過程控制工程孫紅程版答案

1、自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。1不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。第一章 單回路控制系統(tǒng)1.1 何謂控制通道？何謂干擾通道？它們的特性對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量有什么影響？控制通道是指操縱變量與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系；干擾通道是指干擾作用與被控變量之間的信號(hào)聯(lián)系。（1） 控制通道特性對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響：（從K、T、三方面）控制通道靜態(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?？刂仆ǖ罆r(shí)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，控制越不及時(shí)，過渡過程時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)的質(zhì)量越低，但也不是越小越好，太小會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此應(yīng)該

2、適當(dāng)小一些。控制通道純滯后的存在不僅使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。（2） 干擾通道特性對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響：（從K、T、三方面）干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制質(zhì)量越差。干擾通道時(shí)間常數(shù)越大，階數(shù)越高，或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量測(cè)量點(diǎn)而靠近控制閥，干擾對(duì)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(duì)質(zhì)量無影響，不同的只是干擾對(duì)被控變量的影響向后推遲一個(gè)純滯后時(shí)間0。1.2 如何選擇操縱變量？1）考慮工藝的合理性和可實(shí)現(xiàn)性；2）控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)大于干擾通道靜態(tài)放大倍數(shù)；3）控制通道時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小些為好，但不易過小，一般

3、要求小于干擾通道時(shí)間常數(shù)。干擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)越大越好，階數(shù)越高越好。4）控制通道純滯后越小越好。1.3 控制器的比例度變化對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度有何影響？對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量有何影響？比例度越小，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？如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量與操縱變量應(yīng)選誰？為什么？如果物料在溫度過低時(shí)會(huì)凝結(jié)，應(yīng)如何選擇控制閥的開閉形式及控制器的正反作用？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

4、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直接質(zhì)量指標(biāo)，測(cè)試技術(shù)成熟、成本低，應(yīng)當(dāng)選作被控變量?？蛇x作操縱變量的因數(shù)有兩個(gè)：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。控制閥應(yīng)選擇氣關(guān)閥，控制器選擇正作用。1.6 圖1-43 為熱交換器出口溫度控制系統(tǒng)，要求確定在下面不同情況下控制閥的開閉形式及控制器的正反作用： 被加熱物料在溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生分解、自聚； 被加熱物料在溫度過低時(shí)會(huì)發(fā)生凝結(jié)； 如果操縱變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度在0以下，如何防止熱交換器被凍壞。答：控制閥選氣開閥，選反作用控制器。 控制閥選氣關(guān)閥，選正作用控制器。 控制閥

5、選氣關(guān)閥，選反作用控制器。1.7 單回路系統(tǒng)方塊圖如圖1-44 所示。試問當(dāng)系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量會(huì)有何變化？為什么？（1）若T0 增大； （2）若0 增大； （3）若Tf 增大； （4）若f 增大。答：（1）T0 增大，控制通道時(shí)間常數(shù)增大，會(huì)使系統(tǒng)的工作頻率降低，控制質(zhì)量變差；（2）0 增大，控制通道的純滯后時(shí)間增大，會(huì)使系統(tǒng)控制不及時(shí)，動(dòng)態(tài)偏差增大，過渡過程時(shí)間加長(zhǎng)。（3）Tf 增大，超調(diào)量縮小1/Tf 倍，有利于提高控制系統(tǒng)質(zhì)量；（4）f 增大對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量無影響，當(dāng)有純滯后時(shí)，干擾對(duì)被控變量的影響向后推遲了一個(gè)純滯后時(shí)間f 。第二章 串級(jí)控制系統(tǒng)21 與單回路系統(tǒng)相比

6、，串級(jí)控制系統(tǒng)有些什么特點(diǎn)？(1) 串級(jí)系統(tǒng)由于副回路的存在, 使等效副對(duì)象時(shí)間常數(shù)減小，改善了對(duì)象的特性,使系統(tǒng)工作頻率提高。自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。2不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。(2) 串級(jí)控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，特別是干擾作用于副環(huán)的情況下,系統(tǒng)的抗干擾能力會(huì)更強(qiáng)。(3) 串級(jí)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。22 為什么說串級(jí)控制系統(tǒng)主控制器的正、反作用方式只取決于主對(duì)象放大倍數(shù)的符號(hào)，而與其他環(huán)節(jié)無關(guān)？主環(huán)內(nèi)包括有主控制器,副回路,主對(duì)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,所以主控制器的正反作用只取決于主

