過程控制工程答案孫洪程著

1、第一章 思考題及習(xí)題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?答：所謂“通道”，就是某個(gè)參數(shù)影響另外一個(gè)參數(shù)的通路，這里所說的控制通道就是控制作用(一般的理解應(yīng)當(dāng)是控制器輸出)U(s)對被控參數(shù)Y(s)的影響通路(一般的理解是控制作用通過執(zhí)行器影響控制變量，然后控制變量通過被控對象再影響被控參數(shù)，即廣義對象上的控制通道)。同理，干擾通道就是干擾作用F(s)對被控參數(shù)Y(s)的影響通路。干擾通道的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量影響如下表所示。控制通道的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量影響如下表所示1.2如何選擇控制變量?答： 所選控制變量必須是可控的。 所選控制變量應(yīng)是通道放大倍數(shù)比較大者，最

2、好大于擾動(dòng)通道的放大倍數(shù)。 所選控制變量應(yīng)使擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)越大越好，而控制通道時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些為好，但不易過小。 所選控制變量其通道純滯后時(shí)間應(yīng)越小越好。 所選控制變量應(yīng)盡量使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥。 在選擇控制變量時(shí)還需考慮到工藝的合理性。一般來說，生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜經(jīng)常變動(dòng)，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量1.3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(dòng)態(tài)質(zhì)量有何影響?答：當(dāng)Gc(s)=Kc時(shí)，即控制器為純比例控制，則系統(tǒng)的余差與比例放大倍數(shù)成反比，也就是與比例度成正比，即比例度越大，余差也就越大。Kc增大、減小，控制精

3、度提高(余差減小)，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。1.4 4：1衰減曲線法整定控制器參數(shù)的要點(diǎn)是什么?答：衰減曲線法是在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器積分時(shí)間Ti放在最大，微分時(shí)間Td放在最小，比例度放于適當(dāng)數(shù)值(一般為100%)，然后使由大往小逐漸改變，并在每改變一次值時(shí)，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一個(gè)階躍干擾，同時(shí)觀察過渡過程變化情況。如果衰減比大于4：1，應(yīng)繼續(xù)減小，當(dāng)衰減比小于4：1時(shí)應(yīng)增大，直至過渡過程呈現(xiàn)4：1衰減時(shí)為止。找到4：1衰減振蕩時(shí)的比例度s，及振蕩周期Ts。再按經(jīng)驗(yàn)公式，可以算出采用不同類型控制器使過渡過程出現(xiàn)4：1振蕩的控制器參數(shù)值。依次將控制器參數(shù)放好。不過在放積分、微分之前應(yīng)將多

4、放在比計(jì)算值稍大(約20%)的數(shù)值上，待積分、微分放好后再將放到計(jì)算值上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗(yàn)證一下過渡過程是否呈4：1衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下值，直到達(dá)到滿意為止。1.5 圖1.41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?答：影響物料出口溫度的主要有：蒸汽流量、物料流量為影響物料出口溫度的主要因素。 如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量與控制變量應(yīng)選哪些參數(shù)?為什么?答：被控變量為物料出口溫度，控制變量為蒸汽流量。因?yàn)槲锪铣隹跍囟缺碚髁讼到y(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，蒸汽流量是可控的，無純滯后，靠近控制閥，控制通道時(shí)

5、間常數(shù)較小。 如果物料在溫度過低時(shí)會(huì)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：為防止在氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出時(shí)出現(xiàn)物料凝結(jié)，應(yīng)選氣閉式。當(dāng)出口溫度降低時(shí)，要求蒸汽流量加大，即控制閥輸入減小，控制器輸出減小，此時(shí)控制器輸入由于測量值減小而減小，控制器選正作用。1.6 圖1.42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開、閉形式及控制器的正、反作用： 被加熱物料在溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生分解、自聚。答：控制閥氣閉式，控制器的反作用。 被加熱物料在溫度過低時(shí)會(huì)發(fā)生凝結(jié)。答：控制閥氣開式，控制器的正作用。 如果控制變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度在0以下，如何

6、防止熱交換器被凍壞。答：控制閥氣閉式，控制器的反作用。1.7單回路系統(tǒng)方塊圖如圖1.43所示。試問當(dāng)系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量會(huì)有何變化?為什么?答：當(dāng)KC、KV、K0增加時(shí)，系統(tǒng)的余差減小，但系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。T0增加時(shí)， 系統(tǒng)的工作頻率降低，控制速度變慢。這樣就不能及時(shí)地克服干擾的影響，因而，系統(tǒng)的控制質(zhì)量會(huì)越差。0增加時(shí)，使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。Kf增加時(shí)，系統(tǒng)的余差也變大，即控制靜態(tài)質(zhì)量變差。Tf增加時(shí)，控制過程的品質(zhì)會(huì)提高。f增加時(shí)，質(zhì)量沒有影響。1.8有一如圖1.44所示的加熱器，其正常操作溫度為200，溫度控制器得測量范圍是15

7、0250，當(dāng)控制器輸出變化1%時(shí)，蒸汽量將改變3%，而蒸汽量增加1%，槽內(nèi)溫度將上升0.2。又在正常操作情況下，若液體流量增加1%，槽內(nèi)溫度將會(huì)下降l。假定所采用的是純比例式控制器，其比例度為100%，試求當(dāng)設(shè)定值由200提高到220時(shí)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，槽內(nèi)溫度是多少攝氏度？答：當(dāng)設(shè)定值由200提高到220時(shí)，控制器輸出變化 20/200=10%，蒸汽量增加30%，液體流量不變，槽內(nèi)溫度將上升0.230=6，所以待系統(tǒng)穩(wěn)定后，槽內(nèi)溫度是206。1.9在u=50階躍干擾作用下，測得某溫度對象控制通道得響應(yīng)數(shù)據(jù)如下：根據(jù)上述數(shù)據(jù)用反應(yīng)曲線法計(jì)算PI控制器參數(shù)。答：從響應(yīng)數(shù)據(jù)得干擾起作用點(diǎn)為0.6min，227，即=0.6min，拐點(diǎn)為1.0min，280，即T0=2.0min-0.6min=1.4 min，設(shè)采用型儀表，測量范圍為100