《過程控制系統(tǒng)》習(xí)題解答

1、過程控制系統(tǒng)習(xí)題解答1-2與其它自動(dòng)控制相比，過程控制有哪些優(yōu)點(diǎn)？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(diǎn)是與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)相比較而言的。一、 連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制連續(xù)控制指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(dòng)作在時(shí)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(cè)、控制儀表組成過程控制是通過各種檢測(cè)儀表、 控制儀表和電子計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。一個(gè)過程控制系統(tǒng)是由被控過程和檢測(cè)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)

2、生產(chǎn)過程中， 工業(yè)過程日趨復(fù)雜， 工藝要求各異，產(chǎn)品多種多樣；動(dòng)態(tài)特性具有大慣性、 大滯后、 非線性特性。有些過程的機(jī)理（如發(fā)酵等）復(fù)雜，很難用目前過程辨識(shí)方法建立過程的精確數(shù)學(xué)模型，因 此設(shè)計(jì)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?yàn)榇髴T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(xué)量來表征其生產(chǎn)過程狀況，故需要對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)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(jì)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

3、和非線性等。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(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)；復(fù)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(duì)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(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低耗能的目標(biāo)。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(dòng)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 pHpH 等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。1 1、 按過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分1 1 ）反饋控制系統(tǒng)：是根據(jù)系統(tǒng)被控量的偏差進(jìn)行工作，偏差值是控制的依據(jù)，最后達(dá)到消除或減小偏差 的目

4、的。2 2）前饋控制系統(tǒng)：直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。3 3、前饋一反饋控制系統(tǒng)（復(fù)合控制系統(tǒng)）：充分結(jié)合兩者的有點(diǎn)，大大提高控制質(zhì)量。2 2、 按給定值信號(hào)的特點(diǎn)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 2、 程序控制系統(tǒng)：是被控量的給定值按預(yù)定的時(shí)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(dòng)變化。加熱升溫或逐次降溫等。3 3、 隨動(dòng)控制系統(tǒng)：是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)，主要作用是克服一切擾動(dòng)，使控 量快速跟隨給定值而變化?？諝饬颗c燃料量的關(guān)系。1-5試說明圖1-2b供氧量控制系統(tǒng)框圖中被控“過程

5、”包含哪些管道設(shè)備以及圖中各符號(hào)的 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(tx(t) )代表設(shè)定值；e(t)e(t)表示偏差信號(hào)；u(t)u(t)表示控制器控制作用信號(hào) ；q(t)q(t)表示調(diào)節(jié)閥的流量信號(hào)；f(t)f(t)表示過程受 到的干擾信號(hào);y(t);y(t)表示過程的輸出信號(hào);z(t);z(t)表示測(cè)量信號(hào)。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(hào)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(xué)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(yùn)行中的多種多樣的被

6、控制的生產(chǎn)工藝設(shè)備。被控過程的數(shù)學(xué)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)系的數(shù)學(xué)表達(dá) 式。過程數(shù)學(xué)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(duì)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和綜合不方便)。 參量形式：即用數(shù)學(xué)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(dòng)通道？它們的數(shù)學(xué)模型是否相同？為什 么？過程通道：輸入量與輸出量間的信號(hào)聯(lián)系。擾動(dòng)通道：擾動(dòng)作用與被控量間的信號(hào)聯(lián)系?？刂仆ǖ溃嚎刂谱饔门c被控量間的信號(hào)聯(lián)系。不同，因?yàn)橥粋€(gè)系統(tǒng)，通道不同，輸入輸出關(guān)系不同，其數(shù)學(xué)模型亦不一樣

7、。2-3從階躍響應(yīng)曲線看，大多數(shù)被控過程有何特點(diǎn)？絕大部分工業(yè)過程的動(dòng)態(tài)特性具有自衡能力，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(jì)過程控制系統(tǒng)和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。2進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。3.指導(dǎo)生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)。4.培訓(xùn)運(yùn)行操作人員。機(jī)理法：又稱數(shù)學(xué)分析法或者理論建模法，根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，通過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)物料平衡 和能量平衡等關(guān)系用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法求取過程的數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)法：在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，根據(jù)過程的輸入、輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來獲得過程的數(shù)學(xué)模型。2-5什么是機(jī)理分析法建模？該方法有何特點(diǎn)？它一般可應(yīng)

