過程控制工程24章答案孫洪程著

1、第二章思考題及習(xí)題2.1 與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有些什么特點?答：串級控制方案具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。因此，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量一般都比單回路控制系統(tǒng)好。(1) 串級控制系統(tǒng)具有更高的工作頻率；(2) 串級控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；(3) 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力2.2 為什么說串級控制系統(tǒng)主控制器的正、反作用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)?答：主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定。主環(huán)內(nèi)包括有主控制器、副回路、主對象和主變送器?？刂破髡⒎醋饔迷O(shè)置正確的副回路可將它視為一放大倍數(shù)為“正

2、”的環(huán)節(jié)來看待。這樣，只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負(fù)”的要求。即SignG01(s)SignG02(s)SignGm1(s)SignGc1(s)=-1就可以確定主控制器的正、反作用。實際上主變送器放大倍數(shù)符號一般情況下都是“正”的，再考慮副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)，因此主控制器的正、反作用實際上只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。當(dāng)主對象放大倍數(shù)符號為“正”時，主控制器應(yīng)選“負(fù)”作用；反之，當(dāng)主對象放大倍數(shù)符號為“負(fù)”時，主控制器應(yīng)選正作用。2.3 串級控制系統(tǒng)的一步整定法依據(jù)是什么?答：一步整定法的依據(jù)是：在串級控制系統(tǒng)中一般來說，主變量是工藝的主

3、要操作指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對它要求比較嚴(yán)格。而副變量的設(shè)立主要是為了提高主變量的控制質(zhì)量，對副變量本身沒有很高的要求，允許它在一定范圍內(nèi)變化，因此在整定時不必將過多的精力放在副環(huán)上，只要主變量達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)要求即可。此外對于一個具體的串級控制系統(tǒng)來說，在一定范圍內(nèi)主、副控制器的放大倍數(shù)是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍數(shù)Kc1與Kc1的乘積等于Ks(Ks為主變量呈4：1衰減振蕩時的控制器比例放大倍數(shù))，系統(tǒng)就能產(chǎn)生4：1衰減過程(下面的分析中可以進(jìn)一步證明)。雖然按照經(jīng)驗一次放上的副控制器參數(shù)不一定合適，但可通過調(diào)整主控制器放大倍數(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果仍然可使主變量呈4：1

4、衰減。2.4 試證明串級控制系統(tǒng)中，當(dāng)干擾作用在副環(huán)時，只要主、副控制器其中之一有積分作用就能保證主變量無余差。而當(dāng)干擾作用于主環(huán)時，只有主控制器有積分作用時才能保證主變量無余差。答：從串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出：1. 當(dāng)干擾作用在副環(huán)時，副環(huán)在干擾下的輸出可如下計算：令并假定f(t)為單位階躍干擾，則F(s)=1/s，運用終值定理可得：如果GC2(s)=Kc2(Tis+1)/ Tis，即含有積分環(huán)節(jié)，則在上式分子上出現(xiàn)Tis項，y2()=0，即干擾作用下主環(huán)也無余差。如果GC2(s) =Kc2，則副環(huán)余差為y2()=1/KVKm2Kc2，此余差進(jìn)入主環(huán)，此時將副環(huán)等效成一個環(huán)節(jié)，G02(s

5、) =1/Km2，用與上述副環(huán)余差計算一樣的方法計算主環(huán)余差，如果主環(huán)控制器具有積分作用，y1()=0，反之y1()0。當(dāng)干擾作用在主環(huán)時，副環(huán)等效成一個環(huán)節(jié)，G02(s) =1/Km2，用與上述副環(huán)余差計算一樣的方法計算主環(huán)余差，如果主環(huán)控制器具有積分作用，y1()=0，反之y1()0。2.5 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)來看待?答：對于副環(huán)來說，如果是負(fù)反饋系統(tǒng)，其等效環(huán)節(jié)等效傳遞函數(shù)為：當(dāng)控制器放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時，則有| Gc2 Gv G02 Gm|>>1，又因為通常各個環(huán)節(jié)都是無量綱化的，此時Gm =1。則有式(2-1)近似等于+1。2.6 試說明在串級

