过程控制考试题库终结版要点.doc

1 （5分）某控制系统用稳定边界法分别整定控制器参数，已知临界比例度，试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。稳定边界法计算表如下。控制参数控制作用P2-PI2.20.85-PID1.70.50.13解：对于PI 控制器查表得：对于PI D控制器查表得：2 （5分）某控制系统用4：1衰减曲线法分别整定控制器参数。将积分时间调至最大，微分时间调至最小，对系统施加阶跃信号，经过调节后系统的衰减比为4：1，此时记录下来的比例度和时间参数。试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。4：1衰减曲线整定经验参数表如下。控制参数控制作用P-PI1.20. 5-PID0.80.30.1解：对于PI 控制器查表得：对于PI D控制器查表得：3 （10分）一个流量双闭环比值控制系统如题5.2图所示。其比值用DDZ-型乘法器实现。已知，。求：a) 画出控制系统的结构图。b) 当时，比值控制系统的比值及比值系数分别为多少。c) 待比值系统稳定时，测得，试计算此时的为多大。题5.2图 流量双闭环比值控制系统原理图解：1) 由于得所以 2) 由仪表的比例系数定义， 得：即：4 一个比值流量控制系统用DDZ-型乘法器来进行比值运算，其原理图如题3图所示。流量用孔板配差压变送器来测量，但没有开方器，已知kg/h，kg/h。a) 试画出比值控制系统的结构图。b) 如果要求比值为，应如何设置乘法器的设定值。（乘法器的输出）题3图 单闭环乘法比值控制系统原理图解：流量的最大量程分别为，。流量与检测电流的关系为，流量比值为，乘法器的输出为。稳态时有，即：，。不加开方器情况，要进行非线性处理：乘法器的设置值：六、 应用题（15）1. 为了获得被控对象的动态特性，常用的实验方法之一是给被控对象施加一个阶跃扰动信号，观察其响应，从而有观察到的信息分析其特性。但由于某些生产过程的被控对象不允许长时间施加这样的干扰信号，所以人们采用矩形脉冲信号取代阶跃扰动，获得观测数据，再将脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线，以便于特性提取。题图6为一个矩形扰动脉冲x（宽度为t0，高度为A）施加到被控对象上的响应曲线y。用所学过的控制理论知识，将该脉冲响应曲线转换成高度为A的阶跃信号响应曲线。要求分析转换机理，写出转换步骤。 题6图 矩形脉冲输入/输出曲线 阶跃响应曲线答：设被控对象特性为线性特性，由叠加原理，输入一个矩形脉冲信号，相当于施加两个阶跃信号，一个在t=0处，另一个在t=t0处。设阶跃响应为y1，将所测绘的响应曲线按时间间隔t0等分。在第一区间，y1(t0)= y1(t0)。在第二区间y1(2t0)= y(2t0)+ y1(t0)。第三区间，y1(3t0)= y(3t0)+ y1(2t0)。以此类推，将前一区间的阶跃响应曲线叠加到本区间的脉冲响应曲线上，即可得到本区间的阶跃响应曲线。其响应曲线见下图。2. 为了获得被控对象的动态特性，常用的实验方法之一是给被控对象施加一个阶跃扰动信号，观察其响应，从而有观察到的信息分析其特性。但由于某些生产过程的被控对象不允许长时间施加这样的干扰信号，所以人们采用矩形脉冲信号取代阶跃扰动，获得观测数据，再将脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线，以便于特性提取。题图6为一个矩形扰动脉冲x（宽度为t0，高度为A）施加到被控对象上的响应曲线y。用所学过的控制理论知识，将该脉冲响应曲线转换成高度为A的阶跃信号响应曲线。要求分析转换机理，写出转换步骤。 3. 在某一蒸汽加热器的控制系统中，用响应曲线法进行参数调整。当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85升到87.8，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50100，并测出纯滞后时间t0=1.2min, 时间常数T0=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数（响应曲线法控制器参数整定经验公式见附表）。