蘭州理工大學(xué)過控作業(yè)答案

蘭州理工大學(xué)過控作業(yè)答案蘭州理工大學(xué)過控作業(yè)答案蘭州理工大學(xué)過控作業(yè)答案蘭州理工大學(xué)過控作業(yè)答案編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:鍋爐是化工、煉油等企業(yè)中常見的主要設(shè)備。汽包水位是影響蒸汽質(zhì)量及鍋爐安全的一個十分重要的參數(shù)。水位過高，會使蒸汽帶液。降低了蒸汽的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至?xí)p壞后續(xù)設(shè)備。而水位過低，輕則影響汽液平衡，重則燒干鍋爐甚至引起爆炸。因此，必須對汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。圖1-16是一類簡單鍋爐汽包水位控制示意圖，要求：(1)畫出該控制系統(tǒng)方塊圖；(2)指出該系統(tǒng)中被控對象、被控變量、操縱變量、擾動變量各是什么(3)當(dāng)蒸汽負(fù)荷忽然增加，該系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動控制？

答：(1)(2)被控對象：鍋爐汽包。被控變量：鍋爐汽包水位。操縱變量：鍋爐給水量。擾動量：冷水溫度、壓力、蒸汽壓力、流量，燃燒狀況等。(3)當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加，會導(dǎo)致汽包水位下降，液位變送器檢測到液位h下降信號并與設(shè)定水位h0進(jìn)行比較，將偏差信號傳給控制器，控制器使執(zhí)行器動作，增大閥門開度，使冷卻水流量增加，從而降低加熱室燃燒程度，進(jìn)一步使得汽包液位升高。.評價過程控制的衰減振蕩過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)有哪些有哪些因素影響這些指標(biāo)答：（1）穩(wěn)態(tài)誤差；=r-影響因素：開環(huán)增益，系統(tǒng)型號，輸入信號；衰減比n=/;影響因素：阻尼；超調(diào)量σ=×100%;影響因素：閉環(huán)主導(dǎo)極點的衰減率；過渡過程時間；影響因素：擾動動作時間的長短。某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定操作溫度為(800±10)℃。為確保生產(chǎn)安全，控制中溫度最高不得超過850℃。現(xiàn)運行的溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍擾動下的過渡過程曲線如圖1-13所示。

(1)分別求出穩(wěn)態(tài)誤差，衰減比、過渡過程時間。

(2)說明此溫度控制系統(tǒng)是否滿足工藝要求。解：（1）穩(wěn)態(tài)誤差=805-800=5衰減比:=845-805=40;=815-805=10;n=B1/B2=4:1過渡過程時間:=25min,給定最大偏差值：850-800=50℃；最大偏差：845-800=45℃由于最大偏差值為45℃，不超過50℃，故滿足工藝要求。.什么是真值、絕對誤差、相對誤差、引用誤差和精度等級？若用測量范圍為0-200℃溫度計測溫，在正常工作情況下進(jìn)行數(shù)次測量，其誤差分別為℃、0℃、℃、℃，試確定該儀表的精度等級。答：（1）被測變量本身所具有的真實值，稱為真值。（2）絕對誤差是指儀表輸出信號所代表的被測值與被測參數(shù)真值之差。Δ=M-A（3）絕對誤差與約定真值的百分比定義為儀表的相對誤差，即δ=Δ/A×100%（4）絕對誤差與儀表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差，即δm=Δ/X×100%（X表示量程）（0++）/200×100%=%，故精度等級為某控制系統(tǒng)根據(jù)工藝設(shè)計要求，需要選擇一個量程為0-100m3/h的流量計，流量測量誤差小于±3/h，試問選擇何種精度等級的流量計才能滿足要求？

解：引用誤差δm=Δ/X×100%=100×100%=%精度為的流量計，所以精度等級為試簡述防爆安全柵的作用及其工作原理。答：（1）由安全系統(tǒng)中連接設(shè)備與非本愿設(shè)備的關(guān)聯(lián)設(shè)備，用以限制進(jìn)入危險場所設(shè)備的電能，實現(xiàn)危險場所設(shè)備的防爆作用。（2）一方面?zhèn)鬏斝盘?，另一方面將流入危險場所的能量控制在爆炸性氣體或混合的點火能量以下，當(dāng)防爆系統(tǒng)的儀表發(fā)生故障時能將串入到儀表能量限制到安全值以下。.用熱電偶測溫時，為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償其冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N

