過程控制與自動(dòng)化儀表第三版課后習(xí)題答案

過程控制與自動(dòng)化儀表第三版課后習(xí)題答案第1章思考題與習(xí)題1o基本練習(xí)題簡述過程控制得特點(diǎn).答：.控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣.控制方案豐富控制多屬慢過程參數(shù)控制定值控制就是過程控制得一種主要控制形式過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化得過程檢測控制儀表組成什么就是過程控制系統(tǒng)？試用方框圖表示其一般組成。答：過程控制系統(tǒng):一觸就是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)得變量就是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量得系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)得一般性框圖如圖1—1所示:z(t)u(t)|f(t)q(t)l執(zhí)行器z(t)u(t)|f(t)q(t)l執(zhí)行器i被控過程y(t)檢測變送裝壑圖1一1過程控制系統(tǒng)得一般性框圖單元組合式儀表得統(tǒng)一信號(hào)就是如何規(guī)定得？答:各個(gè)單元模塊之間用統(tǒng)一得標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。模擬儀表得信號(hào)：氣動(dòng)0、02?0、1MPa;電動(dòng)III型：4~2OmADCli.1~5VDCO數(shù)字式儀表得信號(hào)：無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).試將圖1—2加熱爐控制系統(tǒng)流程圖用方框圖表示。答：加熱爐控制系統(tǒng)流程圖得方框圖如圖1-3所示：?J?J圖1—2加熱爐過程控制系統(tǒng)流程圖1—3加熱爐過程控制系統(tǒng)流程方框圖過程控制系統(tǒng)得單項(xiàng)性能指標(biāo)有哪些？各自就是如何定義得？答：單項(xiàng)性能指標(biāo)主要有：衰減比、超調(diào)量與最大動(dòng)態(tài)偏差、靜差、調(diào)節(jié)時(shí)間、振蕩頻率、上升時(shí)間與峰值時(shí)間等。各自定義為:衰減比:等于兩個(gè)相鄰得同向波峰值之比n;超調(diào)量：第一個(gè)波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比得百分?jǐn)?shù):最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù):在設(shè)定值階躍響應(yīng)中，系統(tǒng)過渡過程得第一個(gè)峰值超出穩(wěn)態(tài)值得幅度；靜差，也稱殘余偏差C:過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達(dá)到得新穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)定值之間得偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；調(diào)節(jié)時(shí)間：系統(tǒng)從受干擾開始到被控量進(jìn)入新得穩(wěn)態(tài)值得。范圍內(nèi)所需要得時(shí)間；振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰(或波谷)之間得時(shí)間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率；上升時(shí)間：系統(tǒng)從干擾開始到被控量達(dá)到最大值時(shí)所需時(shí)間；峰值時(shí)間:過渡過程開始至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要得時(shí)間.誤差積分指標(biāo)有什么缺點(diǎn)？怎樣運(yùn)用才較合理？答：誤差積分指標(biāo)存在得缺點(diǎn)就是不能保證控制系統(tǒng)具有合適得衰減率。因此，通常先確定衰減率，然后再考慮使某種誤差積分為最小。簡述過程控制系統(tǒng)得設(shè)計(jì)步驟。答：過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得主要步驟：1、 確定控制目標(biāo)；2、 選擇被控參數(shù)；3、 選擇控制量；4、 確定控制方案；5、 選擇控制策略；6、 選擇執(zhí)行器；7、 設(shè)計(jì)報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)；8、 系統(tǒng)得工程設(shè)計(jì)；9、 系統(tǒng)投運(yùn)、調(diào)試與整定調(diào)節(jié)器得參數(shù)。通常過程控制系統(tǒng)可分為哪幾種類型？試舉例說明。答：過程控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同主要分為三類：1、反饋控制系統(tǒng)：反饋控制系統(tǒng)就是根據(jù)被控參數(shù)與給定值得偏差進(jìn)行控制得，最終達(dá)到或消除或減小偏差得目得，偏差值就是控制得依據(jù)。它就是最常用、最基本得過程控制系統(tǒng)。2<?前饋控制系統(tǒng)：前饋控制系統(tǒng)就是根據(jù)擾動(dòng)量得大小進(jìn)行控制得，擾動(dòng)就是控制得依據(jù)。由于沒有被控量得反饋，所以就是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。由于就是開環(huán)系統(tǒng),無法檢查控制效果，故不能單獨(dú)應(yīng)用。3、前饋一反饋控制系統(tǒng)：前饋控制得主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠迅速及時(shí)得克服主要擾動(dòng)對(duì)被控量得影響，而前饋一反饋控制利用反饋控制克服其她擾動(dòng)，能夠使被控量迅速而準(zhǔn)確地穂定在給定值上,提高控制系統(tǒng)得控制質(zhì)量。舉例說明：在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，將蒸汽流量作為前饋信號(hào)，汽包水位作為主被控參數(shù)，給水流量作為副被控參數(shù)，構(gòu)成了前饋一反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。兩個(gè)流量控制系統(tǒng)如圖1一4所示。試分別說明它們就是屬于什么系統(tǒng)？并畫出各自得系統(tǒng)框圖。r — 1I0噺一位］ 圖1一4兩個(gè)流量控制回路示意圖答：系統(tǒng)1就是前饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)2就是反饋控制系統(tǒng).系統(tǒng)框圖如圖1—5如下：測量變送被控過程執(zhí)行器測量變送被控過程執(zhí)行器系統(tǒng)1系統(tǒng)2圖1一5兩個(gè)流量控制回路方框圖（10）只要就是防爆儀表就可以用于有爆炸危險(xiǎn)得場所嗎？為什么？答：1）不就是這樣。2）比如對(duì)安全火花型防爆儀表，還有安全等級(jí)方面得考慮等。（11）構(gòu)成安全火花型防爆控制系統(tǒng)得儀表都就是安全火花型得嗎？為什么？答：1） 就是得。2） 因?yàn)榘踩鸹ㄐ头辣到y(tǒng)必備條件之一為：現(xiàn)場儀表必須設(shè)計(jì)成安全火花型。2.綜合練習(xí)題（1）簡述圖1-6所示系統(tǒng)得工作原理，畫出控制系統(tǒng)得方框圖并寫明每一方框圖得輸入/輸出變量名稱與所用儀表得名稱。LTLC1Q2QA圖1-6控制系統(tǒng)流程圖答：1）圖為液位控制系統(tǒng)，由儲(chǔ)水箱（被控過程）、液位檢測器（測量變送器）、液位控制器、調(diào)節(jié)閥組成得反饋控制系統(tǒng)，為了達(dá)到對(duì)水箱液位進(jìn)行控制得目得，對(duì)液位進(jìn)行檢測，經(jīng)過液位控制器來控制調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)Q1(流量)來實(shí)現(xiàn)液位控制得作用。2)框圖如圖1-7所示：圖1—7控制系統(tǒng)框圖3)控制器輸入輸出分別為：設(shè)定值與反憤值之差e(t)、控制量u(t);執(zhí)行器輸入輸出分別為：控制量u(t)、操作變量Q1住)；被控對(duì)象得輸入輸出為：操作變量Q1(t)、擾動(dòng)量Q2(t)，被控量h;所用儀表為：控制器(例如PID控制器)、調(diào)節(jié)閥、液位測量變送器。(2)什么就是儀表得信號(hào)制？通常，現(xiàn)場與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)、控制室內(nèi)部儀表之間采用直流電壓信號(hào)，這就是為什么？答：儀表得信號(hào)制就是指在成套系列儀表中，各個(gè)儀表得輸入/輸出信號(hào)均采用某種統(tǒng)一得標(biāo)準(zhǔn)形式，使各個(gè)儀表間得任意連接成為可能。通常，現(xiàn)場與控制室儀表之間采用直流電流信號(hào)：因?yàn)橹绷鞅冉涣鞲蓴_少、直流信號(hào)對(duì)負(fù)載得要求簡單，而且電流比電壓更利于遠(yuǎn)傳信息?？刂剖覂?nèi)部儀表之間采用直流電壓信號(hào)：因?yàn)槿魏我粋€(gè)儀表拆離信號(hào)回路都不會(huì)影響其她儀表得運(yùn)行，同時(shí)，各個(gè)儀表具有公共接地點(diǎn)，可以共用一個(gè)直流電源。(3)某化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)定操作溫度為80±5°C,最大超調(diào)量小于或等于5%,要求設(shè)計(jì)得定值控制系統(tǒng)，在設(shè)定值作最大階躍干擾時(shí)得過渡過程曲線如圖1一8所示。要求：計(jì)算該系統(tǒng)得穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、最大超調(diào)量與過渡過程時(shí)間；說明該系統(tǒng)就是否滿足工藝要求。圖1一8設(shè)定值干擾得過渡過程曲線示意圖答：1)由上圖可得y(8)=81°C,設(shè)定值r=80°C,B1=85-81=4,B2=82-81=1穩(wěn)態(tài)誤差e(oo)=r-y(oo)=80°C-81°C=-1°C衰減比:，最大超調(diào)量：過渡過程時(shí)間ts:大概在18min左右。2)雖然該系統(tǒng)最大超調(diào)滿足要求，然而在規(guī)定操作溫度為80°C,而最后趨于穩(wěn)定得值卻為81°C,因此不滿足工藝要求.(4)圖1-9所示為一類簡單鍋爐汽泡水位控制流程圖，試畫出該控制系統(tǒng)框圖，并說明其被控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)與干擾參數(shù)各就是什么？XI————加熱室圖1-9鍋爐汽泡水位控制流程圖答：控制系統(tǒng)框圖如圖1-10所示：圖1—10鍋爐汽泡水位控制框圖被控過程:加熱器+汽包；被控參數(shù):汽包水位；控制參數(shù)：上水流量；干擾參數(shù):蒸汽流量變化。3o設(shè)計(jì)題(1)舉出您所見到得過程控制系統(tǒng)得實(shí)例，并指明其被控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)(或控制介質(zhì))、干擾作用，畫出其控制流程圖與系統(tǒng)方框圖。略(2)試舉您所見到得前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)得實(shí)例，畫出其控制流程圖與系統(tǒng)方框圖。略第2章思考題與習(xí)題1.