8、用在何種場(chǎng)合？什么是自衡過程 和非自衡過程？ 什么是單容過程和多容過程？機(jī)理建模：是根據(jù)過程的內(nèi)部機(jī)理(運(yùn)動(dòng)規(guī)律)，運(yùn)用一些已知的定律、原理，如生物學(xué)定律、 化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(xué)模型。特點(diǎn)：機(jī)理分析法建模的最大特點(diǎn)是當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計(jì)階段就能建立其數(shù)學(xué)模型。另 外，對(duì)于不允許進(jìn)行試驗(yàn)的場(chǎng)合，該方法是唯一可取的。000應(yīng)用場(chǎng)合：簡(jiǎn)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?zhàn)饔们易陨頍o法恢復(fù)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(gè)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(gè)容

9、積和阻力構(gòu)成，這種過程稱為多容過程。2-6 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)Ri、R2、R3均為線性液阻。要求：1）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)。- 1Ri-q12-13已知某液位過程的階躍相應(yīng)數(shù)值t/s 0 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 14.416.6 18.4 19.2 19.6當(dāng)其階躍擾動(dòng)量為20%時(shí)要求：畫出液位過程的階躍響應(yīng)曲線；用一階

10、加滯后環(huán)節(jié)近似描述q3Cd hdtq2R2，q3R3Cs -1R2 &q2q2q3cdhQi(s)H(s)Qi(s)201816141210864201002003004005006000.90.80.70.60.50.40.30.20.110020030040050060020Ko=100,0.2t=0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600; h=0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.618.4 19.2 19.6;hstar=h/20;spli ne(hstar(2:14),t(2:

11、14),0.39)得 t1128.9spline(hstar(2:14),t(2:14),0.63)得 t2200.5T=2(t2tj=143.2=2t1t2=57.3spline(t,hstar, 57.3)得0.09較小接近0;當(dāng) t40.8T0171.9spline(t,hstar,171.9)得0.564與0.55較接近；當(dāng) t52T0343.7spline(t,hstar,343.7)得0.889與0.865較接近；該過程可用一階加滯后環(huán)節(jié)近似描述。3-3請(qǐng)歸納一下過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。控制方案的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)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

12、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(jì)：在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，包括儀表選型、控制室和儀表盤設(shè)計(jì)、儀表供電供氣 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。工程安裝和儀表調(diào)校：系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，安裝完畢后要對(duì)每臺(tái)儀表進(jìn)行單校和對(duì)各個(gè)回 路聯(lián)校等。調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整定：保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。3-4通常過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟應(yīng)包括哪些？結(jié)合控制原理請(qǐng)說明靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算 時(shí)應(yīng)包含哪些主要內(nèi)容？步驟:建立被控過程的數(shù)學(xué)模型;選擇控制方案;控制設(shè)備選型;實(shí)驗(yàn)（和仿真）；靜態(tài)特性分析：擾動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于Kf。動(dòng)態(tài)特性分

13、析：擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)Tf、時(shí)延Cf以及擾動(dòng)作用點(diǎn)；控制通道的時(shí)間滯后Cf以 及時(shí)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(jì)包括哪些主要內(nèi)容？怎樣理解方案設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核 心？只有一個(gè)閉環(huán)回路的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)叫單回路控制系統(tǒng)；過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的方案設(shè) 計(jì)，工程設(shè)計(jì)，工程安裝和儀表調(diào)校，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定四個(gè)主要內(nèi)容；控制方案是系統(tǒng)設(shè)計(jì) 得核心，若控制方案不正確，則無論如何選用何種先進(jìn)的過程控制儀表或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，無論 其安裝如何細(xì)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(yùn) 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？

14、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(yùn)行的參數(shù)。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(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。歸納起來：1選擇對(duì)產(chǎn)品和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)2）當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)， 應(yīng)該選擇一個(gè)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。3-7選擇控制參數(shù)時(shí)，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(dāng)大一些，時(shí)間常數(shù)TO要小一些，而擾動(dòng)通道Kf要盡

15、可能小一些，Tf要大？ 問題一：在生產(chǎn)過程中往往有幾個(gè)參數(shù)可作為控制參數(shù)，選擇不同的控制參數(shù)，就相當(dāng)于選 擇不同的過程特性，而過程的動(dòng)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(dòng)態(tài)性能和 暫態(tài)性能。問題二：控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)K0越大，表示控制作用越靈敏，克服擾動(dòng)的能力越強(qiáng)，控制效果越顯著。時(shí)間常數(shù)TO的大小反映了控制作用的強(qiáng)弱，反映了控制器的校正作用克服擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)影響的快慢。 若控制通道時(shí)間常數(shù)TO太大，則控制作用太弱， 被控參數(shù)變化緩慢，控制不能及時(shí)，系統(tǒng)過渡過程時(shí)間長(zhǎng)，控制質(zhì)量下降，所以希望TO要小 一些。 擾動(dòng)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(dòng)作用下，