6、控制系統(tǒng)中主、副控制器之一的正、反作用選錯會造成怎樣的危害?答：串級控制系統(tǒng)屬于反饋控制系統(tǒng)，只有在負(fù)反饋的情況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時，其過渡過程將會是衰減的；反之，如果系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾作用，過渡過程將會發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當(dāng)然是不希望發(fā)生的，因此，對于反饋控制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，必須要構(gòu)成負(fù)反饋。2.7 圖2.21所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的是放熱化學(xué)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)過程溫度控制精度要求很高，單回路控制滿足不了要求，需用串級控制。 當(dāng)冷卻水壓力波動是主

7、要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級?畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。選擇釜內(nèi)溫度為主對象，冷卻水流量為副對象，組成串級控制，結(jié)構(gòu)圖如下 當(dāng)冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級?畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。選擇釜內(nèi)溫度為主對象，冷卻水入口溫度為副對象，組成串級控制，結(jié)構(gòu)圖如下 對上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開、閉形式及主、副控制器正、反作用。答：從安全角度出發(fā)，上述兩種方案均應(yīng)選擇氣閉式控制閥。副控制器：第一種方案下，當(dāng)冷卻水流量超過給定值時，其輸入為正值，此時要求閥的開度減小，即控制器輸出增大，所以選正作用。第二種方案下，當(dāng)入口溫度超過給定值時，其輸入為正值，此時要求閥的開度增加，即控制器輸出減小，所以選負(fù)作用。主環(huán)

8、控制器：兩種方案下，當(dāng)冷卻水流量增加時，釜內(nèi)溫度降低，因此K01為負(fù)，應(yīng)選擇正作用。2.8 圖2.22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： 選擇控制閥的開、閉形式。答：根據(jù)安全要求，控制閥應(yīng)選擇氣開式。 確定主、副控制器的正、反作用。副控制器：當(dāng)爐膛溫度超過給定值時，其輸入為正值，此時要求閥的開度減小，即控制器輸出減小，所以選負(fù)作用。主環(huán)控制器：當(dāng)燃料氣流量增加時，釜內(nèi)溫度升高，因此K01為正，應(yīng)選擇負(fù)作用。 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，如果燃料氣壓力突然升高，結(jié)合控制閥開、閉形式及控制器的正、反作用，分析該串級控制系統(tǒng)的工作過程。答：在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，如果燃料氣壓力突然升高，此時控

9、制閥的開度還沒有變化，所以燃料氣流量增加，爐膛溫度升高，測量變送的輸出增加，副控制器的輸入為正，副控制器為負(fù)作用，輸出減小，控制閥為氣開式，所以開度減小，使燃料氣流量下降。燃料氣流量增加，爐膛溫度升高最終會使原油出口溫度增加，測量變送的輸出增加，主控制器的輸入為正，主控制器為負(fù)作用，輸出減小，副控制器的給定值減小，促使副環(huán)控制器對燃料氣流量進(jìn)一步調(diào)整。一直到原油出口溫度回到給定值為止，控制閥處在一個新開度上。2.9 某干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來干燥物料。干燥溫度過高會使物料的物性發(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)列管式加熱器加熱后的熱水，而加熱

10、器采用的是飽和蒸汽，流程如圖2.23所示。要求： 如果冷水流量波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案?為什么?答：應(yīng)采用干燥器干燥溫度與冷水流量串級控制系統(tǒng)，因為要將主要干擾冷水流量包圍在副環(huán)內(nèi)。 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?答：應(yīng)采用干燥器干燥溫度與蒸汽壓力串級控制系統(tǒng)，因為要將主要干擾蒸汽壓力包圍在副環(huán)內(nèi)。 如果冷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?答：應(yīng)采用干燥器干燥溫度與加熱器出口熱水溫度串級控制系統(tǒng)，副控制器的輸出控制蒸汽、冷水控制閥，副控制器為負(fù)作用，蒸汽控制閥為氣開式，冷水控制閥為氣閉式，主控制器為負(fù)作用。2.10 某串級控制系統(tǒng)采用兩

