《過程控制系統(tǒng)》習題解答資料

1、過程控制系統(tǒng)習題解答1-2 與其它自動控制相比，過程控制有哪些優(yōu)點？為什么說過程控制的控制過程多屬慢過 程？過程控制的特點是與其它自動控制系統(tǒng)相比較而言的。一、連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制連續(xù)控制指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制，其被控量需定量控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。若控制動作在時間上 是離散的（如采用控制系統(tǒng)等），但是其被控量需定量控制，也歸入過程控制。二、過程控制系統(tǒng)由過程檢測、控制儀表組成過程控制是通過各種檢測儀表、控制儀表和電子計算機等自動化技術(shù)工具，對整個生產(chǎn)過程進行自動檢測、 自動監(jiān)督和自動控制。一個過程控制系統(tǒng)是由被控過程和檢測控制儀表兩部分組成。三、被控過程是多種多樣的、非電量的現(xiàn)代工業(yè)生

2、產(chǎn)過程中，工業(yè)過程日趨復雜，工藝要求各異，產(chǎn)品多種多樣；動態(tài)特性具有大慣性、大滯后、 非線性特性。有些過程的機理（如發(fā)酵等）復雜，很難用目前過程辨識方法建立過程的精確數(shù)學模型，因 此設(shè)計能適應(yīng)各種過程的控制系統(tǒng)并非易事。四、過程控制的控制過程多屬慢過程，而且多半為參量控制因為大慣性、大滯后等特性，決定了過程控制的控制過程多屬慢過程；在一些特殊工業(yè)生產(chǎn)過程中，采用 一些物理量和化學量來表征其生產(chǎn)過程狀況，故需要對過程參數(shù)進行自動檢測和自動控制，所以過程控制 多半為參量控制。五、過程控制方案十分豐富過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是以被控過程的特性為依據(jù)的。過程特性：多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等。

3、單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)；儀表過程控制系統(tǒng)、計算機集散控制系統(tǒng)；復雜控制系統(tǒng)，滿足特定 要求的控制系統(tǒng)。六、定值控制是過程控制的一種常用方式過程控制的目的： 消除或減小外界干擾對被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在給定值上，使工業(yè)生產(chǎn) 能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗能的目標。1-3 什么是過程控制系統(tǒng)，其基本分類方法有哪些？過程控制系統(tǒng)：工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度和 ph 等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。1、按過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分1） 反饋控制系統(tǒng)：是根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進行工作，偏差值是控制的依據(jù)，最后達到消除或減小偏差 的目的。2） 前饋控制系統(tǒng)

4、：直接根據(jù)擾動量的大小進行工作，擾動是控制的依據(jù)。3、前饋反饋控制系統(tǒng)（復合控制系統(tǒng)）：充分結(jié)合兩者的有點，大大提高控制質(zhì)量。2、按給定值信號的特點來分類定值控制系統(tǒng)：是指系統(tǒng)被控量的給定值保持在規(guī)定值不變，或在小范圍附近不變。2、 程序控制系統(tǒng)：是被控量的給定值按預(yù)定的時間程序變化工作，目的是使系統(tǒng)被控量按工藝要求規(guī)定 的程序自動變化。加熱升溫或逐次降溫等。3、 隨動控制系統(tǒng)：是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)，主要作用是克服一切擾動，使控 量快速跟隨給定值而變化?？諝饬颗c燃料量的關(guān)系。11-5 試說明圖 1-2b 供氧量控制系統(tǒng)框圖中被控“過程”包含哪些管道設(shè)備以及圖中各符號的

5、含義。過程：節(jié)流裝置到氧氣流量調(diào)節(jié)閥之間的管道設(shè)備。x(t) 代表設(shè)定值 ;e(t)表示偏差信號 ;u(t)表示控制器控制作用信號 ;q(t)表示調(diào)節(jié)閥的流量信號 ;f(t)表示過程受 到的干擾信號;y(t)表示過程的輸出信號;z(t)表示測量信號。1-6 在過程控制中，為什么要由系統(tǒng)控制流程圖畫出其框圖。為了更清楚地表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號聯(lián)系，這樣也便于其他人的理解。 2-1 何為被控過程及其數(shù)學模型，模型一般可分為哪幾類，它與過程控制有何關(guān)系？被控過程是指正在運行中的多種多樣的被控制的生產(chǎn)工藝設(shè)備。被控過程的數(shù)學模型是指過程在各輸入量作用下，其相應(yīng)的輸出量變化函數(shù)關(guān)系

