过程控制系统（第3版）习题答案

来源网络侵权请联系删除来源网络侵权请联系删除习题参考答案第1章开环控制系统：无反馈环节，输出量仅受输入量的控制，系统结构简单，操作方便，成本低；但抗干扰能力差，控制精度较低。闭环控制系统：采用负反馈环节，按偏差进行控制，控制精度较高，抗干扰能力强。将系统的输出变量通过适当的测量变送仪表又引回到系统输入端，并与输入变量相比较，这种做法称为“反馈”。当反馈信号与设定值相减时，称为负反馈。自动控制系统的工作过程，实质上就是控制作用不断克服扰动的过渡过程。从满足稳定性、快速性和准确性的基本要求出发，需采用具有负反馈环节的闭环控制系统。典型的自动控制系统主要由被控对象、控制器、执行器（过程控制系统中是控制阀）、检测元件及变送器组成，在结构上形成闭环负反馈是确保其稳定的先决条件。各组成部分在系统中的作用：略。按设定值的变化情况，可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。原来处于稳定状态下的过程控制系统，当其输入（扰动作用或设定值）发生变化后，被控变量（即输出）将随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程，即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。研究控制系统的过渡过程，可以分析系统在稳定性、快速性和准确性各方面的控制性能。对自动控制系统的基本技术性能的要求，包含有静态和动态两个方面，一般可以将其归纳为稳定性、快速性和准确性，即“稳、快、准”的要求。过程控制系统的单项性能指标有：衰减比、回复时间、最大偏差（或超调量）和余差。衰减比用于衡量控制系统的稳定性，回复时间用于描述控制系统的快速性，最大偏差和超调量则反映了系统的动态精确度（即准确性）和稳定性，它们都是描述系统动态性能的指标；而余差是反映控制系统准确性的一个重要稳态指标。数学模型是描述系统（或环节）在动态过程中的输出变量与输入变量之间关系的数学表达式。充分了解过程的特性，掌握其内在规律，是过程控制系统设计的前提。建立过程数学模型的方法有理论分析法和实验测试法。过程特性的描述同数学模型。过程特性是系统设计时确定合适的被控变量和操纵变量、选择控制阀流量特性的依据，也是选择控制器控制规律的主要依据之一。一阶自衡过程的特性可用放大系数K、时间常数T和纯滞后时间0这三个特性参数来全面表征。放大系数K是过程的静态特性参数。时间常数T用来表征过程输入变化后被控变量的变化情况，它是反映过程动态特性的参数。纯滞后时间是指在过程的输入发生变化后，输出变化落后于输入变化的时间，它也是反映过程动态特性的参数。10．为了简化过程的数学模型，通常对多容过程的阶跃响应曲线作如下近似处理：在下图所示多容过程的阶跃响应曲线上，通过曲线拐点B作切线（可用逼近法来完成），与稳态值y(∞)交于A点，与横坐标交于C点，则线段AC在时间轴上的投影即为过程的等效时间常数T。这样，就可以用一条由一个纯滞后ODC及一个无纯滞后单容（一阶）过程的动态特性曲线CBE所组成的曲线ODCBE来近似地表示多容过程的动态特性。在此，可将纯滞后0和容量滞后C均近似地看做纯滞后来一并处理，称为滞后时间，用表示，则滞后时间0+C。采用上述处理后，多容过程的传递函数可近似表示为。高阶自衡非振荡过程的特性比较复杂，在描述时可近似处理成具有纯滞后的一阶自衡过程，用放大系数K、等效时间常数T和滞后时间三个特性参数来近似表征。11．K＝10，T＝4min，0＝1min，，12．（略）13．在过程的阶跃响应曲线上，用逐步逼近的方法通过曲线拐点作切线，可得τ≅1.5min，T≅1.2minK=换热器的传递函数为：G14．该水位控制系统中，被控变量：水箱水位，操纵变量：进水流量；主要扰动量：出水流量；控制器：浮球式自力调节器。原理方框图见下图。在原稳定状态下，若出水流量（扰动量）增大，则液位随之降低，浮球下降，连杆以右侧固定处为支点做逆时针偏转，带动锥阀下移而远离进水口，从而使进水流量增大。当锥阀下降到进水流量与出水流量相等时，水位不再降低，重新稳定在一个低于原水位的高度上。图1.55水位控制系统原理15．（略）16．控制器的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间随着时间变化的规律。