過程控制工程課后習題參考答案-前三章

過程限制工程

第一章單回路限制系統(tǒng)

1.1何謂限制通道？何謂干擾通道？它們的特性對限制系統(tǒng)質(zhì)

量有什么影響？

限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。

⑴限制通道特性對系統(tǒng)限制質(zhì)量的影響：（從K、T、T三方面）

限制通道靜態(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。

限制通道時間常數(shù)越大，經(jīng)過的容量數(shù)越多，系統(tǒng)的工作頻率

越低，限制越不與時，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(yīng)當適當小一些。

限制通道純滯后的存在不僅使系統(tǒng)限制不與時、使動態(tài)偏差增

大，而且還還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

⑵干擾通道特性對系統(tǒng)限制質(zhì)量的影響：（從K、T、T三方面）

干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即限制質(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限制閥，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

1.2如何選擇操縱變量?

1）考慮工藝的合理性和可實現(xiàn)性；

2）限制通道靜態(tài)放大倍數(shù)大于干擾通道靜態(tài)放大倍數(shù)；

3）限制通道時間常數(shù)應(yīng)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）限制通道純滯后越小越好。

1.3限制器的比例度8變更對限制系統(tǒng)的限制精度有何影響？

對限制系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量有何影響？

比例度6越小，系統(tǒng)靈敏度越高，余差越小。隨著§減小，系統(tǒng)

的穩(wěn)定性下降。

1.5圖1-42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？

假如要設(shè)計一溫度限制系統(tǒng)，你認為被控變量與操縱變量應(yīng)選

誰？為什么？

假如物料在溫度過低時會凝聚，應(yīng)如何選擇限制閥的開閉形式

與限制器的正反作用？

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(yīng)選擇物料的出口溫度，操縱變量應(yīng)選擇蒸汽流量。

物料的出口溫度是工藝要求的干脆質(zhì)量指標，測試技術(shù)成熟、成

本低，應(yīng)當選作被控變量。

可選作操縱變量的因數(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。

限制閥應(yīng)選擇氣關(guān)閥，限制器選擇正作用。

1.6圖1-43為熱交換器出口溫度限制系統(tǒng)，要求確定在下面不

同狀況下限制閥的開閉形式與限制器的正反作用：

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)生凝聚；

假如操縱變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度在0℃以下，如

限制閥選氣開閥，選正作用限制器。

限制閥選氣關(guān)閥，選反作用限制器。

1.7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)生變更時，系統(tǒng)質(zhì)量會有何變更？為什么？

(1)若TO增大；(2)若10增大；(3)若Tf增大；(4)

若Tf增大。

答：

(1)TO增大，限制通道時間常數(shù)增大，會使系統(tǒng)的工作頻率降

低，限制質(zhì)量變差；

(2)TO增大，限制通道的純滯后時間增大，會使系統(tǒng)限制不

與時一，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，有利于提高限制系統(tǒng)質(zhì)量；

(4)Tf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Tf。

其次章串級限制系統(tǒng)

2.1與單回路系統(tǒng)相比，串級限制系統(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)串級限制系統(tǒng)有較強的抗干擾實力，特殊是干擾作用于副環(huán)的狀況下，

系統(tǒng)的抗干擾實力會更強。

(3)串級系統(tǒng)具有肯定的自適應(yīng)實力。

2.2為什么說串級限制系統(tǒng)主限制器的正、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(guān)？

主環(huán)內(nèi)包括有主限制器，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,所以主限制器

的正反作用只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。假如主對象放大倍數(shù)的符

號為正，則主限制器為反作用，反之，則主限制器為正作用。

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依據(jù)主調(diào)整器輸出進行限制，是一隨動

系統(tǒng)。因此整個副回路可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看。

2.6試說明在整個串級限制系統(tǒng)中主、副限制器之一的正、反作用方式選錯

會造成怎樣的危害？

當主、副限制器有一個正反作用方式選錯時一，就會造成系統(tǒng)的主回路

或副回路按正反饋限制，當被控變量出現(xiàn)偏差時一，系統(tǒng)不僅不向著消退偏

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(yīng)釜內(nèi)進行的是化學放熱反應(yīng)，，而釜內(nèi)溫度過高會發(fā)生

事故，因此采納夾套通冷卻水來進行冷卻，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)溫度限制精度要求很高，單回路滿意不了要求，需用串級限

制。

⑴當冷卻水壓力波動是主要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

⑵當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。

(3)對以上兩種不同限制方案選擇限制閥的氣開、氣關(guān)形式與主、副限制器的

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).

⑵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為一專變串級限制系統(tǒng)。要求:

⑴選擇閥的開閉形式？

⑵確定主、副限制器的正、反作用方式？

⑶在系統(tǒng)穩(wěn)定的狀況下，假如燃料壓力突然上升，結(jié)合限制閥的開閉形式與限

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

⑵主限制器反作用，副限制器

沒有完全被副回路克服的部

分干擾，通過主回路“細調(diào)”：

T2fT1tul；FlIT2IT1I

2.9某干燥器采納夾套加熱和真空汲取并行的方式來干燥物料。干燥溫度過

高會使物料物性發(fā)生變更，這是不允許的，因此要求對干燥溫度進行嚴格限制。

夾套通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱的熱水，而加熱器采納的是飽和蒸汽，流程

如圖2-22所示。要求：

⑴假如冷卻水流量波動是主要干擾，應(yīng)采納何種限制方案？為什么？

⑵假如蒸汽壓力波動是主要干擾，應(yīng)采納何種限制方案？為什么？

⑶假如冷卻水流量和蒸汽壓力都常常波動，應(yīng)采納何種限制方案？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(gòu)

