過(guò)程控制儀表及控制系統(tǒng) (林德杰) 課后答案 機(jī)械工業(yè)出版社

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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(huà)出系統(tǒng)的框圖，簡(jiǎn)述其工作原理；指出被控過(guò)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(shí)，內(nèi)部溫度上升，溫度 檢測(cè)器檢測(cè)溫度變化與給定值比較，偏差信號(hào)送到控 制器對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)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(guò)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(guò)程控制系統(tǒng)可分為哪幾類(lèi)? 答：過(guò)程控制系統(tǒng)主要分為三類(lèi)： 1. 反饋控制系統(tǒng)：反

2、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，偏差值是控制的依據(jù)。它是最常用、最基本的過(guò)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(dòng)量的大小進(jìn)行控制的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。由于沒(méi)有被控量的反饋，所以是一種開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。由于是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)法檢查控制效果，故不能單獨(dú)應(yīng)用。 3. 前饋－反饋控制系統(tǒng)：前饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速及時(shí)的克服主要擾動(dòng)對(duì)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(dòng)，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(guò)程控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)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

3、靜態(tài)指標(biāo)？哪些是動(dòng)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(guò)渡過(guò)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(gè)靜態(tài)指標(biāo)，對(duì)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(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)，它等于振蕩過(guò)程的第一個(gè)波的振幅與第二個(gè)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φ 4．最大偏差A(yù)：對(duì)定值系統(tǒng)，最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)波峰值與

4、給定值C之差，它衡量被控參數(shù)偏離給定值的程度。 5． 過(guò)程過(guò)渡時(shí)間ts：過(guò)渡過(guò)程時(shí)間定義為從擾動(dòng)開(kāi)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(shí)間。它是反映系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程快慢的質(zhì)量指標(biāo)，ts越小，過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得越快。 6．峰值時(shí)間tp: 從擾動(dòng)開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間，（根據(jù)系統(tǒng)要求）范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。稱(chēng)為峰值時(shí)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(dòng)態(tài)時(shí)間為衰減比（衰減率）、最大偏差、過(guò)程過(guò)渡時(shí)間、峰值時(shí)間。 第二章 思考題與習(xí)題 2－1 如圖所示液位過(guò)程的

5、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(guò)程的微分方程組； （2） 求過(guò)程的傳遞函數(shù)W0（S）＝H（S）/Q1（S）； （3） 畫(huà)出過(guò)程的方框圖。 解：（1）根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，流入量＝流出量： 過(guò)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(xiě)為： （2）Laplace 變換得到： 傳遞函數(shù): （3） 過(guò)程的方框圖： 2－2．如圖所示：Q1為過(guò)程的流入量，Q2為流出流

6、量，h為液位高度，C為容量系數(shù)，若以Q1為過(guò)程的輸入量，h為輸出量（被控量），設(shè)R1、R2為線性液阻，求過(guò)程的傳遞函數(shù) W0(S)＝H(S)/Q1(S)。 解：根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，流入量＝流出量： 過(guò)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(zhǎng)度l， 即出現(xiàn)純時(shí)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2 t/h ，脈沖寬度為△t＝10min，某溫度過(guò)程的矩形脈沖響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如下： t(min) 1 3 4

7、 5 8 10 15 16．5 Y(℃) 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 36．0 37．5 t(min) 20 25 30 40 50 60 70 80 Y(℃) 33．5 27．2 21．0 10．4 5．1 2．8 1．1 0．5 （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(duì)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) 1 3 4 5 8 10 15 16．5 Y(℃) 0．46 1．7 3．7

8、9．0 19．0 26．4 36．0 37．5 Y1（t） 0．46 1．7 3．7 9．0 19．0 26．4 － － t(min) 20 25 30 40 50 60 70 80 Y(℃) 33．5 27．2 21．0 10．4 5．1 2．8 1．1 0．5 Y1（t） 59.9 － 80.9 91.3 96.4 99.2 100.3 100.8 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=30.5