常规控制器的基本控制规律有比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）。比例控制规律是控制器的基本控制规律。比例控制的特点是反应速度快、控制作用及时，但控制的结果存在余差。积分控制作用的特点是能够消除余差，但因其控制作用缓慢，因此积分作用不能单独使用。微分控制作用是按偏差的变化速度进行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的结果不能消除偏差，且对于固定不变的偏差无控制作用。17．虽然积分作用能够消除余差，但在偏差刚出现时，控制作用是随着时间的积累而逐渐增强的，所以积分控制作用缓慢，总是滞后于偏差的存在，不能及时有效地克服扰动的影响，致使被控变量的动态偏差增大，控制过程拖长，甚至使系统难以稳定。因此积分控制规律不能单独使用。微分作用控制的结果不能消除偏差。尤其是对固定不变的偏差，即使其数值很大，微分作用也没有输出，所以微分控制规律一定不能单独使用。18．工业生产中实际使用的控制规律主要有三种：比例（P）控制、比例积分（PI）控制、比例积分微分（PID）控制。比例（P）控制规律适用于过程控制通道的滞后较小，负荷变化不大，而工艺要求又不高，允许被控变量在一定范围内变化的场合。比例积分（PI）控制规律适用于对过程控制通道的时间常数较小，系统负荷变化不大，且控制精度要求较高的重要参数的控制。比例积分微分（PID）控制规律适用于过程控制通道具有较大的惯性或容量滞后，且控制精度要求比较高，希望动态偏差较小，且比较重要的参数的控制。19．比例度是用于表示控制器比例控制作用强弱的参数，其取值大小会影响系统的控制质量。越小，则比例控制作用就越强。减小比例度，有利于减小系统的余差，缩短回复时间，但会使系统的稳定性变差（降低）。比例度对最大偏差的影响视设定作用和扰动作用而不同。积分控制作用的强弱用积分时间TI来表示。TI越小，则积分作用越强，反之越弱。TI的减小，有利于尽快消除余差、减小最大偏差，但会使控制系统的振荡加剧、系统的稳定性下降。若TI过小，则可能导致系统不稳定。微分控制作用的强弱用微分时间TD来表示。TD越大，表示微分作用越强。选取适当的微分时间TD，系统的控制指标将得到全面的改善，即可缩短系统的回复时间，提高系统稳定性，减少动态偏差和余差。但若TD取得过大，则会使系统变得非常敏感，系统的控制质量反而变差，甚至使系统不稳定。20．化简图1.56中的方框图，并求传递函数Y(s)/X(s)。①图（a）：图（b）：图（c）：图（d）：21．（1）求Y(s)X(s)时对动态结构图进行等效变换，得：Y（2）求Y(s)F(s)时，令X(s)=0，原动态结构物可变换对动态结构图进行等效变换，得：Y22．假定X(s)=0，原结构图可变为：YYY将Y1(s)、Y2(s)5F设Ys=05FF所以有：

5解得：W第2章1～4．（略）5．过程控制通道的放大系数K0越大，则余差和最大偏差越小，控制作用增强，克服扰动的能力也越强，但系统的稳定性变差。为兼顾稳定性，K0应适当地大一些。随着控制通道时间常数T0的减小，系统的工作频率会提高，控制就较为及时，过渡过程也会缩短，控制质量将获得提高。然而也不是控制通道的时间常数越小越好。因为时间常数太小，系统工作过于频繁，系统将变得过于灵敏，反而会使系统的稳定性下降，系统质量变差。因此，在保证系统稳定性要求的前提下，T0应适当小一些。6～12．（略）13．答：①影响物料出口温度的主要因素有：蒸汽流量和压力，物流的流量、初温、成份。②依控制要求，应选物料出口温度这一直接参数作被控变量。在①所述的因素中，物料的流量是生产负荷，不宜作为操纵变量，其初温和成份是不可控因素；蒸汽流量对出口温度的影响最为有效，工艺上也允许调节，故应选择蒸汽进口流量作操纵变量。③如果物料温度过高时会分解，则应选气开阀。系统故障时，气开阀因失气而处于全关状态，关闭蒸汽供应，使物料温度不至过高。④如果物料在温度过低时会凝结，则应选择气关阀。一旦系统故障，气关阀因失气而处于全开状态，较大的蒸汽流量能保障温度不至过低。14．答：①锅炉汽包液位控制系统的方框图如下：②因工艺要求锅炉不能烧干，则当系统故障时须保证进水供应，控制阀应处于全开状态，因此应选择气关阀。③当进水流量增大时，汽包水位升高，即汽包对象的作用符号为“+”；气关形式的给水阀记为“-”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“+”，应选正作用方式。