過程控制1-5章習(xí)題答案

1、第一章 單回路控制系統(tǒng)1.1 何謂控制通道？何謂干擾通道？它們的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量有什么影響？控制通道是指操縱變量與被控變量之間的信號聯(lián)系；干擾通道是指干擾作用與被控變量之間的信號聯(lián)系。（1）控制通道特性對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響：（從K、T、三方面）控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)靈敏度越高，余差越小。但隨著靜態(tài)放大倍數(shù)的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差?？刂仆ǖ罆r間常數(shù)越大，經(jīng)過的容量數(shù)越多，系統(tǒng)的工作頻率越低，控制越不及時，過渡過程時間越長，系統(tǒng)的質(zhì)量越低，但也不是越小越好，太小會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此應(yīng)該適當(dāng)小一些?？刂仆ǖ兰儨蟮拇嬖诓粌H使系統(tǒng)控制不及時，使動態(tài)偏差增大，而且還還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低

2、。（2）干擾通道特性對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響：（從K、T、三方面） 干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制質(zhì)量越差。干擾通道時間常數(shù)越大，階數(shù)越高，或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量測量點而靠近控制閥，干擾對被控變量的影響越小，系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。干擾通道有無純滯后對質(zhì)量無影響，不同的只是干擾對被控變量的影響向后推遲一個純滯后時間0。1.2 如何選擇操縱變量？1）考慮工藝的合理性和可實現(xiàn)性；2）控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)大于干擾通道靜態(tài)放大倍數(shù)；3）控制通道時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小些為好，但不易過小，一般要求小于干擾通道時間常數(shù)。干擾動通道時間常數(shù)越大越好，階數(shù)越高越好。4）控制通道純滯后越小越好。1

3、.3 控制器的比例度變化對控制系統(tǒng)的控制精度有何影響？對控制系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量有何影響？比例度越小，系統(tǒng)靈敏度越高，余差越小。隨著減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。1.5圖1-42為一蒸汽加熱設(shè)備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。試問：影響物料出口溫度的主要因素有哪些？如果要設(shè)計一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量與操縱變量應(yīng)選誰？為什么？如果物料在溫度過低時會凝結(jié)，應(yīng)如何選擇控制閥的開閉形式及控制器的正反作用？答：影響物料出口溫度的因素主要有蒸汽的流量和溫度、攪拌器的攪拌速度、物料的流量和入口溫度。被控變量應(yīng)選擇物料的出口溫度，操縱變量應(yīng)選擇蒸汽流量。物料的出口溫度是工藝要求的直接質(zhì)量指標(biāo)，測試技術(shù)成熟、成

4、本低，應(yīng)當(dāng)選作被控變量?？蛇x作操縱變量的因數(shù)有兩個：蒸汽流量、物料流量。后者工藝不合理，因而只能選蒸汽流量作為操縱變量?？刂崎y應(yīng)選擇氣關(guān)閥，控制器選擇正作用。1.6 圖1-43為熱交換器出口溫度控制系統(tǒng)，要求確定在下面不同情況下控制閥的開閉形式及控制器的正反作用： 被加熱物料在溫度過高時會發(fā)生分解、自聚； 被加熱物料在溫度過低時會發(fā)生凝結(jié)； 如果操縱變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度 在0以下，如何防止熱交換器被凍壞。答：控制閥選氣開閥，選反作用控制器。 控制閥選氣關(guān)閥，選正作用控制器。 控制閥選氣關(guān)閥，選反作用控制器。1.7 單回路系統(tǒng)方塊圖如圖1-44所示。試問當(dāng)系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變

5、化時，系統(tǒng)質(zhì)量會有何變化？為什么？（1）若T0增大； （2）若0增大； （3）若Tf增大； （4）若f增大。答：（1）T0 增大，控制通道時間常數(shù)增大，會使系統(tǒng)的工作頻率降低，控制質(zhì)量變差；（2）0 增大，控制通道的純滯后時間增大，會使系統(tǒng)控制不及時，動態(tài)偏差增大，過渡過程時間加長。（3）Tf 增大，超調(diào)量縮小1/Tf倍，有利于提高控制系統(tǒng)質(zhì)量；（4）f 增大對系統(tǒng)質(zhì)量無影響，當(dāng)有純滯后時，干擾對被控變量的影響向后推遲了一個純滯后時間f 。第二章 串級控制系統(tǒng)21 與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有些什么特點？(1) 串級系統(tǒng)由于副回路的存在, 使等效副對象時間常數(shù)減小，改善了對象的特性,使系統(tǒng)

