第10章_典型过程控制系统设计-过程控制与自动化仪表_第二版-潘永湘答辩

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第一章绪论 . (2)1.1引言 (2)1.2 国内外控制系统状况 (2)第二章控制系统设计 (4)2.1生产工艺及加热炉简介 (4)2.2 控制系统的设计思想和总体方案 (6)2.2.1 控制系统的设计思想 (6)2.2.2 控制系统的设计方案 (6)2.3 控制回路的参数选择 (9)2.4 主、副调节器调节规律的选择 (9)2.4.1 调节规律分析 (9)2.4.2 调节规律的确定 (10)2.5主、副调节器选用 (11)2.6主、副电路检测变送器的确定 (12)2.6.1 温度检测元件 (12)2.6.2 温度变送器 (13)2.7 调节阀的确定 (13)2.8 联锁保护 (14)第三章结束语 (15)参考文献 (16)第一章绪论1.1引言近年来，轧钢生产中所涌现的新技术、新工艺主要是围绕节约能源、降低成本、提高产品质量、开发新产品所进行的。

在节能降耗上，主要技术是：连铸坯热送热装技术、薄板坯连铸连轧技术、先进的节能加热炉等；在提高产品性能、质量上，主要技术是：TMCP 技术、高精度轧制技术、先进的板形、板厚控制技术、计算机生产管理技术等；在技术装备上，主要是大型化、连续化、自动化，即热轧带钢、冷轧带钢的连续化，实现无头轧制、酸轧联合机组、连续退火及板带涂层技术等。

这些技术的应用可极大地提高产品的竞争能力。

以节能降耗为目标的新技术。

加热炉炉温的控制直接影响到生产质量和能耗的多少。

所以加热炉控制系统的优化控制方案有待解决！1.2 国内外控制系统状况一、国外控制系统的发展情况自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。

自动化专业《过程控制与自动化仪表》课程设计大纲设计时间：1周学分数：1.0编写者：潘永湘编写日期：2006年3月一、课程设计的目的1、熟悉生产过程控制系统的组成、结构及功能原理；2、掌握过程控制系统的设计方法，并通过图纸资料和文字资料的形式表达；3、通过基本实验技能的训练，提高学生分析与解决实际问题的能力。

二、课程设计的内容与要求（一）课程设计的内容与题目1、绘制工艺控制图，其中包括温度系统控制图，液位系统控制图；2、绘制管道仪表流程图；3、列写仪表的规格、型号的清单；4、绘制各控制系统的整体图纸。

（二）课程设计的方法与程序1、熟悉工艺流程；2、确定控制方案，完成工艺流程图；3、仪表选型，编制有关仪表信息的文件；4、控制室（或实验室）平面图的设计；5、节流装置和调节阀的计算；6、仪表供电系统的设计；7、完成有关的设计文件，编写文件目录等。

（三）要求1、根据题目与内容提出设计方案，划出工艺图纸；2、根据设计方案进行仪表校验、各仪表间的连接构成控制系统；3、进行系统实验，进行参数整定，直到符合性能指标；4、撰写课程设计报告，字迹工整、内容全面、图表清晰、规范；5、对设计内容进行答辩。

三、课程设计报告（论文、作业）的要求1、课程设计的题目；2、课程设计的目的与意义；3、课程设计的要求；4、同组人员姓名与分工；5、画出所设计的控制系统的有关图纸并写出有关文字说明；6、写出系统调试步骤、记录相关数据，并对实验结果进行分析；7、对课程设计进行全面总结。

四、课程设计考核与成绩评定1、课程设计过程（占30%）2、课程设计验收并答辩（占30%）3、考勤与纪律（占10%）4、课程设计报告（占30%）五、课程设计纪律及注意事项1、严格遵守实验室各项规章制度，听从指导教师的安排；2、爱护实验室设备，并按正确的操作方法使用设备；3、未经老师允许而又非正常操作设备而导致设备损坏者，除影响考核成绩外，视损坏程度作出相应的赔偿；4、注意安全，同组成员应互相协作，共同完成课程任务；5、接线完成后，须经指导教师检查后方可送电；6、严禁在实验室从事与课程设计无关的事情。

可编辑修改精选全文完整版一、简答题1、分析如图所示的用不平衡电桥进行热电偶冷端温度补偿方法的原理。

答：热电偶测温时要保持冷端温度恒定。

采用不平衡电桥可以对热电偶冷端温度的变化进行补偿，其原理是：将热电偶与不平衡电桥串连，两者输出之和进入显示仪表。

而不平衡电桥的一个桥路选择热电阻，其它3个桥臂阻值恒定。

测温时，将热电阻与热电偶的冷端置于同样的温度环境下。

在某设计的冷端温度下，电桥平衡，输出为0。

当冷端温度升高时，热电偶的输出减小，但热电阻的阻值随着温度的升高而增加，从而引起电桥输出增加。

通过合理选择桥路参数，可以在一定冷端温度变化范围内，使得热电偶输出电势减小的数值与不平衡电桥输出相等，从而实现冷端温度补偿。

冷端温度减小时，同样也能实现冷端温度补偿。

2、什么叫气动执行器的气开、气关式？其选择原则是什么？答：随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。