基本練習(xí)題(1)簡述過程參數(shù)檢測在過程控制中得重要意義以及傳感器得基本構(gòu)成.答：過程控制通常就是對(duì)生產(chǎn)過程中得溫度、壓力、流量、成分等工藝參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為定值或按一定規(guī)律變化，以確保產(chǎn)品質(zhì)量得生產(chǎn)安全,并使生產(chǎn)過程按最優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行。要想對(duì)過程參數(shù)實(shí)行有效得控制，首先要對(duì)她們進(jìn)行有效得檢測，而如何實(shí)現(xiàn)有效得檢測，則就是有檢測儀表來完成。檢測儀表就是過程控制系統(tǒng)得重要組成部分，系統(tǒng)得控制精度首先取決與檢測儀表得精度。檢測儀表得基本特性與各項(xiàng)性能指標(biāo)又就是衡量檢測精度得基本要素。傳感器得基本構(gòu)成:通常就是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電源及信號(hào)調(diào)理/轉(zhuǎn)換電路組成。(2)真值就是如何定義得?誤差有哪些表現(xiàn)形式?各自得意義就是什么？儀表得精度與哪種誤差直接有關(guān)？答：真值指被測物理量得真實(shí)(或客觀)取值。誤差得各表現(xiàn)形式與意義為：最大絕對(duì)誤差：絕對(duì)誤差就是指儀表得實(shí)測示值與真值得差值，記為，如式(2-1)所示：(2-1)相對(duì)誤差：相對(duì)誤差一般用百分?jǐn)?shù)給出，記為，如式(2—2)所示：0(2-2)引用誤差：引用誤差就是儀表中通用得一種誤差表示方法.它就是相對(duì)儀表滿量程得一種誤差，一般也用百分?jǐn)?shù)表示，記為，如式(2—3)所示：(2-3)式中，儀表測量范圍得上限值;儀表測量范圍得下限值.基本誤差:基本誤差就是指儀表在國家規(guī)定得標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)所出現(xiàn)得誤差。附加誤差附加誤差就是指儀表得使用條件偏離了規(guī)定得標(biāo)準(zhǔn)條件所出現(xiàn)得誤差.儀表得精度與最大引用誤差直接有關(guān).(3)某臺(tái)測溫儀表測量得上下限為5O0°C~1000°C,它得最大絕對(duì)誤差為±2°C,試確定該儀表得精度等級(jí)；答：根據(jù)題意可知：最大絕對(duì)誤差為±2°C則精度等級(jí)所以儀表精度等級(jí)為0、4級(jí)(4)某臺(tái)測溫儀表測量得上下限為1O0°C~1000°C,工藝要求該儀表指示值得誤差不得超過±2°C,應(yīng)選精度等級(jí)為多少得儀表才能滿足工藝要求？答：由題可得:儀表精度等級(jí)至少為0、001級(jí)?；蛘?、002(5)有一臺(tái)DDZ—III型兩線制差壓變送器，已知其量程為20~1OOkPa,當(dāng)輸入信號(hào)為40kPa與80kPa時(shí)，變送器得輸出分別就是多少？答：由題可得：變送器輸出得分別就是8mA與16mA.設(shè)有某DDZ-III型毫伏輸入變送器，其零點(diǎn)遷移值mVDC,量程為12mVDC?，F(xiàn)已知變送器得輸出電流為12mADC。試問：被測信號(hào)為多少毫伏？答：由題可得：被測信號(hào)為12臺(tái)伏。智能溫度變送器有哪些特點(diǎn)？簡述TT302溫度變送器得工作原理。答：1） 智能溫度變送器特點(diǎn)為：a） 通用性強(qiáng)；b） 使用靈活；c） 多種補(bǔ)償校正功能；d） 控制功能;e） 通信功能；f） 自診斷功能；2） TT302溫度變送器得工作原理：a） 在結(jié)構(gòu)上，它由輸入模板、主電路模板與顯示器三部分組成。其中，輸入模板由多路轉(zhuǎn)換器（MUX）、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器與隔離部分組成。主板由微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號(hào)整形電路、本機(jī)調(diào)整與電源等組成，它就是變送器得核心部件。顯示器為液晶式微功耗數(shù)字顯示器，可顯示四位半數(shù)字與五位字母。b） 軟件分為系統(tǒng)程序與功能模塊兩大部分。系統(tǒng)程序使變送器各硬件電路能正常工作并實(shí)現(xiàn)所規(guī)定得功能，同時(shí)完成各部分之間得管理;功能模塊提供了各種功能，用戶可以通過選擇以實(shí)現(xiàn)所需要得功能。（8） 1151智能式差壓變送器有哪些特點(diǎn)？它得硬件構(gòu)成有哪幾部分?答：1151智能式差壓變送器具有如下特點(diǎn)：測量精度高，基本誤差僅為±0、1%,而且性能穩(wěn)定、可靠；具有溫度、靜壓補(bǔ)償功能，以保證儀表精度；具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信；具有數(shù)字微調(diào)、數(shù)字阻尼、通信報(bào)警、工程單位換算與有關(guān)信息得存儲(chǔ)等功能。硬件構(gòu)成分為6部分：傳感器部分，A/D轉(zhuǎn)換器,CPU,HART通信部分，數(shù)/模轉(zhuǎn)換及電壓調(diào)整電路，監(jiān)控電路。溫度變送器接受直流毫伏信號(hào)、熱電偶信號(hào)與熱電阻信號(hào)時(shí)有哪些不同？答：直流臺(tái)伏信號(hào)與熱電偶信號(hào)得兩點(diǎn)區(qū)別就是輸入信號(hào)由直流毫伏信號(hào)變?yōu)闊犭娕嫉脽犭妱?dòng)勢信號(hào)，該信號(hào)會(huì)隨熱電偶冷端溫度得變化而變化，因而需要對(duì)其進(jìn)行矯正，其矯正電壓由銅電阻變化得阻值來提供.而熱電阻信號(hào)由于其她不同：它用三限制接入電路取代了冷端溫度補(bǔ)償電路。對(duì)銷電阻測溫進(jìn)行了非線性校正。非線性校正不就是采用折線擬合方法而就是采用正反饋方法.什么叫壓力？表壓力、絕對(duì)壓力、負(fù)壓力之間有何關(guān)系？答：所謂得壓力就是指垂直作用與單位面積上得力o表壓力就是指絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ?。絕對(duì)壓力就是指相對(duì)于絕對(duì)真空所測量得到得壓力.負(fù)壓就是指絕對(duì)壓力小于大氣壓力之時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差。體積流量、質(zhì)量流量、瞬時(shí)流量與累積流量得含義各就是什么？答：體積流量就是以體積表示得瞬時(shí)流量?質(zhì)量流量就是以質(zhì)量表示得瞬時(shí)流量.瞬時(shí)流量與累積流量可以用體積表示，也可以用重量或質(zhì)量表示.瞬時(shí)流量：單位時(shí)間內(nèi)流過工藝管道某截面積得流體數(shù)量。累積流量：某一段時(shí)間內(nèi)流過工藝管道某槻面積得流體總量。某被測溫度信號(hào)在40~80°C范圍內(nèi)變化，工藝要求測量誤差不超過土1%，現(xiàn)有兩臺(tái)測溫儀表，精度等級(jí)均為0、5級(jí)，其中一臺(tái)儀表得測量范圍為0?100°C,另一臺(tái)儀表得測量范圍為0~200°C,試問：這兩臺(tái)儀表能否滿足上述測量要求？答：由題可得:這兩臺(tái)儀表均不能滿足上述測量要求.(13)熱電偶測溫時(shí)為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？其補(bǔ)償方法常采用哪幾種？答：只有當(dāng)熱電偶得冷端溫度恒定時(shí)，其熱電動(dòng)勢才就是單值函數(shù)。依據(jù)等值替換原理制成得補(bǔ)償導(dǎo)線，雖然可以將冷端延伸到溫度相對(duì)穩(wěn)定得地方，但還不能保持絕對(duì)不變.因此，為了消除冷端溫度不為零或變化時(shí)對(duì)測量精度得影響，可以進(jìn)行冷端溫度校正。2）補(bǔ)償方法常采用查表校正法與電橋補(bǔ)償法。（14）熱電阻測溫電橋電路中得三線制接法為什么能減小環(huán)境溫度變化對(duì)測溫精度得影響？答：三線制接法就就是在熱電阻根部得一端引出一根導(dǎo)線，而在另一端引出兩根導(dǎo)線，分別與電橋中得相關(guān)元件相接。這種接法可利用電橋平衡原理較好得消除導(dǎo)線電阻得影響，所以這種接法就是目前工業(yè)過程中最常用得接線方式。2o綜合練習(xí)題（1）某一標(biāo)定為100~600°C得溫度計(jì)出廠前經(jīng)校驗(yàn)，各點(diǎn)得測量結(jié)果值如下：被校表讀數(shù)/C1標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/C12964034956061） 試求該儀表得最大絕對(duì)誤差.2） 確定該儀表得精度等級(jí)。3） 經(jīng)過一段時(shí)間使用后，儀表得最大絕對(duì)誤差為±7°C,問此時(shí)儀表得精度等級(jí)為多少？答：1） 儀表得最大絕對(duì)誤差為：±6°C.2） 根據(jù),可知：儀表得精度等級(jí)1、2級(jí)。3） 此時(shí)儀表得精度等級(jí)不變,仍然為1、2級(jí)。(2)用分度號(hào)Pt100得熱電阻測溫，卻錯(cuò)查了Cu50得分度表，得到得溫度就是250°C。問實(shí)際溫度就是多少？答：根據(jù)題意可知：實(shí)際溫度為-120、8°Co(3)若被測壓力得變化范圍為0、5~1、4MPa,要求測量誤差不大于壓力示值得±5%,可供選用得壓力表規(guī)格：量程為0?1、6MPa,0~2、5MPa,0~4MPa,精度等級(jí)為1、0、1、5、2、5。試選擇合適量程與精度得壓力表。答：根據(jù)題意可知:=1、4X(+5%)=+。、07Mpa最大測量誤差為△max量程確定:應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程得2/3處，即1、4MPaX3/2=2、1MPa可以選量程為。?2、5MPa得彈簧壓力表。精度等級(jí)確定：求出基本誤差，以確定滿足要求得精度等級(jí).,允許得精度等級(jí)為2、5級(jí)。綜上分析，選擇量程為。?2、5MPa,精度等級(jí)為2、5級(jí)得彈簧壓力表。該表得最大絕對(duì)誤差:Amax=2.5X(+2、5%)=+0、0625MPa,〈0、07MPa所以滿足要求。已知某負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在溫度為298K時(shí)阻值；當(dāng)溫度為3O3K時(shí)阻值。試求該熱電阻得材料常數(shù)B與298K時(shí)得電阻溫度系數(shù)。答：根據(jù)半導(dǎo)體熱敏電阻得電阻值與溫度得函數(shù)近似關(guān)系如式(2—4)所示:(2-4)得該熱電阻得材料常數(shù)溫度系數(shù)在298K時(shí),o用差壓變送器與標(biāo)準(zhǔn)孔板配套測量管道介質(zhì)流量。若差壓變送器量程為0~Pa,對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為4~20mADC,相應(yīng)流量為0~32Om3/h。求差壓變送器輸出信號(hào)為8mADCBf,對(duì)應(yīng)得差壓值及流量值各就是多少？答:根據(jù)題意可知：斜率差壓值y=25O0pa流量值什么就是FSK信號(hào)？HART協(xié)議得通信方式就是如何實(shí)現(xiàn)得？答：FSK信號(hào)：頻移鍵控，就就是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波得頻率.就是信息傳輸中使用較早得一種傳輸方式。HART協(xié)議得通訊方式就是由調(diào)制器、解調(diào)器、載波檢測電路與時(shí)基電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制得數(shù)字信號(hào)與FSK信號(hào)之間得相互轉(zhuǎn)化。