哈尔滨工程大学函授2012级过程控制仪表及控制系统

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1、过程控制仪表及控制系统11 简述过程控制的发展概况 纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段：20世纪40年代：手工操作状态，20世纪40年代末50年代多为单输入、单输出简单控制 系统20世纪60年代：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。20世纪7080 年代：微电子技术的发展，大规模集成电路制造成功且集成度越来越高， 20世纪90年代至今：管 控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。12 图 1.6 为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。当电石加入时，内部温

2、度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。系统框图如下：f(t)被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量13 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达 到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统2前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。 由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。由于是开环系统，

3、无法检查控制效果 故不能单独应用。3. 前馈反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控 量的影响，而前馈反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定 在给定值上，提高控制系统的控制质量。14 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指 标？哪些是动态质量指标？答：1.余差（静态偏差）e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y（g）与 给定值c之差。它是一个静态指标，对定值控制系统。希望余差越小越好。2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第 一个波的振幅与第二个波的振幅之

4、比，即：Bn =nV1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n1, 系统是稳定的，若n=4,系统为4： 1的衰减振荡，是比较理想的。衡量系统稳定性也可以用衰减率（pB - B 申B4最大偏差A：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差， 它衡量被控参数偏离给定值的程度。5. 过程过渡时间ts：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的 5%或3 （根据系统要求）范围内所需要的时间。它是反映系统过渡过程快慢的质量指 标，ts越小，过渡过程进行得越快。s6. 峰值时间tp:从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统 要求

5、）范围内所需要的时间。称为峰值时间tp。它反映了系统响应的灵敏程度。静态指标是余差，动态时间为衰减比（衰减率）、最大偏差、过程过渡时间、峰值时间。21 什么是过程的数学模型？为什么要研究过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主 要方法有哪几种？过程在输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其输出量（被控量）随输入量变化的数学函 数关系表达式。设计过程控制系统；整定调节器参数； 指导生产工艺设备设计； 进行试验研究等。方法一：数学分析法，方法二：过程辨识法，22 什么是过程的控制通道和扰动通道？什么是过程的内部扰动和外部扰动？控制通道：控制作用与被控变量之间的信号联系通道。扰动通道：扰动作用与被控变

6、量之间的信号联系通道。23 什么事有自衡能力的过程和无自衡能力的过程？ 当扰动发生后，被控量变化最后达到新的平衡。该过程具有自衡能力，称自衡过程。 当扰动发生后，被控量不断变化，最后不再平衡下来，该过程无自衡能力，称非自衡过程。2-4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W0 (S)=H (S) /Q1 (S)；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：镇一(竺+迤丿=C讐中间变量：消除中间变量AQ2

7、Ahaq3 RR R AQ = CR R 姓 + (R + R )Ah23123 dt32同除 (R2+R3) 得到：令：R =上式可写为：RRn o23R + RRR23R + R23AQ =CR R dAh2 3+ AhR + R dt2323dAhRAQ = CR + Ah1 dt(2) Laplace 变换得到： RQ( S ) = CRSH(S ) + H( S )传递函数:H( s)RW (s)=0Q(s) RCS +113) 过程的方框图：2-5.如图所示：Q1为过程的流入量，Q2为流出流量，h为液位高度，C为容量系数，若以Q1为过程的输入量，h为输出量（被控量），设匕、R2为线

8、性液阻，求过程的传递函数W0(S)=H(S)/Q1(S)0解：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：aq -aq = C 犁12 dtAhAQ二2 R2R AQ = CR21空+ Ahdt传递函数：R Q (S) = CR SH(S) + H(S)2 12H(s) RW ( S ) =2 0 Q (s) CR S +112如果考虑管道长度 l，即出现纯时延，由于管道流量恒定，所以T其传递函数为：W( H(s) R -SW (s) =2 e t0 Q (s) CR S +12 其中：T = Q绘出阶跃响应曲线如下：y( g) - y(0) 101=50.526

9、.设矩形脉冲响应幅值为2 t/h，脉冲宽度为 t=10min，某温度过程的矩形脉冲响应记录数据如下：t(min)13458101516. 5Y(C)0. 461. 73. 79. 019. 026. 436. 037. 5t(min)2025304050607080Y(C)33. 527. 221. 010. 45. 12. 81. 10. 51) 将该脉冲矩形响应曲线转换成阶跃响应曲线；2) 用一阶惯性环节求该温度对象的传递函数。解：将脉冲响应转换成阶跃响应曲线，数据如下：t(min)13458101516. 5Y(C)0. 461. 73. 79. 019. 026. 436. 037.