6、工作頻率提高。(2) 串級控制系統(tǒng)有較強的抗干擾能力，特別是干擾作用于副環(huán)的情況下,系統(tǒng)的抗干擾能力會更強。(3) 串級系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。22 為什么說串級控制系統(tǒng)主控制器的正、反作用方式只取決于主對象放大倍數(shù)的符號，而與其他環(huán)節(jié)無關(guān)？主環(huán)內(nèi)包括有主控制器,副回路,主對象和主變送器.而副回路可視為一放大倍數(shù)為“1”的環(huán)節(jié),主變送器放大倍數(shù)一般為正,所以主控制器的正反作用只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。如果主對象放大倍數(shù)的符號為正,則主控制器為反作用,反之, 則主控制器為正作用。25 試說明為什么整個副環(huán)可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看？副回路所起的作用是使副變量根據(jù)主調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行控制，是

7、一隨動系統(tǒng)。因此整個副回路可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看。26 試說明在整個串級控制系統(tǒng)中主、副控制器之一的正、反作用方式選錯會造成怎樣的危害？當(dāng)主、副控制器有一個正反作用方式選錯時,就會造成系統(tǒng)的主回路或副回路按正反饋控制,當(dāng)被控變量出現(xiàn)偏差時,系統(tǒng)不僅不向著消除偏差的方向校正,反而使被控變量遠(yuǎn)離給定值。27 圖2-20所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的是化學(xué)放熱反應(yīng)，而釜內(nèi)溫度過高會發(fā)生事故，因此采用夾套通冷卻水來進(jìn)行冷卻，以帶走反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對該反應(yīng)溫度控制精度要求很高，單回路滿足不了要求，需用串級控制。 當(dāng)冷卻水壓力波動是主要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)冷卻水入口溫度

8、波動是主要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 對以上兩種不同控制方案選擇控制閥的氣開、氣關(guān)形式及主、副控制器的正、反作用方式。(1)選冷水流量為副變量,釜內(nèi)溫度為主變量組成串級系統(tǒng). (2)夾套溫度為副變量,釜內(nèi)溫度為主變量組成串級系統(tǒng).28 (右圖)圖2-21為一管式爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。要求： 選擇閥的開閉形式？ 確定主、副控制器的正、反作用方式？ 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，如果燃料壓力突然升高，結(jié)合控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用方式，分析串級系統(tǒng)的工作過程。答：(1) 氣開閥 (2)主控制器反作用,副控制器反作用。(3)如果燃料氣的P1突然升高，副回路首先有一個“粗

9、調(diào)”：P1F1T2u2 F1沒有完全被副回路克服的部分干擾，通過主回路“細(xì)調(diào)”：T2T1u1 F1T2T129 某干燥器采用夾套加熱和真空吸收并行的方式來干燥物料。干燥溫度過高會使物料物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。夾套通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽，流程如圖2-22（右圖）所示。要求： 如果冷卻水流量波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？ 如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？ 如果冷卻水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？(1)以熱水溫度為副變量,干燥器出口溫度為主變量，蒸汽流量為操縱變量構(gòu)成

10、溫度溫度串級系統(tǒng)，冷水流量單獨設(shè)計流量單回路系統(tǒng) 理由：當(dāng)被控變量為干燥器出口溫度時，不宜選冷水流量做操縱變量，故單獨設(shè)計流量單回路系統(tǒng)抑制冷水流量波動。以干燥器出口溫度為被控量、蒸汽流量為操縱變量的控制系統(tǒng)中，控制通道太長，存在較大的時間常數(shù)和純滯后，故選擇換熱器出口溫度為副變量，構(gòu)成串級系統(tǒng)，利用副回路減小等效時間常數(shù)。(2) 以熱水溫度為為副變量,干燥器的溫度為主變量串級系統(tǒng)。理由：將蒸汽壓力波動這一主要干擾包含在副回路中, 利用副回路的快速有效克服干擾作用抑制蒸汽壓力波動對干燥器出口的溫度的影響. （3）采用與（1）相同方案。理由同（1）。第三章 比值控制系統(tǒng)3.1 比值與比值系數(shù)的含