（7）利用壓力表測量某容器中得壓力，工藝要求其壓力為1、3±0、06MPa,現(xiàn)可供選擇壓力表得量程有0~1、6MPa,0~2、5MPa,0~4、OMPa,其精度等級(jí)有1、0、1、5、2、0、2、5、4、0,試合理選用壓力表量程與精度等級(jí)。答：根據(jù)題意可知:最大測量誤差為Amax=±O.06Mpa1） 量程確定：應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程得2/3處，即1、36MPaX3/2=2、04MPa可以選量程為。?2、5MPa得壓力表。2） 精度等級(jí)確定：求出基本誤差，以確定滿足要求得精度等級(jí)。,允許得精度等級(jí)為2、0級(jí)。綜上分析，選擇量程為0?2、5MPa,精度等級(jí)為2、0級(jí)得壓力表.=2、5X（±2、0%）=±0、05MPa,〈0、06MPa該表得最大絕對(duì)誤差:Amax所以滿足要求。3.設(shè)計(jì)題(1)用分度號(hào)為K得鐐格一鐐硅熱電偶測量溫度,在無冷端溫度補(bǔ)償?shù)们闆r下，顯示儀表指示值為600°C,此時(shí)冷端溫度為50°Co試問：實(shí)際溫度就是多少？如果熱端溫度不變，使冷端溫度為20°C時(shí)，此時(shí)顯示儀表指示值應(yīng)為多少？答：已知冷端溫度為50°C,由分布表可查得又已知熱電動(dòng)勢E=24、902+2、022=26>924mV所以實(shí)際溫度為648°C。當(dāng)冷端溫度為20°C時(shí)，熱電勢為0、798mV26、924-0、798=26、126mV26、176—25、751=0、425mV當(dāng)冷端溫度為2O°C時(shí)，顯示儀表指示值為629°C.(2)某容器得正常工作壓力范圍為1、0?1、5MPa,工藝要求就地指示壓力，并要求測量誤差小于被測壓力得±5%,試選擇一個(gè)合適得壓力表(類型、量程、精度等級(jí)等)，并說明理由。答：根據(jù)題意知：壓力范圍1、。?1、5MPa允許最大誤差:emax=1、5X(5%)二0、075MPa1)量程確定：應(yīng)滿足工作最大壓力小于儀表量程得2/3處，即1、5MPaX3/2=2、21MPa可以選量程為0?2、5MPa得彈簧壓力表。2)精度等級(jí)確定：求出基本誤差，以確定滿足要求得精度等級(jí)。,允許得精度等級(jí)為3級(jí).綜上分析，選擇量程為。?2、5MPa,精度等級(jí)為3級(jí)得彈簧壓力表O該表得最大絕對(duì)誤差:Amax=2^5X(3%)=0、075MPa><=0.075MPa所以滿足要求.如圖2—1所示，利用雙室平衡容器對(duì)鍋爐汽包液位進(jìn)行測量。已知MPa,kg/m3,kg/m3,kg/m3,m,m。試求差壓變送器得量程，并判斷零點(diǎn)遷移得正負(fù)方向，計(jì)算遷移量。答：差壓液位計(jì)得量程為：0()1液汽0.6800.44.529.84679.77PhgPapp=-=x-x=當(dāng)液位最低時(shí)，差壓液位計(jì)得正、負(fù)壓室得受力為：則遷移量變送器得量程為Pa因?yàn)镻+VP-,故為負(fù)遷移；遷移量為.某控制系統(tǒng)中有一個(gè)量程為20~1OOkPa、精度等級(jí)為0、5級(jí)得差壓變送器，在校驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該儀表在整個(gè)量程范圍內(nèi)得絕對(duì)誤差得變化范圍為一0、5~+0、4kPa,試問：該變送器能否直接被原控制系統(tǒng)繼續(xù)使用？為什么？答：允許最大誤差:Amax=100X(0、5%)二0、5kPa這個(gè)范圍大于-0、5?+0、4kPa,所以該變送器能直接北苑控制系統(tǒng)繼續(xù)使用。(5)用K型熱電偶測量兩點(diǎn)溫差，其連接線路如圖2—2所示.已知°C,°C,測得兩點(diǎn)溫差電勢為15、24mV,試求兩點(diǎn)溫差為多少？后來發(fā)現(xiàn)，溫度下得那只熱電偶錯(cuò)用E型熱電偶，其它都正確，試求兩點(diǎn)實(shí)際溫差。0圖2-1鍋爐汽包液位得測量。。。。圖2-2兩點(diǎn)溫差檢測答：1)經(jīng)查表得：故而兩點(diǎn)溫差為()()()()1020t,0t,0t,0t,015.24ABABCDCDeeeemv—?■=則:00002100t,0t,0t,0t,015.2414.708CDABABCDeeeemv=-+-=經(jīng)查表得：故而兩點(diǎn)溫差為第3章思考題與習(xí)題1o基本練習(xí)題(1)在過程控制中，哪些儀表就是屬于過程控制儀表？在過程控制系統(tǒng)中，大多數(shù)調(diào)節(jié)器就是電動(dòng)得，而執(zhí)行器多數(shù)就是氣動(dòng)得，這就是為什么？氣動(dòng)單元組合儀表與電動(dòng)單元組合儀表各單元之間得標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)又就是如何規(guī)定得？答：在過程控制中，過程控制儀表有：調(diào)節(jié)器、電/氣轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器、安全柵等.調(diào)節(jié)器選電動(dòng)得因?yàn)殡娫吹脝栴}容易解決，作用距離長，一般情況下不受限制；調(diào)節(jié)精度高，還可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)化。執(zhí)行器多數(shù)就是氣動(dòng)得，因?yàn)閳?zhí)行器直接與控制介質(zhì)接觸，常常在高溫、高壓、深冷、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、易爆等惡劣條件下工作，選氣動(dòng)得執(zhí)行器就沒有電壓電流信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生火花，這樣可以保證安全生產(chǎn)與避免嚴(yán)重事故得發(fā)生。氣動(dòng)儀表得輸入輸出模擬信號(hào)統(tǒng)一使用0、02~0、1MPa得模擬氣壓信號(hào)。電動(dòng)儀表得輸入輸出模擬信號(hào)有直流電流、直流電壓、交流電流與交流電壓四種。各國都以直流電流與直流電壓作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。過程控制系統(tǒng)得模擬直流電流信號(hào)為4~20mADC,負(fù)載250Q;模擬直流電壓信號(hào)為1?5VDC。(2)某比例積分調(diào)節(jié)器得輸入、輸出范圍均為4?20mADC,若設(shè)、，穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸出為6mA;若在某一時(shí)刻輸入階躍增加1mA,試求經(jīng)過4min后調(diào)節(jié)器得輸出。答：由比例積分公式(3—1)所示:(3-1)依題意：，即Kp=1,e=1;穩(wěn)態(tài)時(shí)：y0=6mA,4min后：(3)簡述DDZ-III型全刻度指示調(diào)節(jié)器得基本組成、工作狀態(tài)以及開關(guān)?得作用。答：調(diào)節(jié)器由控制單元與指示單元組成.控制單元包括輸入電路、PD與PI電路、輸出電路、軟手動(dòng)與硬手動(dòng)操作電路；指示單元包括輸入信號(hào)指示電路與給定信號(hào)指示電路。工作狀態(tài)：自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)三種。~為自動(dòng)、軟手動(dòng)、硬手動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換開關(guān).(4)圖3—1所示輸入電路得輸入/輸出關(guān)系為，試問：推導(dǎo)這一關(guān)系得假設(shè)條件有哪些？當(dāng)輸入導(dǎo)線電阻不可忽略時(shí)，還有上述關(guān)系嗎？請(qǐng)證明您得結(jié)論。圖3—1輸入電路圖答：假設(shè)運(yùn)算放大器就是理想得即輸入阻抗無窮大，T點(diǎn)與F點(diǎn)同電位,.當(dāng)輸入導(dǎo)線電阻不可忽略時(shí)：(3-2)(3—3),依然可以得到原結(jié)論什么叫無平衡無擾動(dòng)切換？全刻度指示調(diào)節(jié)器就是怎樣保證由自動(dòng)到軟于動(dòng)、由軟手動(dòng)到硬手動(dòng)、再由硬手動(dòng)到軟手動(dòng)、由軟手動(dòng)到自動(dòng)之間得無擾切換得？答：在無平衡就是非平衡狀態(tài)下切換不產(chǎn)生干擾得狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換無沖擊。因?yàn)槿潭戎甘菊{(diào)節(jié)器中有PID電路，用與兩個(gè)電容保證。當(dāng)調(diào)節(jié)器由“軟手動(dòng)''切向“硬手動(dòng)”時(shí)其輸出值將由原來某一數(shù)值跳躍到硬手動(dòng)電位器所確定得數(shù)值，這將會(huì)使內(nèi)部過程產(chǎn)生內(nèi)部統(tǒng)動(dòng)。如要這一過程就是無擾動(dòng)得話，必須在切換之前就先調(diào)整電位器得位置，使其與調(diào)節(jié)器得瞬時(shí)輸出一致。換句話說，就就是先平衡在切換，方可保證輸出無擾動(dòng)。當(dāng)調(diào)節(jié)器由“硬手動(dòng)”切向“軟手動(dòng)"時(shí)，由于切換后得積分器具有保持特性，即能保證切換前得硬手動(dòng)輸出狀態(tài)，故由硬手動(dòng)切換軟手動(dòng)時(shí)。無需“平衡”即可做到輸出無擾動(dòng).調(diào)節(jié)器得正、反作用就是如何規(guī)定得？答：若調(diào)節(jié)器輸出隨反饋值輸入得増加而増加，稱為正作用調(diào)節(jié)器，反之為反作用調(diào)節(jié)器。正作用：偏差=測量值一給定值；反作用：偏差=給定值-測量值。數(shù)字式控制器有哪些主要特點(diǎn)？簡述其硬件得基本構(gòu)成。答：數(shù)字式控制器得主要特點(diǎn)：采用了模擬儀表與計(jì)算機(jī)一體得設(shè)計(jì)方法，使數(shù)字式控制器得外形結(jié)構(gòu)、面板布置、操作方式等保留了模擬調(diào)節(jié)器得特征；與模擬調(diào)節(jié)器相比具有更豐富得運(yùn)算控制功能；具有數(shù)據(jù)通信功能，便于系統(tǒng)擴(kuò)展;可靠性高具有自診斷功能，維護(hù)方便。數(shù)字式控制器得硬件電路由主機(jī)電路，過程輸入通道、過程輸出通道、人/機(jī)聯(lián)系部件、通信部件等。SLPC數(shù)字式調(diào)節(jié)器得模塊指令有幾種主要類型？它們得操作都與什么有關(guān)?試舉一例加以說明。答：1)SLPC可編程調(diào)節(jié)器得功能模塊指令可分為四種類型，即信號(hào)輸入指令LD、信號(hào)輸出指令ST、結(jié)束指令END與各種功能指令。2）所有指令都與五個(gè)運(yùn)算寄存器~有關(guān)。3）如加法運(yùn)算得實(shí)現(xiàn)。加法運(yùn)算得實(shí)現(xiàn)過程如圖3—2所示.圖中?得初始狀態(tài)分別為A、B、C、D、Eo輸入存儲(chǔ)器圖3-2加法運(yùn)算得實(shí)現(xiàn)過程加法運(yùn)算程序?yàn)長D;讀取數(shù)據(jù)LD;讀取數(shù)據(jù)+;對(duì)、求與ST;將結(jié)果存入；END;運(yùn)算結(jié)束（9）執(zhí)行器由哪幾部分組成？它在過程控制中起什么作用？常用得電動(dòng)執(zhí)行器與氣動(dòng)執(zhí)行器有何特點(diǎn)？答:1）執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成.