16、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(shí)間常數(shù)Tf的增大，擾動(dòng)作用于控制回路的過渡時(shí)間加長(zhǎng)，但是由于過渡過程乘上一個(gè)1/Tf的數(shù)值，使整個(gè)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(shí)，對(duì)于幾個(gè)一階環(huán)節(jié)組成的過程盡量設(shè)法把幾個(gè)時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開?_如果不錯(cuò)開又會(huì)怎樣？減小過程中最大的時(shí)間常數(shù)T1,反而引起控制質(zhì)量下降；相反增大最大時(shí)間常數(shù)T1，有助 于提高控制指標(biāo)；而減小T2或T3都能提高控制性能指標(biāo)，若同時(shí)減小T2、T3,則提高性 能指標(biāo)的效果更好；減小中間的時(shí)間常數(shù)，可提高系統(tǒng)的工作頻率，

17、減小過渡過程時(shí)間和最 大偏差等，改善控制質(zhì)量3 14個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在比例控制的基礎(chǔ)上分別增加：1適當(dāng)?shù)姆e分作用；2適當(dāng)?shù)奈?分作用。試問：（1）這兩種情況對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 最大動(dòng)態(tài)偏差、余差分別有何影響？（2）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(dāng)?shù)姆e分作用，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大了最大動(dòng)態(tài) 偏差，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)變差，消除了余差。在比例控制的基礎(chǔ)上增加了適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了最大動(dòng)態(tài)偏差，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)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

18、要增大，以彌補(bǔ)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?yàn)槲⒎肿饔玫囊胧沟孟到y(tǒng)的穩(wěn)定性變好。4-1什么叫串級(jí)控制系統(tǒng)？串級(jí)控制系統(tǒng)是由兩個(gè)控制器的串接組成，一個(gè)控制器的輸出做為另一個(gè)控制器的設(shè)定值, 兩個(gè)控制器有各自獨(dú)立的測(cè)量輸入，有一個(gè)控制器的給定由外部設(shè)定 串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)有哪些主要特點(diǎn)？1改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作效率2、大大增強(qiáng)了二次擾動(dòng)的克服能力3、一次擾動(dòng)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(jí)控制系統(tǒng)由于存在一個(gè)副回路而具有較強(qiáng)的抑制擾動(dòng)

19、的能力？1大大增強(qiáng)了對(duì)二次擾動(dòng)的克服能力Qc2(S)QD2(S)KclKc2，KciKc2? Kc意味著串級(jí)副回路的存在能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)、Kc大大減小了二次擾動(dòng)的影響，提高了控制質(zhì)量2、對(duì)一次擾動(dòng)有較好的克服能力Qci(s)QDI(S)1Wv（S）W02（S）Wm2（S），Wv（S）W02（S）Wm2（S）1意味著串級(jí)控制系統(tǒng)的抗一次擾動(dòng)的能力要比單回路控制系統(tǒng)略強(qiáng)一些4-4串級(jí)控制系統(tǒng)在副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)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(duì)象的滯后不能太長(zhǎng)；為提高系統(tǒng)的魯棒性，將具有非線性時(shí)變部分包含于副對(duì)象

20、中；需要對(duì)流量實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤時(shí)，將流量選為副對(duì)象。4-5設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，主、副過程時(shí)間常數(shù)之比（TO1/T02）應(yīng)在310范圍內(nèi)。試問當(dāng)T01/T0210時(shí)將會(huì)有何問題？T01/T0210時(shí)，此時(shí)副回路雖然對(duì)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(shí)有效地克服擾動(dòng)。4-8串級(jí)控制系統(tǒng)誦?？捎迷谀男﹫?chǎng)合?1、 用于克服對(duì)象較大的容量滯后2、 用于克服對(duì)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(duì)象的非線性4-11前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？前饋控制與反饋控制的特點(diǎn)：檢測(cè)：前饋控制測(cè)干擾，反饋控制測(cè)被控量；效果：克服干擾， 前饋控制及時(shí)，理論上可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，基于擾動(dòng)消除擾動(dòng)”；經(jīng)濟(jì)性：克服干