]
当|e（k）<ε|时,逻辑表达式的值为1,引入积分作用;反之,其值为0,只有比例作用。
这种方法特别适用于系统启动时的大误差而导致的超调现象。
5.11.简述选择PID调节器控制规律的基本原则。
答：
（1）根据过程特性选择调节器控制规律；
（2）根据τ。
/T。
比值选择调节器控制规律；
（3）控制器正/反作用选择。
7.1.画出串级控制系统的典型结构框图，什么情况下可以考虑采用串级控制方式？
答：
（1）用于克服被控过程中较大的容量滞后；
（2）用于克服被控过程中较大的纯滞后；
（3）用于抑制变化强烈且幅度大的扰动；
（4）用于克服被控过程的非线性。
7.4.试简述串级控制系统中主、副控制器规律的选择原则。
答：
1）主变量是生产工艺的重要指标/控制品质要求较高,超出规定范围就要出次品或发生事故。
副变量的引入主要是通过闭合的副回路来保证和提高主变量的控制精度,这是串级控制系统的基本类型。
因为生产工艺对主变量的控制品质要求高,所以主控制器可以选择PI调节器。
有时为了克服对象的容量滞后,进一步提高主变量的控制质量,可再加入微分作用,即选择PID控制。
因为对副变量的控制品质要求不高,副控制器一般选择P调节器就行了,因为此时引入积分作用反而削弱了副回路的快速性。
2）生产工艺对主变量和副变量的控制要求都较高为了使主变量在外界干扰作用下不至于产生余差,主控制器选择PI调节器;同时,为克服进入副回路干扰的影响,保证副变量也能达到一定的控制品质要求,因此副控制器也选择PI调节器。
3）对主变量控制要求不高,允许在一定范围内波动。
但要求副变量能够快速、准确地跟随主控制器输出而变化。
显然,此时主控制器可选择P调节器,而副控制器选择PI调节器。
4）对主变量和副变量的控制要求都不十分严格。
此时采用串级控制的目的仅仅是为了相互兼顾,主、副控制器均可选择P调节器。
5）当副变量为流量等响较快的变量时,副控制器往往采用PI控制算法。
7.7.考虑如图所示4个串联储罐，水的出口温度θ为被控变量，加热量Q是操纵和变量，F1和θ为扰动。
（1）在设计串级控制时，最合适的副变量应选择在何处？
试与选择向前和向后一个罐的情况相比较分析结果有何不同。
（2）在工艺图上表示该串级系统并画出相应的方块图
（3）确定控制器的正反作用。
解：
（1）最合适的副变量选择θ2，它离第四个储罐较远，可以防止副变量与主变量发生共振，而且它包含更多的干扰。
（2）
（3）副控制器的选择与主回路无关，而测量变送器，副对象均为正作用，调节阀为正作用，故副控制器为反作用，主控制器与主对象正反作用相反，而主对象为正作用，故主控制器为反作用。
7.8.题图表示了两个动态过程的方框图。
1）为了改善闭环品质（F2扰动时），哪一个过程应该采用串级控制，为什么？
2）对应该采用串级控制的系统，试画出相应的方框图（假设Gv（s）=Gm（s）=1）。
解：
上图如果采用串级控制，副对象为二阶系统1/（10s+1）（20s+1），且时间常数较大，主对象为1/（0.1s+1），且时间常数较小，这样副回路难以发挥快速抑制扰动的作用，故不宜采用串级控制。
下图如果采用串级控制，副对象为一阶系统且带有小的滞后，
而主回路为两个大惯性的串联，这样副回路可以发挥快速调节的作用，抑制F2扰动的影响。
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