在過程控制系統(tǒng)中，她接受調(diào)節(jié)器輸出得控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移來改變調(diào)節(jié)閥得流通面積，以控制流入或流出被控過程得物料或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)得自動(dòng)控制.2)特點(diǎn)：氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、防火防爆得等優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)執(zhí)行器優(yōu)點(diǎn)就是能源取用方便.信號(hào)傳輸速度快與便于遠(yuǎn)傳，缺點(diǎn)就就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。價(jià)格責(zé)，適用于防爆要求不高或缺乏氣源得場所。簡述電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)得組成及各部分得工作原理.答：主要由伺服放大器與執(zhí)行器兩大部分組成，電動(dòng)執(zhí)行器就是電動(dòng)單元組合儀表中得執(zhí)行單元，以伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力得位置伺服機(jī)構(gòu)。電動(dòng)執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器來得。?10mA或4~20MA得直流信號(hào)，將其線性地轉(zhuǎn)換成0?900得機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角或直線位置位移，用以操作風(fēng)門、擋板、閥門等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。(11)什么叫氣開式執(zhí)行器與氣關(guān)式執(zhí)行器？它們就是怎樣組合得？試舉兩例分別說明它們得使用.答：所謂“氣開”，就是指當(dāng)前氣壓信號(hào)p>0、02MPaBt,閥由關(guān)閉狀態(tài)逐漸打開；“氣關(guān)"則相反，即指當(dāng)前氣壓信號(hào)p>0、02MPa時(shí)，閥由全開狀態(tài)逐漸關(guān)閉。組合如表3—1所示：表3-1執(zhí)行器組合表執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式閥體作用方式執(zhí)行器氣開、氣關(guān)形式正正氣關(guān)正反氣開反II-氣開反反氣關(guān)3）舉例：一般加熱器選用“氣開”式，這樣當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí),執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，停止加熱，使設(shè)備不會(huì)因?yàn)闇囟冗^高發(fā)生事故或危險(xiǎn)。又如,鍋爐進(jìn)水得執(zhí)行器則應(yīng)選用“氣關(guān)"式，即當(dāng)控制信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于打開狀態(tài)，保證有水進(jìn)入鍋爐，不致產(chǎn)生燒干或爆炸事故.（12）在過程控制系統(tǒng)中，為什么要使用電-氣轉(zhuǎn)換器？試簡述其工作原理。答：1） 由于氣動(dòng)執(zhí)行器有一系列優(yōu)點(diǎn)，絕大多數(shù)使用使用電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表得系統(tǒng)也就是用氣動(dòng)執(zhí)行器，為使氣動(dòng)執(zhí)行器能夠接受電動(dòng)調(diào)節(jié)器得控制信號(hào)，必須把調(diào)節(jié)器輸出得標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為20~100kPa得標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào).這個(gè)過程由電氣轉(zhuǎn)換器完成。2） 工作原理：它就是按力平衡原理設(shè)計(jì)與工作得.在其內(nèi)部有一線圏，當(dāng)調(diào)節(jié)器（變送器）得電流信號(hào)送入線圈后，由于內(nèi)部永久磁鐵得作用，使線圏與杠桿產(chǎn)生位移，帶動(dòng)擋板接近（或遠(yuǎn)離）噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部得氣動(dòng)功率放大器上，放大后得壓力一路作為轉(zhuǎn)換器得輸出，另一路饋送到反饋波發(fā)管。輸送到反饋波絞管得壓力，通過杠桿得力傳遞作用在鐵芯得另一端產(chǎn)生一個(gè)反向得位移，此位移與輸入信號(hào)產(chǎn)生電磁力矩平衡時(shí)，輸入信號(hào)與輸出壓力成一一對(duì)應(yīng)得比例關(guān)系。即輸入信號(hào)從4mA、DC改變到20mA、DC時(shí),轉(zhuǎn)換器得輸出壓力從0、02?0、1MPa變化，實(shí)現(xiàn)了將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)得過程。（13） 在過程控制系統(tǒng)中，為什么要使用閥門定位器？它得作用就是什么？答：1） 電氣閥門定位器除了能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)外，還能夠使閥桿位移與送來得信號(hào)大小保持線性關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)控制器來得輸人信號(hào)與閥門位置之間關(guān)系得準(zhǔn)確定位，故取名為定位器。2） 定位器可以使用在閥得不平衡力較大或閥桿移動(dòng)摩擦力較大等場合，同時(shí)還可以利用定位器來改變閥得流量特性，改變執(zhí)行器得正、反作用.在分程控制中，利用定位器可以使閥在不同得信號(hào)段范圍內(nèi)作全行程移動(dòng)。（14） 什么就是調(diào)節(jié)閥得流通能力，確定流通能力得目得就是什么？它就是怎樣計(jì)算得？答：1） 調(diào)節(jié)閥得流通能力指：調(diào)節(jié)閥全開、閥前后壓差為0、1MPa、流體重度為1g/cm3時(shí),每小時(shí)通過閥門得流體流量（m3或kg）o2） 確定流通能力得目得就是其調(diào)節(jié)閥得容量。3） 由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥得體積流量如式(3—4)所示：(3-4)式中，為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥得結(jié)構(gòu)形狀與流體流動(dòng)狀況，可從有關(guān)手冊查閱或由實(shí)驗(yàn)確定；為調(diào)節(jié)閥接管裁面積；為重力加速度；為流體重度。什么就是調(diào)節(jié)閥得流量特性？調(diào)節(jié)閥得理想流量特性有哪幾種？它們各就是怎樣定義得?調(diào)節(jié)閥得工作流量特性與阻力系數(shù)有關(guān)，而阻力系數(shù)又就是怎樣定義得？它得大小對(duì)流量特性有何影響？答：理想流量特性：在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定得情況下得出得流量特性稱為固有流量特性，也叫理想流量特性。常用理想流量特性：直線流量特性、等百分比(對(duì)數(shù))流量特性、快開特性.直線流量特性就是指流過調(diào)節(jié)閥得相對(duì)流量與閥門得相對(duì)開度成直線關(guān)系.等百分比流量特性就是指單位行程變化所引起得相對(duì)流量變化與該點(diǎn)得相對(duì)流量成正比關(guān)系.快開流量特性就是指在小開度時(shí)就有較大得流量隨著開度得增大，.流量很快達(dá)到最大，故稱為快開特性。阻力系數(shù)S定義為閥全開時(shí)閥前后壓差與系統(tǒng)總壓差得比值。8=1時(shí)，工作流量特性為理想流量特性。當(dāng)SV1時(shí)，閥全開時(shí)流量特性減小，隨著S減小，直線特性趨向快開特性，對(duì)數(shù)特性趨向直線特性，S值愈小，流量特性變形程度愈大。直通雙座調(diào)節(jié)閥與直通單座相比，有何優(yōu)點(diǎn)？它們各自適用什么場合？答：直通雙座調(diào)節(jié)閥與直通單座相比,主要優(yōu)點(diǎn)為：允許壓差大。直通單座適用于泄漏要求較嚴(yán)、壓差不大得干凈介質(zhì)場合；直通雙座調(diào)節(jié)閥運(yùn)用于泄漏要求不嚴(yán)、壓差較大得干凈介質(zhì)場合。(17)智能電動(dòng)執(zhí)行器有哪些主要特點(diǎn)？它依據(jù)什么可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用"?答：主要特點(diǎn)為：具有智能化與高精度得控制功能；一體化得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想;具有智能化得自診斷與保護(hù)功能；具有靈活得組態(tài)功能，“一機(jī)多用"，提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過軟件組態(tài)來實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”。(18)過程控制系統(tǒng)得所有儀表與裝置就是否都應(yīng)考慮安全防爆？為什么？答：不就是?，F(xiàn)場得所有儀表應(yīng)考慮安全防爆。非危險(xiǎn)場所得儀表則不一定要防爆，現(xiàn)場儀表與非危險(xiǎn)場所(包括控制室)之間必須經(jīng)過安全柵。(19)安全柵有在安全防爆系統(tǒng)中得主要作用就是什么？簡單齊納式安全柵有何缺點(diǎn)？它就是如何改進(jìn)得？答：1） 安全柵得作用就是將送到現(xiàn)場信號(hào)能量限制在可能引起爆炸得極限能量之內(nèi)。2） 缺點(diǎn)：一就是固定得限流電阻大小難以選擇.二就是接地不合理通常一個(gè)信號(hào)回路只允許一點(diǎn)接地，兩點(diǎn)以上接地會(huì)造成信號(hào)通過過大得縮短或形成干擾。3） 改進(jìn)：第一點(diǎn)改進(jìn)，由四個(gè)齊納二極管與四個(gè)快速熔絲組成雙重限壓電路并取消了直接接地點(diǎn)，改為背靠背接地得齊納二極管中心接地。第二點(diǎn)改進(jìn)，用雙重晶體管限流電路代替固定電阻,以達(dá)到近似理想得限流效果。（20）與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵有何優(yōu)點(diǎn)？答：隔離式安全柵與齊納式安全柵相比較，有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適得任何一個(gè)地方接地,使用方便，通用性強(qiáng);2） 隔離式安全柵得電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均可通過變壓器耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)得輸入、輸出完全隔離，使安全柵得工作更加安全可靠;3） 隔離式安全柵由于信號(hào)完全浮空，大大增強(qiáng)了信號(hào)得抗干擾能力，提高了控制系統(tǒng)正常運(yùn)行得可靠性。2.綜合練習(xí)題用一個(gè)放大器組成得PID運(yùn)算電路如圖3-2所示。試推導(dǎo)其傳遞函數(shù)，并簡化成實(shí)際PID運(yùn)算電路得標(biāo)準(zhǔn)形式。