气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定。

一般来说，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选择气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的选择气关式。

3、调节器参数整定的任务是什么？工程上常用的调节器参数整定方法有哪几种？答：调节器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定调节器的最佳参数值，包括比例度、积分时间、微分时间，以便系统能获得好的控制品质。

调节器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。

4、在什么场合选用比例、比例积分和比例积分微分调节规律？答：比例调节规律适用于负荷变化较小、纯滞后不太大而工艺要求不高、又允许有余差的控制系统。

比例积分调节规律适用于对象调节通道时间常数较小、系统负荷变化较大，纯滞后不大而被控参数不允许与给定值有偏差的调节系统。

比例积分微分调节规律适用于容量滞后较大、纯滞后不大、不允许有余差的调节系统。

5、什么是积分饱和现象？有哪些措施防止该现象的发生？答：当控制系统长期存在偏差，积分控制作用输出会不断增加或减小，直到输出超过仪表范围的最大值或最小值而达到仪表所能达到的极限最大或最小值。

《自动化仪表与过程控制》课程标准课程代码课程类别专业课程课程类型理实一体课程课程性质必修课程课程学分3学分课程学时48学时修读学期第4学期适用专业电气自动化技术合作开发企业一汽轿车有限公司、长春轨道客车股份有限公司执笔人杨华、陈刚审核人杨华1．课程定位与设计思路1．1课程定位自动化仪表与过程控制课程是电气自动化技术专业的一门专业核心课程，专业必修课程。

本课程的作用是通过学习性的工作任务教学方式，采取情境教学方法培养学生具有相应的构建过程控制系统和综合分析能力。

本课程通过前修课程高等数学、电工基础、传感器与自动检测的学习，将传感器在过程控制系统中应用和电学相关的简单电路知识融合在本课程的教学中，使复杂的理论知识变的简单，便于学生理解和掌握；通过前修课程自动控制系统中反馈控制系统、前馈控制系统等控制方案的学习，应使学生了解自动控制系统方框图的原理，并能进行初步设计。

为后续的生产过程自动控制实训、毕业设计的学习打下必要的理论知识和实践基础。

1．2设计思路整个课程设计一个大的总体项目——电加热锅炉自动控制系统开发与实施。

设计自动化仪表与过程控制系统的认识与描述、检测变送仪表、控制仪表、执行器及安全栅、被控过程的数学模型、简单控制系统的设计、提高控制质量的控制系统、满足特定要求的过程控制系统共计六个教学环节，通过“教、学、做”一体化的教学方法，熟悉过程控制系统组成原理、学会仪表的使用、掌握系统调试方法，综合应用知识与各种方法，最终具备能够分析设计符合各种要求的综合过程控制系统的能力。

学习项目一预计参考学时为4学时，学习项目二预计参考学时为12学时，学习项目三预计参考学时为4学时，学习项目四预计参考学时为12学时。

学习项目五预计参考学时为10学时，学习项目六预计参考学时为6学时。

达到本学习领域的能力培养目标可获3学分。

2．课程目标在掌握过程控制基本理论和常用控制仪表知识的基础上，能熟练地使用与维护常用控制仪表，能熟练地运行与维护常用过程控制系统，较熟练地掌握简单控制系统的开发与组织实施能力。

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。

2q 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1q 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()t e 、控制量()t u ；执行器输入输出分别为：控制量()t u 、进水流量()t q 1；被控对象的输入输出为：进水流量()t q 1、出水扰动量()t q 2，被控量液位h ；2-2-（（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。

课w.kh da .c o m解：1）由上图可得()810y ∞=℃，设定值r =800=800℃℃,185081040B =−=,282081010B =−=稳态误差()∞e ()r y =−∞=800800℃℃-810-810℃℃=10−℃衰减比：1:4104021===B B n 最大超调量：()()850810100%100% 4.938%()810p y t y y δ−∞−=⋅=⋅=∞过渡过程时间s t ：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1-1-（（2）某比例积分调节器的输入输出范围均为：4-20mA DC ,若设100%δ=，12min T =，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%1001×=CK δ可得:1=C K 课后答案网 ww w.kh da w .c o m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 后调节器输出为mA 9。

过程控制工程第二版课后答案【篇一：过程控制工程2-4章答案(孙洪程著)】2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。

因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。

(1) 串级控制系统具有更高的工作频率；(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。

主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。

控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。

这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。

即sign{g01(s)}sign{g02’(s)}sign{gm1(s)}sign{gc1(s)}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。

实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。

当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。

2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此对它要求比较严格。

而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。

此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数kc1与kc1的乘积等于ks(ks为主变量呈4：1衰减振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。