9、 t1/t2≈0.46 故二階系統(tǒng)數(shù)字模型為 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有： 所有： 2－5 某過(guò)程在階躍擾動(dòng)量Δu＝20％，其液位過(guò)程階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表： t/s 0 10 20 40 60 80 100 140 180 260 300 400 500 h/cm 0 0 0．2 0．8 2．0 3．6 5．4 8．8 11．8 14．4 16．6 18．4 19．2 （1） 畫(huà)出液位h的階躍響應(yīng)曲線 （2） 求液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 解：方法一：圖解法 由圖可以看出：過(guò)程應(yīng)該用一階加延時(shí)系統(tǒng)。 從

10、圖中得到：τ＝40s， T＝260－40＝220s 方法二：計(jì)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t1＝125s t2 ＝140s t3 ＝ 225s t4 ＝260s 可見(jiàn)數(shù)據(jù)很接近，于是： 過(guò)程數(shù)學(xué)模型： 2－6 某過(guò)程在階躍擾動(dòng)ΔI＝1.5mADC作用下，其輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表： t(min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

11、 … ∞ Y(℃) 4．0 4．0 4．2 4．8 5．1 5．4 5．7 5．8 5．85 5．9 6．0 … 6．0 t(min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … ∞ Y(℃) 2．0 2．0 1．8 1．5 1．2 0．5 0．3 0．2 0．15 0．1 0 … 0 解：求出y(∞)－y(t)值如下表： 根據(jù)表格在半對(duì)數(shù)紙上描繪出曲線1，曲線1作直線部分的延長(zhǎng)線2，2線減去1線得到直線3。 過(guò)程放大倍數(shù) K0 根據(jù)直線2和直線3，與縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)構(gòu)成的兩

12、個(gè)三角形，可以求出時(shí)間參數(shù)T1、T2 ： 由A1＝7，B1＝0.1 ， t1＝10s 由 A2＝5，B2＝0.1 t2＝6s 該過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為： 第三章 思考題與習(xí)題 3－2 有一壓力控制系統(tǒng)選用DDZ－Ⅲ壓力變送器，其量程為0～200kPa。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100～200 kPa，求零點(diǎn)遷移前后該壓力變送器的靈敏度。 解： 零點(diǎn)遷移前靈敏度： 零點(diǎn)遷移后靈敏度： 3－4 某DDZ－Ⅲ直流毫伏變送器，其零點(diǎn)移到Vio＝5mV，零遷后的量程為DC10mV，求該變送器輸出I0

13、＝10mADC時(shí)的輸入是多少毫伏？ 解：分析：零點(diǎn)遷移后5～10mV對(duì)應(yīng)輸出為 4～20mA，如右圖所示。 根據(jù)圖的幾何關(guān)系有： ab : ac＝eb : dc ∴ I0＝10mA時(shí)，輸入電壓為： Vin＝5＋1.88＝6.88（mVDC） 3－7.說(shuō)明DDZ－Ⅲ熱電偶溫度變送器的冷端溫度補(bǔ)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(shì)與材料種類(lèi)和接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與被測(cè)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(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，

14、而且還與冷端溫度有關(guān)。實(shí)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(jìn)行冷端補(bǔ)償（溫度校正） 熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償方法 （1）補(bǔ)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(zhǎng)補(bǔ)償導(dǎo)線（或稱(chēng)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(chǎng)合內(nèi)。 （3）冷端溫度修正法（計(jì)算校正法）： （4）補(bǔ)償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡電勢(shì)補(bǔ)償由于熱電偶冷端溫度變化引起的測(cè)量誤差。 3－8.DDZ－Ⅲ溫度變送器是如何使被測(cè)溫讀與輸出信號(hào)I。成線性關(guān)系的？簡(jiǎn)述熱電偶溫度變送器與熱電阻溫度的線性化原理。

15、 3－5 .DDZ－Ⅲ溫度變送器測(cè)溫范圍為800～1200°C。選擇哪一種測(cè)溫元件較為合適？當(dāng)輸出電流為DC16mA時(shí)，被測(cè)溫度是多少？ 解：檢測(cè)溫度高于600℃，應(yīng)選擇熱電偶測(cè)溫元件。 ab : ac＝bd : ce ∴ I0＝16mA時(shí)，被測(cè)溫度為： T＝800＋300＝1100（℃） 3－6 .DDZ-Ⅲ溫度變送器測(cè)溫范圍為400～600°C。選擇哪一種測(cè)溫元件較為合理？當(dāng)溫度從500°C變化到550°C時(shí)，輸出電流變化多少？ 解:：檢測(cè)溫度低于600℃，應(yīng)選擇鉑電阻測(cè)溫元件。 溫度變化50℃時(shí)，輸出電流