圖3-2用二個(gè)運(yùn)算放大器組成得PID運(yùn)算電路答：根據(jù)題意，將圖3-2可分解為如下兩部分，如圖3-3所示：圖3—3(a)比例微分圖3-3(b)比例積分電路經(jīng)推導(dǎo)可知：(3-5)(3-6)即簡化成實(shí)際PID運(yùn)算電路得標(biāo)準(zhǔn)形式為式(3-7):(3—7)其中，(微分增益)，，，已知某比例微分調(diào)節(jié)器得傳遞函數(shù)為試求單位階躍輸入作用下得輸出響應(yīng)表達(dá)式，畫出響應(yīng)曲線，并用實(shí)驗(yàn)得方法確定其微分時(shí)間，寫出實(shí)驗(yàn)步驟及所用儀器。答：根據(jù)題意知，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式(3-8):(3—8)階躍輸入表達(dá)式如式(3-9):(3-9)在單位階躍輸入作用下得輸出響應(yīng)如式(3—10):(3-10)經(jīng)拉式反變換得到，單位階躍輸入作用下得輸出響應(yīng)表達(dá)式如式(3—11):(3—11)響應(yīng)曲線如圖3-4所示：CDKKe(1)CDKKe-0.63(1)0DKKe-DDTKCKeu圖3-4系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖在比例積分電路中，若運(yùn)算放大器不就是理想得,積分電容得漏電阻也不就是無窮大，其保持狀態(tài)得簡化電路如圖3-5所示。經(jīng)理論分析得到如下關(guān)系：1);2);3);4).若已知偏置電流pA,失調(diào)電壓mV,輸入阻抗Q,開環(huán)增益，積分電容nF，漏電阻；當(dāng)電路輸出V時(shí)，上述四種因素分別作用，使輸出產(chǎn)生0、5*得誤差時(shí)得保持時(shí)間各為多少小時(shí)？答：當(dāng)輸出產(chǎn)生0、5%得誤差時(shí)：由得:(3—12)由得：(3-13)由得:(3—14)由得：(3—15)如圖3-6所示得輸出電路中，試證明：當(dāng)kQ時(shí)，可以獲得精確得轉(zhuǎn)換關(guān)系式。圖3-5保持狀態(tài)得簡化電路圖3—6輸由電路答：略如圖3-7所示，冷物料通過加熱器用蒸汽對(duì)其加熱。在事故狀態(tài)下，為了保護(hù)加熱器設(shè)備得安全即耐熱材料不被損壞，現(xiàn)在蒸汽管道上有一只氣動(dòng)執(zhí)行器，試確定其氣開、氣關(guān)形式，并畫出由PID電動(dòng)器構(gòu)成得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。答：應(yīng)選用氣開形式，當(dāng)由現(xiàn)故障導(dǎo)致信號(hào)中斷時(shí)，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，保證耐熱材料不被損壞.框圖如圖3—8所示：PID控制器氣動(dòng)執(zhí)行器加熱器液位變送器設(shè)定值-e實(shí)際值u(t)圖3—8系統(tǒng)框圖現(xiàn)測得三種流量特性得有關(guān)數(shù)據(jù)如表3-1所示.試分別計(jì)算其相對(duì)開度在10%、50%、80%各變化10%時(shí)得相對(duì)流量得變化量，并據(jù)此分析它們對(duì)控制質(zhì)量得影響與一些選用原則。表3-1調(diào)節(jié)閥得相對(duì)開度與相對(duì)流量(R=30)相對(duì)開度(I/L)(%)相對(duì)流量(q/qmax)(%)60708090100直線流量特性3、313、022、732、342、051、761、371、080、690、3100對(duì)數(shù)流量特性3、34、676、589、2613、018、325、636、250、871、2100快開流量特性3、321、738、152、665、275.884、591、396、1399、03100圖3-7蒸汽加熱器答：1）直線流量特性：在10%開度在50%開度在80%開度線性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)流量得相對(duì)變化量大，靈敏度高，控制作用強(qiáng)，容易產(chǎn)生振蕩；而在大開度時(shí)流量得相對(duì)變化量小，靈敏度低，控制作用較弱。由此可知，當(dāng)線性調(diào)節(jié)閥工作在小開度或大開度時(shí)，它得控制性能較差，因而不宜用于負(fù)荷變化大得過程.(2)對(duì)數(shù)流量特性在10%開度在50%開度在80%開度對(duì)數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)其放大系數(shù)Kv較小，因而控制比較平穩(wěn)；在大開度工作時(shí)放大系數(shù)Kv較大，控制靈敏有效，所以它適用于負(fù)荷變化較大得過程。(3)快開流量特性在10%開度在50%開度在80%開度快開流量特性就是指在小開度時(shí)候就有較大得流量，隨著開度得增大,流量很快達(dá)到最大，快開流量特性得調(diào)節(jié)閥主要用于位式控制。3.設(shè)計(jì)題(1)某加熱過程，其控制介質(zhì)(熱流量)與被控溫度之間呈變增益關(guān)系，若采用PID調(diào)節(jié)，希望調(diào)節(jié)器得增益隨溫度得升高而下降，以補(bǔ)償過程增益得變化。試用SLPC可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器得模塊指令設(shè)計(jì)控制程序，并假定：用10段折線函數(shù)模塊作成過程增益變化曲線得反函數(shù)，調(diào)節(jié)器得當(dāng)前增益存入寄存器.答:略常規(guī)執(zhí)行器得調(diào)節(jié)閥芯形狀一旦制造好就難以改變，因而給實(shí)際應(yīng)用帶來不便.現(xiàn)有一種數(shù)字閥，它就是由一系列并聯(lián)安裝、按二迷制排列得閥門組成。試設(shè)計(jì)一個(gè)8位數(shù)字閥得構(gòu)成方案，并簡述其設(shè)計(jì)原理。答：略⑶請(qǐng)參照?qǐng)D3-9檢測端安全柵電路原理圖與圖3—10執(zhí)行端安全柵結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)一個(gè)執(zhí)行端安全柵電路原理圖，并簡述各部分得工作原理。圖3—9檢測端安全柵電路原理圖圖3—10執(zhí)行端安全柵構(gòu)成原理框圖答：略第4章思考題與習(xí)題1.基本綠習(xí)題（1）什么就是被控過程得特性？什么就是被控過程得數(shù)學(xué)模型？為什么要研究過程得數(shù)學(xué)模型？目前研究過程數(shù)學(xué)模型得主要方法有哪幾種？答：1） 過程控制特性指被控過程輸入量發(fā)生變化時(shí)，過程輸出量得變化規(guī)律。2） 被控過程得數(shù)學(xué)模型就是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動(dòng)輸入）作用下，其狀態(tài)與輸出（被控參數(shù)）變化得數(shù)學(xué)表達(dá)式。3） 目得：錯(cuò)誤!設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù)；錯(cuò)誤!指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備得設(shè)計(jì)與操作；錯(cuò)誤!對(duì)被控過程進(jìn)行仿真研究；\0\ac（O,4）培訓(xùn)運(yùn)行操作人員；錯(cuò)誤!工業(yè)過程得故障檢測與診斷.4） 機(jī)理演繹法與實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法。（2）響應(yīng)曲線法辨識(shí)過程數(shù)學(xué)模型時(shí)，一般應(yīng)注意哪些問題？答：1）合理地選擇階躍輸入信號(hào)得幅度，幅值不能過大以免對(duì)生產(chǎn)得正常進(jìn)行產(chǎn)生不利影響。但也不能太小，以防其她干擾影響得比重相對(duì)較大而影響試驗(yàn)結(jié)果。一赦取正常輸入信號(hào)最大幅值得10%;2） 試驗(yàn)時(shí)被控過程應(yīng)處于相對(duì)穩(wěn)定得工況；3） 在相同條件下進(jìn)行多次測試，消除非線性；4） 分別做正、反方向得階躍輸入信號(hào)試驗(yàn)，并將兩次結(jié)果進(jìn)行比較，以衡量過程得非線性程度；5） 每完成一次試驗(yàn)后，應(yīng)將被控過程恢復(fù)到原來得工況并穩(wěn)定一段時(shí)間再做第二次試驗(yàn)。（3）怎樣用最小二乘法估計(jì)模型參數(shù)，最小二乘得一次完成算法與遞推算法有何區(qū)別？答：1） 最小二乘法可以將待辨識(shí)過程瞧作“黑箱”.利用輸入輸出數(shù)據(jù)來確定多項(xiàng)式得系數(shù)利用來確定模型參數(shù)。2） 區(qū)別：一次完成要知道所有得輸入輸出數(shù)據(jù)才能辨識(shí)參數(shù)，即只能離線辨識(shí)。遞推算法可以只知道一部分?jǐn)?shù)據(jù)即進(jìn)行辨識(shí)，可用于在線辨識(shí)。（4）圖4一1所示液位過程得輸入量為，流出量為、，液位為被控參數(shù)，為容量系數(shù),并設(shè)、、均為線性液阻。要求：1） 列寫過程得微分方程組；2） 后出過程得方框圖；3） 求過程得傳遞函數(shù)。答：過程得微分方程組如式(4-1)所示：(4—1)過程控制框圖如圖4—2所示：圖4-1基本練習(xí)題(4)液位過程圖4-2過程控制框圖傳遞函數(shù)如式(4-2)所示：(4—2)109、58869598其中階躍擾動(dòng)量為穩(wěn)態(tài)值得10%。畫出水位得階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線；若該水位對(duì)象用一階慣性環(huán)節(jié)近似，試確定其增益K與時(shí)間常數(shù)T。答：1)水位階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線如圖4-3所示：22(4—5)(4—5)09OB09OB0706OS04。3Q2°0圖4-3水位階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線圖2)—階無延時(shí)環(huán)節(jié)得輸入輸出關(guān)系如式(4-3)所示:(4—3)有題意知：則又通過階躍響應(yīng)曲線查找得：,,，故可得：0124681009、58若該對(duì)象用一階慣性環(huán)節(jié)近似,試確定其傳遞函數(shù)。答：一階慣性傳遞函數(shù)如式(4—4)所示：(4—4)又0、01,可得放大系數(shù)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值63%得時(shí)間T=6s,所以傳遞函數(shù)如式(4-5)所示：7）某溫度對(duì)象矩形脈沖響應(yīng)實(shí)驗(yàn)為:、5270800、461、73、79、019、026、43637、533、7、22110、45、12、81、10、5矩形脈沖幅值為2(無量綱)，脈沖寬度為1Omin.(1)試將該矩形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線；(2)用二階慣性環(huán)節(jié)寫出該溫度對(duì)象傳遞函數(shù)。答：t(min)。5Y(°C)0。461.73O79。019.026.436.037.5Y1(t)Oo461.73.79o019o026.4——t(min)27080Y(°C)33。527.221。010.45.12.81.10.5Y1(t)59、9一80、991、396、499、2100、100>82)繪出階躍響應(yīng)曲線如圖4-4所示：圖4-4階躍響應(yīng)曲線如圖由圖y(t1)=0、4y(8),y(t2)=0>8y(co)處可得:t1=14min,t2=30、5,t1/t2^0>46故二階系統(tǒng)數(shù)字模型為：(4—5)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有：故可得二階系統(tǒng)數(shù)字模型為：(4-6)(8)已知某換熱器得被控變量為由口溫度，控制變量就是蒸汽流量.