過程控制工程第三版習(xí)題答案

1、精選ppt1習(xí)題講解習(xí)題講解鄭重聲明本PPT可以下載，但禁止轉(zhuǎn)載。精選ppt2第一章第一章P16P16頁思考與習(xí)題頁思考與習(xí)題1-1 自動控制系統(tǒng)主要由哪里些環(huán)節(jié)組成？各環(huán)節(jié)起什么作用？答：答：自動控制系統(tǒng)由被控對象、測量變送 器、執(zhí)行器（控制閥）和控制器組成。被告控對象：被告控對象：是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。測量變送器：測量變送器：用于測量被控變量，并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為標準信號作為輸出。執(zhí)行器：執(zhí)行器：常用的是控制閥，接受來自控制器的命令信號，用于改變控制閥的開度?？刂破鳎嚎刂破鳎核鼘⒈桓婵刈兞康臏y量值班與設(shè)定值進行比較，得出偏差信號e(t)，并按一定規(guī)律性輸出控制信號u(t)。精選p

2、pt31-2 1-2 試討論比較常見的計算機控制裝置的系試討論比較常見的計算機控制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點1）直接數(shù)字控制：計算靈活，不僅能實現(xiàn)典型的PID控制規(guī)律，還可以分時處理多個控制回路。2）集中型計算機控制系統(tǒng)：可實現(xiàn)解耦控制、聯(lián)鎖控制等各種更復(fù)雜的控制功能；信息集中，便于實現(xiàn)操作管理與優(yōu)化生產(chǎn)；靈活性大，控制回路的增減、控制方案的改變可由軟件來實現(xiàn)；人機交互好，操作方便。3）集散控制系統(tǒng)：同時適應(yīng)管理與控制兩方面的需要，一方面使用若干個控制器完成系統(tǒng)的控制任務(wù)，每個控制器實現(xiàn)一定的控制目標，可以獨立的完成數(shù)據(jù)采集、信號處理、算法實現(xiàn)與控制輸出等功能；另一方面，強調(diào)穦的集中性。

3、精選ppt41-31-3P:被控變量，儲罐：被控對象U:控制變量， 進氣流量：操縱變量被控變量：被控對象需要維持在其理想值的工藝變量，也是測量變送的輸入?？刂谱兞浚嚎刂破鞯妮敵鲭娦盘枴２僮髯兞浚簣?zhí)行器的操作對象，對被控變量有影響。擾動變量:影響被控變量的變量（除了操作變量）。精選ppt5壓力控制器控制對象進氣控制閥干擾通道測量變送spP( )P t( )e t精選ppt61-4 以圖以圖1-161-16所示的液位控制系統(tǒng)為例，當進料量所示的液位控制系統(tǒng)為例，當進料量QiQi突然增大時，詳細說明系統(tǒng)如何運用反饋控制機突然增大時，詳細說明系統(tǒng)如何運用反饋控制機制來實現(xiàn)液位定值控制之目的。制來實現(xiàn)液

4、位定值控制之目的。液位控制器控制對象流出控制閥測量變送sph( )e t( )P t 假設(shè)控制閥為氣關(guān)閥，控制器為反作用，偏差為指定值與測量值之差。精選ppt7答：根據(jù)輸出相對于輸入變化的響應(yīng)情況可將過程分為兩大類：自衡過程和非自衡過程。自衡過程：自衡過程：當輸入變化時，無需外加的任何控制作用，過程能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自衡性。自衡過程包括純滯后過程、單容過程和多容過程。非自衡過程：非自衡過程：與自衡過程不同，當輸入發(fā)生變化時，非自衡過程不能夠自發(fā)地趨于新的平衡狀態(tài)。習(xí)題2-1工業(yè)過程中被控對象的動態(tài)特性有哪工業(yè)過程中被控對象的動態(tài)特性有哪些特點？些特點？精選ppt8習(xí)題習(xí)題2-

5、22-2液阻：凡是能局部改變液流的通流面積使液流產(chǎn)生壓力損失（阻力特性）或在壓力差一定情況下，分配調(diào)節(jié)流量（控制特性）的液壓閥口以及類似結(jié)構(gòu)，如薄壁小孔、短孔、細長孔、縫隙等，都稱之為液阻。各種液阻都應(yīng)滿足流量壓力方程。液阻可類似電阻用R=P/q確定,P與液位差H有關(guān)。 或者,當液體流過一段較長的管道或各種閥孔、彎管及管接頭時，由于流動液體各質(zhì)點之間以及液體與管壁之間的相互摩擦和碰撞會產(chǎn)生阻力，這種阻礙液體流動的阻力稱為液阻。液阻的大小由流量和壓力決定 精選ppt9123123222023330323231322312332( )( )( )( )( )( )( )AdHQQQdtAd HQQ