16、變化： ΔI＝0.08 mA/℃×50℃＝4 mA 3－8 用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量氣體流量，給定設(shè)計(jì)參數(shù)p＝0.8kPa，t＝20°C。實(shí)際被測(cè)介質(zhì)參數(shù)p1＝0.8kPa，t1＝30C。儀表顯示流量Q＝3800m3h，求被測(cè)介質(zhì)實(shí)際流量大小。 3－9 一只用水標(biāo)定的浮子流量計(jì)，其滿(mǎn)刻度值為1000m3/h，不銹鋼浮子密度為7.92g/cm3?，F(xiàn)用來(lái)測(cè)量密度為0.72g/cm3的乙醇流量，問(wèn)浮子流量計(jì)的測(cè)量上限是多少？ 解：設(shè)轉(zhuǎn)子、水、被測(cè)液體的密度分別為ρ1、ρ0、ρ2， 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(jì)的測(cè)量上限是：

17、 Q2max＝KQ0 max＝1.2×1000＝1200 m3/h 3－16 簡(jiǎn)述渦輪流量計(jì)的工作原理。某渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)K＝150.4次/L，當(dāng)它測(cè)量流量時(shí)的輸出頻率為?＝400Hz時(shí)，求其瞬時(shí)體積流量為每小時(shí)多少立方米？ 第四章 思考題與習(xí)題 4－1 什么是正作用調(diào)節(jié)器和反作用調(diào)節(jié)器？如何實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正反作用？ 答：輸入增加時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出也隨之增加稱(chēng)為正作用調(diào)節(jié)器；輸入增加時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出減小稱(chēng)為反作用調(diào)節(jié)器。在調(diào)節(jié)器輸入級(jí)的輸入端設(shè)有一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)S7，通過(guò)切換改變輸入信號(hào)的極性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正反作用。 4－3 如何測(cè)定DDZ－Ⅲ調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間TD和積分時(shí)間TI ？ 答

18、：一、微分傳遞函數(shù)為： 拉氏反變換得階躍作用下的時(shí)間函數(shù)： 當(dāng)t＝t(0+)時(shí)， 當(dāng)t＝∞時(shí)， 由圖有： 實(shí)驗(yàn)得到曲線后，可以按圖求取微分時(shí)間TD 二、積分傳遞函數(shù)： t＝0時(shí)， t＝∞時(shí)， t＝TI 時(shí)： 4－3 設(shè)DDZ－Ⅲ基型調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)的刻度值為δ＝0.50，TI＝30s，TD＝20s。計(jì)算實(shí)際值δ*、TI*和TD*之值。 解：先計(jì)算F： F＝1＋TD/TI＝1＋2/3＝1.67 δ*、TI* 、TD*之實(shí)際值： δ*＝δ/F＝0.5/1.67＝0.3 TI*＝TI/F

19、＝17.9 TD*＝TD/F＝11.9 4－5 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(shuō)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(guò)于靈敏，微分作用持續(xù)時(shí)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(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，這樣，在偏差變化較快時(shí)，微分作用不至于太強(qiáng)烈，且作用可保持一段時(shí)間。因此不完全微分PID控制規(guī)律更為普遍。 4－6 4－9 某流體的最大流量為80 m3/h ，改流體密度為0.16×10－2g/cm3，閥前后一壓差為0.1MPa，試選擇調(diào)節(jié)閥的公稱(chēng)直徑和閥座直徑。（要求泄露量?。? 解：