1.1.1如下图所示为系统的连接图，其中水流量作为检测副回路，温度作为检测主回路下图为系统的方框图，如图所示1.2当冷水流量突然增大，副回路首先检查到流量的变化，从而调节电磁阀，限制冷水流量；然后是炉内检测到温度下降，主回路作用调节阀，同样减小电磁阀开度，这样提高了整个系统的控制精度2.采用两点法计算一阶惯性环节函数：Matlab代码：>> t=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100];h=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3]; %阶跃响应数据plot(t,h);xlabel('时间t(s)');ylabel('液位h(mm)');grid on;hold on;ht1=0.39*6.3;ht2=0.63*6.3;plot([0,100],[ht1,ht1]); hold on;plot([0,100],[ht2,ht2]); >> [x,y]=ginput(1) [x1,y1]=ginput(1) x = 18.4783 y = 2.4533 x1 = 26.8904 y1 = 3.9841>> gtext('t1= 18.3573 ') gtext('t2= 27.0628 ') >> T=2*(x1-x) T = 16.8242 tao=2*x-x1tao = 10.0662根据Matlab 得到的数据可得： T=2(t2-t1)=16.8242 Γ=2*t1-t2=10.0662由上可得se s s G 1018.1663)(-+=根据该传递函数G （s ）可在simulink 中仿真得到如下框图：631.03.6)0()(==∆-∞=u h h KTransport DelayTransfer Fcn63den (s)StepScopePID ControllerPID采用柯恩-库恩方法整定PID 参数：在Matlab 中输入如下命令： >> Kp=(0.9*(T/tao)+0.082)/63 Kp =0.0252 >> x=tao/T x =0.5983>> Ti=((3.33*x+0.3*x*x)/(1+2.2*x))*T Ti =15.2516 >> Ki=Kp/Ti Ki =0.0017可得：Kp=0.0252 Ti=15.2516 Ki=0.0017在simulink 中的PID 控制器输入Kp 和Ki 可得如下的曲线：0204060801001201401601802000.511.5经修改后的 Kp=0.0068 Ki=0.00675得到如下曲线更好)](2.21/[])(3.0)(33.3[082.0)(9.021T T T T T T K K I P ττττ++=+=-0204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.43.控制器类型 由阶跃响应整定 由频域响应整定 K pT i T d K p T i T d P 控制器 τK T 0.5K c PI 控制器 τK T9.0 3τ 0.4K c 0.8T c PID 控制器 τK T2.1 2τ0.5τ0.6K c0.5T c0.12T cPID 控制器参数的Ziegler ─Nichols 经验整定公式3.1先整定副回路TransportDelayTransfer Fcn 1130s+1Transfer Fcn110s+21s +12s+132StepScope 1ScopePID Controller 1PID PID ControllerPID当Kp=9.6 Ts=14.76-5.97=8.79 衰减比约等于41020304050607080901000.20.40.60.811.21.4根据阻尼振荡整定公式可知：Kp=1/1.2δs=8 Ki=Kp/Ti=Kp/0.3Ts=3.03 Kd=Kp*Td=Kp*0.1Ts=7.0321020304050607080901000.20.40.60.811.21.41.61.8加入主回路后：TransportDelayTransfer Fcn 1130s+1Transfer Fcn110s+21s +12s+132StepScope 1ScopePID Controller 1PID PID ControllerPID当Kp=2.7 Ts=74.62-23.84=40.78 衰减比约等于4204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.4根据阻尼振荡整定公式可知：Kp=1/1.2δs=2.37 Ki=Kp/Ti=Kp/0.3Ts=0.19 Kd=Kp*Td=Kp*0.1Ts=11.7720406080100120140160180200-10-8-6-4-202468x 1012经过经验整定：kp=1.97 Kp=0.08 Kd=0204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.43.2延时加入副回路中的整定：TransportDelayTransfer Fcn 1130s+1Transfer Fcn110s+21s +12s+132StepScope 1ScopePID Controller 1PID PID ControllerPID0204060801001201401601802000.10.20.30.40.50.60.70.80.9当Kp=1.1时 Ts=66.3-27.2=39.1 衰减比约为4:1根据阻尼振荡整定公式可知：Kp=1/1.2δs=0.92 Ki=Kp/Ti=Kp/0.3Ts=0.094 Kd=Kp*Td=Kp*0.1Ts=4.3204060801001201401601802000.20.40.60.811.21.4加入主回路后：TransportDelayTransfer Fcn 1130s+1Transfer Fcn110s+21s +12s+132StepScope 1ScopePID Controller 1PID PID ControllerPID频率曲线：Kp=1.3Ts=114.2-47.1=67.10501001502002503000.10.20.30.40.50.60.70.80.9根据阻尼振荡整定公式可知：Kp=1/1.2δs=1.08 Ki=Kp/Ti=Kp/0.3Ts=0.065 Kd=Kp*Td=Kp*0.1Ts=8.7250100150200250300-8-6-4-202468x 1012经过经验整定后：Kp=0.98 Ki=0.055Kd=00501001502002503000.20.40.60.811.21.44.4.1如下图所示，为系统的连接图系统连接图 如图示为画出的系统方框图系统方框图 4.2判断进水阀的气开气关形式答：当进水阀为气关的时候，也就是说执行器通电时，进水阀关闭，系统停止供水，但如果系统出现故障停电的时候，进水阀将会不受控制，水箱高度将会不断上升，可能会导致液位溢出，所以进水阀最好还是选用气关形式。