10、5Y( (t)0. 461. 73. 79. 019. 026. 4一一t(min)2025304050607080Y(C)33. 527. 221. 010. 45. 12. 81. 10. 5Y( (t)59.9一80.991.396.499.2100.3100.8由图y(tl)=0.4y(8), y(t2)=0.8y(g)处可得：tl=14min t2=30.5Kt1/t20.46故二阶系统数字模型为wo(s)=亦万t + t根据经验公式有：T0(s)=亍X 2.16 = 103所有：50.5(10.3S +1)KW (s)二 o0(TS +1)2解:方法一:图解法y( g) y(0)2

11、00.2二 10027某过程在阶跃扰动量Au=20%，其液位过程阶跃响应数据见下表:t/s01020406080100140180260300400500h/cm000. 20. 82. 03. 65. 48. 811. 814. 416. 618. 419. 2(1) 画出液位h的阶跃响应曲线2) 求液位过程的数学模型从图中得到：尸40s, T= 26040=220sW0(S)= Ee T S100e 40 s220S +1方法二：计算法：在图中取y() = 0.33 y(-)y(t2) = 0.39y(-) y(t3) = 0.632 y(-) y(t4) = 0.7 y(-)得 = 12

12、5st2 =140st3 = 225st4 =260ST 沁 2( t 一 t ) = 150s1 3 22t 一t = 55s23T 沁 一i = 168s20.8= 57s可见数据很接近，于是：T = Ti + T2 = 159s0 2T +T=i2 = 56 s2过程数学模型：KW0(s) = TSt1e _T S100e -56S159S +1AlA2 54312110玄9876454321o2 198 7.6 54 3 2 12 8某过程在阶跃扰动AI=1.5mADC作用下，其输出响应数据见下表:t(min)1234567891011 ooY(C)4.04.04.24.85.15.4

13、5.75.85. 855.96.0 6.0解：求出y(s)y(t)值如下表：根据表格在半对数纸上描绘出曲线1，曲线1作直线部分的延长线2， 2线减去1线得到直线3过程放大倍数 K0=1.3y( g 丿-y(0)二 6 _ 4x 1.50根据直线2和直线3,与纵坐标、横坐标构成的两个三角形，可以求出时间参数Ti、I?: 由A?=7, B = 0.1 , = 10st12.303(lgA - lgB )1110s2.303(lg7 - lg0.1)=2.35由 A2= 5， B2= 0.1t2= 6st22.303(lg A lgB )226s2.303(lg5 - lg0.1)=1.53该过程的

14、数学模型为：1.3(2.35 s + 1)(1.53s +1)KW (s)=亠0 (T s + 1)(T s +1)123-1简述DDZ-II和DDD-III型仪表的主要特性。32 DDD-III差压变送器是如何实现零点和量程调整的？3-3有一压力控制系统选用DDZIII压力变送器，其量程为0200kPa。生产工艺要求被 控压力为1502kPa，现将该变送器量程调整到100200 kPa，求零点迁移前后该压力变送器的灵敏度。解： 零点迁移前灵敏度：20 - 4K = 0.08mA/kPa1 200 - 0零点迁移后灵敏度：K =20 - 4= 0.16mA/ kPa1 200 - 10034某

15、DDZm直流毫伏变送器，其零点移到Vio=5mV,零迁后的量程为DC10mV,求该变送器输出I0=10mADC时的输入是多少毫伏?解：分析：零点迁移后510mV对应输出为4 20mA，如右图所示。根据图的几何关系有：ab : ac = eb : deab =竺竺=沁沁1.88dc 16:.I0=10mA时，输入电压为：V =5 + 188 二 688 ( mVDC )in37.说明DDZIII热电偶温度变送器的冷端温度补偿原理。以A和B两种导体组成的热电偶产生的热电势与材料种类和接触点的温度有关。热 电偶产生的热电势与被测温度T具有单值函数关系。但是，其前提条件必须保持冷端温度 T0 不变。E