解：（1）熱電偶的熱電勢只有當(dāng)T0（或t0）恒定是才是被測溫度T（或t）的單值函數(shù)。熱電偶標(biāo)準(zhǔn)分度表是以T0＝0℃為參考溫度條件下測試制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接應(yīng)用分度表或分度曲線。若T0≠0℃，則應(yīng)進(jìn)行冷端補(bǔ)償和處理。冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校貉娱L導(dǎo)線法，0℃恒溫法，冷端溫度修正法，冷端溫度自動補(bǔ)償法等。試列表比較分析各種流量監(jiān)測的基本原理及其主要特點?；驹碇饕攸c容積式流量計流體通過流量計，就會在流量計進(jìn)出口產(chǎn)生一定的壓力差。流量計轉(zhuǎn)動部分產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將流體從入口排向出口。具有對上游流動狀態(tài)變化不敏感，測量精確度高，可用于高黏度液體，并直接得到流體累計量等特點節(jié)流式流量計（或差壓式流量計）根據(jù)安裝于管道中流量測量元件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和測量元件與管道的幾何尺寸以測量流量的儀表結(jié)構(gòu)簡單、工作原理清晰，可以直接運用伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)得出流量方程，而且安裝方便、積累了大量可靠的實驗數(shù)據(jù)浮子式流量計被測流體從下向上經(jīng)過錐管1和浮子2形成的環(huán)隙3時，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應(yīng)關(guān)系。主要適用于檢測中小管徑、較低雷諾數(shù)的中小流量；結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、儀表前直管段長度要求不高；流量計的基本誤差約為儀表量程的±2%，量程比可達(dá)10:1測量精度易受被測介質(zhì)密度、黏度、溫度、壓力、純凈度。安裝質(zhì)量等的影響渦輪流量計以動量矩守恒原理為基礎(chǔ)，流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度隨流量表面化而變化，通過渦輪外的磁電轉(zhuǎn)換裝置可將渦輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成電脈沖。安裝方便，磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器不需密封和齒輪傳動機(jī)構(gòu)，測量精度高，具有較高的反應(yīng)速度，可測脈動流量。漩渦流量計利用流體振動原理，即在特定的流動條件下流體一部分動能產(chǎn)生流體振動。管道內(nèi)無可動部件，壓損較小，精確度約為±（%-1%），量程比20:1電磁流量計法拉第電磁感應(yīng)定律壓力損失較小，反應(yīng)迅速，可測量脈動流量已知閥的最大流量q=50m3/h,可調(diào)范圍R=30。（1）計算其最小流量qmin，并說明是否就是閥的泄漏量。（2）若閥的特性為直線流量特性，求在理想情況下閥的相對行程l/L為和時的流量值qv（3）若閥的特性為等百分比流量特性，求在理想情況下閥的相對行程l/L為和時的流量值qv解：（1）；=50/30≈3/h；≠閥泄漏量，而是泄漏可以控制的最小流量。（2）;當(dāng)=，≈m3/h當(dāng)=，≈m3/h（3），當(dāng)=，=3/h當(dāng)=，=m3/h某臺調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)C=100，當(dāng)閥前后壓差為200kPa,其兩種液體的密度分別為cm3和cm3時，問所能通過的最大流量各是多少？

解：當(dāng)ρ=g/cm3，m3/h當(dāng)ρ=g/cm3，m3/h圖為一加熱爐原料油出口溫度控制系統(tǒng)，試確定系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式，并說明理由。答：選擇氣開型調(diào)節(jié)閥。因為原料油不允許加熱，當(dāng)信號突然中斷時，應(yīng)使爆炸油處于關(guān)閉狀態(tài)，從而避免大量燃燒油流入加熱爐使原料油出口溫度過高。.什么是對象的動態(tài)過程特性為什么要研究對象的動態(tài)特性答：（1）指被控對象的輸入發(fā)生變化時，其輸出（被調(diào)量）隨時間變化的規(guī)律，是系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系。（2）實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化時，對象的動態(tài)特性可以為控制工程師設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)滿足要求提高主要依據(jù)。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)；（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：過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：上式可寫為：（2）Laplace變換得到：傳遞函數(shù):（3）過程的方框圖：如圖所示兩個串聯(lián)在一起的水位儲罐，來水首先進(jìn)入儲罐1，然后再通過儲罐2流出。要求：求出傳遞函數(shù)H2(s)/Q(s).2)畫出串聯(lián)液體儲罐的方框圖。解：由物料平衡方程，列微分方程為：由重力場中無粘性不可壓縮流體定常流動的伯努利方程：可得：泰勒級數(shù)展開，線性化有：，其中，其中…，為中間變量，需消去。首先將各環(huán)節(jié)進(jìn)行拉普拉斯變換：消去中間變量，可以得出傳遞函數(shù)：方框圖為：.試分析P、I、D、PI、PD、PID控制規(guī)律各有何特點。其中哪些是有差調(diào)節(jié)，哪些是無差調(diào)節(jié)？