6、QdtHQQQRHQQQRR R ASH SR R Q SR H SR H SR RH SG SQ SR R ASRR （1 1）據(jù)液體力學(xué)原理有：）據(jù)液體力學(xué)原理有：精選ppt10（2 2）過程的方框圖）過程的方框圖232332R RR R ASRR1()QS()H S精選ppt11習(xí)題習(xí)題 2-3: 2-3: 機理建模舉例機理建模舉例 R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R1(1) 列寫過程微分方程組;(2) 畫出方框圖;(3) 求傳遞函數(shù))()()(12sQsHsGp精選ppt12習(xí)題習(xí)題2-3: 2-3: 列寫狀態(tài)方程列寫狀態(tài)方程R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12

7、Q1R131222122111,QQdtdhCQQQdtdhC物料平衡方程:122112323212,RhhQRhQRhQ將流量方程代入物料平衡方程,即得到過程狀態(tài)方程精選ppt13習(xí)題習(xí)題2-3: 2-3: 狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示31222122111,QQdtdhCQQQdtdhC122112323212,RhhQRhQRhQ由以上傳遞函數(shù)方程,可畫出相應(yīng)的方框圖.)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ精選ppt14習(xí)題習(xí)題2-3

8、: 2-3: 過程傳遞函數(shù)方框圖過程傳遞函數(shù)方框圖)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ+_+_Q12Q1(s)Q2sC1121R+_+_H1121RH2sC2131RH2(s)精選ppt15習(xí)題習(xí)題2-3: 2-3: 計算輸入輸出傳遞函數(shù)計算輸入輸出傳遞函數(shù)利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數(shù)計算公式;通過求解傳遞函數(shù)方程組.32122122122121111)()()()(,)()()()()(RsHRsHsHssHCRsHsHRsHsQssHC精選

9、ppt162-4 2-4 什么是線性化？為什么在過程控制中經(jīng)什么是線性化？為什么在過程控制中經(jīng)常采用近似線性化模型？常采用近似線性化模型？所謂線性化，就是在一定的條件下作某種近似，或者縮小一些工作范圍，而將非線性微分方程近似地作為線性微分方程來處理。自然界中并不存在真正的線性系統(tǒng)，而所謂的線性系統(tǒng)，也只是在一定的工作范圍內(nèi)保持其線性關(guān)系。實際上，所有元件和系統(tǒng)在不同程度上，均具有非線性的性質(zhì)。例如，機械系統(tǒng)中的阻尼器，在低速時可以看作線性的，但在高速時，粘性阻尼力則與運動速度的平方成正比，而為非線性函數(shù)關(guān)系。又例如，電路中的電感，由于磁路中鐵心受飽和的影響，電感值與流過的電流呈非線性函數(shù)關(guān)系。

10、對于包含有非線性函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)來說，非線性數(shù)學(xué)模型的建立和求解，其過程是非常復(fù)雜的。為了繞過非線性系統(tǒng)在數(shù)學(xué)處理上的困難，對于大部分元件和系統(tǒng)來說，當信號或變量變化范圍不大或非線性不太嚴重時，都可以近似地線性化，即用線性化數(shù)學(xué)模型來代替非線性數(shù)學(xué)模型。一旦用線性化數(shù)學(xué)模型來近似地表示非線性系統(tǒng)，就可以運用線性理論對系統(tǒng)進行分析和設(shè)計。精選ppt17習(xí)題習(xí)題2-6 2-6 測量變送環(huán)節(jié)如下：測量變送環(huán)節(jié)如下：式中Km為增益， Tm為時間常數(shù)，m為滯后時間。測量變送環(huán)節(jié)的非線性會影響這些參數(shù)，為了便于處理，一般采用線性化處理得到以上動態(tài)特性。1msmmKeT s精選ppt18習(xí)題習(xí)題2-7:2-7