16、(t,t ) - e (t)-e (t )0 AB AB 0热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且还与冷端温度有关。实际使用中冷端暴 露在仪表之外，受环境影响较大，因此必须进行冷端补偿(温度校正)热电偶冷端温度的补偿方法( 1)补偿导线法(延伸导线法)：用与热电偶热电性质相同的臂长补偿导线(或称延 伸导线)将热电偶的冷端延伸到温度保持恒定的地方。( 2)冷端恒温法：将热电偶的冷端置于恒定温度的容器内或场合内。( 3)冷端温度修正法(计算校正法)：( 4)补偿电桥法：利用不平衡电桥产生相应的不平衡电势补偿由于热电偶冷端温度变 化引起的测量误差。3 8.DDZIII温度变送器是如何使被测温读与

17、输出信号I。成线性关系的？简述热电偶温度 变送器与热电阻温度的线性化原理。39 .DDZ III温度变送器测温范围为8001200C。选择哪一种测温元件较为合适？当输出电流为DC16mA时，被测温度是多少？解：检测温度高于600C ,应选择热电偶测温元件。I。二16mA时，被测温度为：800 ? 12007/C当温度T=8OO + 3OO=11OO( C )3 10 .DDZ-III温度变送器测温范围为400600C。选择哪一种测温元件较为合理?从500C变化到550C时，输出电流变化多少？解:：检测温度低于600C，应选择铂电阻测温元件。20 - 4I/mA20K =-= 0.08mA/C1

18、 600 200温度变化50C时，输出电流变化：A I 0.08 mA/Cx50C =4 mA3 11用标准孔板测量气体流量，给定设计参数p = 08kPa, t=20C。实际被测介质参数 p1 = 0.8kPa, t1 = 30C。仪表显示流量Q = 3800m3h，求被测介质实际流量大小。3 12 一只用水标定的浮子流量计，其满刻度值为1000m3/h,不锈钢浮子密度为7.92g/cm3。 现用来测量密度为0.72g/cm3的乙醇流量，问浮子流量计的测量上限是多少？解：设转子、水、被测液体的密度分别为P、p0、p2 ,由液体流量的修正公式，密度修正系数：K = WO- 720)1000 =

19、逼(P, - P。丿P(7920 -1000 )720根据修正系数求得，浮子流量计的测量上限是：Q= KQ= 1.2x1000 = 1200 m3/h2max0 max41 什么是正作用调节器和反作用调节器？如何实现调节器的正反作用？ 答：输入增加时，调节器输出也随之增加称为正作用调节器；输入增加时，调节器输出减小1 + T STD-1+ksD拉氏反变换得阶跃作用下的时间函数：aV (t)p02KD当 t = t(0+)时，当t = c时寸，由图有：1 + (K - 1)eDV (0+ )二a - V (t)02 O1aV (0+ )二-V (t)02K O1DV -V (二)0202 K=0

20、.632V V (g )02 02-KDtTdVO1(t)% V0.6321V:V1_0TDKd称为反作用调节器。在调节器输入级的输入端设有一个双向开关S7,通过切换改变输入信 号的极性来实现调节器的正反作用。4 3如何测定DDZIII调节器的微分时间TD和积分时间T ?答：一、微分传递函数为W (S) =丄PDKD实验得到曲线后，可以按图求取微分寸间 TD二、积分传递函数：C1 +1TSICM1 + 1KTSIIW (S)=PIC-_KD_V (t)=-K + (K - 1)e k月03CIIMt=0 时，VC(0) - V -03C02MVO2(t)尸8时，V ( g )二-C-K V -

21、03C I 02Mt=T 时：V (g) = -2CV -03C 02M 1144设DDZIII基型调节器的PID参数的刻度值为5 = 0.50, T【=30s, TD=20s。计算实 际值5*、TI*和TD*之值。解：先计算 F :F=1+Td/T= 1+2/3 = 1.675*、T*、TD*之实际值：5* = 5/F = 0.5/1.67 = 0.3TI*=TI/F=17.9TD*=TD/F=11.945数字式完全微分PID控制规律与不完全微分PID控制规律有说明区别？哪种控制规律 的应用更为普遍？答：完全微分型PID算法的微分作用过于灵敏，微分作用持续时间短，容易引起控制系统振荡，降低控

