过程与控制部分课后题答案

（2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。过程控制系统的一般性框图如图1-1所示：图1-1过程控制系统的一般性框图（3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa；电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5VDC。2）数字式仪表的信号：无统一标准。（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示：图1-2加热炉过程控制系统流程（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？答：1）单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；超调量σ：第一个波峰值与最终稳态值y（）之比的百分数：最大动态偏差A：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；静差，也称残余偏差C：过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（）与设定值之间的偏差C称为残余偏差，简称残差；调节时间：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的（）范围内所需要的时间；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；上升时间：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。（9）两个流量控制系统如图1-4所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。图1-4两个流量控制回路示意图答：系统1是前馈控制系统，系统2是反馈控制系统。系统框图如图1-5如下：系统1系统2图1-5两个流量控制回路方框图（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？答：1）不是这样。2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。（11）构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？答：1）是的。2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为：现场仪表必须设计成安全火花型。2．综合练习题（3）某化学反应过程规定操作温度为80±5℃，最大超调量小于或等于5％，要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图1-8所示。要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间；2）说明该系统是否满足工艺要求。答：1）由上图可得y(∞)=81℃，设定值r=80℃,B1=85−81=4,B2=82−81=1稳态误差e(∞)=r−y(∞)=80℃-81℃=−1℃衰减比：，最大超调量：过渡过程时间ts：大概在18min左右。2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为80℃，而最后趋于稳定的值却为81℃，因此不满足工艺要求。（4）图1-9所示为一类简单锅炉汽泡水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？图1-9锅炉汽泡水位控制流程图答：1）控制系统框图如图1-10所示： 图1-10锅炉汽泡水位控制框图2）被控过程：加热器+汽包；被控参数：汽包水位；控制参数：上水流量；干扰参数：蒸汽流量变化。1．基本练习题（3）某台测温仪表测量的上下限为500℃~1000℃，它的最大绝对误差为±2℃，试确定该仪表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2℃则精度等级所以仪表精度等级为0.4级（4）某台测温仪表测量的上下限为100℃~1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：由题可得：仪表精度等级至少为0.001级。或者0.002（5）有一台DDZ-Ⅲ型两线制差压变送器，已知其量程为20~100kPa，当输入信号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少？答：由题可得：变送器输出的分别是8mA和16mA。答：1）应选用气开形式，当出现故障导致信号中断时，执行器处于关闭状态，保证耐热材料不被损坏。2）框图如图3-8所示：图3-8系统框图1．基本练习题（1）什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？为什么要研究过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪几种？答：1）过程控制特性指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。2）被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。3）目的：eq\o\ac(○,1)设计过程控制系统及整定控制参数；eq\o\ac(○,2)指导生产工艺及其设备的设计与操作；eq\o\ac(○,3)对被控过程进行仿真研究；eq\o\ac(○,4)培训运行操作人员；eq\o\ac(○,5)工业过程的故障检测与诊断。4）机理演绎法和实验辨识法。2．综合练习题（1）如图4-6所示，为过程的流入量，为流出量，为液位高度，C为容量系数。若以为过程的输入量，为输出量（被控量），设、为线性液阻，求过程的传递函数。答：根据动态物料平衡关系：流入量＝流出量过程的微分方程的增量形式如式（4-7）所示：（4-7）中间变量：（4-8）传递函数如式（4-9）所示：（4-9）如果考虑管道长度l，即出现纯时延，由于管道流量恒定，所以其传递函数如式（4-10）所示：（4-10）1．基本练习题（4）什么叫比例度？它是怎样定义的？答：比例度表示调节阀开度改变（即从全开到全关）时所需的系统被调量的允许变化范围。也就是说，只有当被调量处在这个范围之内时，调节阀的开度变化才与偏差成比例；若超出这个范围，调节阀则处于全开或全关状态，调节器将失去其调节作用。（5）比例控制对控制质量有什么影响？答：1）比例调节是一种有差调节，即当调节器采用比例调节规律时，不可避免的会使系统存在稳态误差。或者说，比例调节器是利用偏差实现控制的，它只能使系统输出近似跟踪给定值。2）比例调节系统的稳态误差随比例度的增大而增大，若要减小误差，就需要减小比例度，即需要增大调节器的比例增益。3）比例调节不适用于给定值随时间变化的系统。4）增大比例调节的增益不仅可以较少系统的稳态误差，而且还可以加快系统的响应速度。（6）在保持稳定性不变的情况下，比例微分控制系统的残差为什么比纯比例控制的残差要小？答：因为比例微分控制能提高系统的稳定性、抑制过渡过程的动态偏差，这是由于微分作用总是力图阻止系统被调量的变化，而使过渡过程的变化速度趋于平缓。（7）在保持稳定性不变的情况下，在比例控制中引入积分作用后，为什么要增大比例度？积分作用的最大优点是什么？答：1）因为采用积分调节时系统的开环增益与积分速度成正比，增大积分速度会增强积分效果，从而导致系统稳定性降低。2）积分作用最大的优点是可以提高系统的无差度，也就是提高系统的稳态控制精度。（8）微分控制规律对纯时延有无作用，为什么？答：1）微分调节对于纯时延过程是无效的。2）由于在纯时延时间里参数的变化率为零，所以微分环节对纯滞后是无效的。（9）调节器参数都有哪些工程整定方法，各有什么特点，分别适用于什么场合？答：1）临界比例度法：是一种闭环整定方法，它是直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，其方法简单，使用方便，因而广泛使用。缺点是对生产工艺过程不能反复做振荡实验、对比例调节本质稳定的被控系统并不适用。2）衰减曲线法：该方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程。适用于多数过程，最大的缺点是较难准确确定4:1的衰减程度。尤其是对于一些干扰比较频繁、过程变化较快的控制系统。3）响应曲线法：这是一种开环整定方法，利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。这种方法适应性较广，为调节器参数的最佳整定提供可能。2．综合练习题（1）试以一阶惯性过程为例，试计算并分析比例控制对控制质量（超调量、调节时间、稳态误差）的影响。答：一阶惯性过程传递函数是：，若采用比例控制其输出与偏差的关系为，比例调节中比例系数过小会导致过程出现振荡情况，增大比例系数，调节速度加快，稳态误差减少，但过大会是超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，甚至导致系统不稳定。3．设计题（1）如图5-8所示的换热器，用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度。生产工艺要求热水温度维持在一定范围（），试设计一个简单的温度控制系统，并指出调节器类型。答：1、被控参数：热水的温度。2、控制参数：热蒸汽的流量（蒸汽管道上的阀门开度）。3、测温元件及其变送器的选择：选取热电阻，并配上相应温度变送器。