20、調(diào)節(jié)閥的流通能力C為： 取 查表得dg＝32mm，Dg＝32mm 。 第六章 思考題與習(xí)題 6－5 調(diào)節(jié)器的P、PI、PD、PID控制規(guī)律各有什么特點(diǎn)？它們各用于什么場(chǎng)合？ 答： 比例控制規(guī)律 適用于控制通道滯后較小，時(shí)間常數(shù)不太大，擾動(dòng)幅度較小，負(fù)荷變化不大，控制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場(chǎng)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(fù)荷變化不太大，工藝上不允許有余差的場(chǎng)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(huì)有超前控制作用，能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加

21、，最大偏差和余差減小，加快了控制過(guò)程，改善了控制質(zhì)量。適用于過(guò)程容量滯后較大的場(chǎng)合。對(duì)于滯后很小和擾動(dòng)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(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，如反應(yīng)器、聚合釜的溫度控制。 6－7 在某生產(chǎn)過(guò)程中，冷物料通過(guò)加熱爐對(duì)其進(jìn)行加熱，熱物料溫度必須滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，故設(shè)計(jì)圖所示溫度控制系統(tǒng)流程圖，畫(huà)出控制框圖，指出被控過(guò)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(kāi)、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(guò)程為加熱爐；被控

22、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(guò)程特性一般為二階帶時(shí)延特性，即過(guò)程為非線性特性。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性選擇對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。 根據(jù)生產(chǎn)安全原則，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)該停止輸送燃料，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開(kāi)式。即無(wú)氣時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。 控制器的正反作用的選擇應(yīng)該在根據(jù)工藝要求，原則是：使整個(gè)回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)?？刂破鞯恼⒎醋饔门袛嚓P(guān)系為： （控制器“±”）·（控制閥“±”） ·（對(duì)象“±”）＝“－” 調(diào)節(jié)閥：氣開(kāi)式為“＋”，氣關(guān)式為“－”； 控制器：正作用為“＋”，反作用為“－”； 被控對(duì)象：按工藝要求分析，通過(guò)控制閥的物量

23、或能量增加時(shí)，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(kāi)式Kv為正，溫度變送器Km一般為正，當(dāng)調(diào)節(jié)器增加時(shí)，溫度值增加，故過(guò)程（對(duì)象）為正，為了保證閉環(huán)為負(fù)。所以調(diào)節(jié)器應(yīng)為負(fù)作用。 6－8 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(huà)出控制系統(tǒng)框圖，指出被控過(guò)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(kāi)、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(guò)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(guò)程特性為一階帶

24、時(shí)延特性，即 過(guò)程為非線性特性。因此，調(diào)節(jié)閥流量特性選 擇對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。 根據(jù)生產(chǎn)安全原則，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)該停止輸送燃料，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣關(guān)式。即無(wú)氣時(shí)調(diào)節(jié)閥打開(kāi)。保證在控制出現(xiàn)故障時(shí)，汽包不會(huì)干燒。 調(diào)節(jié)閥：選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，故KV為“－”； 被控對(duì)象：按工藝要求分析，通過(guò)給水增加時(shí)，被控制參數(shù)的液位也會(huì)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(duì)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(guò)程控制通道作階躍實(shí)驗(yàn)

25、，輸入信號(hào)Δu＝50，其記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表6－11 t/min 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 y(t) 200.1 201.1 204.0 227.0 251.0 280.0 302.5 t/min 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 y(t) 318.0 329.5 336.0 339.0 340.5 341.0 341.2 (1)用一階加純時(shí)延近似該過(guò)程的傳遞函數(shù)，求K0、T0、和τ0值。 （2）用動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)（取ρ＝1，φ＝0.75）。 解：（1）根據(jù)表6－11

26、得到過(guò)程階躍響應(yīng)曲線： 由圖讀得T0＝1.08 min τ0＝0.42 min ∴0.2≤0.38≤1 根據(jù)動(dòng)態(tài)特性整定公式有： TI＝0.8 T0 ＝0.74 min 6－10 對(duì)某過(guò)程控制通道作一階躍實(shí)驗(yàn)，輸入階躍信號(hào)Δμ＝5，階躍響應(yīng)記錄數(shù)據(jù)如表所示。 （1） 若過(guò)程利用一階加純時(shí)延環(huán)節(jié)來(lái)描述，試求K0、T0、τ0 （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δ、Ti 。 時(shí)間（min） 0 5