6、的數(shù)學表達 式。過程數(shù)學模型的兩種描述形式：非參量形式：即用曲線或數(shù)據(jù)表格來表示（形象、直觀，但對進行系統(tǒng)的設(shè)計和綜合不方便）。 參量形式： 即用數(shù)學方程來表示（方便，描述形式有： 微分方程、傳遞函數(shù)、差分方程、 脈沖響應(yīng)函數(shù)、狀態(tài)方程等）。2-2 什么是過程通道？什么是過程的控制通道和擾動通道？它們的數(shù)學模型是否相同？為什 么？過程通道: 輸入量與輸出量間的信號聯(lián)系。擾動通道: 擾動作用與被控量間的信號聯(lián)系。控制通道：控制作用與被控量間的信號聯(lián)系。不同，因為同一個系統(tǒng)，通道不同，輸入輸出關(guān)系不同，其數(shù)學模型亦不一樣。2-3 從階躍響應(yīng)曲線看，大多數(shù)被控過程有何特點？絕大部分工業(yè)過程的動態(tài)特性

7、具有自衡能力，因此其模型可以近似為以下幾類： 近似地以一 階、二階、一階加滯后、二階加滯后特性之一來描述。2-4 試述研究過程建模的主要目的及其建模方法？1. 設(shè)計過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。2. 進行仿真試驗研究。3. 指導生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計。4. 培訓運行操作人員。機理法：又稱數(shù)學分析法或者理論建模法，根據(jù)過程的內(nèi)在機理，通過靜態(tài)與動態(tài)物料平衡 和能量平衡等關(guān)系用數(shù)學推導的方法求取過程的數(shù)學模型。試驗法：在實際的生產(chǎn)過程中，根據(jù)過程的輸入、輸出的實驗數(shù)據(jù)來獲得過程的數(shù)學模型。2-5 什么是機理分析法建模？該方法有何特點？它一般可應(yīng)用在何種場合？什么是自衡過程 和非自衡過程？什么是單容過程

8、和多容過程？機理建模：是根據(jù)過程的內(nèi)部機理(運動規(guī)律)，運用一些已知的定律、原理，如生物學定律、 化學動力學原理、物料平衡方程、能量平衡方程、傳熱傳質(zhì)原理等，建立過程的數(shù)學模型。 特點： 機理分析法建模的最大特點是當生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計階段就能建立其數(shù)學模型。另 外，對于不允許進行試驗的場合，該方法是唯一可取的。2123231 2 31應(yīng)用場合:簡單的被控過程建模。具有自衡平衡力的過程稱為自衡過程。反之，不存在固有反饋作用且自身無法恢復平衡的過 程稱為非自衡過程。所謂自衡單容過程，是指只有一個貯量的又具有自平衡能力的過程。在工業(yè)生產(chǎn)中，被控過 程往往由多個容積和阻力構(gòu)成，這種過程稱為多容過程。2

9、-6圖示液位控制過程的輸入量為 q1,流出量為 q2、q3 ，液位 h 為被控變量，c 為容量系數(shù)，并設(shè) r 、r 、r3 均為線性液阻。要求： 1 21) 列出液位過程的微分方程組；2) 畫出液位控制過程框圖；3) 求取液位過程的傳遞函數(shù)。rq1hp-5p-4p-2p-3q2p-1q3re-1rq -q -q =c 1 2 3dh ddh dh dh ， dq -dq -dq =c dq = ， dq =dt dt r r2 3q ( s )1h ( s )- -cs1r21r3h ( s )q ( s )1=11 1cs + +r r2 32-13 已知某液位過程的階躍相應(yīng)數(shù)值t/s 0

10、10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 h/mm 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6當其階躍擾動量為 20%時要求：畫出液位過程的階躍響應(yīng)曲線；用一階加滯后環(huán)節(jié)近似描述201816141210864200 100 200 300 400 500 600 10.90.80.70.60.50.40.30.20.100 100 200 300 400 500 6003k =0200.2=100 ,t=0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 3

11、00 400 500 600;h=0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6;hstar=h/20;spline(hstar(2:14),t(2:14),0.39) 得 t =128.91spline(hstar(2:14),t(2:14),0.63) 得 t =200.52t =2( t -t ) =143.20 2 1t=2 t -t =57.31 2spline(t,hstar, 57.3) 得 0.09 較小接近 0；當 t =0.8t +t=171.9 spline(t,hstar,171.9) 得 0.564