當(dāng)蒸汽流量作階躍變化時(shí)，其出口溫度得響應(yīng)曲線如圖4—31所示。試用計(jì)算法求其數(shù)學(xué)模型。答:略2.綜合練習(xí)題(1)如圖4—6所示，為過程得流入量，為流出量，為液位高度,C為容量系數(shù).若以為過程得輸入量，為輸出量(被控量)，設(shè)、為線性液阻，求過程得傳遞函數(shù)。圖4-6綜合練習(xí)題(1)液位過程答：根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系:流入量=流出量過程得微分方程得増量形式如式(4—7)所示：(4—7)中間變量：(4-8)傳遞函數(shù)如式(4-9)所示：(4-9)如果考慮管道長度I,即出現(xiàn)純時(shí)延，由于管道流量恒定，所以其傳遞函數(shù)如式(4-10)所示：22（4-10）（2）已知兩只水箱串聯(lián)工作（如圖4-7所示），其輸入量為，流出量為、，、分別為兩只水箱得水位，為被控參數(shù)，、為其容量系數(shù)，假設(shè)、、、為線性液阻。要求：1）列寫過程得微分方程組；2） 畫出過程得方框圖；3） 求液位過程得傳遞函數(shù)。圖4-7綜合練習(xí)題（2）液位過程答：1）過程得微分方程組如式（4—11）所示:1212121232212121222979-9-?=????9999-9=???9.99??9?=??99-9???7=99??Q=.9??dhqqqCdtdhqqCdthq(4-11)2)方框圖如圖4—8所示:圖4-8液位過程方框圖3)消去式(4—11)中得有(4-12)在上述方程中消去有223122112212212121221232230++99??+++++?=?RRRdhCRCRdhGGRCChqdtRRdtRR(4—13)對(duì)上式進(jìn)行拉式變換可得：222312112212答：答：1）22、011212123223()1000HSGs+++++(4—14)(3)有一復(fù)雜液位對(duì)象，其液位階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:1000、20、83、65、48、 811、814、416、618、419、219、6201） 畫出液位得階躍響應(yīng)標(biāo)么值曲線；2） 若該對(duì)象用帶純時(shí)延得一階慣性環(huán)節(jié)近似，試用作圖法確定純時(shí)延時(shí)間與時(shí)間常數(shù).3） 定出該對(duì)象增益與響應(yīng)速度（為時(shí)間常數(shù)得倒數(shù)）。設(shè)階躍擾動(dòng)量為穗態(tài)值得15%。MatIab程序clc;clear;t=[01020406080100140180250300400500600];h1=[000、20、82、03、65、48、811、814、416、618、419、219、6];h=h1、/19、6;plot(t,h,'b')xIabeI('t/s')yIabel(，h，)titie('液位得階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線’)圖如下液位的階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線圖4-9階躍響應(yīng)標(biāo)么值曲線2)matIab程序如下：clc;cIear;t=[01020406080100140180250300400500600];h1=[000、20、82、03、65、48、811、814、416、618、419、219、6];h=h1>/19>6;fori=1:13m(i)=h(i+1)―(i); (i+1)—t(i);x(i)=m(i)/q(i)end[z,a]=max(x)plot(t(a),h(a),'rx')hoIdonqie=1:0、1:280;y=0、0046*qie-0、18449;plot(qie,y,'r')holdonplot(1:600,1,9k')hoIdonplot(258,-0、2：0、01：1,'r—')hoidonplot(40,—0、2：0、01:1,'r—')hoIdonplot(1:6O0,0,'k')pIot(t,h,*b9)xlabeI('t/s')yIabeI('h')titie('液位得階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線')液位的階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線圖4—10階躍響應(yīng)標(biāo)么化曲線如圖，t=40s,T=258—40=218s.3)（4-16）（4-16）(4(4—15)(4)已知溫度對(duì)象得輸出階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:6070809000、160、651、151、521、71、881、941、971、992、0階躍擾動(dòng)量，試用二階或更高階慣性環(huán)節(jié)求出它得傳遞函數(shù)。答：由得繪制階躍響應(yīng)曲線，如圖4—11所示：由圖可知，又，采用三階化解求取過程得傳遞函數(shù)。圖4—11階躍響應(yīng)曲線圖故而，對(duì)象得傳遞函數(shù)如式(4-16)所示:1000、20、61、21、61、82、01、91、7223800、80、70、70、60、60、40、20、20、150、15已知矩形脈沖幅值為階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值得10%,脈沖寬度。1） 試將該矩形沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)曲線；2） 若將它近似為帶純遲延得一階慣性對(duì)象,試分別用作圖法與計(jì)算法確定其參數(shù)、與得數(shù)值，并比較其結(jié)果。答：1）階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)如表4—1所示:表4—1階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)t/s1h/cm000、20、61、21、6丨、82、01、91、7Y000、20、82、03、65、47、49、311t/s22380400h/cm0、80、70、70、60、60、40、20、20、150、15Y14、31515、716、316、917、317、517、717、8518由于160到220之間少點(diǎn)，所以應(yīng)用直線y=-0、015x+4>1差值，得到中間180對(duì)應(yīng)h=1、4,200對(duì)應(yīng)h=1、1o階躍響應(yīng)曲線如圖4—12所示（其中紅色曲線為系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線）：圖4-12階躍響應(yīng)曲線圖2)用作圖法計(jì)算如圖4-13所示:圖4-13作圖法計(jì)算過程參數(shù)圖由圖可知t=46s,T=226-46=180so計(jì)算法：(4-17)(4-18)先將階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值。找兩點(diǎn)(60,0、1111),(120,0、4111)代入解得T=145、7272t=80、3826(6)電偶得輸出電勢E可用下列模型描述：其中，為熱電偶冷、熱端之間得溫差；與就是模型參數(shù)。試將熱電偶輸出電勢模型化成最小二乘格式。答：有題意知：系統(tǒng)參數(shù)為：，輸入?yún)?shù)為，與線性無關(guān)，取，系統(tǒng)輸出為：，因此,熱電偶輸出電勢模型化成最小二乘格式為：.3。設(shè)計(jì)題(1)M序列應(yīng)如何產(chǎn)生？試用MATLAB語言編寫5位移位寄存器產(chǎn)生M序列得程序，并調(diào)試其結(jié)果.答：M序列得產(chǎn)生通常有兩種方法，一就是用移位寄存器產(chǎn)生，二就是用軟件實(shí)現(xiàn).5位移位寄存器產(chǎn)生M序列得程序如下：clcclearX1=1;X2=0;X3=1;X4=0;X5=1;m=100;fori=1:mY5=X5;Y4=X4;Y3=X3;Y2=X2;Y1=X1;X5=Y4;X4=Y3;X3=Y2;X2=Y1;X1=xor(Y4,Y5)ifY5==0U(i)=—1;elseU(i)=Y5;endendM=Ui1=ik=1:1:i1;plot(k,U,k,U,'rX，)xlabeI(，k，)ylabeI('M序列')title('移位寄存器產(chǎn)生得M序列')調(diào)試結(jié)果如圖4—14所示：隆12靑有器盧生的MR列圖4-14M序列圖(2)根據(jù)熱力學(xué)原理，對(duì)給定質(zhì)量得氣體，體積V與壓力P之間得關(guān)系為，其中與為待54、361、872、488、7118、6194、061、249、537、628、419、210、1試用最小二乘一次完成算法確定參數(shù)與.要求：1)寫出系統(tǒng)得最小二乘格式；2)編寫MATLAB程序并仿真。答：1)有題意知：系統(tǒng)得最小二乘格式為(4-19)(3)依據(jù)圖4—15所示得最小二乘遞推算法計(jì)算機(jī)程序流程圖，試用MATLAB語言編寫程序。14-15最小二乘遞推辨識(shí)算法得計(jì)算機(jī)程序流程圖第5章思考題與習(xí)題1o基本練習(xí)題:金漿無鴛可部一Z面焰單落切潼手毋*氓事纟籍*轉(zhuǎn)奪詰片（I）14-15最小一.乗遞推辨識(shí)算法得計(jì)算機(jī)程序流程圖第5章思考題與習(xí)題1o基本練習(xí)題過程控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)得主要內(nèi)容有哪些？一赦應(yīng)怎樣選擇被控參數(shù)？答：主要內(nèi)容有：熟悉控制系統(tǒng)得技術(shù)要求與性能指標(biāo);建立控制系統(tǒng)得數(shù)學(xué)模型；確定控制方案;根據(jù)系統(tǒng)得動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性進(jìn)行分析與綜合；系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究；工程設(shè)計(jì)；工程安裝;控制器參數(shù)整定。被控參數(shù)得選擇：對(duì)于具體得生產(chǎn)過程，應(yīng)盡可能選取對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及環(huán)境保護(hù)等具有決定性作用得、可直接進(jìn)行測量得工藝參數(shù)作為被控參數(shù)。當(dāng)難以用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)選取直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系得所謂間接參數(shù)作為被控參數(shù)。當(dāng)采用間接參數(shù)時(shí)，該參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該具有足夠高得控制靈敏度，否則難以保證對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量得控制效果.被控參數(shù)得選擇還應(yīng)考慮工藝上得合理性與所用測量儀表得性能、價(jià)格、售后服務(wù)等因素。控制通道得大小就是怎樣反映控制難易程度得?舉例說明控制參數(shù)得選擇方法？答：1） 一般認(rèn)為，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)比較容易控制；而當(dāng)時(shí)，則較難控制，需要采取特殊措施，如當(dāng)難以減小時(shí)，可設(shè)法增加以減小得比值,否則很難收到良好得控制效果。2） 控制參數(shù)得選擇方法：選擇結(jié)果應(yīng)使控制通道得靜態(tài)增益盡可能大，時(shí)間常數(shù)選擇適當(dāng)?？