27、10 15 20 25 30 35 40 被控量y 0．650 0．651 0．652 0．668 0．735 0．817 0．881 0．979 1．075 時(shí)間（min） 45 50 55 60 65 70 75 80 85 被控量y 1．151 1．213 1．239 1．262 1．311 1．329 1．338 1．350 1．351 解：（1）求過(guò)程的傳遞函數(shù)，由表作圖： 從圖中可以得到：τ＝25min ＝1500s ； T0＝30min ＝1800s 采用一階加時(shí)延系統(tǒng)則：

28、 將數(shù)值代入得： （2） 因?yàn)棣? T0 ＝1500/1800＝0.83＜1 取φ＝0.75的有自衡過(guò)程的整定公式： a．比例系數(shù)δ： b．積分時(shí)間常數(shù)Ti ： Ti＝0.8T0＝1440 (s) 6－12 已知被控制過(guò)程的傳遞函數(shù) ，其中T0＝6s，τ 0＝3s。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，δK＝0.4）；并將兩種整定方法的PI參數(shù)進(jìn)行比較。 解：對(duì)有自衡能力的系統(tǒng)ρ＝1，T0 / τ 0＝0.5。 采用特性參數(shù)法（響

29、應(yīng)曲線法）公式及PI控制規(guī)律，有： Ti＝0.8T0＝4.8 (s) 對(duì)PD控制規(guī)律調(diào)節(jié)器，有 Ti＝0.25τ0＝0.75 (s) 采用臨界比例度法，對(duì)PI調(diào)節(jié)規(guī)律： Ti＝0.85TK＝8,5 (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(shí)踐中應(yīng)該應(yīng)用不同的整定方法進(jìn)行比較，選擇控制效果最佳方案。 第七章 思考題與習(xí)題 7－2 在串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，副回路設(shè)計(jì)和副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮哪幾個(gè)原則？ 答：副回路設(shè)計(jì)是選擇一個(gè)合適的副變量，從而組成一個(gè)以副變量為被控變量的副回路。副回路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的一些

30、原則： (1) 副參數(shù)選擇應(yīng)該時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延小、控制通道短的參數(shù)作為副回路的控制參數(shù)。當(dāng)對(duì)象具有較大的純時(shí)延時(shí)，應(yīng)使所設(shè)計(jì)的副回路盡量少包括最好不包括純時(shí)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(dāng)對(duì)象具有非線性環(huán)節(jié)時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)將副環(huán)內(nèi)包含更多一些干擾。 (3) 副回路應(yīng)考慮到對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配：T01/T02＝3～10，以防止“共振”發(fā)生。 (4) 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮生產(chǎn)工藝的合理性 (5) 副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)原則。 7－3 圖為加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)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）

31、 畫(huà)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(kāi)、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(jí)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(shí)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(kāi)式，保證無(wú)氣時(shí)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(guò)程為正。調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)式為正，根據(jù)表7－4可知主副調(diào)節(jié)器都選擇正作用方式。 7－5 某溫度－溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器采用PID

32、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(cè)得δ1S＝0.12，δ1S＝0.5 ，T1S＝140s，T2S＝12s。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(yàn)公式： 主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）： 比例度 δ1＝0.8×δ1S＝0.8×0.12＝9.6％ 積分時(shí)間常數(shù) TI＝0.3×T1S＝42 s 微分時(shí)間常數(shù)：TD＝0.1×T1S＝14 s 副調(diào)節(jié)器： 比例度δ2＝δ2S＝50％ 7－8 用蒸汽加熱的貯槽加熱器，進(jìn)料量Q1穩(wěn)定，而Q1的初始溫度T1有較大波動(dòng)，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(fù)荷，要求Q2的溫度為T(mén)。試設(shè)計(jì)一過(guò)程控制系統(tǒng)，并畫(huà)出控制系統(tǒng)框圖。 解：應(yīng)用前饋－反饋控制系統(tǒng)對(duì)冷物料進(jìn)行前饋補(bǔ)償 控制、對(duì)被控參數(shù)：出口熱物料進(jìn)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(bǔ)償器傳遞函數(shù) 18