④当炉膛温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，锅炉汽包水位下降，液位变送器输出随之减小，控制器的输入偏差亦减小，控制器输出减小，使气关形式的进水控制阀开度增大，从而使进水流量增加，以保证液位不至过低。15．答：①精馏塔塔釜温度控制系统的方框图如下：②因精馏塔的温度不能太高，故当系统故障时应关闭蒸汽供应，应选择气开形式的蒸汽控制阀。③当蒸汽流量增大时，塔釜温度升高，即被控对象的作用符号为“+”；气开形式的蒸汽控制阀记为“+”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“-”，应选反作用方式。④当外界扰动使精馏塔塔釜温度升高时，塔釜温度的测量值增大，控制器的输入偏差亦增大，反作用控制器输出减小，致使蒸汽气开阀关小，减小了进入再沸器的蒸汽流量，从而使塔釜温度降低而重新稳定在设定值附近。16．答：①因工艺上不允许塔釜液体被抽空，因此当系统故障时出料控制阀应处于全关状态，应选择气开形式的控制阀。②当出料流量增大时，塔釜液位下降，即被控对象的作用符号为“-”；气开阀符号记为“+”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“+”，应选正作用方式。17．答：①因工艺上不允许反应器温度过高，故应选择气开形式的蒸汽控制阀，一旦系统故障，立即关闭蒸汽供应。②当蒸汽流量增大时，反应器温度升高，即被控对象的作用符号为“+”；气开阀符号记为“+”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“-”，应选反作用方式。18．答：①因工艺要求物料温度不能过高，否则容易分解，则应选气开形式的加热剂控制阀，一旦系统故障，立即停止加热剂供应。当加热剂流量增大时，加热器出口温度升高，即被控对象的作用符号为“+”；气开阀符号记为“+”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“-”，应选反作用方式。②因工艺要求物料温度不能太低，否则容易结晶，则冷剂控制阀应选气开式，当系统故障时，冷剂控制阀关闭，停止冷剂进入加热器。当冷剂流量增大时，加热器出口温度降低，即被控对象的作用符号为“-”；气开阀符号记为“+”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“+”，应选正作用方式。19．答：①因严禁储槽内液体溢出，则系统故障时应停止进料，控制阀应为气开式。当流入量Q1增大时，储槽液位升高，被控对象作用符号为“+”；气开式进料阀为“+”，根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“-”，应选反作用方式。②因严禁储槽内液体溢出，则系统故障时应加大出料流量，控制阀应为气关式。当流出量Q0增大时，储槽液位降低，被控对象作用符号为“-”；气关式进料阀为“-”，根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“-”，应选反作用方式。20～28．（略）29．比例度和积分时间均应减小。30～31．（略）32．答：①因工艺要求物料出口温度保持在（200±2）℃，则选物料出口温度为被控变量。影响出口温度的主要因素有：加热剂流量、压力及温度；物料入口温度、流量及成份，其中物料流量是生产负荷，不宜选做操纵变量。而加热剂流量是允许调节的，且对出口温度影响显著，故选作操纵变量。②该控制系统流程图见图2.64（a），方框图如下：③正常的出口温度应在（200±2）℃范围内，测温元件选用铂热电阻，分度号Pt100；配用热电阻温度变送器，Pt100分度，其测温范围为0～250℃。可选DBW-1240或SBWZ-1000等适合型号。④若工艺要求换热器内的温度不能过高，则当系统故障时应关闭加热剂进口控制阀，故控制阀应为气开型。当加热剂流量增大时，换热器出口温度升高，即被控对象的作用符号为“+”；气开阀符号记为“+”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”控制器的符号为“-”，应选反作用方式。⑤因对出口温度控制要求较高，控制器的参数整定不宜选择临界比例度法，可选择衰减曲线法或经验凑试法。