22、制品质。不完全微分是在 PID 输出端串接一个一阶惯性环节，这样，在偏差变化较快时，微分作用不至于太强烈，且作用可保持一段时间。因此不完全微分PID控制 规律更为普遍。4 9某流体的最大流量为80 m3/h，改流体密度为0.16X 10g/cm3，阀前后一压差为O.IMPa,试选择调节阀的公称直径和阀座直径。（要求泄露量小）解：调节阀的流通能力C为：、0.16 x 10 -2C 二 Q 磊二叫 0.1=10.12m3 /h取 C = 12m3 /h查表得 dg= 32mm， Dg= 32mm 。65 调节器的 P、 PI、 PD、 PID 控制规律各有什么特点？它们各用于什么场合？答： 比例控

23、制规律 适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变 化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要 的蒸汽压力的控制等。比例积分控制规律 引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。比例微分控制规律 引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏 差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于 滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。比例积分微分控制规律 可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷 变化大、

24、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。67 在某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热，热物料温度必须满足生产工艺要 求，故设计图所示温度控制系统流程图，画出控制框图，指出被控过程、被控参数和控制参 数。确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器控制规律及其正、反作用方式。解：系统方框图：被控过程为加热炉；被控参数是热物料的温度；控制参数为燃料的流量。加热炉的过程特性一般为二阶带时延特性，即过程为非线性特性。因此，调节阀流量 特性选择对数特性调节阀。根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料，调节阀应选用气开式。即 无气时调节阀关闭。控制器的正反作用的选择应该在根据工

25、艺要求，原则是：使整个回路构成负反馈系统。控制器的正、反作用判断关系为：（控制器“）（控制阀“土”）（对象“土”）二调节阀：气开式为“，” 气关式为“；” 控制器：正作用为“，” 反作用为“；” 被控对象：按工艺要求分析，通过控制阀的物量或能量增加时，被控制量也随之增 加为“；” 反之随之降低的为“；”变送器一般视为正作用。根据安全要求，调节阀选气开式Kv为正，温度变送器Km 般为正，当调节器增加时， 温度值增加，故过程（对象）为正，为了保证闭环为负。所以调节器应为负作用。68 下图为液位控制系统原理图。生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。画出控制系 统框图，指出被控过程、被控参数和控制参数 流

26、量特性、气开、气关形式和调节器的控制规律 方式。解：控制系统框图如下图所示。被控过程为汽包；被控参数是汽包的液位；控制参数为给水的流量。汽包的过程特性为阶带时延特性，即 过程为非线性特性。因此，调节阀流量特性选 择对数特性调节阀。根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料，调节阀应选用气关式。即 无气时调节阀打开。保证在控制出现故障时，汽包不会干烧。调节阀：选择气关式调节阀，故KV为“-”；被控对象：按工艺要求分析，通过给水增加时，被控制参数的液位也会增加。所以K 为 “ + ”；变送器一般视为正作用。控制器的正、反作用判断关系为：（控制器“？ ”（控制阀“-”）（对象“ + ”）二根

27、据判断关系式，调节器应为正作用。6-9某过程控制通道作阶跃实验，输入信号Au = 50，其记录数据见表6-11t/min00.20.40.60.81.01.2y(t)200.1201.1204.0227.0251.0280.0302.5t/min1.41.61.82.02.22.42.6y(t)318.0329.5336.0339.0340.5341.0341.2（1）用一阶加纯时延近似该过程的传递函数，求K。、T。、和t0值。（2 ）用动态响应曲线法整定调节器的PI参数（取p = 1 , 9 = 0.75 ）解：（1）根据表6- 11 得到过程阶跃响应曲线：旳1由图读得 T0 = 1.08

28、mint0 = 0.42 miny( _ y(0)x0341.5 20050W (s)=0二 0.392.82e 0.42S1.08 s +1T 0.42T = 1080.0.2W0.38W1T=0.81-0.08父 2.6 T根据动态特性整定公式有：o = x P 上 + 0.6T0TI=0.8 To =0.74 min6-10对某过程控制通道作一阶跃实验，输入阶跃信号込p =5,阶跃响应记录数据如表所 示。（1）若过程利用一阶加纯时延环节来描述，试求K0、T0、T 0（2）设系统采用PI调节规律，按4： 1衰减比，用反应曲线法整定调节器参数，求5、Ti 。i时间（min）051015202

29、5303540被控量y0. 6500. 6510. 6520. 6680. 7350. 8170. 8810. 9791. 075时间（min）455055606570758085被控量y1. 1511. 2131. 2391. 2621. 3111. 3291. 3381. 3501. 351解： （1）求过程的传递函数，由表作图：从图中可以得到：T 25min = 1500s ； T= = 30min = 1800s采用一阶加时延系统则：KW (s) =0 e-TS0(1 + Ts)0y(g)-y(0) 0.70.5二 1.4将数值代入得：W(s)=01.4e-150S(1 + 180s)

