过程控制习题答案(孙洪成、李大字)

第一章 单回路控制系统 1.1何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？ 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1） 控制通道特性对系统控制质量的影响：（从 K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是 越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2） 干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从 K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小， 系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。 1.2如何选择操纵变量？ 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。 4）控制通道纯滞后越小越好。 1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。随着δ减小，系统的稳定性下降。 1.5图 1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：影响物料出口温度的 主要因素有哪些？如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？如果物 料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？ 答：影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。 被控变量应选择物料的出口温度，操纵变量应选择蒸汽流量。物料的出口温度是工艺要求的直接质量 指标，测试技术成熟、成本低，应当选作被控变量。可选作操纵变量的因数有两个：蒸汽流量、物料 流量。后者工艺不合理，因而只能选蒸汽流量作为操纵变量。控制阀应选择气关阀，控制器选择正作用。 1.6图 1-43为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀的开闭形式及控制器的正反作用：
热物料在温度过高时会发生分解、自聚； 热物料在温度过低时会发生凝结；
纵变量为冷却水流量，该地区最低温度 在 0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。 答：控制阀选气开阀，选反作用控制器。
阀选气关阀，选正作用控制器。 阀选气关阀，选反作用控制器。 1.7单回路系统方块图如图 1-44所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化？为什么？ （1）若 T0增大； （2）若τ0增大； （3）若 Tf增大； （4） 若τf增大。 答：（1）T0增大，控制通道时间常数增大，会使系统的工作频 率降低，控制质量变差； （2）τ0增大，控制通道的纯滞后时间增大，会使系统控制不 及时，动态偏差增大，过渡过程时间加长。 （3）Tf增大，超调量缩小 1/Tf倍，有利于提高控制系统质量； （4）τf增大对系统质量无影响，当有纯滞后时，干扰对被控 变量的影响向后推迟了一个纯滞后时间τf。 第二章 串级控制系统 2．1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点？ (1)串级系统由于副回路的存在,使等效副对象时间常数减小，改善了对象的特性,使系统工作频率提高。

(2)串级控制系统有较强的抗干扰能力，特别是干扰作用于副环的情况下,系统的抗干扰能力会更强。 (3)串级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、反作用方式只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关？ 主环内包括有主控制器,副回路,主对象和主变送器.而副回路可视为一放大倍数为“1”的环节,主变送器放大倍数一般为正,所以主控 制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。如果主对象放大倍数的符号为正,则主控制器为反作用,反之,则主控制器为正作用。 2．5 试说明为什么整个副环可视为一放大倍数为正的环节来看？ 副回路所起的作用是使副变量根据主调节器输出进行控制，是一随动系统。因此整个副回路可视为一放大倍数为正的环节来看。 2．6 试说明在整个串级控制系统中主、副控制器之一的正、反作用方式选错会造成怎 样的危害？ 当主、副控制器有一个正反作用方式选错时,就会造成系统的主回路或副回路按正反馈控 制,当被控变量出现偏差时,系统不仅不向着消除偏差的方向校正,反而使被控变量远离 给定值。 2．7图 2-20所示的反应釜内进行的是化学放热反应，，而釜内温度过高会发生事故，因 此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应 温度控制精度要求很高，单回路满足不了要求，需用串级控制。 ⑴ 当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。 ⑵当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。 ⑶ 对以上两种不同控制方案选择控制阀的气开、气关形式及主、副控制器的正、反作用方式。 (1)选冷水流量为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统.(2)夹套温度为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统.
2．8(右图)图 2-21为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。 要求： ⑴ 选择阀的开闭形式？⑵ 确定主、副控制器的正、反作用方式？ ⑶ 在系统稳定的情况下，如果燃料压力突然升高，结合控制阀的开闭形 式及控制器的正、反作用方式，分析串级系统的工作过程。 答：(1)气开阀 (2)主控制器反作用,副控制器反作用。 (3)如果燃料气的 P1突然升高， 副回路首先有一个“粗调”： P1↑→F1↑→T2↑→u2↓→ F1↓ 没有完全被副回路克服的部分干扰，通过主回路“细调”： T2↑→T1↑→u1↓→ F1↓→T2↓→T1↓ 2．9 某 干燥器采用夹套加热和真空吸收并行的方式来干燥物料。干燥 温度过高会使物料物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进 行严格控制。夹套通入的是经列管式加热器加热的热水，而加热器采用的 是饱和蒸汽，流程如图 2-22（右图）所示。要求： ⑴ 如果冷却水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？ ⑵ 如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？ ⑶ 如果冷却水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什 么？ (1)以热水温度为副变量,干燥器出口温度为主变量，蒸汽流量为操纵变量