第3章1～4．（略）5．答：影响加热炉出口温度的主要因素有：燃料流量、压力、热值的波动；烟囱抽力的波动；被加热原料的流量波动和成份、初温的变化。其中被加热原料的流量为生产负荷。①如果扰动主要来自于燃料流量的波动，则应以燃料流量为副变量和操纵变量，构成出口温度-燃料流量的串级控制系统，发挥其抗二次扰动能力强的特点，有效抑制燃料流量波动对出口温度的影响。该串级控制系统的控制流程图如图3.12所示。方框图如下：②如果扰动主要来自于被加热原料流量的波动，因原料流量是生产负荷、且其波动直接影响出口温度，不宜作为操纵变量，则应以炉膛温度为副变量、以燃料流量为操纵变量，构成出口温度-炉膛温度的串级控制系统，利用串级控制系统能有效改善副对象的动态特性、提高系统工作频率的特点，有效克服原料流量的波动对出口温度的影响。其控制流程图和控制系统方框图分别如图3.2、图3.3所示。6．答：串级控制系统由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力；由于副回路的存在改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率，所以控制质量比较高；此外副回路的快速随动特性使串级控制系统对负荷的变化具有一定的自适应能力。因此对于控制质量要求较高、扰动大、滞后时间长的过程，当采用简单控制系统达不到质量要求时，采用串级控制方案往往可以获得较为满意的效果。7．（略）8．答：原则上，所选串级控制系统的副变量，应使主、副对象的时间常数之比在3～10范围内，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”现象的产生。9～11．（略）12．答：因对蒸汽加热器的物料出口温度控制要求较严格，且加热蒸汽的压力波动较大，为提高系统的抗扰动能力，拟采用串级控制方案。加热蒸汽的压力、流量均可作为副变量。其压力的波动势必会引起流量的变化，在此选择加热蒸汽压力为副变量，蒸汽流量为操纵变量，构成出口温度-蒸汽压力的串级控制系统，减小压力波动对出口温度的影响，保证出口温度的控制质量。该控制系统的控制流程图及方框图如下：13．答：①该控制系统的原理方框图：②为满足“”这一工艺要求，蒸汽控制阀须在系统故障或气源中断的情况下保持全关状态，故应选择气开阀。③主控制器：因PID规律。主控制器的正反作用应满足：（主控制器±）×（主对象±）＝“-”。对于主对象，当蒸汽流量增大时，塔釜温度升高，其作用特性为“+”，因此主控制器选择反作用方式。副控制器：因副对象惯性较小，蒸汽流量控制器可选择P规律；为减小蒸汽流量波动对主回路的影响、或当蒸汽压力波动较大时，也可引入较弱的积分作用，选择PI规律。副控制器的正反作用应满足：（副控制器±）×（控制阀±）×（副对象±）＝“-”。副对象控制通道的输入、输出都是加热蒸汽流量，其特性为“+”；气开形式的蒸汽控制阀记为“+”。根据判别式，副控制器应选反作用方式。14．答：①当冷却水压力波动是主要扰动时，应以冷却水流量为副变量，构成釜内温度-冷却水流量的串级控制系统，利用冷却水流量副回路来减小冷却水压力波动对釜内温度的影响。②当冷却水入口温度的波动是主要扰动时，该扰动直接影响夹套温度，因此应以冷却水流量为操纵变量、以夹套温度为副变量，构成釜内温度-夹套温度的串级控制系统，将冷却水入口温度波动纳入夹套温度副回路，将其有效克服，以减小对釜内温度的影响。③因釜内温度过高会发生事故，冷却水控制阀应为气关形式。一旦系统故障或气源中断，控制阀处于全开状态，及时带走反应所产生的热量，以使釜内温度不会过高。对于方案①，冷却水控制器、釜内温度控制器均为正作用方式。对于方案②，夹套温度控制器、釜内温度控制器均为反作用方式。15．答：①系统方框图：主变量：热物料出口温度T；副变量：蒸汽流量F。主控制器：出口温度控制器；副控制器：蒸汽流量控制器。②因工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，则在系统故障或气源中断情况下，蒸汽控制阀应处于全关状态，故选择气开方式。③主控制器：因加热蒸汽流量增大时，出口温度升高，主对象作用符号为“+”；依据主回路判别式：（主控制器±）×（主对象±）＝“-”，主控制器为反作用方式。副控制器：副回路是流量控制回路，副对象作用符号为“+”；气开阀为“+”，依据副回路判别式：（副控制器±）×（控制阀±）×（副对象±）＝“-”，副控制器为反作用方式。