4、调节阀的选择：根据实际生产需要与安全角度考虑，选择气开阀。

调节器选PID或PD类型的调节器，由于调节阀为气开式（无信号时关闭），故为正，当被控过程输入的蒸汽增加时，水温升高，故为正，正作用过程，测量变送为正，为使整个系统中各环节静态放大系数乘积为正，调节器应为正，所以选用反作用调节器。1．基本练习题（1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？答：串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的改善。（2）前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质？答：前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。采用前馈－反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响；另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。（9）串级控制系统主调节器正、反作用的确定是否只取决于主被控过程放大系数的符号而与其他环节无关？为什么？答:1）不对。2）主、副调节器的正反作用方式选择的方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定负调节器的正、反作用；然后根据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正反作用形式。（11）在图6-1所示加热炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统中，工艺要求一旦发生重大事故，应立即切断燃料油的供应。要求：1）画出控制系统的框图；2）确定调节阀的气开、气关型式；3）确定主、副调节器的正、反作用方式答：1）串级系统方框图如图6-2所示：副回路选择加热炉炉膛温度控制，消除F1（S）干扰。图6-1加热炉温度串级控制系统图6-2加热炉温度串级控制系统方框图2）由于发生重大事故时立即切断燃料油的供应，从工艺的安全性考虑，调节阀选择气开式，保证无气时调节阀关闭。3）主调节器选择PI（或PID）控制规律，副调节器选择P调节规律。由于燃料增加加热炉温度必然增加，所以过程为正。调节阀气开式为正，主副调节器都选择反作用方式。（12）图6-3所示为精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产工艺要求一旦发生事故应立即停止蒸汽的供应。要求：1）画出控制系统的框图；2）确定调节阀的气开、气关型式；3）确定主、副调节器的正、反作用方式。1）控制系统的框图如图6-4所示：图6-3温度、流量串级控制系统图6-4温度、流量串级控制系统框图调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以使切断整齐的供应，确保设备的安全。（3）主调节器：反作用方式；负调节器：反作用方式。1．基本练习题（1）什么叫比值控制系统？它有哪几种类型？画出它们的原理框图。答：1）比值控制系统就是实现副流量QUOTE与主流量QUOTE成一定比值关系，满足关系式：QUOTE的控制系统。2）比值控制系统的类型：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。3）结构原理图分别如图7-1，图7-2，图7-3，图7-4所示：图7-1开环比值控制系统（a）开环比值控制系统原理图（b）开环比值控制系统方框图图7-2单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统原理图（b）单闭环比值控制系统方框图图7-3双闭环比值控制系统（a）双闭环比值控制系统原理图（