成溫度溫度串級系統(tǒng)，冷水流量單獨設(shè)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(shè)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限制系統(tǒng)中，限制

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(gòu)成串級系統(tǒng)，利用副回路減小等效時間常數(shù)。

(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

冷凝水

(3)采納與(1)相同方案。理由同(1)。

第三章比值限制系統(tǒng)

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：①比值指工藝物料流量之比K軀隊流量與主流量之比：;

比值系數(shù)指副、主流量變送器輸出電流信號之比，即:

K，="2'min

^1-Anin

二者之間的關(guān)系由下式確定：

K'=K區(qū)max（變送器輸出與流量成線性關(guān)系時）

max

K'=（K片max）2（變送器輸出與流量成平方關(guān)

Emax

系時）

3.2用除法器進行比值運算時，對輸入信號的支配有什么要

求？為什么？

答：應(yīng)使除法器輸出小于1。除法器輸出值既儀表比值系數(shù)，須要通

過副流量調(diào)整器的

內(nèi)給定設(shè)置，大于1無法設(shè)定、等于1無法現(xiàn)場整定。

3.3什么是比值限制系統(tǒng)？它有哪幾種類型？畫出它們的結(jié)構(gòu)原理

圖。

答：比值限制系統(tǒng)就是實現(xiàn)副流量月與主流量耳成肯定比值關(guān)系，滿

意關(guān)系式：K=.

的限制系統(tǒng)。

比值限制系統(tǒng)的類型：開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、變比值、串級一

比值限制系統(tǒng)。

原理圖見教材。

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)有何不同之

處？

答：①系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，實現(xiàn)比值限制的設(shè)備不同。

②比值系數(shù)的設(shè)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I。設(shè)置；除法方案通過副流量調(diào)整器的

內(nèi)給定設(shè)置。

3.5在用除法器構(gòu)成的比值限制系統(tǒng)中，除法器的非線性對比值限

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。

3.6為什么4：1整定方法不適用于比值限制系統(tǒng)的整定？

答：單閉環(huán)比值限制系統(tǒng)、雙閉環(huán)的副流量回路、變比值回路均為隨

動限制系統(tǒng)，希望副流量跟隨主流量變更，始終保持固定的配比關(guān)系。

出現(xiàn)4：1振蕩時，固定配比關(guān)系不能保證。

3.7當比值限制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)K，＞1時，能否仍用乘

法器組成比值限制？為什么？能否變更一下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仍用乘法

器構(gòu)成比值限制？

答：當比值限制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)大于1時，不能用乘法器

組成比值限制。因為當KT1時，計算所得的乘法器的一個外加輸入

電流信號I。大于20mA,超出乘法器的輸入范圍。

不用變更系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只要調(diào)整F2M保證K，〈1即可。

3.8一比值限制系統(tǒng)用DDZ-III型

乘法器來進行比值運算（乘法器輸出

1，二支一4洶.-4）+4,

16

其中L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，但沒有加開方器，如圖所

示。已知Flmax=3600kg/h,F2max=2000kg/h,

要求：

①畫出該比值限制系統(tǒng)方塊圖。

②假如要求耳：F?=2:1,應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)置值I。？

解：①方框圖如下:

F,

②K=^=-,由于流量用孔板配差壓變送器，沒加開方器，所以

62

M=（K^L）2=（J_x=o.8i

心22000

系統(tǒng)穩(wěn)定時：1；=，2

K'=^^=I

Z,-47,-4

/O=16K'+4=16XO.81+4=16.96〃M

3.9某化學反應(yīng)過程要求參加反應(yīng)的A、B兩物料保持FA:FB=4:2.5

的比例，兩物料的最大流量與max=625疝/力，居max=290〃//人通過

視察發(fā)覺A、B兩物料流量因管線壓力波動而常常變更。依據(jù)上

述狀況，要求：

①設(shè)計一個比較合適的比值限制系統(tǒng)。

②計算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù)K，。

③在該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于何處？設(shè)置值應(yīng)當是多

少（假定采納DDZ-in型儀表）。

④選擇該比值限制系統(tǒng)限制閥的開閉形式與限制器的正、反作

用。

解：①系統(tǒng)設(shè)計如下：

②K，=（K23）2=（至X"）2=1.81

FBmax4290

③KY1,所以要將FBmax調(diào)大。

2s

所以FBmax>阻2=彳x625=390.625

取FBm”=450K'=（K2空）2=（至x空了=0.75

「4450

比值系數(shù)K'通過I。設(shè)置，/。=16K，+4=16m4

值限制系統(tǒng)采納如圖所示的結(jié)構(gòu)形式。已知

33

FSmax=12000m/h,FSmax=5000m/h□試求比值系數(shù)K'=?假如

上述比值限制用DDZ-II型儀表來實現(xiàn)，比值系數(shù)的設(shè)置I。應(yīng)

當是多少？

解：K=K毯吧=1x幽2=1.221

FMmax25000

調(diào)整副流量的測量上限，使KV『

取K'=0.8,則產(chǎn)氧max=7500即可o

對于DDZ-n,/o=10K'=10x0.8=8,3

3.11有一個比值限制系統(tǒng)如圖所示。圖中k為一系數(shù)。若已