④当蒸汽压力突然增大时，首先引起蒸汽流量增大，副测量值亦随之增大，副控制器输出减小，使气开式控制阀的开度减小，蒸汽流量亦随之减小。通过副回路的快速控制作用，大大减小了蒸汽压力波动对出口温度的影响。⑤当冷物料流量突然加大时，直接影响出口温度（主变量），使其降低。主测量值减小，主控制器输出增大，即增大了副变量的设定值。副控制器输出亦增大，使气开方式的控制阀开度增大，蒸汽流量亦随之增加，从而使出口温度升高，向主设定值靠拢。16～18．（略）19．答：副控制器采用P控制规律，则；主控制器采用PID控制规律，则：，，。20．答：副控制器采用P控制规律，则；主控制器采用PID控制规律，则：，，。第4章1～4．（略）5．答：可以选择右图所示的前馈-反馈控制方案。完全补偿时，前馈控制装置的传递函数应为==-212s+1e6．答：该系统为前馈-反馈控制系统（或双冲量控制系统），其控制目标是维持总进料量稳定。F为操纵变量，F为前馈量。其原理框图见右图：该系统的控制目标是维持总进料量稳定。当进料量F波动时，调节F控制阀的开度，从而反方向改变进料量F，以保持总进料流量（FF）的稳定。7．答：①该系统为前馈-串级控制系统，原油流量是前馈量。②该系统的原理框图同图③控制阀：从安全角度考虑，选择气开阀。出口温度控制器（主控制器）：当副变量（燃料油流量）增加时，出口温度升高，因此主对象作用符号为“+”。依据主回路判别式：（主控制器±）×（主对象±）＝“-”，主控制器为反作用方式。燃料油流量控制器（副控制器）：因副回路为流量控制回路，则副对象作用符号为“+”；气开阀为“+”，依据副回路判别式：（副控制器±）×（控制阀±）×（副对象±）＝“-”，副控制器为反作用方式。第5章1～2．（略）。3．解：工程上对氨氧化炉的实际控制方案是：采用以空气流量为主动量，氨气流量为从动量的比值控制方案。则F1=20000m3/h，F2=2000m3/h，F1max=25000m3/h，F2max=3200m3/h，流量比K若流量与测量信号成线性关系，则K若流量与测量信号成非线性关系，则

K因K'<14．解：本题中，自来水流量为主动量F1，氯气流量是从动量F2，采用单闭环比值控制系统即可使保证氯气注入量与自来水成一定的比值关系。其控制信号流程图如下图所示：5．解：由题意，可采用图5.4所示的双闭环比值控制方案，甲流量为主动量，乙流量为从动量。F1max＝10m3/h，F2max=300L/hK=①当被测流量与测量信号分别成线性关系时K当被测流量与测量信号分别成非线性关系时K由于仪表比值系数K′大于1，因此需在从动量的测量回路中串入一个比例系数约为0.5的比值器，以将比值设定值调整在量程的中间值附近，保持有一定的控制余地。6．解：由题意可知，被测流量与测量信号分别成线性关系，K=F2F因K′值太小，致使从动流量F2控制器的设定值KI1也必然很小，仪表的量程不能充分利用，影响控制精确度，因此不宜采用相乘方案。7．①由于流量测量仪表选用差压式流量计，差压变送器后未配置开方器②仪表比值系数：③比值系数K′的计算式只取决于流量与测量信号之间是否成线性关系，而与仪表的信号范围无关，其K′值同②。④从系统故障状态时应节约原材料的角度出发，8～9．（略）。第6章1～10．（略）第7章1～3．（略）4．答：选用气关式控制阀。在系统故障或控制阀失气的情况下，位于压缩机至吸入罐传输管道中的控制阀处于全开状态，以避免吸入罐因压力过低被吸瘪、以及压缩机因流量过低而产生喘振现象的发生。替代（压力）控制回路：当吸入罐进气流量增大时，吸入罐压力随之增大，压力被控对象作用符号为“+”；气关阀符号为“-”，根据单回路控制系统的控制器正、反作用方式判别式：（控制器±）×（执行器±）×（被控过程±）=“-”，压力控制器应为正作用方式；正常（流量）控制回路：当吸入罐进气流量增大时，吸入罐压力增大，从而使得吸入罐出气流量增大，流量被控对象作用符号为“+”；同理可得，流量控制器也为正作用方式。当吸入罐压力过低时，压力控制器输出减小，此时应切入替代控制回路，故选择器应为低选器。5～6．（略）7．答：①此工况生产负荷（物料流量）比较稳定，但蒸汽压力波动较大，可以采用工艺介质出口温度与蒸汽流量或蒸汽压力组成的串级控制系统（若采用出口温度与蒸汽压力的串级控制方案，蒸汽压力监测点须位于控制阀下游）。信号流程图如下：（方框图略）图（a）图（b）②