11、步法進(jìn)行整定，測得4：1衰減過程的參數(shù)為：1s=8%，2s=42%，T1s =120 s，T2s =8s。若該串級控制系統(tǒng)中主控制器采用PID規(guī)律，副控制器采用P規(guī)律。試求主、副控制器的參數(shù)值應(yīng)是多少?答：1、副控制器參數(shù)：2 =2s =42%2、主控制器參數(shù)：1=0.81s=0.8×8%=0.64% T1=0.3 T1s=0.3×120=36s Ti=0.3 T1s=0.1×120=12s第三章思考題及習(xí)題3.1比值與比值系數(shù)的含義有什么不同?它們之間有什么關(guān)系?答：比值K是工藝要求的流量比，定義為從動流量F2與主動流量F1之比，即：K=從動流量/主動流量= F

12、2/ F1比值系數(shù)K'是儀表有效信號之比，定義為從動流量F2的有效信號與主動流量F1的有效信號之比。如果用I來表示儀表的測量信號，則有：流量比K與比值系數(shù)K'是兩個不同的概念，不能混淆。 比值系數(shù)K'的大小與流量比K的值有關(guān)，也與變送器的量程有關(guān)，與負(fù)荷大小無關(guān)。 流量與測量信號之間有無非線性關(guān)系對計算式有直接影響。線性關(guān)系時K'=K(F1max/ F2max)；非線性關(guān)系(平方根關(guān)系)時K'=K2(F1max/ F2max)2。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：對于采用除法器實施的比值控制系統(tǒng)，由于除法器的結(jié)構(gòu)，必須

13、使輸入的分母信號大于分子信號。通常把主流量作為分母項，此時K'的范圍是0<K'<1，因此在選擇流量測量儀表量程時，也需滿足F2maxK max F1max 。同時，用除法器作比值計算時，應(yīng)注意比值系數(shù)K'不能在1附近。若比值系數(shù)等于1，則比值給定已達(dá)最大信號I出=20mA，除法器輸出I0必將等于20mA。在這種情況下，如果出現(xiàn)某種使Fl下降或F2增加的變化，因除法器輸出已飽和，雖然比值K= F2/FlFI增加了，但由于I0不變化，相當(dāng)于系統(tǒng)的反饋信號不變，失去控制作用，故只好任其比值增加。3.3什么是比值控制系統(tǒng)?它有哪幾種?畫出它們的結(jié)構(gòu)原理圖。答：實現(xiàn)兩

14、個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)類型：（1）開環(huán)比值控制系統(tǒng)（2）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（3）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（4）變比值控制系統(tǒng)（5）串級和比值控制組合的系統(tǒng)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)有什么不同之處?答：如果乘法器組成比值系統(tǒng)使用常規(guī)儀表實現(xiàn)，可采用比值器、配比器、乘法器、分流器等。至于使用可編程調(diào)節(jié)器或其他計算機(jī)控制來實現(xiàn)，采用乘法運算即可。如果比值K為常數(shù)，上述儀表均可應(yīng)用；若為變數(shù)(變比值控制)時，則必須采用乘法器，此時只需將比值設(shè)定信號改成第三參數(shù)就行了。相除方案無論什么類型的儀表，均采用除法器來實現(xiàn)。而對于使用可編程調(diào)節(jié)

15、器或其他計算機(jī)控制來實現(xiàn)的方案，只要對兩個流量測量信號進(jìn)行除法運算即可。由于除法器(或除法運算結(jié)果)輸出直接代表了兩流量信號的比值，所以可直接對它進(jìn)行比值指示和報警。這種方案比值很直觀，且比值可直接由控制器進(jìn)行設(shè)定，操作方便。若將比值給定信號改作第三參數(shù)，便可實現(xiàn)變比值控制。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：除法器的放大系數(shù)是隨著負(fù)荷的減少而增大的，這與采用差壓法測量流量而又不經(jīng)開方運算時情況正好相反。所以，在一般情況下(過程的特性是基本線性的)，比值系統(tǒng)由于除法器非線性的引入，在小負(fù)荷時，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。當(dāng)然，也有特殊的例外，如過程的特性本身是非線性