12、與 0.55 較接近；4 0當 t =2t +t=343.7 spline(t,hstar,343.7) 得 0.889 與 0.865 較接近；5 0該過程可用一階加滯后環(huán)節(jié)近似描述。3-3 請歸納一下過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容?？刂品桨傅脑O(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計的核心，包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、信息的獲取和變送、 調(diào)節(jié)閥的選擇、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及正、反作用方式的確定等。工程設(shè)計：在方案設(shè)計的基礎(chǔ)上進行，包括儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計、儀表供電供氣 系統(tǒng)設(shè)計、信號及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)計等。工程安裝和儀表調(diào)校：系統(tǒng)正常運行的前提，安裝完畢后要對每臺儀表進行單校和對各個回 路聯(lián)校等。調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整定：

13、保證系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。3-4 通常過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟應(yīng)包括哪些？結(jié)合控制原理請說明靜態(tài)、動態(tài)特性分析計算 時應(yīng)包含哪些主要內(nèi)容？步驟:建立被控過程的數(shù)學模型;選擇控制方案;控制設(shè)備選型;實驗（和仿真）; 靜態(tài)特性分析：擾動通道靜態(tài)放大系數(shù) kf;控制通道靜態(tài)放大系數(shù) k0;調(diào)節(jié)參數(shù) kc;注意 k0 和 kc 要遠遠大于 kf。動態(tài)特性分析：擾動通道時間常數(shù) tf、時延 cf 以及擾動作用點；控制通道的時間滯后 cf 以 及時間常數(shù)分配的影響。3-5 什么叫單回路系統(tǒng)？其方案設(shè)計包括哪些主要內(nèi)容？怎樣理解方案設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核 心？只有一個閉環(huán)回路的簡單控制系統(tǒng)叫單回路控制系統(tǒng)；過程控制系

14、統(tǒng)設(shè)計包括系統(tǒng)的方案設(shè) 計，工程設(shè)計，工程安裝和儀表調(diào)校，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定四個主要內(nèi)容；控制方案是系統(tǒng)設(shè)計 得核心，若控制方案不正確，則無論如何選用何種先進的過程控制儀表或計算機系統(tǒng)，無論 其安裝如何細心，都不可能是系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的控制作用，甚至系統(tǒng)不能運 行。3-6 什么是直接參數(shù)與間接參數(shù)？這兩者有何關(guān)系？選擇被控參數(shù)應(yīng)遵循哪些基本原則？直接參數(shù):直接反應(yīng)生產(chǎn)過程產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，以及安全運行的參數(shù)。4間接參數(shù): 能間接反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量又與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系的、易于測量的參數(shù)作 為被控參數(shù)。直接參數(shù)與間接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系。歸納起來：1）選擇對產(chǎn)品和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行

15、等具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù) 2）當不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，應(yīng)該選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù) 作為被控參數(shù)3） 被控參數(shù)必須有足夠的靈敏度4） 被控參數(shù)的選取考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。37 選擇控制參數(shù)時，為什么要從分析過程特性入手？為什么選過程控制通道的放大系數(shù) k0 要適當大一些，時間常數(shù) t0 要小一些，而擾動通道 kf 要盡可能小一些， tf 要大？ 問題一：在生產(chǎn)過程中往往有幾個參數(shù)可作為控制參數(shù)，選擇不同的控制參數(shù)，就相當于選 擇不同的過程特性，而過程的動態(tài)、靜態(tài)特性直接影響著控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能和 暫態(tài)性能。 問題二：控制通道的

16、靜態(tài)放大系數(shù) k0 越大，表示控制作用越靈敏，克服擾動 的能力越強，控制效果越顯著。 時間常數(shù) t0 的大小反映了控制作用的強弱，反映了控制器 的校正作用克服擾動對被控參數(shù)影響的快慢。若控制通道時間常數(shù) t0 太大，則控制作用太弱， 被控參數(shù)變化緩慢，控制不能及時，系統(tǒng)過渡過程時間長，控制質(zhì)量下降，所以希望t0 要小 一些。 擾動通道 kf 越大則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也越大，這表示在相同的階躍擾動作用下，穩(wěn)態(tài) 下被控參數(shù)將偏離給定值越大，這樣顯著地降低控制質(zhì)量，所以選擇 kf 要盡可能小一些。 時 間常數(shù) tf 的增大，擾動作用于控制回路的過渡時間加長，但是由于過渡過程乘上一個 1/tf 的數(shù)值，使

