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(jì)算機(jī)等自動化技術(shù)工具，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)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)生產(chǎn)過程

2、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，故需要對過程參數(shù)進(jìn)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(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、大滯后和非線性等。 單變量控

3、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(diǎn)分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的。2）前饋控制系統(tǒng)：直接根據(jù)擾動量的大小

4、進(jìn)行工作，擾動是控制的依據(jù)。3、前饋反饋控制系統(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、按給定值信號的特點(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、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。1-5 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含義。過程：節(jié)流裝置到氧氣流量調(diào)節(jié)閥之

5、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(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

6、：即用曲線或數(shù)據(jù)表格來表示（形象、直觀，但對進(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?yàn)橥粋€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。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

7、、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)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)動規(guī)律)，運(yùn)用一些已知的定

8、律、原理，如生物學(xué)定律、化學(xué)動力學(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，對于不允許進(jìn)行試驗(yàn)的場合，該方法是唯一可取的。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?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。2-6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)R1、R2、

9、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)。 ，2-13 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 600h/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(dāng)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, t=0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600;h=0 0 0.2 0.8

10、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spline(hstar(2:14),t(2:14),0.63) 得=143.2=57.3spline(t,hstar, 57.3) 得0.09 較小接近0；當(dāng) spline(t,hstar,171.9) 得0.564 與0.55較接近；當(dāng) spline(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)：

11、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，安裝完畢后要對每臺儀表進(jìn)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：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)合控制原理請說明靜態(tài)、動態(tài)特性分析計(jì)算時應(yīng)包含哪些主要內(nèi)容？步驟:<1>建立被控過程的數(shù)學(xué)模型;<2>選擇控制方案;<3>控制設(shè)備選型;<4&

12、gt;實(shí)驗(yàn)（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(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)；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(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)

13、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？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(jì)運(yùn)行等具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)2）當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控參數(shù)時，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

14、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(dāng)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(dāng)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(qiáng)，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(qiáng)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

15、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(biāo)；而減小T2或T3都能

16、提高控制性能指標(biāo)，若同時減小T2、T3，則提高性能指標(biāo)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(dāng)?shù)姆e分作用；適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?。試問?（）這兩種情況對系統(tǒng)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(dāng)?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(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，降低了最大動態(tài)偏差，動態(tài)性能指標(biāo)變好，

17、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(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，兩個控制器有各自獨(dú)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(diǎn)？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(qiáng)了二次擾動的克服能力 3、一次擾動有較好的克服能力 4、

18、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(qiáng)的抑制擾動的能力？1、大大增強(qiáng)了對二次擾動的克服能力 ，意味著串級副回路的存在能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動、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 ，意味著串級控制系統(tǒng)的抗一次擾動的能力要比單回路控制系統(tǒng)略強(qiáng)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(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，將具有非線性時變部分包含于副對象中； 需要對流量實(shí)現(xiàn)精確的

19、跟蹤時，將流量選為副對象。4-5 設(shè)計(jì)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(dāng)T01/T02<3及T01/T02>10時將會有何問題？T01/T02<3時，雖副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時一般情況下回路包含的擾動少，對于過程特性的改善也就減小了；T01/T02>10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?？1、 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(diǎn)？前饋控制與反饋控制的特點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，“基于擾動消除擾動” ；經(jīng)濟(jì)性：克服干擾，前饋控制只能一對一，不如反饋控制經(jīng)濟(jì)；穩(wěn)定性