11、: 控制閥流量特性選擇控制閥流量特性選擇TC蒸汽凝液進料TspTmTG2G1, T1u(t)熱平衡方程:2111)(GTTGC11121GGCGTKp控制通道靜態(tài)增益:G1G2即控制閥開度KpKv選等百分比閥1111pMTGG為平衡點流量。1G精選ppt19被控對象的動態(tài)特性變化被控對象的動態(tài)特性變化對控制閥流量特性選擇的考慮對控制閥流量特性選擇的考慮G1G2即控制閥開度KpKv選等百分比閥從靜態(tài)增益補償?shù)慕嵌葟膭討B(tài)特性變化的角度 (Why?)G1G2即控制閥開度TpKv選快開閥穩(wěn)定性變差閥特性選擇請參考表2-1：控制閥固有流量特性精選ppt20單回路系統(tǒng)防積分飽和原理分析單回路系統(tǒng)防積分飽和

12、原理分析討論討論：正常情況為標準的PI控制算法；而當出現(xiàn)超限時，自動切除積分作用。為什么?d(t)廣義對象ym(t)ysp(t)vKCe(s)11sTIu1max1maxmax1min1min1min,uuuuuuuuuuv精選ppt21習(xí)題習(xí)題 2-8 2-8 1、注意：液阻與液位高度（壓力）的關(guān)系為 R=H/Q。那么有：200.021000HRQHRQ2、根據(jù)流量壓力平衡方程有：()dHHR QAdt即：dHRAHRQdt拉氏變換得：( )( )( )RAsH sH sRQ s即：( )0.02( )0.011H sQ ss時間常數(shù)為：T=0.01注意：這里在假設(shè)液位升高，那么dHdt0d

13、Hdt否則0dHdt精選ppt22習(xí)題習(xí)題2-92-9單位化：t=0,10,20,40,60,80,100,150,200,300,400,500y =0, 0.09596, 0.18182,0.33333, 0.45455, 0 . 5 5 5 5 6 , 0 . 6 3 6 3 6 , 0 . 7 8 7 8 8 , 0 . 8 6 8 6 9 , 0.9596,0.9899,1，假設(shè)液位的測量范圍為0-1000.0maxmin9910000.520%0.2yyyyK單位階躍響應(yīng)，當單位階躍響應(yīng)，當t=Tt=T時，振幅為時，振幅為0.6320.632，由表可知，由表可知，當和當和t=100

14、t=100時，時，h=0.632h=0.632，所以，所以，T=100.T=100.精選ppt23精選ppt24習(xí)題習(xí)題2-102-10單位階躍響應(yīng)：( )(0)*( )(0)y tyyyy ?。?2*( )0.4,*( )0.8ytyt查表得：1223,43tt因為：120.530.46tt則說明該階躍響應(yīng)需要更高級的函數(shù)才能擬全的更好，查表2-2得，n=3由：12( )(0)210,22.16 31pttyyTKu 得：32( )(101)G ss精選ppt25習(xí)題習(xí)題2-112-11依題意系統(tǒng)模型為：( )1pKG sTs26( )(0)1801.8 100.01 10pyyKu 單位階

15、躍響應(yīng)：( )(0)*( )(0)y tyyyy 查表得： 5.14665T 得：21.8 10( )51G ss精選ppt26習(xí)題習(xí)題3-13-1PID控制表達式：001( )( ) ( )( )tcdide tu tK e te t dtTuTdt偏置值u0是控制器的穩(wěn)態(tài)輸出，反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點，所以它的值由控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出確定。傳遞函數(shù)反映的是系統(tǒng)在工作點的動態(tài)特性，故在時域變?yōu)轭l域時沒有這一項，即：*001( )( )( ) ( )( )tcdide tu tu tuK e te t dtTTdt精選ppt27習(xí)題習(xí)題3-2 3-2 僅加加強控制器的積分作用僅加加強控制器的積

16、分作用在相同階躍干擾情況下，最大偏差是否增大？振蕩是否加?。看穑涸谙嗤A躍干擾情況下，增強積分作用增強積分作用，最大偏差會減小，振蕩會加劇。參考仿真。精選ppt28習(xí)題習(xí)題3-2 3-2 僅加加強控制器的積分作用僅加加強控制器的積分作用在相同階躍干擾情況下，最大偏差是否增大？振蕩是否加?。看穑涸谙嗤A躍干擾情況下，增強積分作用增強積分作用，最大偏差會減小，振蕩會加劇。為了獲得以前相同的穩(wěn)定性，可減小KC，參考仿真。精選ppt29習(xí)題習(xí)題3-33-3積分飽和：對于一個有積分功能的偏差，控制器的作用就會對偏差進行累積來改變控制器的輸出。如果這時閥門已經(jīng)達到飽和（已經(jīng)全開或者全關(guān)），而無法繼續(xù)進行調(diào)

