过程控制与自动化仪表(第3版) 第4章 思考题与习题.pdf

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1、第4章思考题与习题1．基本练习题（1）什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？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？答：1）过程控制特性指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。2）被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。3）目的：○1设计过程控制系统及整定控制参数；○2指导生产工艺及其设备的设计与操作；○3对被控过程进行仿真研究；○4培训运行操作人员；○5工业过程的故障检测与诊断。4）机理演绎法和实验辨识法

2、。（2）响应曲线法辨识过程数学模型时，一般应注意哪些问题？答：1）合理地选择阶跃输入信号的幅度，幅值不能过大以免对生产的正常进行产生不利影响。但也不能太小，以防其他干扰影响的比重相对较大而影响试验结果。一般取正常输入信号最大幅值的10%；2）试验时被控过程应处于相对稳定的工况；3）在相同条件下进行多次测试，消除非线性；4）分别做正、反方向的阶跃输入信号试验，并将两次结果进行比较，以衡量过程的非线性程度；5）每完成一次试验后，应将被控过程恢复到原来的工况并稳定一段时间再做第二次试验。（3）怎样用最小二乘法估计模型参数，最小二

3、乘的一次完成算法与递推算法有何区别？答：1）最小二乘法可以将待辨识过程看作“黑箱”。利用输入输出数据来确定多项式的系数利用Ty(k)h(k)e(k)来确定模型参数。2）区别：一次完成要知道所有的输入输出数据才能辨识参数，即只能离线辨识。递推算法可以只知道一部分数据即进行辨识，可用于在线辨识。第4章被控过程的数学模型124（4）图4‐1所示液位过程的输入量为q，流出量为q、q，液位为h被控参数，C123为容量系数，并设R、R、R均为线性液阻。要求：1231）列写过程的微分方程组；2）画出过程的方框图；3）求过程的传递函

4、数Gs()Hs()/()Qs。01答：1）过程的微分方程组如式（4-1）所示：dhqqqC123dthq（4-1）2R2hq3R3图4-1基本练习题（4）液位过程2）过程控制框图如图4‐2所示：图4-2过程控制框图3）传递函数如式（4‐2）所示：HS()1Gs()0QS()11（4-2）1CSRR23（5）某水槽水位阶跃响应的实验记录为：t/s01020406080100150200300h/mm09.5183345556378869598其中阶跃扰动量为稳态

5、值的10%。1）画出水位的阶跃响应标么化曲线；2）若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。答：1）水位阶跃响应标么化曲线如图4-3所示：第4章被控过程的数学模型125图4-3水位阶跃响应标么化曲线图2）一阶无延时环节的输入输出关系如式（4‐3）所示：ytKx1etT0（4-3）00有题意知：x0.1*989.80y则K100x0又yT2y39%38.220yT0y63%61.78yT20y86.5%84.77通过阶跃响应曲线查找

6、得：T248，T97，2T192，故可得：T960000（6）有一流量对象，当调节阀气压改变0.01MPa时，流量的变化如下表：t/s01246810q/(m3/h)09.5183345556398若该对象用一阶惯性环节近似，试确定其传递函数。答：一阶惯性传递函数如式（4‐4）所示：KG()s0（4-4）Ts10又u0.01，可得y()180放大系数K18000，达到稳态值63%的时间T=6s，u0.01所以传递函数如式（4‐5）所示：K180000G()s（4-5）Ts16s10

7、（7）某温度对象矩形脉冲响应实验为：t/min13458101516.52025304050607080第4章被控过程的数学模型126T/℃0.461.73.79.019.026.43637.533.527.22110.45.12.81.10.5矩形脉冲幅值为2（无量纲），脉冲宽度t为10min。（1）试将该矩形脉冲响应曲线转换为阶跃响应曲线；（2）用二阶惯性环节写出该温度对象传递函数。答：1）将脉冲响应转换成阶跃响应曲线，数据如下：t(min)13458101516．5Y(℃)0．461．73．79．019．026．4

8、36．037．5Y1（t）0．461．73．79．019．026．4－－t(min)2025304050607080Y(℃)33．527．221．010．45．12．81．10．5Y1（t）59.9－80.991.396.499.2100.3100.82）绘出阶跃响应曲线如图4‐4所示：图4-4阶跃响应