7、對(duì)象放大倍數(shù)的符號(hào)。如果主對(duì)象放大倍數(shù)的符號(hào)為正,則主控制器為反作用,反之, 則主控制器為正作用。25 試說明為什么整個(gè)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根據(jù)主調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行控制，是一隨動(dòng)系統(tǒng)。因此整個(gè)副回路可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看。26 試說明在整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器之一的正、反作用方式選錯(cuò)會(huì)造成怎樣的危害？當(dāng)主、副控制器有一個(gè)正反作用方式選錯(cuò)時(shí),就會(huì)造成系統(tǒng)的主回路或副回路按正反饋控制,當(dāng)被控變量出現(xiàn)偏差時(shí),系統(tǒng)不僅不向著消除偏差的方向校正,反而使被控變量遠(yuǎn)離給定值。27 圖2-20 所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的是化學(xué)放熱反應(yīng)，而釜內(nèi)溫度過高會(huì)發(fā)生事故，因

8、此采用夾套通冷卻水來進(jìn)行冷卻，以帶走反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對(duì)該反應(yīng)溫度控制精度要求很高，單回路滿足不了要求，需用串級(jí)控制。 當(dāng)冷卻水壓力波動(dòng)是主要干擾時(shí)，應(yīng)怎樣組成串級(jí)？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)冷卻水入口溫度波動(dòng)是主要干擾時(shí)，應(yīng)怎樣組成串級(jí)？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 對(duì)以上兩種不同控制方案選擇控制閥的氣開、氣關(guān)形式及主、副控制器的正、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(jí)系統(tǒng). (2)夾套溫度為副變量,釜內(nèi)溫度為主變量組成串級(jí)系統(tǒng).28 (右圖)圖2-21 為一管式爐原油出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。要求： 選擇閥的開閉形式？ 確定主、副控制器的正、反作用方式？ 在系統(tǒng)穩(wěn)

9、定的情況下，如果燃料壓力突然升高，結(jié)合控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用方式，分析串級(jí)系統(tǒng)的工作過程。答：(1) 氣開閥 燃料進(jìn)入調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式（正作用），即一旦出現(xiàn)故障或冷物料流入中斷，調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，切斷燃料的輸入，確保管式加熱爐的安全。(2)主控制器反作用,副控制器反作用。(3)如果燃料氣的P1 突然升高，副回路首先有一個(gè)“粗調(diào)”：P1F1T2u2 F1沒有完全被副回路克服的部分干擾，通過主回路“細(xì)調(diào)”：T2T1u1 F1T2T129 某干燥器采用夾套加熱和真空吸收并行的方式來干燥物料。干燥溫度過高會(huì)使物料物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對(duì)干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。夾套通入的是經(jīng)列

10、管式加熱器加熱的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽，流程如圖2-22（右圖）所示。要求： 如果冷卻水流量波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？ 如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？ 如果冷卻水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，應(yīng)采用何種控制方案？為什自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。3不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。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(jí)系統(tǒng)，冷水流量單獨(dú)設(shè)計(jì)流量單回路系統(tǒng)理由：當(dāng)被控變量為干燥器出口溫度時(shí)，不宜選冷水流量做操縱變量，故單獨(dú)設(shè)計(jì)流量單回路系統(tǒng)抑制冷水流量波動(dòng)。以干燥器出口

11、溫度為被控量、蒸汽流量為操縱變量的控制系統(tǒng)中，控制通道太長(zhǎng)，存在較大的時(shí)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(jí)系統(tǒng)，利用副回路減小等效時(shí)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(jí)系統(tǒng)。理由：將蒸汽壓力波動(dòng)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(dòng)對(duì)干燥器出口的溫度的影響.（3）采用與（1）相同方案。理由同（1）。第三章 比值控制系統(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：比值指工藝流量之比，即： ；比值系數(shù)指主、副流量變送器輸出電流信號(hào)之比，即：；二者之間的關(guān)系由下式?jīng)Q定：（變送器輸出與流量成線性關(guān)