11、義有什么不同?它們之間有什么關(guān)系？答：比值指工藝流量之比，即：；比值系數(shù)指主、副流量變送器輸出電流信號之比，即：；二者之間的關(guān)系由下式?jīng)Q定：（變送器輸出與流量成線性關(guān)系時）（變送器輸出與流量成開平方關(guān)系時） 3.2 用除法器進(jìn)行比值運算時，對輸入信號的安排有什么要求？為什么？答：應(yīng)使除法器輸出小于1。除法器輸出值即儀表比值系數(shù)，需要通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設(shè)置，大于1無法設(shè)定、等于1無法現(xiàn)場整定。3.3 什么是比值控制系統(tǒng)？它有哪幾種類型?畫出它們的結(jié)構(gòu)原理圖。答：比值控制系統(tǒng)就是實現(xiàn)副流量與主流量成一定比值關(guān)系，滿足關(guān)系式： 的控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)的類型：開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系

12、統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。（結(jié)構(gòu)原理圖見下頁）3.4 用除法器組成比值系統(tǒng)與用乘法器組成比值系統(tǒng)有何不同之處？答： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，實現(xiàn)比值控制的設(shè)備不同。 比值系數(shù)的設(shè)置方法不同，乘法方案通過在乘法器的一個輸入端，輸入一個外加電流信號I0設(shè)置；除法方案通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設(shè)置。3.5 在用除法器構(gòu)成的比值控制系統(tǒng)中，除法器的非線性對比值控制有什么影響？答：除法器環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大倍數(shù)與負(fù)荷成反比。3.6 為什么4：1整定方法不適用于比值控制系統(tǒng)的整定？答：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)的副流量回路、變比值回路均為隨動控制系統(tǒng)，希望副流量跟隨主流量變化，始終保持固定的配比關(guān)系。出現(xiàn)4：

13、1振蕩時，固定配比關(guān)系不能保證。3.7 當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)時，能否仍用乘法器組成比值控制？為什么？能否改變一下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仍用乘法器構(gòu)成比值控制？答：當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)大于1時，不能用乘法器組成比值控制。因為當(dāng)時，計算所得的乘法器的一個外加輸入電流信號I0大于20mA,超出乘法器的輸入范圍。不用改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只要調(diào)整F2max 保證 即可。乘法器控制器調(diào)節(jié)閥測量變送器測量變送器流量對象3.8 一比值控制系統(tǒng)用DDZ-III型乘法器來進(jìn)行比值運算（乘法器輸出 ，其中I1與I0分別為乘法器的兩個輸入信號），流量用孔板配差壓變送器來測量，但沒有加開方器，如圖所示。已知

14、，要求： 畫出該比值控制系統(tǒng)方塊圖。 如果要求，應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)置值 ？解：方框圖如下：;；3.9 某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A、B兩物料保持 的比例，兩物料的最大流量 。通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B兩物料流量因管線壓力波動而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，要求： 設(shè)計一個比較合適的比值控制系統(tǒng)。 計算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù) 。 在該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于何處？設(shè)置值應(yīng)該是多少（假定采用DDZ-III型儀表）。 選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用。解：系統(tǒng)設(shè)計如右圖： ，所以要將 調(diào)大。所以 取 ,比值系數(shù)K通過設(shè)置， 選擇A閥為氣開閥，主對象為正環(huán)節(jié)，測量變送為正環(huán)節(jié)，則主調(diào)節(jié)器

15、為反作用。選取B閥為氣開閥，副對象為正環(huán)節(jié)，測量變送為正環(huán)節(jié)，則副調(diào)節(jié)器為反作用。3.10 在硝酸生產(chǎn)過程中有一氧化工序，其任務(wù)是將氨氧化成一氧化氮。為了提高氧化率，要求維持氨與氧的比例為2：1。該比值控制系統(tǒng)采用如圖所示的結(jié)構(gòu)形式。已知 。試求比值系數(shù)=？如果上述比值控制用DDZ-II型儀表來實現(xiàn)，比值系數(shù)的設(shè)置 應(yīng)該是多少？解： 調(diào)整副流量的測量上限，使K1,取 ，則 即可。對于DDZ-II， .3.11 有一個比值控制系統(tǒng)如右圖所示。圖中k為一系數(shù)。若已知k=2， ，試求 K=?解： K=2.36 3.12 一雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如右圖所示。其比值用DDZ-III型乘法器來實現(xiàn)。已知 。要