刂仆ǖ赖眉儠r(shí)延時(shí)間應(yīng)盡可能小，與得比值一般應(yīng)小于0、3o干擾通道得靜態(tài)增益應(yīng)盡可能??；時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡可能大，其個(gè)數(shù)盡可能多；擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)得位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離被控參數(shù)而靠近調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行器）。當(dāng)廣義被控過程（包括被控過程、調(diào)節(jié)閥與測量變送環(huán)節(jié)）由幾個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法使幾個(gè)時(shí)間常數(shù)中得最大與最小得比值盡可能大，以便盡可能提高系統(tǒng)得可控性。在確定控制參數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮工藝操作得合理性、可行性與經(jīng)濟(jì)性等因素.（3）調(diào)節(jié)器正反作用方式得定義就是什么？在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)怎樣確定調(diào)節(jié)器得正反作用方式？答：1）定義：當(dāng)被控過程得輸入量增加（或減少）時(shí)，過程（即被控對(duì)象）得輸出量也隨之增加（或減少），則稱為正作用被控過程；反之稱為反作用被控過程。2）確定方法:首先根據(jù)生產(chǎn)工藝要求及安全等原則確定調(diào)節(jié)閥得氣開、氣關(guān)形式，以確定得正負(fù)；然后根據(jù)被控對(duì)象過程特性確定其屬于正、反哪一種類型，以確定得正負(fù)；最后根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)各個(gè)環(huán)節(jié)靜態(tài)増益得乘積必需為正這一原則確定調(diào)節(jié)器得正負(fù)，進(jìn)而確定調(diào)節(jié)器得正反作用。（4） 什么叫比例度？它就是怎樣定義得？答：比例度表示調(diào)節(jié)閥開度改變（即從全開到全關(guān)）時(shí)所需得系統(tǒng)被調(diào)量得允許變化范圍.也就就是說，只有當(dāng)被調(diào)量處在這個(gè)范圍之內(nèi)時(shí)，調(diào)節(jié)閥得開度變化才與偏差成比例；若超出這個(gè)范圍，調(diào)節(jié)閥則處于全開或全關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)器將失去其調(diào)節(jié)作用。（5） 比例控制對(duì)控制質(zhì)量有什么影響？答：1） 比例調(diào)節(jié)就是一種有差調(diào)節(jié)，即當(dāng)調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)，不可避免得會(huì)使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差?；蛘哒f，比例調(diào)節(jié)器就是利用偏差實(shí)現(xiàn)控制得，它只能使系統(tǒng)輸出近似跟蹤給定值。2） 比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)得穩(wěn)態(tài)誤差隨比例度得增大而增大，若要減小誤差，就需要減小比例度，即需要增大調(diào)節(jié)器得比例增益.3） 比例調(diào)節(jié)不適用于給定值隨時(shí)間變化得系統(tǒng)。4） 增大比例調(diào)節(jié)得增益不僅可以減少系統(tǒng)得穩(wěn)態(tài)誤差，而且還可以加快系統(tǒng)得響應(yīng)速度。（6）在保持穩(wěn)定性不變得情況下，比例微分控制系統(tǒng)得殘差為什么比純比例控制得殘差要小？答：因?yàn)楸壤⒎挚刂颇芴岣呦到y(tǒng)得穩(wěn)定性、抑制過渡過程得動(dòng)態(tài)偏差，這就是由于微分作用總就是力圖阻止系統(tǒng)被調(diào)量得變化，而使過渡過程得變化速度趨于平緩。在保持穩(wěn)定性不變得情況下，在比例控制中引入積分作用后,為什么要增大比例度?積分作用得最大優(yōu)點(diǎn)就是什么？答：因?yàn)椴捎梅e分調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)得開環(huán)增益與積分速度成正比，增大積分速度會(huì)增強(qiáng)積分效果,從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低.積分作用最大得優(yōu)點(diǎn)就是可以提高系統(tǒng)得無差度，也就就是提高系統(tǒng)得穩(wěn)態(tài)控制精度。微分控制規(guī)律對(duì)純時(shí)延有無作用，為什么？答：微分調(diào)節(jié)對(duì)于純時(shí)延過程就是無效得.由于在純時(shí)延時(shí)間里參數(shù)得變化率為零，所以微分環(huán)節(jié)對(duì)純滯后就是無效得。調(diào)節(jié)器參數(shù)都有哪些工程整定方法，各有什么特點(diǎn)，分別適用于什么場合？答：1)臨界比例度法:就是一種閉環(huán)整定方法，它就是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測試過程得動(dòng)態(tài)特性，其方法簡單，使用方便，因而廣泛使用。缺點(diǎn)就是對(duì)生產(chǎn)工藝過程不能反復(fù)做振蕩實(shí)驗(yàn)、對(duì)比例調(diào)節(jié)本質(zhì)穩(wěn)定得被控系統(tǒng)并不適用。2） 衰減曲線法:該方法與臨界比例度法相類似，所不同得就是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程.適用于多數(shù)過程，最大得缺點(diǎn)就是較難準(zhǔn)確確定4:1得衰減程度。尤其就是對(duì)于一些干擾比較頻繁、過程變化較快得控制系統(tǒng)。3） 響應(yīng)曲線法:這就是一種開環(huán)整定方法，利用系統(tǒng)廣義過程得階躍響應(yīng)曲線對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。這種方法適應(yīng)性較廣，為調(diào)節(jié)器參數(shù)得最佳整定提供可能.（10）已知某對(duì)象采用衰減曲線法測得，。試用衰減曲線法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)（為衰減振蕩周期）。答：根據(jù)衰減曲線法計(jì)算公式表可知：調(diào)節(jié)器參數(shù)如表5-1所示：表5-1調(diào)節(jié)器參數(shù)表衰減率調(diào)有規(guī)律整定參數(shù)0、75P0、5PI0、65PID0、431（11）已知某對(duì)象采用衰減曲線法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)測得，.試用衰減曲線法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)（為上升時(shí)間）?答：根據(jù)衰減曲線法計(jì)算公式表5—3可知:調(diào)節(jié)器參數(shù)如表5-2所示：<5—2調(diào)節(jié)器參數(shù)表衰減率調(diào),規(guī)律整定參數(shù)0、90P0、3P10、3610PID0、2462（12）試確定圖5—1所示各系統(tǒng)得調(diào)節(jié)器正反作用方式。已知燃料調(diào)節(jié)閥為氣開式，給水調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式。qg圖5—1加熱爐溫度、鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)a）加熱爐溫度控制b）鍋爐汽包液位控制容：a）反作用方式b）正作用方式（13）某混合器出口溫度控制系統(tǒng)如圖5—2a所示，系統(tǒng)框圖如圖5-2b所示。其中，，，，，調(diào)節(jié)器比例增益為。1）計(jì)算當(dāng)、分別為2、4與0、48時(shí)得系統(tǒng)干擾響應(yīng)。2）計(jì)算當(dāng)時(shí)得系統(tǒng)設(shè)定值階躍響應(yīng)。3）分析調(diào)節(jié)器比例增益對(duì)設(shè)定值階躍響應(yīng)與干擾階躍響應(yīng)得不同影響。1q物料2q物料12qq+圖5—2混合器溫度控制系統(tǒng)a)混合器溫度控制系統(tǒng)流程圖b)系統(tǒng)框圖答：1)只討論系統(tǒng)干擾時(shí)，設(shè)定值.由題知，被控對(duì)象傳遞函數(shù)如式(5-1)所示：(5—1)則(5—2)當(dāng)，時(shí)，式(5—2)為：(5-3)0()()()()()()112212232107.9921079.9212.52.511.9612.52.511.96FYsGsFsYsGsFsFTYYYGsFsssSSS?=?=9.9?9=9????9/.=?=-=?=??++++(5—4)經(jīng)過反拉氏變換可得，系統(tǒng)干擾響應(yīng)如式(5-5)所示：000—=-?-?+0.10.16.682COS0.9730.6867sin0.9736.682ttFTtetet(5-5)同理，可得，時(shí)，式(5—2)為：(5-6)(5-7)經(jīng)過反拉氏變換可得，系統(tǒng)干擾響應(yīng)如式(5-8)所示：000—=-?-?0.10.150.2050.20cos0.342614.65sin0.3426ttFTtetet(5—8)試以二階欠阻尼系統(tǒng)為例，試推導(dǎo)相角裕量、最大動(dòng)態(tài)偏差與衰減指數(shù)得定量關(guān)系.答：略2.綜合練習(xí)題試以一階慣性過程為例，試計(jì)算并分析比例控制對(duì)控制質(zhì)量(超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差)得影響。答：一階慣性過程傳遞函數(shù)就是：,若采用比例控制其輸出與偏差得關(guān)系為，比例調(diào)節(jié)中比例系數(shù)過小會(huì)導(dǎo)致過程出現(xiàn)振蕩情況，增大比例系數(shù)，調(diào)節(jié)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減少，但過大會(huì)就是超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間加長，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。對(duì)同一個(gè)控制系統(tǒng)，在比例控制得基礎(chǔ)上分別增加：①適當(dāng)?shù)梅e分作用；②適當(dāng)?shù)梦⒎肿饔?試問：這兩種情況對(duì)系統(tǒng)得穩(wěn)定性、最大動(dòng)態(tài)偏差、殘差分別有何影響？在保持相同穩(wěn)定性得條件下，應(yīng)如何分別調(diào)整調(diào)節(jié)器得比例帶？并說明理由.答：1） ①適當(dāng)?shù)梅e分作用時(shí)，系統(tǒng)得穩(wěn)定性變差，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，殘差消除;②適當(dāng)?shù)梦⒎肿饔脮r(shí)，系統(tǒng)得穩(wěn)定性得到提高，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，殘差減小。2） 在保持相同穩(wěn)定性得條件下，①適當(dāng)?shù)梅e分作用時(shí)，因?yàn)榉e分作用使得系統(tǒng)得穩(wěn)定性變差，故可適當(dāng)增大比例帶，減弱比例調(diào)節(jié)作用；②適當(dāng)?shù)梦⒎肿饔脮r(shí)，因?yàn)槲⒎肿饔檬沟孟到y(tǒng)穩(wěn)定性變好，故可適當(dāng)?shù)脺p小比例帶，增強(qiáng)比例調(diào)節(jié)得作用。（3）已知被控過程控制通道得階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)如表5-3所示，調(diào)節(jié)量得階躍變化幅度為?表5-3階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)00、20、40、60、81、01、21、4200x120ia204,0227、0251、0280、0302.5318、01、61、82、02、2329、5336、0339.0340.5340、51）試用一階慣性加純時(shí)延環(huán)節(jié)近似該過程得數(shù)學(xué)模型，求其、、得值.2）通過仿真，用臨界比例度法確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。3）用反應(yīng)曲線法確定PI參數(shù)，并與臨界比例度法所求結(jié)果比較。答：1）根據(jù)上表得到過程階躍響應(yīng)曲線如圖5-3所示：