12、系時(shí)） （變送器輸出與流量成開平方關(guān)系時(shí)）自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。4不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。3.2 用除法器進(jìn)行比值運(yùn)算時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)的安排有什么要求？為什么？答：應(yīng)使除法器輸出小于1。除法器輸出值即儀表比值系數(shù)，需要通過副流量調(diào)節(jié)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(chǎng)整定。3.3 什么是比值控制系統(tǒng)？它有哪幾種類型?畫出它們的結(jié)構(gòu)原理圖。答：比值控制系統(tǒng)就是實(shí)現(xiàn)副流量與主流量成一定比值關(guān)系，滿足關(guān)系式： 的控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)的類型：開環(huán)比值控制系統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。（結(jié)構(gòu)原理圖見下頁(yè)）3.4

13、 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： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，實(shí)現(xiàn)比值控制的設(shè)備不同。 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(gè)輸入端，輸入一個(gè)外加電流信號(hào)I0 設(shè)置；除法方案通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設(shè)置。3.5 在用除法器構(gòu)成的比值控制系統(tǒng)中，除法器的非線性對(duì)比值控制有什么影響？答：除法器環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大倍數(shù)與負(fù)荷成反比。3.6 為什么4：1 整定方法不適用于比值控制系統(tǒng)的整定？答：?jiǎn)伍]環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)的副流量回路、變比值回路均為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，希望副流量跟隨主流量變化，始終保持固定的配比關(guān)系。出現(xiàn)4：1 振蕩時(shí)，固定配比關(guān)系不能保證。3.7 當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計(jì)

14、算求得比值系數(shù)時(shí)，能否仍用乘法器組成比值控制？為什么？能否改變一下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仍用乘法器構(gòu)成比值控制？答：當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計(jì)算求得比值系數(shù)大于1 時(shí)，不能用乘法器組成比值控制。因?yàn)楫?dāng)時(shí)，計(jì)算所得的乘法器的一個(gè)外加輸入電流信號(hào)I0 大于20mA,超出乘法器的輸入范圍。不用改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只要調(diào)整F2max 保證 即可。3.8 一比值控制系統(tǒng)用DDZ-III 型乘法器來進(jìn)行比值運(yùn)算（乘法器輸出 ，其中I1 與I0 分別為乘法器的兩個(gè)輸入信號(hào)），流量用孔板配差壓變送器來測(cè)量，但沒有加開方器，如圖所示。已知 ，要求： 畫出該比乘法器 控制器 調(diào)節(jié)閥測(cè)量變送器流量對(duì)象自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未

15、經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。5不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。值控制系統(tǒng)方塊圖。 如果要求，應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)置值 ？解：方框圖如下：;；3.9 某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A 、B 兩物料保持 的比例， 兩物料的最大流量。通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B 兩物料流量因管線壓力波動(dòng)而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)比較合適的比值控制系統(tǒng)。 計(jì)算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù) 。 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)該是多少（假定采用DDZ-III 型儀表）。 選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用。解：系統(tǒng)設(shè)計(jì)如右圖：自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份

16、。6不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。 ， 所以要將 調(diào)大。所以取 ,比值系數(shù)K通過設(shè)置，選擇A 閥為氣開閥，主對(duì)象為正環(huán)節(jié)，測(cè)量變送為正環(huán)節(jié)，則主調(diào)節(jié)器為反作用。選取B 閥為氣開閥，副對(duì)象為正環(huán)節(jié)，測(cè)量變送為正環(huán)節(jié)，則副調(diào)節(jié)器為反作用。3.10 在硝酸生產(chǎn)過程中有一氧化工序，其任務(wù)是將氨氧化成一氧化氮。為了提高氧化率，要求維持氨與氧的比例為2：1。該比值控制系統(tǒng)采用如圖所示的結(jié)構(gòu)形式。已知 。試求比值系數(shù)=？如果上述比值控制用DDZ-II 型儀表來實(shí)現(xiàn)，比值系數(shù)的設(shè)置 應(yīng)該是多少？解：調(diào)整副流量的測(cè)量上限，使K1,取 ，則 即可。對(duì)于DDZ-II， .3.11 有一個(gè)比值控制系統(tǒng)如右圖所示。圖中k 為

