过程控制工程第一章答案

过程控制工程第一章答案一、知识要点总结（一）过程控制的基本概念1.过程的定义过程是指生产装置或设备中进行的各种物理、化学变化的总和。它包括物料的流动、能量的传递以及化学反应等。例如，在化工生产中，从原料进入反应器到产品生成的整个流程就是一个过程。2.过程控制的定义与任务过程控制是指工业生产过程中，利用自动化装置（包括检测仪表、控制仪表、执行机构等）对工艺参数进行自动检测、自动控制，使生产过程在一定的约束条件下，实现预定的生产目标。其任务主要包括：保证生产过程的稳定性、保证产品质量的一致性、提高生产效率、降低生产成本、确保生产安全等。

（二）过程控制系统的组成1.被控对象被控对象是指生产过程中需要进行控制的工艺设备或生产过程。例如，精馏塔、反应釜、加热炉等。它是过程控制系统的核心，其特性对控制系统的性能有着重要影响。2.测量元件与变送器测量元件用于检测被控变量的大小，并将其转化为相应的信号。变送器则将测量元件输出的信号进行转换、放大，使其成为标准信号，以便后续的控制器进行处理。例如，热电偶将温度信号转换为电信号，再通过温度变送器将其转换为420mA的标准电流信号。3.控制器控制器接收测量元件与变送器送来的被控变量信号，并与设定值进行比较，根据偏差大小按照一定的控制规律产生控制信号。常见的控制规律有比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律等。例如，比例控制器根据偏差的大小成比例地输出控制信号。4.执行器执行器根据控制器输出的控制信号，改变操纵变量的大小，以实现对被控对象的控制。常见的执行器有调节阀、电动执行机构等。例如，调节阀根据控制信号调节管道中流体的流量。

（三）过程控制系统的分类1.按给定值信号特点分类定值控制系统：给定值保持不变，系统主要克服干扰对被控变量的影响，使被控变量保持在给定值附近。例如，锅炉汽包水位控制系统，保持水位稳定在设定值。随动控制系统：给定值随时间任意变化，系统的任务是使被控变量快速、准确地跟踪给定值的变化。例如，导弹飞行控制系统，跟踪目标的运动轨迹。程序控制系统：给定值按预定的时间程序变化，系统按照给定的程序控制被控变量。例如，热处理炉的温度按一定的升温、保温、降温程序变化。2.按系统结构特点分类反馈控制系统：通过测量被控变量并将其反馈到输入端与给定值比较，利用偏差进行控制。这是最常见的控制系统类型，具有较强的抗干扰能力。例如，温度控制系统中，通过测量实际温度与设定温度比较，根据偏差调节加热或冷却装置。前馈控制系统：根据干扰的变化情况，在干扰作用于被控对象之前就采取控制措施，以抵消干扰对被控变量的影响。前馈控制常用于干扰可测且变化频繁的场合。例如，在精馏塔进料流量突然变化时，通过前馈控制及时调节回流量。前馈反馈控制系统：结合了前馈控制和反馈控制的优点，既利用前馈控制及时克服主要干扰，又利用反馈控制进一步消除剩余的偏差，提高控制精度。例如，在复杂的化工生产过程中采用这种控制系统。

二、课后习题解答（一）思考题1.什么是过程控制？过程控制有什么特点？解答：过程控制是指工业生产过程中，利用自动化装置对工艺参数进行自动检测、自动控制，使生产过程在一定约束条件下实现预定生产目标。其特点包括：被控对象复杂多样，多为连续生产过程；被控变量多且相互关联；控制方案丰富多样，需根据不同对象和要求选择合适控制策略；控制过程多为慢过程，具有时滞、惯性等特性。2.过程控制系统由哪些部分组成？各部分的作用是什么？解答：过程控制系统由被控对象、测量元件与变送器、控制器、执行器组成。被控对象是需要控制的工艺设备或生产过程；测量元件与变送器检测被控变量并转换为标准信号；控制器接收信号与设定值比较，按控制规律产生控制信号；执行器根据控制信号改变操纵变量，实现对被控对象的控制。3.举例说明定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统的应用场合。解答：定值控制系统如锅炉汽包水位控制系统，保持水位稳定在设定值，确保锅炉安全运行。随动控制系统如雷达跟踪系统，跟踪目标的运动轨迹，使雷达天线始终对准目标。程序控制系统如热处理炉的温度按预定程序变化，用于对工件进行特定热处理。4.反馈控制系统和前馈控制系统各有什么特点？它们的应用场合有何不同？解答：反馈控制系统通过测量被控变量反馈与给定值比较利用偏差控制，抗干扰能力强，但存在时滞。常用于干扰对被控变量影响较缓慢且可测的场合。前馈控制系统根据干扰变化提前控制，能及时克服干扰，但对干扰的测量和补偿精度要求高。常用于干扰可测且变化频繁，对被控变量影响大的场合。