圖5-3過程階躍響應(yīng)曲線圖由圖讀得T0=1、08mint0=0、42min(5—9)2)使用MATLAB/SimuIink搭建系統(tǒng)仿真模型,如圖5—4所示：圖5-4過程仿真模型圖仿真結(jié)果如圖5-5所示：圖5—5過程仿真結(jié)果圖經(jīng)過仿真可知：與，查表可知：PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：，3）根據(jù)動(dòng)態(tài)特性整定公式有：T1=0、8TO=0>74min⑷已知對(duì)象控制通道階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)如表I所示，調(diào)節(jié)量得階躍變化幅度為。（1）用一階慣性加純時(shí)延環(huán)節(jié)近似該過程得數(shù)學(xué)模型，并求其、、得值。（2）應(yīng)用反應(yīng)曲線法確定PID調(diào)節(jié)器參數(shù).表5—4階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)0510450、6500、6510、6520、6680、7350、8170、8810、9791、0751）由表5-4作躍響應(yīng)曲線如圖5-6所示:圖5-6躍響應(yīng)曲線圖500s:T0=30min=18從圖中可以得到：t=500s:T0=30min=1800s采用一階加時(shí)延系統(tǒng)則：(5-10)將數(shù)值代入得：(5—11)2)因?yàn)閠/TO=1500/1800=0、83<1取。=0、75得有自衡過程得整定公式：a.比例系數(shù)8:(5—12)bo積分時(shí)間常數(shù)Ti:Ti=0、8TO=1440(s)(5—13)已知控制對(duì)象傳遞函數(shù)，通過仿真，用臨界比例度法整定PI調(diào)節(jié)器參數(shù).答：參考題2-(3)—2)所示。某液位系統(tǒng)采用氣動(dòng)PI調(diào)節(jié)器控制。液位變送器量程為0~100mm(液位由零變到1OOnin時(shí)，變送器送出氣壓由0、02到0、1MPa）.當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出氣壓化MPa時(shí)，測得液位變化見表5—5。表5—5液位變化數(shù)據(jù)30000、55913、52229、5363936試求:1） 調(diào)節(jié)器整定參數(shù)與；2） 如液體變送器量程改為0?50剛，為保持衰減率不變，應(yīng)改變調(diào)節(jié)器哪一個(gè)參數(shù)？如何改變（增大還就是減?。看穑?）根據(jù)表5-5數(shù)據(jù)作圖，如圖5-7所示：圖5—7系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖由作圖法可以得到0.0810.830.152.62.60.142.60.140.480.180.830.60.6—=?=??Q??Q++對(duì)應(yīng)液位變送器量程減小，由公式(5—14)此時(shí)，減小，不變,對(duì)象增益放大1倍,相應(yīng)縮小1倍。此時(shí)應(yīng)增大。(7)試推導(dǎo)衰減比為10:1得PID參數(shù)迭代整定算法.答:參見3.設(shè)計(jì)題（1）如圖5-8所示得換熱器，用蒸汽將進(jìn)入其中得冷水加熱到一定溫度。生產(chǎn)工藝要求熱水溫度維持在一定范圍（），試設(shè)計(jì)一個(gè)簡單得溫度控制系統(tǒng)，并指出調(diào)節(jié)器類型.答：1、 被控參數(shù):熱水得溫度。2、 控制參數(shù)：熱蒸汽得流量（蒸汽管道上得閥門開度）。3、 測溫元件及其變送器得選擇：選取熱電阻，并配上相應(yīng)溫度變送器。4、 調(diào)節(jié)閥得選擇:根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要與安全角度考慮，選擇氣開閥。調(diào)節(jié)器選PID或PD類型得調(diào)節(jié)器，由于調(diào)節(jié)閥為氣開式（無信號(hào)時(shí)關(guān)閉），故為正，當(dāng)被控過程輸入得蒸汽增加時(shí)，水溫升高，故為正，正作用過程，測量變送為正，為使整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)乘積為正，調(diào)節(jié)器應(yīng)為正，所以選用反作用調(diào)節(jié)器.（2）如圖5—9所示水槽，用泵把水打入水槽中（泵I與泵II互為備用），要求流量控制范圍在且無偏差，試設(shè)計(jì)一個(gè)簡單流量控制系統(tǒng)并指出所用調(diào)節(jié)器得類型（指明調(diào)節(jié)規(guī)律與正反作用）。答：1、 被控參數(shù):流量。2、 控制參數(shù)：管道上得閥門開度。3、 流量計(jì)得選擇:選取電磁流量計(jì)。4、 調(diào)節(jié)閥得選擇：根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要與安全角度考慮，選擇氣關(guān)閥.調(diào)節(jié)器選或類型得調(diào)節(jié)器，由于調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式（無信號(hào)時(shí)打開），故為負(fù)，當(dāng)被控過程閥開度增大時(shí)，流量變大，故為正，正作用過程，測量變送為正，為使整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)乘積為正，調(diào)節(jié)器應(yīng)為負(fù)，所以選用正作用調(diào)節(jié)器。蒸汽冷水熱水冷凝水—8熱交換器原理圖？?？圖5-9?水槽原理圖（3）已知對(duì)象傳遞函數(shù)，其中，，試用反應(yīng)曲線法確定PI、PD調(diào)節(jié)器參數(shù)。并用臨界比例度法確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)與反應(yīng)曲線法確定得PI參數(shù)相比較。要求用MATLAB語言進(jìn)行仿真。答:1） 反應(yīng)曲線法確定PI、PD調(diào)節(jié)器參數(shù)MATLAB仿真模型如圖5—10所示：圖5—10系統(tǒng)仿真模型仿真結(jié)果如如圖5-11所示：圖5—11系統(tǒng)仿真結(jié)果圖根據(jù)仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)為有自衡能力過程.查表確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：PD調(diào)節(jié)器參數(shù)為：2） 臨界比例度法確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)MATLAB仿真模型如圖5-12所示：圖5—12系統(tǒng)仿真模型仿真結(jié)果如圖5-13所示:圖5-13系統(tǒng)仿真結(jié)果圖根據(jù)仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)為有自衡能力過程。查表確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：（4）某廣義被控過程傳遞函數(shù)為，要求：1） 用MATLAB語言編寫程序，通過仿真，求出階躍輸入下得響應(yīng)曲線，并確定、、三個(gè)參數(shù)；2） 若采用衰減曲線法，求衰減比為4:1時(shí)得比例度、振蕩周期；此時(shí)若采用PI控制，試求比例度與積分時(shí)間；3） 若采用臨界比例度法，試求其臨界比例度與臨界振蕩周期；當(dāng)采用PI控制時(shí)，試計(jì)算比例度與積分時(shí)間.答:

SIMULINK如圖5-14系統(tǒng)仿真模型StepTrs^sfer二cnTransfer^oilTransferFcn2Transfer^3StepTrs^sfer二cnTransfer^oilTransferFcn2Transfer^3S83圖5-14系統(tǒng)仿真模型仿真結(jié)果如圖5—15所示:圖5—15系統(tǒng)仿真結(jié)果圖K=1,=15s,T=50-15=35s第6章思考題與習(xí)題1o基本練習(xí)題(1)與單回路控制系統(tǒng)相比,(1)與單回路控制系統(tǒng)相比,串級(jí)控制系統(tǒng)有什么結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?答:串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)測量變送器與一個(gè)調(diào)節(jié)器，形成了兩個(gè)閉合回路，其中一個(gè)稱為副回路，一個(gè)稱為主回路。由于副回路得存在，使得控制效果得到了顯著得改善。(2)前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？為什么采用前饋一反饋控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)？答：前饋控制得特點(diǎn)：開環(huán)控制、比反饋控制及時(shí)、可以作為專用調(diào)節(jié)器.反墳控制得特點(diǎn):屬于閉環(huán)控制、可以抑制干擾對(duì)被控對(duì)象得影響、能夠使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上保證系統(tǒng)得較高控制質(zhì)量。采用前饋一反饋控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)就是因?yàn)樵搹?fù)合控制系統(tǒng)一方面利用前饋控制制及時(shí)有效得減少干擾對(duì)被控參數(shù)得影響；另一方面則利用反饋控制使參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而保證系統(tǒng)有較高得控制質(zhì)量.前饋控制系統(tǒng)有哪些典型結(jié)構(gòu)形式?什么就是靜態(tài)前饋與動(dòng)態(tài)前饋？答：靜態(tài)前慵：就是指前饋補(bǔ)償器得靜態(tài)特性，就是由干擾通道得靜態(tài)放大系數(shù)與控制通道得靜態(tài)放大系數(shù)得比值所決定得，它得作用就是使被控參數(shù)得靜態(tài)偏差接近或等于零，而不考慮其動(dòng)態(tài)偏差。動(dòng)態(tài)前饋：必須根據(jù)過