17、整個過渡過程的幅值減小 tf 倍，從而使其超調(diào)量隨著 tf 的增大而減小，因而 tf 要大。3-8 為什么選擇控制參數(shù)時，對于幾個一階環(huán)節(jié)組成的過程盡量設(shè)法把幾個時間常數(shù)錯開？ 如果不錯開又會怎樣？減小過程中最大的時間常數(shù) t1，反而引起控制質(zhì)量下降；相反增大最大時間常數(shù) t1，有助 于提高控制指標；而減小 t2 或 t3 都能提高控制性能指標，若同時減小 t2、t3，則提高性 能指標的效果更好；減小中間的時間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率，減小過渡過程時間和最 大偏差等，改善控制質(zhì)量314 一個自動控制系統(tǒng)，在比例控制的基礎(chǔ)上分別增加：適當?shù)姆e分作用；適當?shù)奈?分作用。試問：（）這兩種情況對系統(tǒng)

18、的穩(wěn)定性，最大動態(tài)偏差、余差分別有何影響？ （） 為了得到相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)如何調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例度 delta，并說明理由。問題一：在比例控制的基礎(chǔ)上增加適當?shù)姆e分作用，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大了最大動態(tài) 偏差，動態(tài)性能指標變差，消除了余差。 在比例控制的基礎(chǔ)上增加了適當?shù)奈⒎肿饔茫?高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了最大動態(tài)偏差，動態(tài)性能指標變好，余差有所減小但是不為零。 問 題二：為了得到相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性，在增加了積分作用的情況下，delta 的值要增大，以彌補 積分作用引起的穩(wěn)定性下降；在增加微分作用的情況下，delta 的值要減小，因為微分作用的 引入使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性變好。4-1 什么叫串級

19、控制系統(tǒng)？串級控制系統(tǒng)是由兩個控制器的串接組成，一個控制器的輸出做為另一個控制器的設(shè)定值，5c1 c 2兩個控制器有各自獨立的測量輸入，有一個控制器的給定由外部設(shè)定。 串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用下圖表示：4-2 與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有哪些主要特點？1、 改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作效率2、 大大增強了二次擾動的克服能力3、 一次擾動有較好的克服能力4、 副路參數(shù)變化具有一定的自適應(yīng)能力4-3 與單回路相比，為什么說串級控制系統(tǒng)由于存在一個副回路而具有較強的抑制擾動的能 力？1、大大增強了對二次擾動的克服能力q ( s ) k kc 2 = c1 c 2 ， k k q ( s

20、 ) kd 2 ck 意味著串級副回路的存在能迅速克服進入副回路的二次擾動、 c大大減小了二次擾動的影響，提高了控制質(zhì)量。 2、對一次擾動有較好的克服能力q ( s ) 1c1 q ( s ) w ( s )w ( s )w ( s ) d1 v 02 m 2，w ( s )w ( s )w ( s ) 1 意味著串級控制系統(tǒng)的抗一次擾動的能力 v 02 m 2要比單回路控制系統(tǒng)略強一些。4-4 串級控制系統(tǒng)在副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計中應(yīng)遵循哪些主要原則？將主要干擾包括在副回路； 副回路盡量包含多的干擾； 為保證副回路的快速響應(yīng)，副對象的滯后不能太長； 為提高系統(tǒng)的魯棒性，將具有非 線性時變

21、部分包含于副對象中； 需要對流量實現(xiàn)精確的跟蹤時，將流量選為副對象。4-5 設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，主、副過程時間常數(shù)之比 (t01/t02)應(yīng)在 310 范圍內(nèi)。試問當 t01/t0210 時將會有何問題？t01/t0210 時，此時副回路雖然對改善過程特性的效果較顯 著，但副回路反應(yīng)較遲鈍，不能及時有效地克服擾動。4-8 串級控制系統(tǒng)通?？捎迷谀男﹫龊?？61、 用于克服對象較大的容量滯后2、 用于克服對象的純滯后3、 用于克服變化劇烈和幅值大的干擾4、 用于克服對象的非線性4-11 前饋控制與反饋控制各有什么特點？前饋控制與反饋控制的特點：檢測：前饋控制測干擾，反饋控制測被控量；效果：克服干擾， 前饋控制及時，理論上可實現(xiàn)完全補償，“基于擾