17、節(jié)，那么偏差將無法消除。然而由于積分作用，控制的輸出仍在增加，直到達到某個極限值并停留在那里，這種情況成為積分飽和。由定義可知，發(fā)生積分飽和的前提是控制器具有積分功能，控制器的飽和輸出極限值要比熱先機榣信號范圍大。后 果：系統(tǒng)控制效果差，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，可能對人或者設(shè)備構(gòu)成威脅。精選ppt30習(xí)題習(xí)題3-43-4見表3-3maxmaxmax(1)0.5(2)0.45(3)0.6,1.2c Pcc PIcc PIDcc PIDc PPKKPIKKPIDKKKK控制器:控制器:控制器:精選ppt31習(xí)題習(xí)題3-53-5兩點法兩點法設(shè)階躍相應(yīng)傳遞函數(shù)為：( )1sKG seTs0maxmin10m

18、axmin1510050.03yyyyKuuuu作無量綱階躍響應(yīng)：( )(0)*( )(0)y tyytyy取：12*( )0.283,*( )0.632ytyt精選ppt32得：21201.5(),2.2TttttT參考仿真實驗，對比：K=0.6,KI= 20; K=1.4,KI= 20;精選ppt33習(xí)題習(xí)題4-14-1前饋反饋控制器：( )5(23)( )( )1PDffPCGssGsGss ( )F s( )R s( )cG s( )ffGs( )PDGs( )PCGs( )Y s精選ppt34精選ppt35精選ppt36精選ppt37精選ppt38習(xí)題習(xí)題4-24-2前饋控制器：2(

19、 )1.05(551)( )( )0.94(411)sPDffPCGssGseGss 精選ppt39習(xí)題習(xí)題4-34-3系統(tǒng)框圖：( )F s( )ffGs( )PDGs1( )pGs2( )pGs1( )mGs2( )mGs1( )cGs( )R s2( )cGs( )vG s( )Y s( )F s( )ffGs( )PDGs1( )pGs2( )pGs1( )mGs2( )mGs2( )cGs( )vG s( )Y s1( )cGs精選ppt40由圖可得：122111222( ),( )11PDffPCvPPCmCvPmGG G AG G GY sAF sAG G GG G G G由不變

20、性原理 得：( )0,( )0F sY s即：10PDffPGG G A得：1290.5/(21)1821,23/(21)2191 91219.554PDffPffGssGAG AAsSSSG 精選ppt41習(xí)題習(xí)題5-15-11、副控制器的正反作用要改變，主控制器的正反作用不改變。閥門是副加中的執(zhí)行器，在主回路中，副回路作為一個整體為正作用，故執(zhí)行器的改變對主回路無影響，主控制器正反作用不變。在副回路中，執(zhí)行器由氣開閥變以為氣關(guān)閥，正反作用改變。而正反作用的選擇是使系統(tǒng)成為負反饋系統(tǒng)，而副回路中除副控制器外其余正反作用不變。幫副控制器正反作用改變。2、比例度的積分都要改變，副控制器的輸出是改

21、變閥門，比例度要增加，而積分時間要減小?？趶阶兇笙喈斢诳刂仆ǖ婪糯蟊稊?shù)增加，此時若比例度和積分不變則控制系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)增加，系統(tǒng)余差變小，但是系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。對于一個不穩(wěn)定系統(tǒng)談余差是沒有意義的。因此，首先要保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，那么要減小控制器放大倍數(shù)，即增大比例度。此時余差肯定會變大，因此要加強積分作用，即減小積分時間，噴水消除余差。3、主控制器的比例度和積分時間不改變，由于串級控制系統(tǒng)對副對象和控制閥特性變化具有魯棒性，即副對象控制閥特性的變化不會影響主控制器。精選ppt42習(xí)題習(xí)題5-25-21、最合適的應(yīng)該選擇2，因為它包含的干擾最多，而且距離第四貯罐比較遠，不容易引起系統(tǒng)共振。2、控制方框圖如下：12( ),F s( )PDGs3 4( )pGs2