解：输入增量为：mA输出增量为：输入量程差为：mA输出量程差为：所以，由查表得：在选用PI控制器时，min在选择PID控制器时，minmin4. 用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。试问：实际温度应为多少？答：如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时显示仪表的指示值应为多少？ *解：显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV，由于这个电势是由热电偶产生的，即 同样，查表可得：由23.076mV查表可得：t=557。即实际温度为557。 当热端为557，冷端为20时，由于E（20，0）=0.798mV,故有：由此电势，查表可得显示仪表指示值应为538.4。 5. （12）某生产过程需要甲乙两种液体，甲液体的正常流量为1250m3/h，仪表量程为0-1350m3/h；乙的正常流量为150m3/h，仪表量程为0-240m3/h。如果选甲为主变量，乙为副变量，设计一个控制乙的单闭环比值控制系统，画出流程图并计算引入开方运算与不引入开方运算所分别设置的比值系数。 答：采用乘法器的单闭环比值控制流程框图如图所示。（其中Q1为甲流量，Q2为乙流量） : Q1的量程上限，: Q2的量程上限，: Q1的量程下限，: Q2的量程下限。1 引入开方器时，比值系数为： 2 不引入开方器时：6. 设计一个比例、积分(PI)调节器，控制一个温度调节系统。控制器的调节范围为：0-3000，控制器的输出为4-20mA。当给定被控对象一个如图(a)所示的阶跃输入时，测定的被控对象响应曲线如图(b)所示（响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表）。要求：计算出控制器的控制参数，画出控制系统方框图。响应曲线法控制器参数整定经验公式表调节规律调节参数比例度%积分时间TI微分时间TDP(K00/T0)100%PI1.1(K00/T0)100%3.30PID0.85(K00/T0)100%200.50 答：由已知条件得：控制器的调节范围上下限为：和，控制器的输入上下限为mA和mA，由测试数据得，当输入信号从4mA变化到18mA时，被控对象输出信号从0变化到2500。由此得广义被控对象的放大系数，在测得的曲线上找拐点A，作切线交于B、C点，如下图。图中的读数约为：，。所以，。由表中查得PI控制器的比例度计算公式为积分常数为：控制系统方框图见下图广义被控对象PI控制器7. 已知已被控对象的传递函数为在阶跃扰动变化（从变化到）的作用下，其响应曲线如下图所示。使用阶跃响应曲线确定被控对象的传递函数中的各参数，和。二阶被控对象响应曲线上各特征值关系曲线图见附图。答：曲线的起始点为，在曲线中找到拐点，过拐点作切线交于、。1) 在阶跃响应特性曲线上确定出，2) Wei 3) Wei 4)8. 对于有自衡能力的二阶被控对象的传递函数为：其单位阶跃响应曲线如下图。用图解法确定此二阶被控对象传递函数的参数， 和。其中与的相互关系表见附表。答：由于输入为单位阶跃输入，被控对象的放大系数为。和的确定步骤如下：1） 过响应曲线的拐点A作切线；2） 分别交B、C、D和E点，并求得CD和BE值；，3） 从附表中求得与BE值对应的m值。4） 由，解得5） 9. 对于一个热交换系统设计一套前馈-反馈复合控制装置，系统的管道仪表流程图如图所示。已知被控对象和执行装置的传递函数近似为（其中， ），反馈通道检测变送装置的传递函数为（其中），扰动通道的传递函数近似为（其中， ）前馈通道检测变送装置的传递函数为（其中）。试在反馈通道上设计一个PID控制器，在前馈通道上设计一个前馈控制器。要求：设计控制器，计算出各控制器的控制参数，并画出可实施的控制系统方框图。注：响应曲线法控制器参数整定经验公式见下表调节规律调节参数比例度%积分时间TI微分时间TDP()100%PI1.1()100%3.3PID0.85()100%20.5图题6解：2 反馈通道主控制器的设计用响应曲线法设计反馈通道的PID主控制器，系统被控对象的广义传递函数可近似为其中， 由查表可得：PID控制器的方框图为：3 前馈通道的前馈控制器设计由 不变性条件得：是一个具有超前性质和纯滞后的前馈补偿器。的物理实现方框图见下图，其中：，计算的物理实现就本系统来讲，远比，小，所以可近似为一个惯性环节，即：所以，前馈控制器的物理实现图见下图 13