《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案2

潘永湘 杨延西 赵跃版 答案 2

第一章绪论

2-（1）简述下图所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

q

解：本图为液位控制系统，由对象水箱、液位检测、反馈控制回路组成，为了达到对液位（h）控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节q1的流量达到液位控制的作用。系统框图如下：

控制器输入输出分别为：液位设定值与反馈值之差e(t)、控制量u(t)；执行器输入输出分别为：控制量u(t)、进水流量q1(t)；

被控对象的输入输出为：进水流量q1(t)、出水扰动量q2(t)，被控量液位h；

（3）某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于等于5﹪，要求设计的2-2-（

定值控制系统，在设定值作阶跃干扰时的过渡过程曲线如下图所示。要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间。2）说明该系统是否满足工艺要求。

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解：

1）由上图可得y(∞)=810℃，设定值r=800℃,B1=850 810=40,=800℃

B2=820 810=10

℃-810℃= 10℃稳态误差e(∞)=r y(∞)=800800℃-810℃衰减比：n=

B140

==4:1B210

y(tp) y(∞)y(∞)

100%=

850 810

100%=4.938%810

最大超调量：δ=

过渡过程时间ts：大概在17min左右

2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为800℃，而最后趋于稳定的

值却为810℃，因此不满足工艺要求。

第三章过程控制仪表

（2）某比例积分调节器的输入输出范围均为：4-20mADC,若设δ=100%，T1=2min，1-1-（

稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA，试求经过4min后调节器的输出。解：由式δ=

1

×100%可得:KC=1KC

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比例积分作用下 u可由下式计算得出：

114

u=Kc e(t)+∫e(t)dt =1+∫dt=3mA

TI20

u= u+u(0)=3mA+6mA=9mA

经过4min后调节器输出为9mA。

（7）数字式控制器有哪些主要特点？简述其硬件的基本构成。1-1-（

答：数字式控制器的主要特点：1、采用了模拟仪表与计算机一体的设计方法，使数字式控制器的外形结构、面板布置、操作方式等保留了模拟调节器的特征。2、与模拟调节器相比具有更丰富的运算控制功能。3、具有数据通信功能，便于系统扩展。4、可靠性高具有自诊断功能，维护方便。

数字式控制器的硬件电路由主机电路，过程输入通道、过程输出通道、人/机联系部件、通信部件等。

（9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执1-1-（

行器有何特点？

答：执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。

在过程控制系统中，它接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入和流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。

电动执行器的特点：能源取用方便、信号传输速度快、便于远传，但结果复杂、价格贵，适用于防爆要求不高或缺乏气源的场所；气动执行器：结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆。

（5）冷物料通过加热器用蒸汽对其加热。在事故状态下，为了保护加热器设备的安全，2-2-（

即耐热材料不被破坏，现在蒸汽管道上有一只气动执行器，试确定其气开、气关形式，并画出由PID

调节器构成的控制系统结构框图。

解:调节器选气开型。当控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不致因

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温度过高而发生事故或危险。

第四章被控过程的数学模型

（1）如下图所示，q1为过程的流入量，q2为流出量，h为液位高度，C为容量系数。2-2-（

若以q1为过程的输入量，h为输出量（被控量），设R1、R2为线性液阻，求过程的传递函数G0(s)=

H(s1(s)

。

1和2中的高度分别为h1、h2，

根据动态平衡关系，可得如下方程组：

d h1 q q=C(1)2 1

dt

q q=Cd h2(2)3 2dt

h q=(3) 2

R2

h

(4) q3=2

R3

h= h h(5)12

消去 q2、 q3，将式（3）（4）代入（1）（2）可得：

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q1

hd h1

（6）=C

R2dt

（7）

h h2d h2 =CR2R3dt

由式（6）（7）可得： q1 2

h h2d h

+=CR2R3dt

h

（8）

则有： h2= Cdt q1+2R R3

2

d h

将式（8）代入（7）消去中间变量 h2可得：

2R3 d h1d2 hd q1

CR3+C+1+ h= q+CR13 R dtdt2R2dt 2

2

对上式求拉普拉斯变换可得：G0(s)=

H(s1(s)

=

1+CR3S

2R3 1

C2R3S2+C +1S+ R R2 2

（2）已知两个水箱串联工作，其输入量为q1，流出量为q2、q3，h1、h2分别为两个水箱2-2-（

的水位。h2为被控参数，C1、C2为容量系数，假设R1,R2,R12,R3为线性液阻。要求：

1）列出该液位过程的微分方程组。2）画出该过程的框图

3）求该液位过程的传递函数G0(s)=

H2(s)

1(s)

1）该液位过程的微分方程组如下：

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q q q=Cdh1

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