17、一系數(shù)。若已知k=2， ，試求 K=?解：自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。7不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。K=2.363.12 一雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如右圖所示。其比值用DDZ-III 型乘法器來實(shí)現(xiàn)。已知 。要求： 畫出該系統(tǒng)方塊圖。 若已知 求該比值系統(tǒng)的比值K=？比值系數(shù) 待該比值系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，測(cè) ，試計(jì)算此時(shí) =？解： , ,自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。8不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。 第五章前饋控制系統(tǒng)51 前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？答：反饋控制的特點(diǎn) ：優(yōu)點(diǎn)：能夠克服各種干擾。只要干擾對(duì)被控變量造成影響，就有控制

18、校正作用。缺點(diǎn)：反饋控制不及時(shí)，是一個(gè)有差控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)只有被控變量在干擾作用下出現(xiàn)偏差時(shí)，才有校正作用，干擾總存在，偏差總存在。前饋控制的特點(diǎn)：（1）前饋控制根據(jù)干擾進(jìn)行，控制及時(shí)。如果前饋控制規(guī)律恰當(dāng)，理論上可完全消除干擾的影響（2）前饋控制是一種開環(huán)控制，被控變量并不經(jīng)測(cè)量反饋到輸入端。不能保證控制效果。（3）前饋控制需要對(duì)干擾進(jìn)行測(cè)量 ，才能進(jìn)行控制。通常只測(cè)量一種干擾，因而只能克服一種干擾。（4）前饋控制器的控制規(guī)律是經(jīng)過對(duì)干擾通道與控制通道的特性計(jì)算而得是一種專用的控制器，在工程上，精確的通道特性難以獲取，精確的前饋控制規(guī)律難以實(shí)現(xiàn)。52 純前饋控制在生產(chǎn)過程中為什么很少采

19、用？答：?jiǎn)渭兊那梆佊捎诖嬖谝韵聝扇矫鎲栴}，其控制效果往往并不理想，因此在生產(chǎn)中很少使用。這主要表現(xiàn)在：（1）單純前饋是一種開環(huán)控制，不能保證控制效果。不存在被控變量的反饋，即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。這樣，在前饋?zhàn)饔玫目刂平Y(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時(shí)，系統(tǒng)無法得到這一信息而作進(jìn)一步的校正。（2）單純前饋通常只能克服一種干擾。 由于實(shí)際工業(yè)對(duì)象存在著多個(gè)干擾，為了補(bǔ)償它們對(duì)被控變量的影響，勢(shì)必要設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道，因此單純前饋就不能很好控制。（3） 準(zhǔn)確的的前饋控制規(guī)律工程上難以實(shí)現(xiàn)。53 前饋-反饋控制具有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：前饋-反饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：前饋控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，主要表現(xiàn)

20、在：（1）過渡過程時(shí)間、超調(diào)量大大降低。 由于引入了前饋控制，當(dāng)主要干擾一出現(xiàn)時(shí)，同步施加了一個(gè)前饋校正作用，消除或大大降低了對(duì)被控變量的影響，因而使反饋控制的超調(diào)量、過渡過程時(shí)間大大降低。前饋補(bǔ)償了反饋的缺點(diǎn)。（2）反饋回路的存在，為前饋控制的工程實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。 前饋不能補(bǔ)償?shù)牟糠挚捎煞答佇Ｕ?，降低了前饋控制模型的精度要求，便于工程?shí)現(xiàn)。（3）具有一定的自適應(yīng)性：負(fù)荷或工況變化時(shí)，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償。54 為什么前饋控制器不能采用常規(guī)的控制器？答：前饋控制器的控制規(guī)律為對(duì)象干擾通道特性與控制通道的特性之比，是一種專用控制器。常規(guī)的控制器的控制規(guī)律是對(duì)偏差進(jìn)行P、I、D 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律完全不同。56 如何用對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成前饋控制器數(shù)學(xué)模型？答：工程上通常按下式實(shí)現(xiàn)前饋控制規(guī)律，通過對(duì)象特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取控制通道時(shí)間常數(shù)T1、K1、1，與干擾通道時(shí)間常數(shù)T2、K2、 2 代入下式后， 便構(gòu)成前饋控制器數(shù)學(xué)模型。511 某前饋串級(jí)控制系統(tǒng)。已知：Gc1(s)=Gc2(s)=9 G01(s)=3/(2s+1)自動(dòng)化專業(yè)0706 班專用復(fù)習(xí)資料，未經(jīng)允許，各打印部不得翻印、備份。9不得翻印、傳播，請(qǐng)自重。Gv(