过程控制工程第三版1-5章习题[王树青].ppt

1、练习题的说明，第一章P16页的思考和练习题，1-1自动控制系统主要由哪些部分构成？各个环节发挥什么作用？ a :自动控制系统由受控对象、测量转换器、执行机构(控制阀)和控制器构成。 被告的控制对象：指受控制的生产设备或装置。 测量变送器：测量被控变量，按照一定的规则变换为标准信号输出。 执行机构：经常使用控制阀，接收来自控制器的指令信号，改变控制阀的开度。 控制器：被告的控制变量的测定值与设定值进行比较，得到偏差信号e(t )，以一定的规则性输出控制信号u(t )。 1-2研究一下比较常见的计算机控制器的系统结构和特征：1)直接数字控制：不仅校正算法灵活，能够实现典型的PID控制规则，而且能够

2、分时处理多个控制电路。 2 )集中式修正机控制系统：集中了能够实现去耦控制、联锁控制等更复杂的控制功能的信息，因此运用管理和生产的优化容易，灵活性大，控制电路的增减、控制方案的变更能够通过软件实现人与人的交互3 )集散控制系统：同时适应管理与控制两方面的需求，一方面可使用若干控制器完成系统的控制任务，使各控制器实现一定的控制目标，独立完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输出等功能，另一方面可实现积的集中性、1-3、P:被控制变量、罐：被控制对象U:控制变量、进气流量：操作变量被控制变量：被控制对象是需要维持其理想值的过程变量，也是测定变换的输入。 控制变量：控制器的输出电信号。 操作变量：致

3、动器的操作对象对被控制变量产生影响。 摄动变量：影响除了操作变量以外的被控制变量的变量。压力控制器、控制对象、进气控制阀、干扰通路、测定传送、1-4以图1-16所示液位控制系统为例，详细说明在供给量Qi急剧增大的情况下，系统如何运用反馈控制机构将测量变更、控制阀作为气动阀，将控制器作为反作用力，将偏差作为指定值与测量值之差。 答：根据输出对输入变化的响应情况，可以将进程分为自平衡进程和非自平衡进程两类。 自平衡程序：输入变化时，不需要追加的控制作用，程序自发地走向新的平衡状态的性质称为自平衡性。 自平衡过程包括纯滞后过程、单容过程和多容过程。 非自平衡过程：与自平衡过程不同，输入一旦变化，非自

4、平衡过程就不能自发地走向新的平衡状态。练习题2-1工业过程中被控对象的动态特性具有什么特征？课题2-2、液阻：局部改变液流的流通面积，使液流产生压力损失(阻力特性)，压力差一定时，调节流量(控制特性)，分配液压阀口等结构，例如薄壁小各液阻应满足流量压力方程式。 液体阻力可以由R=P/q决定，p与液位差h有关。 或者，液体在长配管或各种阀孔、弯管及管接头中流动时，由于液体流动的各质点间及液体与管壁之间的摩擦和碰撞而产生阻力，因此阻碍这种液体流动的阻力称为液体阻力。液体阻力的大小由流量和压力决定，(1)根据液体力学原理，(2)过程的框图，练习问题2-:机械建模例子，(1)过程微分方程式群(2)框图

5、画出(3)传递函数求练习问题2-:列写状态方程式如果将流量方程式代入材料平衡方程式，则能够得到过程状态方程式，能够根据由练习问题2-:状态方程式传递函数表示的上述传递函数方程式，描绘出对应的框图.通过直接使用传递函数修正式来求出传递函数方程式，从而能够得到2-4线性化是为什么是过程制线性化是指在某种条件下进行某种近似，或缩小某个动作范围，将非线性微分方程式近似地作为线性微分方程式来处理。 自然界没有真正的线性系统，所谓的线性系统也只是在一定的工作范围内保持线性关系。 实际上，所有组件和系统在不同水平上都具有非线性性质。 例如，机械系统的阻尼器在低速时可以看作线性，但在高速时粘性阻尼力与运动速度

6、的平方成比例，成为非线性函数的关系。 此外，例如，因为电路中的电感受到磁路中的铁心饱和的影响，所以电感值和流过的电流处于非线性函数的关系。 在包含非线性函数关系的系统中，非线性数学模型的建立和求解过程非常复杂。 为了避免非线性系统的数学处理上的困难，当信号和变量的改变范围对大多数元件和系统来说不太大或者非线性不太大时，线性化数学模型可以替代非线性数学模型被近似地线性化。 如果用线性化数学模型近似表现非线性系统，就可以使用线性理论进行系统的分析和设定修正。 练习题2-6的测定变更链路中，式中Km为增益，Tm为时间常数，m为延迟时间。 测量传输链路的非线性会影响这些残奥仪表，但为了便于处理，采用了