（二）计算题1.已知某过程控制系统的被控对象传递函数为\(G_0(s)=\frac{1}{(5s+1)(3s+1)}\)，测量元件与变送器传递函数为\(G_m(s)=1\)，控制器传递函数为\(G_c(s)=2\)，执行器传递函数为\(G_v(s)=1\)。求该系统的开环传递函数和闭环传递函数。解答：系统的开环传递函数\(G(s)=G_c(s)G_v(s)G_0(s)G_m(s)\)\(G(s)=2\times1\times\frac{1}{(5s+1)(3s+1)}\times1=\frac{2}{(5s+1)(3s+1)}=\frac{2}{15s^2+8s+1}\)闭环传递函数\(G_b(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)}\)\(G_b(s)=\frac{\frac{2}{15s^2+8s+1}}{1+\frac{2}{15s^2+8s+1}}=\frac{2}{15s^2+8s+3}\)2.已知某定值控制系统，被控对象的传递函数为\(G_0(s)=\frac{1}{4s+1}\)，要求系统的稳态误差\(e_{ss}\leq0.01\)，当输入为单位阶跃信号时，试确定控制器的比例系数\(K_p\)。解答：对于单位阶跃输入\(r(t)=1(t)\)，其拉普拉斯变换\(R(s)=\frac{1}{s}\)稳态误差\(e_{ss}=\frac{1}{1+K_pG_0(0)}\)\(G_0(0)=\frac{1}{4\times0+1}=1\)已知\(e_{ss}\leq0.01\)，即\(\frac{1}{1+K_p}\leq0.01\)\(1+K_p\geq100\)解得\(K_p\geq99\)

三、典型例题分析（一）题目某温度控制系统，被控对象传递函数为\(G_0(s)=\frac{1}{(2s+1)(s+1)}\)，测量元件与变送器传递函数\(G_m(s)=1\)，采用比例控制器\(G_c(s)=K_p\)，执行器传递函数\(G_v(s)=1\)。当输入为单位阶跃信号时，求系统的稳态误差与比例系数\(K_p\)的关系，并分析\(K_p\)对系统性能的影响。（二）解答1.首先求系统的开环传递函数\(G(s)\)\(G(s)=G_c(s)G_v(s)G_0(s)G_m(s)=K_p\times1\times\frac{1}{(2s+1)(s+1)}\times1=\frac{K_p}{(2s+1)(s+1)}=\frac{K_p}{2s^2+3s+1}\)2.对于单位阶跃输入\(r(t)=1(t)\)，其拉普拉斯变换\(R(s)=\frac{1}{s}\)稳态误差\(e_{ss}=\frac{1}{1+K_pG_0(0)}\)\(G_0(0)=\frac{1}{(2\times0+1)(0+1)}=1\)所以\(e_{ss}=\frac{1}{1+K_p}\)3.分析\(K_p\)对系统性能的影响稳态性能：由\(e_{ss}=\frac{1}{1+K_p}\)可知，增大\(K_p\)可减小稳态误差，提高系统的稳态精度。动态性能：开环传递函数\(G(s)=\frac{K_p}{2s^2+3s+1}\)，随着\(K_p\)增大，系统的开环增益增大，系统响应速度加快，但可能导致系统稳定性变差。因为系统的特征方程为\(2s^2+3s+1+K_p=0\)，根据劳斯判据，当\(K_p\)增大到一定程度时，系统可能会出现不稳定的情况。

四、知识拓展与延伸（一）现代过程控制技术的发展趋势1.智能化随着人工智能技术的发展，过程控制系统越来越多地融入智能算法，如神经网络、模糊控制等。智能控制能够处理复杂的非线性、不确定性问题，提高控制系统的自适应能力和控制精度。例如，在化工生产中，利用神经网络对复杂化学反应过程进行建模和控制。2.网络化工业以太网等网络技术的应用，使得过程控制系统实现了网络化。通过网络，各个控制节点可以实时交换数据，实现远程监控和集中管理。例如，企业可以通过互联网对分布在不同地区的生产装置进行远程操作和故障诊断。3.集成化过程控制系统与企业的管理信息系统（MIS）、企业资源计划（ERP）等系统的集成越来越紧密。通过集成，实现了生产过程的信息化管理，提高了企业的整体运营效率。例如，生产数据可以实时上传到ERP系统，为企业的决策提供依据。

（二）过程控制在不同行业的应用特点1.化工行业化工生产过程复杂，涉及多种化学反应和物理变化，对温度、压力、流量等参数的控制要求严格。过程控制技术在化工行业中用于保证产品质量、提高生产效率、降低能耗和确保安全生产。例如，在合成氨生产中，通过精确控制温度、压力和原料流量，实现氨的高效合成。2.电力行业电力生产过程具有连续性和稳定性要求高的特点。过程控制主要应用于锅炉的燃烧控制、汽轮机的转速控制等方面，以保证发电设备的安全稳定运行，提高发电效率。例如，通过控制锅炉的风量和燃料量，实现最佳的燃烧工况，提高锅炉热效率。3.冶金行业冶金生产过程中，对温度、成分等参数的控制直接影响产品质量。过程控制技术用于炼铁、炼钢、轧钢等各个环节，实现精确的温度控制、成分控制和轧制工艺控制。例如，在炼钢过程中，通过控制转炉的吹氧量和添加合金料，精确控制钢水的成分。

五、总结本章主要介绍了过程控制的基本概念、系统组成、分类以及相关的课后习题解答和典型例