過程控制工程課后習題參考答案-前三章

1、過程控制工程 第一章單回路控制系統(tǒng) 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一一是指操縱變量與被控變量之間的信號聯(lián)系；干擾通道一一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。控制通道時間常數(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， 因此應該適當小一些?？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

2、系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。（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，或者說干擾進入系統(tǒng)的位置越遠離被控變量測量 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。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)應適當小一些為好，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

3、后越小越好?？刂破鞯谋壤?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8越小，系統(tǒng)靈敏度越高，余差越小。隨著8減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。圖1-42為一蒸汽加熱設備，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計一溫度控制系統(tǒng)，你認為被控變量與操縱變量應選誰為什么如果物料在溫度過低時會凝結，應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。被控變量應選擇物料的出口溫度，操縱變量應選擇蒸汽流量。物料的出口溫度是工藝要求的直接質(zhì)量指標，測試技術成熟、成本低

4、，應當選作被控變量?？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應選擇氣關閥，控制器選擇正作用。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；如果操縱變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度在0 c以下，如何防止熱交換器被凍壞。答:被冷卻物料控制閥選氣關閥，選反作用控制器。控制閥選氣開閥，選正作用控制器?？刂崎y選氣關閥，選反作用控制器。單回路系統(tǒng)方塊圖如圖1-44所示。試問當系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)質(zhì)量會

5、有何變化為什么(1)若T0增大；(2)若0增大；(3)若Tf增大；(4)若L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) T 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) t f增大對系統(tǒng)質(zhì)量無影響，當有純滯后時，干擾對被控變量的影響向后推遲了一個純滯后時間t f。第二章審級控制系統(tǒng)2. 1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)工作頻率提高。(2)串

6、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)具有一定的自適應能力。2. 2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。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)器輸出進行控制，是一隨動系統(tǒng)。因此整個副回路

7、可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看。2. 6 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，反而使被控變量遠離給定值。2. 7圖2-20所示的反應釜內(nèi)進行的是化學放熱反應，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行冷卻，以帶走反應過程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對該反應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。 當冷卻水壓力波動是主要干擾時，應怎樣組成串級畫出系統(tǒng)結構圖。當冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應怎

8、樣組成串級畫出系統(tǒng)結構圖。對以上兩種不同控制方案選擇控制閥的氣開、氣關形式及主、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)2.8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。(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突然生高，副回路首先有一個“粗調(diào)”：P1 T F1 T T2 T u2， F1 J

9、沒有完全被副回路克服的部分干擾，通過主回路“細調(diào)”：T2 T T1 T u1 J F1 J T2 J T1 J2. 9 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行嚴格控制。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所示。要求：如果冷卻水流量波動是主要干擾，應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成溫度溫度串級系統(tǒng)，

10、冷水流量單獨設計流量單回路系統(tǒng)理由：當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，構成串級系統(tǒng)，利用副回路減小等效時 間常數(shù)。熱水(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)比值與比值系數(shù)的含義有什么不同它們之間有什么關系

11、？答：比值指工藝物料流量之比，即從"小日流量之比：；Fi比值系數(shù)指副、主流量變送器輸出電流信號之比，即:K 1 21 min111 min二者之間的關系由下式?jīng)Q定：K K F1maxF2 max（變送器輸出與流量成線性關系時）(K Fl m ax )F 2 m ax（變送器輸出與流量成平方關系時）用除法器進行比值運算時，對輸入信號的安排有什么要求為什么？答：應使除法器輸出小于 1。除法器輸出值既儀表比值系數(shù)，需要通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設置，大于1無法設定、等于1無法現(xiàn)場整定。什么是比值控制系統(tǒng)它有哪幾種類型畫出它們的結構原理圖。答：比值控制系統(tǒng)就是實現(xiàn)副流量F2與主流量F1成一定比

12、值關系，滿足關系式:FF1的控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)的類型：開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、變比值、串級一比值控制系統(tǒng)。原理圖見教材。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)結構不同，實現(xiàn)比值控制的設備不同。 比值系數(shù)的設置方法不同，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設置；除法方案通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設置。在用除法器構成的比值控制系統(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)與負荷成反比。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

13、化，始終保持固定的配比關系。出現(xiàn) 4: 1振蕩時，固定配比關系不能保證。當比值控制系統(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一比值控制系統(tǒng)用DDZ-III型能否改變一下系統(tǒng)結構，仍用乘法器構成比值控制答：當比值控制系統(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K 1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)結構，只要調(diào)整F2max保證K/ <1即可乘法器來進行比值運算（乘法器輸出I . 4川0 4） 4, 16其中11與I。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

14、開方器，如圖所 示。已知 F1max 3600 kg / h, F2max 2000kg/h ,要求： 畫出該比值控制系統(tǒng)方塊圖。如果要求Fi : F2 2:1 ,應如何設置乘法器的設置值 Io解：方框圖如下：FiK F2 1,由于流量用孔板配差壓變送器，沒加開方器，所以1 3600 2 (2 2000)0.81I。4160.81F12K(KFm)2F2max一 、 一 、 ， 系統(tǒng)穩(wěn)定時：Il I2I2 4I1 4I1 4I1 4(Ii 4)(I04)4, K16I0 16K 4 16 0.81 4 16.96mA某化學反應過程要求參與反應的A B兩物料保持Fa:Fb 4: 2.5的比例，兩

15、物料的最大流量FAmax 625m3 / h, FBmax 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)K o在該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應設置于何處設置值應該是多少(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)設計如下：ApI *? K (K FAmax)2(空 625)2 1.81FBmax4290K 1,所以要將FBmax調(diào)大。一25所以FBmax KFAmxa25 625 390.6254取 FBmax 450K(KFmx)2

16、(空空)2 0.75FBmax4450比值系數(shù)K/通過I。設置，I016K4 16mA10氧化氮。為了提高氧化率，要求F1B氧化工序，其任務是將氨氧化成0解：KF.-1 基 maxKFM max120001.25000調(diào)整副流量的測量上限，使 Kv 1'取K 0.8,則F氧max7500即可。對于 DDZ-II , I0 10K10 0.8 8mA有一個比值控制系統(tǒng)如圖所示。圖中k為一系數(shù)若已知 k=2 ,FAmax 300kg/h,FBmax 1000kg/h，試求 K ? K=解：3 1KIa kK （K）2 （K 陋）21FBmax10002K 2.36雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖所示。其比值用DDZ-III 型