16、的(放大系數(shù)隨負(fù)荷增大而增大)，此時采用除法器組成比值控制系統(tǒng)，除法器的非線性不僅對系統(tǒng)的控制質(zhì)量無害，反而能起到對過程非線性的補(bǔ)償作用。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)。對于隨動系統(tǒng)，希望物料能迅速正確地跟隨主物料變化，且不宜有過調(diào)，也就是說，要使隨動控制系統(tǒng)達(dá)到振蕩與不振蕩的臨界過程，所以4：1整定方法不適用于比值控制系統(tǒng)的整定3.7當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)K>1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：比值系數(shù)K>1時，不能用乘

17、法器組成比值控制，因為對于420mA信號，根據(jù)比值控制要求，比值系數(shù)K'為：同樣，對于010mA信號儀表則有：K' =10/ I0當(dāng)I0為最大值20mA、10mA時，上面2式式的最大為1，即K>1時I0將大于20mA或10mA，這是不可能的。可在副流量回路中串入一個比例系數(shù)為0.5的比值器。作為一個例子，現(xiàn)有一生產(chǎn)工藝要求A、B兩物料比值維持在0.4。已知FAmax=3200kg/h，F(xiàn)Bmax=800kg/h，流量采用孔板配差壓變送器進(jìn)行測量，并在變送器后加了開方器。試分析可否采用乘法器組成比值控制方案?如果一定要用乘法器，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)作何處理?答：在變送器后加了開方

18、器，流量與測量信號成線性關(guān)系所以不能采用乘法器組成比值控制方案，副流量回路中串入一個比例系數(shù)為0.5的比值器，這樣K=0.8<1，可以采用乘法器組成比值控制方案。3.8一比值控制系統(tǒng)用DDZ-型乘法器來進(jìn)行比值運算(乘法器輸出I，其中I0與I1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3.24所示。己知F1max=3600kg/h，F(xiàn)2max=2000kg/h，要求：(1) 畫出該比值控制系統(tǒng)方塊圖。答：比值控制系統(tǒng)方塊圖如下(2 )如果要求F1：F2=2：1，應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)置值I0?答：沒有加開方器，流量與測量信號成非線性關(guān)系，所以K'

19、;=K2(F1max/ F2max)2=0.52×（3600/2000）2=0.81I0=16K'+4=16×0.81+4=16.96mA3.9某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A、B兩物料保持FA：FB=4：2.5的比例，兩物料的最大流量FAmax=625m3/h，F(xiàn)Bmax=290m3/h。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)。答：采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，使主副流量保持穩(wěn)定，克服因管線壓力波動而經(jīng)常變化帶來的干擾，并保持比值關(guān)系，如下圖所示。計算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù)K。答：設(shè)流量與測量信號成線性關(guān)系K

20、'=K(F1max/ F2max)=(2.5/4)×(625/290)=1.35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-型儀表)?答：該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于135%。設(shè)置值應(yīng)該是1.35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。答：選擇兩個控制閥為氣開式，當(dāng)流量增加時，測量值增加，控制器輸入為正，此時要求閥的開度減小，即控制器輸出下降，所以兩個控制器為反作用。3.10在硝酸生產(chǎn)過程中有一氧化工序，其任務(wù)是將氨氧化生成一氧化氮。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3.25所示的結(jié)構(gòu)形式。已知：F

21、氨max=12000Nm3/h，F(xiàn)氧max=5000Nm3/h。試求比值系數(shù)K'=?如果上述比值控制用DDZ-型儀表來實現(xiàn)，比值系數(shù)的設(shè)置值p0應(yīng)該是多少?答：流量與測量信號成線性關(guān)系K'=K(F1max/ F2max)=(1/2)×(12000/5000)=1.2用DDZ-型儀表來實現(xiàn)，信號為010mA， I0=10K' =10×1.2=12 mA，所以，應(yīng)在副流量回路中串入一個比例系數(shù)為0.5的比值器。3.11有一個比值控制系統(tǒng)如圖3.26所示。圖中K為一系數(shù)。若已知K=2，F(xiàn)Amax=300kg/h，F(xiàn)Bmax=1000kg/h，試求K'

