过程控制与自动化仪表 第二版 (潘永湘 杨延西 赵跃 编著 著) 机械工业出版社 课后答案1

第一章绪论2.（1）解：图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节1q （流量）来实现液位控制的作用。

系统框图如下：控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差()t e 、控制量()t u ；执行器输入输出分别为：控制量()t u 、操作变量()t q 1；被控对象的输入输出为：操作变量()t q 1、扰动量()t q 2，被控量h ；所用仪表为：控制器（例如PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。

2.（4）解：控制系统框图：被控参数：汽包水位控制参数：上水流量干扰参数：蒸汽流量变化第二章过程参数的检测与变送1.（1）答：在过程控制中，过程控制仪表：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。

调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。

执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。

气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa 的模拟气压信号。

电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。

各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。

过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mA DC，负载250Ω；模拟直流电压信号为1~5V DC。

1.（2）解：课后答案k h da w .c o m由式%1001×=CK δ可得:1=C K 比例积分作用下u ∆可由下式计算得出：()()mAdt dt t e T t e K u I c 3211140=+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∆∫∫mAmA mA u u u 963)0(=+=+∆=经过4min 后调节器的输出9mA.2.（5）解：调节器选气开型。

当出现故障导致控制信号中断时，执行器处于关闭状态，停止加热，使设备不致因温度过高而发生事故或危险。

2.（6）解：（1）直线流量特性：10%：22.713.0100%74.62%13.0−×=50%：61.351.7100%18.57%51.7−×=80%：90.380.6100%12.03%80.6−×=线性调节阀在小开度时流量的相对变化量大，灵敏度高，控制作用强，容易产生振荡；而在大开度时流量的相对变化量小，灵敏度低，控制作用较弱。

由此可知，当线性调节阀工作在小开度或大开度时，它的控制性能较差，因而不宜用于负荷变化大的过程。

（2）对数流量特性10%：6.58 4.67100%40.90%4.67−×=50%：25.618.3100%39.89%18.3−×=80%：71.250.8100%40.18%50.8−×=对数流量特性调节阀在小开度时其放大系数v K 较小，因而控制比较平稳；在大开度工作时放大系数v K 较大，控制灵敏有效，所以它适用于负荷变化较大的过程。

（3）快开流量特性10%：38.121.7100%75.58%21.7−×=课后答案网 ww w.kh d50%：84.575.8100%11.48%75.8−×=80%：99.0396.13100% 3.02%96.13−×=快开流量特性是指在小开度时候就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快达到最大，快开流量特性的调节阀主要用于位式控制。

第四章被控过程的数学模型1.(4)解:(1)由题可以列写微分方程组:1232233d h q q q Cdt h q R h q R ⎧∆∆−∆−∆=⎪⎪⎪∆∆=⎨⎪⎪∆∆=⎪⎩(2)过程控制框图(3)传递函数01()()/()G S H S Q S =0123()()/()1/(1/1/)G S H S Q S CS R R ==++2.(1)解:首先由题列写微分方程⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧∆−∆=∆∆=∆∆=∆∆=∆−∆∆=∆−∆2132322232121hh h R h q R h q dt h d Cq q dth d C q q 消去2q ∆、3q ∆，得：dth d CR h q 121∆=∆−∆课后答da w .c o mdth d C R h R h 2322∆=∆−∆可得：dth d CR h R h q ∆=∆+∆−∆32212则有：32122R R h q dt h d C h ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∆+∆−∆=∆消去中间变量2h ∆可得：dt q d CR q h R dt h d R R C dt h d R C 1312232232112∆+∆=∆+∆⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++∆可得：()()()2232323101121R S R R C S R C S CR s Q s H s G +⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++==第五章简单控制系统的设计1.(13)解:(1)只讨论系统干扰响应时，设定值0r T =。