7、线性化处理来获得上述动态特性。 练习题2-7:控制阀流量特性选择、热平衡方程式：控制通路静态增益：为平衡点流量。 从静态增益补偿的观点出发，从动态特性变化的观点(Why？ 阀特性的选择如下：表2-1 :控制阀固有流量特性、单回路系统积分饱和防止原理分析、研究：以正常为标准的PI控制算法；另一方面，发生超限时，自动切除积分作用。 为什么？ 习题2-8，1，注意：液阻与液位高度(压力)的关系为R=H/Q。 那么：2，根据流量的压力平衡方程式是：即：拉尔斯变换：时间常数是： T=0.01，注意：如果这里假定液位上升，则练习题2-9，单位化0.33333，0.45455，0.5556，0.63636

8、单位阶跃响应：取：查找表取：为了说明此阶跃响应需要更高级的函数，根据查找表2-2取，n=3，由：取：练习问题2-11，题意系统模型，传递函数在系统的操作点进行动作当时域变为频域时没有此项，也就是说练习题3-2只增强了控制器的积分作用，对于相同的步进干涉，最大偏差是增大还是振动激烈？ a :相同的阶跃干涉时，积分作用增强，最大偏差减小，振动加剧。 参考模拟。练习题3-2只是加强控制器的积分作用，对于相同的阶跃噪声，最大偏差是变大还是振动变大？ a :相同的阶跃干涉时，积分作用增强，最大偏差减小，振动加剧。 为了得到与以往相同的稳定性，可以缩小KC，参考模拟。习题3-3、积分饱和：对于具有积分功能

9、的偏差，控制器的作用是累积偏差改变控制器的输出。 此时，如果阀门饱和(全开或全闭)，无法进一步调整，则无法消除偏差。 但是，通过积分作用，控制的输出达到某个界限值，在那里停留为止增加，这是积分饱和。 由定义可知，发生积分饱和的前提是控制器具有积分功能，控制器的饱和输出极限值大于比热先行机喀什信号范围。 后果：系统控制效果差，产品质量无法保证，可能对人和设备造成威胁。参照练习题3-4、表3-3、练习题3-5两点法，将阶跃对应传递函数设为：进行无量纲阶跃响应：取：参照模拟实验，对比： K=0.6，KI=20 K=1.4，KI=20；习题4-1、前馈反馈控制器：、习题4-2、前馈控制器：习题4-3、

10、系统框图：阀是副加法中的致动器，在主电路中副电路整体上正作用，因此在副回路中，执行元件从空气开阀变为空气闭阀，正反作用发生变化。 正反作用的选择是使系统成为负反馈系统，但在副电路中，除了副控制器以外，其佗正反作用不变。 副控制器的正反作用发生变化。 2 .比例因子的积分全部改变，副控制器的输出改变阀，比例因子增加，积分时间减少。 口径变大相当于控制通道的倍率增加，此时如果不改变比例度和积分，则控制系统的开环倍率增加，系统容差变小，但系统变得不稳定。 关于不稳定的系统谈侑差是没有意义的。 因此，首先为了维持系统的稳定性，需要减小控制器的倍率，即增大比例度。 此时，侑差必须变大，因此必须缩小积分作

11、用、即积分时间，喷射水来消除侑差。 3 .主控制器的比例度和积分时间不变。 级联控制系统由于副对象和控制阀的特性变化具有鲁棒性，所以副对象控制阀的特性变化不影响主控制器。 习题5-2，1，最合适的应该选2。 这是因为干扰最多，而且离第四罐比较远，不易引起系统共振。 2 .控制方块图是、3、副控制器的选择与主电路无关，测量寄存器、副对象是正作用，主控制器是负作用。 练习问题5-3应该采用如下的级联控制，首先，由于干扰信道的时间常数为0.2，所以对被变量的影响相当大。 包括在复制电路中的纯延迟时间有利于增强子电路的高速性。 第三主控对象是大惯性链路，其响应时间比副电路大。 上面的电路在前面的链路是大惯性链路，并且如果信道没有被延迟，主控制对象时间常数小，响应快，噪声会立即影响主控制变量，但是由于大惯性链路，子电路不能处理噪声。 在演习问题5-5中，首先，在结构上，级联控制由两个反馈控制电路构成，前馈-反馈控制器是由一个反馈和一个开环补偿电路叠加而成的。在变量中，用于级联控制的子残奥仪表和前馈反馈控制的输入量可以是两个完全不同的变量，前者是在级联控制系统中反映主被控制变量的中间变量，控制作用对他产生明显的调节效果。