16、求： 畫出該系統(tǒng)方塊圖。 若已知 求該比值系統(tǒng)的比值K=？比值系數(shù) 待該比值系統(tǒng)穩(wěn)定時，測 ，試計算此時 =？解：, , 第五章前饋控制系統(tǒng)51 前饋控制與反饋控制各有什么特點？答：反饋控制的特點 ：優(yōu)點：能夠克服各種干擾。只要干擾對被控變量造成影響，就有控制校正作用。缺點：反饋控制不及時，是一個有差控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)只有被控變量在干擾作用下出現(xiàn)偏差時，才有校正作用，干擾總存在，偏差總存在。 前饋控制的特點：（1）前饋控制根據(jù)干擾進(jìn)行，控制及時。如果前饋控制規(guī)律恰當(dāng)，理論上可完全消除干擾的影響（2）前饋控制是一種開環(huán)控制，被控變量并不經(jīng)測量反饋到輸入端。不能保證控制效果。（3）前饋控制需要

17、對干擾進(jìn)行測量 ，才能進(jìn)行控制。通常只測量一種干擾，因而只能克服一種干擾。（4）前饋控制器的控制規(guī)律是經(jīng)過對干擾通道與控制通道的特性計算而得是一種專用的控制器，在工程上，精確的通道特性難以獲取，精確的前饋控制規(guī)律難以實現(xiàn)。 52 純前饋控制在生產(chǎn)過程中為什么很少采用？ 答：單純的前饋由于存在以下兩三方面問題，其控制效果往往并不理想，因此在生產(chǎn)中很少使用。這主要表現(xiàn)在： （1）單純前饋是一種開環(huán)控制，不能保證控制效果。不存在被控變量的反饋，即對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。這樣，在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統(tǒng)無法得到這一信息而作進(jìn)一步的校正。 （2）單純前饋通常只能克服一種

18、干擾。 由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補償它們對被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，因此單純前饋就不能很好控制。（3） 準(zhǔn)確的的前饋控制規(guī)律工程上難以實現(xiàn)。 53 前饋-反饋控制具有哪些優(yōu)點？答：前饋-反饋系統(tǒng)的優(yōu)點：前饋控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)優(yōu)勢互補，主要表現(xiàn)在：（1）過渡過程時間、超調(diào)量大大降低。 由于引入了前饋控制，當(dāng)主要干擾一出現(xiàn)時，同步施加了一個前饋校正作用，消除或大大降低了對被控變量的影響，因而使反饋控制的超調(diào)量、過渡過程時間大大降低。前饋補償了反饋的缺點。 （2）反饋回路的存在，為前饋控制的工程實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。 前饋不能補償?shù)牟糠挚捎煞答佇Ｕ?，降低了前饋控制模型的精度?/p>

19、求，便于工程實現(xiàn)。（3）具有一定的自適應(yīng)性：負(fù)荷或工況變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補償。 54為什么前饋控制器不能采用常規(guī)的控制器？答：前饋控制器的控制規(guī)律為對象干擾通道特性與控制通道的特性之比，是一種專用控制器。常規(guī)的控制器的控制規(guī)律是對偏差進(jìn)行P、I、D運算，實現(xiàn)的控制規(guī)律完全不同。 56 如何用對象特性實驗數(shù)據(jù)構(gòu)成前饋控制器數(shù)學(xué)模型？答：工程上通常按下式實現(xiàn)前饋控制規(guī)律，通過對象特性實驗數(shù)據(jù)獲取控制通道時間常數(shù)T1、K1、1，與干擾通道時間常數(shù)T2、K2、2代入下式后，便構(gòu)成前饋控制器數(shù)學(xué)模型。 511某前饋串級控制系統(tǒng)。已知：Gc1(s)=Gc2(s)=9 G01(s)=3/(2s+1)Gv(s)=