由01 5.4K =,021K =, 1.48d K =,015min T ＝,02 2.5min T ＝，则被控对象传递函数：5.4(51)(2.51)T s s =−+扰动传递函数:5.41.48()7.992(51)(2.51)5.4()1(51)(2.51) 5.41(51)(2.51)d c cck T Y s s s F s k T s s k k s s ⋅⋅−+===+⋅−++⋅+⋅−+当10F ∆=， 2.4c K =时，则有：2()7.992()()12.5 2.511.96Y s G s F s s s ==++1122121223()()()()()()7.9921079.92()()()12.5 2.511.9612.5 2.511.96F Y s G s F s Y s G s F s T Y Y Y G s F F G s F s s s s s s⎧⎪=⋅⎪=⋅⎨⎪⎪=∆=−=−=⋅∆=⋅=++++⎩经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应0.10.1() 6.682cos(0.9730)0.6867sin(0.9730) 6.682t t F T t e t e t −−=−⋅⋅−⋅⋅+a)同理可得出当10F ∆=，0.48c K =时，则：2()7.992()()12.5 2.5 1.5920Y s G s F s s s ==++12122327.9921079.92()()()12.5 2.5 1.592012.5 2.5 1.5920F T Y Y Y G s F F G s F s s s s s s=∆=−=−=⋅∆=⋅=++++经过反拉氏变换之后可得出：系统干扰响应0.10.1()50.2050.20cos(0.3426)14.65sin(0.3426)t t F T t e t e t −−=−⋅⋅−⋅⋅(2)只讨论系统设定值阶跃响应时，干扰输入0F =课后答案网 ww w.k h da w.c o m5.4()()()1(51)(2.51) 5.4c cr c ck T k Y s G s T s k T s s k ⋅===+⋅−++已知2r T ∆=a）当 2.4c K =时，325.42.4225.92()(51)(2.51) 5.42.412.5 2.511.96R r T G s T s s s s s s⋅=⋅∆=⋅=−++⋅++反拉氏变换：系统设定值阶跃响应：0.10.1() 2.167cos(0.9730)0.2227sin(0.9730) 2.167t t R T t e t e t −−=−⋅⋅−⋅⋅+b)当0.48c K =时,325.40.482 5.1840()(51)(2.51) 5.40.4812.5 2.5 1.5920R r T G s T s s s s s s⋅=⋅∆=⋅=−++⋅++系统设定值阶跃响应：0.10.1() 3.256 3.256cos(0.3426)0.9505sin(0.3426)t t R T t e t e t −⋅−⋅=−⋅⋅−⋅⋅⋅3）c K 对设定值响应的影响：增大c K 可以减小系统的稳态误差，加速系统的响应速度。

c K 对干扰的影响：增大c K 可以对干扰的抑制作用增强。

2.(6)解:由图可以得到，40τ=，023040190T =−=，()()039/1000 1.560.02/0.10.02K −==−⋯对象增益对应0111.56K ρ==，再查表得PI 控制器参数结果。

01.1401.1 1.560.361190T τδρ==××=；1 3.3 3.340132T τ==×=s1）液位变送器量程减小，由公式minmax minmax 0u u uy y yK −∆−∆=，此时Ymax 减小，y ∆不变，对象增益0K 放大1倍，相应ρ缩小1倍。

此时查表得到的δ应加大。

课后答案网 ww w.kh da w .c o m3.(1)解:1、被控参数：热水温度2、控制参数：蒸汽流量3、测温元件及其变送器选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。

4、调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度的考虑，选择气开阀；调节器选PID或PD 类型的调节器；由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故v K 为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故0K 为正，测量变送m K 为正，为使整个系统中各环节静态放大系数乘积为正，调节器c K 应为正，所以选用反作用调节器。

第6章常用高性能过程控制系统1.(12)解:1）画出控制系统的框图2）调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以便切断蒸汽的供应，确保设备的安全。

3）主调节器：反作用方式；副调节器：反作用方式。

对于副回路，v k 气开为正，02k 为正，2m k 为正，所以有2c k 为正，即副调节器为反作用方式；对于主回路，v k 为正，01k 为正，1m k 为正，所以有1c k 为正，即主调节器为反作用方式。

1.(13)解:按4:1衰减曲线法测得数据，由表5-3（P162页）得：副调节器采用P 调节规律，查表得：2244%s δδ==主调节器采用PID 调节规律，查表得：%648.011==s δδ，min 33.01==s I T T ，min11.01==s D T T 2.(4)课后答案网 w.c o m解：1）前馈－串级复合控制系统:取进料流量)(s F 作为前馈信号，经前馈控制器输出控制作用到调节阀。