答：1)位式控制——這是一種簡單的控制方式,一般適用于對控制質(zhì)量要求不高的、被控對象是單容的、且容量較大、滯后較小、負(fù)荷變化不大也不太激烈、工藝允許被控變量波動范圍較大的場合。2)比例控制比例——控制克服干擾能力強(qiáng)、控制及時、過渡時間短。在常用的控制規(guī)律中,是最基本的控制規(guī)律。但純比例作用在過渡過程終了時存在余差。負(fù)荷變化越大,余差越大。比例作用適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝允許被控變量存在余差的場合。3)比例積分控制——由于在比例作用的基礎(chǔ)上引入了積分作用,而積分作用的輸出與偏差的積分成正比,只要偏差存在,控制器的輸出就會不斷變化,直至消除偏差為止。所以,雖然加上積分作用會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低,但系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束時無余差,這是積分作用的優(yōu)點。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在增加積分作用的同時,加大比例度,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本保持不變,但系統(tǒng)的超調(diào)量、振蕩周期都會相應(yīng)增大,過渡時間也會相應(yīng)增加。比例積分作用適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝不允許被控變量存在余差的場合。4)比例微分控制——由于引入了微分作用,它能反映偏差變化的速度,具有超前控制作用,這在被控對象具有較大滯后場合下,將會有效地改善控制質(zhì)量。但是對于滯后小、干擾作用頻繁,以及測量信號中夾雜無法剔除的高頻噪聲的系統(tǒng),應(yīng)盡可能避免使用微分作用,因為它將會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩,嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失控而發(fā)生事故。5)比例積分微分控制——比例積分微分控制綜合了比例、積分、微分控制規(guī)律的優(yōu)點。適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制要求高的場合。有差調(diào)節(jié)：P、D、PD無差調(diào)節(jié)：I、PI、PID.說明積分飽和現(xiàn)象并解釋積分分離PID算法對克服積分飽和的作用。答：（1）具有積分作用的控制器在單方向偏差信號的長時間作用下，其輸出達(dá)到輸出范圍上限值或下限值以后，積分作用將繼續(xù)進(jìn)行，從而使控制器脫離正常工作狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。（2）積分作用主要用于消除余差,即讓其在接近設(shè)定值變化的后期起作用。積分的缺點是會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。為此,可將積分作用分離,其改進(jìn)的方法如下：當(dāng)偏差絕對值不大于某一閾值ε時,引入積分作用;當(dāng)偏差絕對值大于閾值時,去除積分作用。其PI控制器的增量式算法為：△u(k)=△up(k)+△ui(k)[|e(k)<ε|]當(dāng)|e(k)<ε|時,邏輯表達(dá)式的值為1,引入積分作用;反之,其值為0,只有比例作用。這種方法特別適用于系統(tǒng)啟動時的大誤差而導(dǎo)致的超調(diào)現(xiàn)象。.簡述選擇PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的基本原則。答：（1）根據(jù)過程特性選擇調(diào)節(jié)器控制規(guī)律；（2）根據(jù)τ。/T。比值選擇調(diào)節(jié)器控制規(guī)律；（3）控制器正/反作用選擇。.畫出串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖，什么情況下可以考慮采用串級控制方式？

答：用于克服被控過程中較大的容量滯后；用于克服被控過程中較大的純滯后；用于抑制變化強(qiáng)烈且幅度大的擾動；用于克服被控過程的非線性。.試簡述串級控制系統(tǒng)中主、副控制器規(guī)律的選擇原則。答：1)主變量是生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)/控制品質(zhì)要求較高,超出規(guī)定范圍就要出次品或發(fā)生事故。副變量的引入主要是通過閉合的副回路來保證和提高主變量的控制精度,這是串級控制系統(tǒng)的基本類型。因為生產(chǎn)工藝對主變量的控制品質(zhì)要求高,所以主控制器可以選擇PI調(diào)節(jié)器。有時為了克服對象的容量滯后,進(jìn)一步提高主變量的控制質(zhì)量,可再加入微分作用,即選擇PID控制。因為對副變量的控制品質(zhì)要求不高,副控制器一般選擇P調(diào)節(jié)器就行了,因為此時引入積分作用反而削弱了副回路的快速性。2)生產(chǎn)工藝對主變量和副變量的控制要求都較高為了使主變量在外界干擾作用下不至于產(chǎn)生余差,主控制器選擇PI調(diào)節(jié)器;同時,為克服進(jìn)入副回路干擾的影響,保證副變量也能達(dá)到一定的控制品質(zhì)要求,因此副控制器也選擇PI調(diào)節(jié)器。3)對主變量控制要求不高,允許在一定范圍內(nèi)波動。但要求副變量能夠快速、準(zhǔn)確地跟隨主控制器輸出而變化。顯然,此時主控制器可選擇P調(diào)節(jié)器,而副控制器選擇PI調(diào)節(jié)器。4)對主變量和副變量的控制要求都不十分嚴(yán)格。此時采用串級控制的目的僅僅是為了相互兼顧,主、副控制器均可選擇P調(diào)節(jié)器。5)當(dāng)副變量為流量等響較快的變量時,副控制器往往采用PI控制算法。.考慮如圖所示4個串聯(lián)儲罐，水的出口溫度θ為被控變量，加熱量Q是操縱和變量，F(xiàn)1和θ為擾動。（1）在設(shè)計串級控制時，最合適的副變量應(yīng)選擇在何處？試與選擇向前和向后一個罐的情況相比較分析結(jié)果有何不同。

（2）在工藝圖上表示該串級系統(tǒng)并畫出相應(yīng)的方塊圖（3）確定控制器的正反作用。解：（1）最合適的副變量選擇θ2，它離第四個儲罐較遠(yuǎn)，可以防止副變量與主變量發(fā)生共振，而且它包含更多的干擾。（2）（3）副控制器的選擇與主回路無關(guān)，而測量變送器，副對象均為正作用，調(diào)節(jié)閥為正作用，故副控制器為反作用，主控制