30、(2 )因为t/ T0 = 1500/1800 = 0.83 vl取申= 0.75的有自衡过程的整定公式：a.比例系数5 :T-0.081 T 0.83 - 0.150.83 + 0.68 = 2.6= 2.6 x 2.6 x 0.48 1.24P 丄 + 0.6T0b .积分时间常数T.:iT.=0.8T0=1440 (s)1.4612 已知被控制过程的传递函数气(=(T S +1) ef，其中 T0=6s, t0=3s。试用0响应曲线法整定PI、PD调节器的参数；再用临界比例度法整定PI调节器的参数(设Tk =K10s, 6 k=0.4)；并将两种整定方法的PI参数进行比较。 K解：对有自

31、衡能力的系统p = 1 , T0/ T o = O.5。T-0.088 = 2.6 - 厶=2.6 x 05 - 0.08 沁 0.99P + 0.60.5 + 0.6T0采用特性参数法(响应曲线法)公式及PI控制规律，有：T,=0.8=4.8 (s)对 PD 控制规律调节器，有8= 0.88 = 0.8 x 2.6 x 0.91P0.5 + 0.7T.=0.25t 0=0.75 (s)采用临界比例度法，对PI调节规律：8 = 2.28 = 0.88PT=0.85T =8,5 (s).K两种整定方法得到的结果不同，比例度比较接近、TI相差较大。在工程实践中应该应用不同的整定方法进行比较，选择控

32、制效果最佳方案。72 在串级控制系统的设计中，副回路设计和副参数的选择应考虑哪几个原则？ 答：副回路设计是选择一个合适的副变量，从而组成一个以副变量为被控变量的副回路。副 回路设计应遵循的一些原则：(1) 副参数选择应该时间常数小，时延小、控制通道短的参数作为副回路的控制参数 当对象具有较大的纯时延时，应使所设计的副回路尽量少包括最好不包括纯时延。(2) 使系统中的主要干扰包含在副环内。在可能的情况下，使副环内包含更多一些干 扰。当对象具有非线性环节时，在设计时将副环内包含更多一些干扰。(3) 副回路应考虑到对象时间常数的匹配：T01/T02 = 3 10 ,以防止“共振”发生。(4) 副回路

33、设计应该考虑生产工艺的合理性(5) 副回路设计应考虑经济原则。73 图为加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。工艺要求一旦发生重大事故，立即切 断原料的供应。(1) 画出控制系统的组成框图(2) 确定调节阀的流量特性气开、气关形式副回路选择加热炉炉膛温度控制，消除F1 （S ）干扰。（ 2）由于发生重大事故时立即切断燃料油的供应，从工艺的安全性考虑，调节阀选择气开式，保证无气时调节阀关闭。（3 ）主调节器选择PI （或PID）控制规律，副调节器选择P调节规律。由于燃料增加加热炉温度必然增加，所以过程为正。调节阀气开式为正，根据表74 可知 主副调节器都选择正作用方式。75某温度一温度串级控制系

34、统，主调节器采用PID控制规律，副调节器采用P控制规律。 采用两步整定法整定主、副调节器的参数，按4： 1衰减比测得& 1S = 0.12, 6 1S = 0.5 , T1S = 140s, T2S=12s。求主、副调节器参数的整定值。解：按照 4：1 两步整定法经验公式：主调节器（温度调节器）：揑制规疔、T |/minpp12PID0昭DMO.lTt比例度 Q =0.8 x几= 0.8x0.12 = 9.6%11S积分时间常数 TI=0.3xT1S=42 sI1S微分时间常数：TD = 0.1xT1s = 14 s1S副调节器：比例度 =兀=50%78用蒸汽加热的贮槽加热器，进料量Q稳定，而Q的初始温度T1有较大波动，生产工 艺要求槽内物料温度T恒定。Q2为下一工艺的负荷，要求Q2的温度为T。试设计一过程控 制系统，并画出控制系统框图。解：应用前馈反馈控制系统对冷物料进行前馈补偿 控制、对被控参数：出口热物料进行反馈控制。系统 控制流程图如下图所示。控制系统组成框图：W (s)其中 w (s) = f前馈补偿器传递函数FFW(S)0