22、;=？K=?。答：該系統(tǒng)為用比值器組成的方案， K為一系數(shù)且K=2，即在副流量上串入了一個放大倍數(shù)為2的比值器，副流量信號被放大了2倍，從圖中可以看出此系統(tǒng)為流量比為2的比值控制系統(tǒng)，即K=2 K'=K(F1max/ F2max)=2×(300/1000)=0.6所以K=2、K'=0.63.12一個雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖3.27所示。其比值用DDZ-型乘法器來實現(xiàn)。已知F1max=7000kg/h，F(xiàn)2max=4000kg/h。要求：畫出該系統(tǒng)方塊圖。若已知I0=18mA求該比值系統(tǒng)的比值K=?比值系數(shù)K=?待該比值系統(tǒng)穩(wěn)定時，測I1=l0mA，試計算此時I2？答：方

23、框圖如下I0=16K'+4 18=16K'+4K'=0.875K'=K(F1max/ F2max)= K×(7000/4000)=0.875K=0.5比值系統(tǒng)穩(wěn)定時，測I1=l0mA，由公式得：K'=( I2-4)/(10-4)，I2=l.25mA3.13圖3.28所示為一個用電動儀表來實現(xiàn)的比值控制系統(tǒng)。乘法器的輸入/輸出信號為直流15V，其運算公式為已知：G1max=3600 kg/h，G2max=2000 kg/h。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，測得v1=4V，v2=3V，試計算該比值控制系統(tǒng)的比值系數(shù)K'=?，K=? v0=?答：K'=

24、（v2-1）/（v1-1）=2/3=0.67設(shè)流量與測量信號成線性關(guān)系K'=K(F1max/ F2max)= K (3600/ 2000) =(2/3)K= 0.37根據(jù)比值控制要求，乘法器的v1與v1之間應(yīng)具有下面的關(guān)系：v1-1=K'(v0-1)再根據(jù)可得：K'=(v0-1)/4v0=4 K'+1=4×0.67+1=3.68 V第四章 思考題及習(xí)題4.1均勻控制系統(tǒng)設(shè)置的目的是什么?答：均勻控制系統(tǒng)的名稱來自系統(tǒng)所能完成的特殊控制任務(wù)，它使前后設(shè)備在物料供求上相互均勻、協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌兼顧。4.2均勻控制系統(tǒng)有些什么特點?答：(1) 結(jié)構(gòu)上無特殊性均勻控

25、制是指控制目的而言，而不是由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來決定的。均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上元任何特殊性，它可以是一個單回路控制系統(tǒng)，也可以是一個串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，或者是一個雙沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。(2) 參數(shù)應(yīng)變化，而且應(yīng)是緩慢地變化因為均勻控制是前后設(shè)備物料供求之間的均勻，所以表征這兩個物料的參數(shù)都不應(yīng)為某一固定的數(shù)值,兩個參數(shù)都變化，且變化比較緩慢。那種試圖把兩個參數(shù)都穩(wěn)定不變的想法是不能實現(xiàn)的。 (3) 參數(shù)應(yīng)限定在允許范圍內(nèi)變化4.3為什么均勻控制系統(tǒng)的核心問題是控制器參數(shù)的整定問題?答：從下圖液位控制系統(tǒng)控制作用不同時液位與流量的響應(yīng)可看出，同樣一個單回路液位控制系統(tǒng)，由于控制作用強(qiáng)弱不一，它可以是一個單回路液位定值控制系統(tǒng)，如(a)；也可以是一個簡單均勻控制系統(tǒng)，如(b)。因此，均勻控制是指控制目的而言，而不是由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來決定的。均勻控制系統(tǒng)在