過程與控制部分課后題答案

（2）什么是過程控制系統(tǒng)？試用方框圖表示其一般組成。答：過程控制系統(tǒng)：一般是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)的一般性框圖如圖1-1所示：圖1-1過程控制系統(tǒng)的一般性框圖（3）單元組合式儀表的統(tǒng)一信號是如何規(guī)定的？答：各個單元模塊之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進行聯(lián)絡(luò)。1）模擬儀表的信號：氣動0.02~0.1MPa；電動Ⅲ型：4~20mADC或1~5VDC。2）數(shù)字式儀表的信號：無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。（4）試將圖1-2加熱爐控制系統(tǒng)流程圖用方框圖表示。答：加熱爐控制系統(tǒng)流程圖的方框圖如圖1-3所示：圖1-2加熱爐過程控制系統(tǒng)流程（5）過程控制系統(tǒng)的單項性能指標(biāo)有哪些？各自是如何定義的？答：1）單項性能指標(biāo)主要有：衰減比、超調(diào)量與最大動態(tài)偏差、靜差、調(diào)節(jié)時間、振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。2）各自定義為：衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比n；超調(diào)量σ：第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y（）之比的百分?jǐn)?shù)：最大動態(tài)偏差A(yù)：在設(shè)定值階躍響應(yīng)中，系統(tǒng)過渡過程的第一個峰值超出穩(wěn)態(tài)值的幅度；靜差，也稱殘余偏差C：過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)所達到的新穩(wěn)態(tài)值y（）與設(shè)定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；調(diào)節(jié)時間：系統(tǒng)從受干擾開始到被控量進入新的穩(wěn)態(tài)值的（）范圍內(nèi)所需要的時間；振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率；上升時間：系統(tǒng)從干擾開始到被控量達到最大值時所需時間；峰值時間：過渡過程開始至被控參數(shù)到達第一個波峰所需要的時間。（9）兩個流量控制系統(tǒng)如圖1-4所示。試分別說明它們是屬于什么系統(tǒng)？并畫出各自的系統(tǒng)框圖。圖1-4兩個流量控制回路示意圖答：系統(tǒng)1是前饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)2是反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1-5如下：系統(tǒng)1系統(tǒng)2圖1-5兩個流量控制回路方框圖（10）只要是防爆儀表就可以用于有爆炸危險的場所嗎？為什么？答：1）不是這樣。2）比如對安全火花型防爆儀表，還有安全等級方面的考慮等。（11）構(gòu)成安全火花型防爆控制系統(tǒng)的儀表都是安全火花型的嗎？為什么？答：1）是的。2）因為安全火花型防爆系統(tǒng)必備條件之一為：現(xiàn)場儀表必須設(shè)計成安全火花型。2．綜合練習(xí)題（3）某化學(xué)反應(yīng)過程規(guī)定操作溫度為80±5℃，最大超調(diào)量小于或等于5％，要求設(shè)計的定值控制系統(tǒng)，在設(shè)定值作最大階躍干擾時的過渡過程曲線如圖1-8所示。要求：1）計算該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、最大超調(diào)量和過渡過程時間；2）說明該系統(tǒng)是否滿足工藝要求。答：1）由上圖可得y(∞)=81℃，設(shè)定值r=80℃,B1=85?81=4,B2=82?81=1穩(wěn)態(tài)誤差e(∞)=r?y(∞)=80℃-81℃=?1℃衰減比：，最大超調(diào)量：過渡過程時間ts：大概在18min左右。2）雖然該系統(tǒng)最大超調(diào)滿足要求，然而在規(guī)定操作溫度為80℃，而最后趨于穩(wěn)定的值卻為81℃，因此不滿足工藝要求。（4）圖1-9所示為一類簡單鍋爐汽泡水位控制流程圖，試畫出該控制系統(tǒng)框圖，并說明其被控過程、被控參數(shù)、控制參數(shù)和干擾參數(shù)各是什么？圖1-9鍋爐汽泡水位控制流程圖答：1）控制系統(tǒng)框圖如圖1-10所示： 圖1-10鍋爐汽泡水位控制框圖2）被控過程：加熱器+汽包；被控參數(shù)：汽包水位；控制參數(shù)：上水流量；干擾參數(shù)：蒸汽流量變化。1．基本練習(xí)題（3）某臺測溫儀表測量的上下限為500℃~1000℃，它的最大絕對誤差為±2℃，試確定該儀表的精度等級；答：根據(jù)題意可知：最大絕對誤差為±2℃則精度等級所以儀表精度等級為0.4級（4）某臺測溫儀表測量的上下限為100℃~1000℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±2℃，應(yīng)選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求？答：由題可得：儀表精度等級至少為0.001級?；蛘?.002（5）有一臺DDZ-Ⅲ型兩線制差壓變送器，已知其量程為20~100kPa，當(dāng)輸入信號為40kPa和80kPa時，變送器的輸出分別是多少？答：由題可得：變送器輸出的分別是8mA和16mA。答：1）應(yīng)選用氣開形式，當(dāng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號中斷時，執(zhí)行器處于關(guān)閉狀態(tài)，保證耐熱材料不被損壞。2）框圖如圖3-8所示：圖3-8系統(tǒng)框圖1．基本練習(xí)題（1）什么是被控過程的特性？什么是被控過程的數(shù)學(xué)模型？為什么要研究過程的數(shù)學(xué)模型？目前研究過程數(shù)學(xué)模型的主要方法有哪幾種？答：1）過程控制特性指被控過程輸入量發(fā)生變化時，過程輸出量的變化規(guī)律。2）被控過程的數(shù)學(xué)模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態(tài)和輸出（被控參數(shù)）變化的數(shù)學(xué)表達式。3）目的：eq\o\ac(○,1)設(shè)計過程控制系統(tǒng)及整定控制參數(shù)；eq\o\ac(○,2)指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計與操作；eq\o\ac(○,3)對被控過程進行仿真研究；eq\o\ac(○,4)培訓(xùn)運行操作人員；eq\o\ac(○,5)工業(yè)過程的故障檢測與診斷。4）機理演繹法和實驗辨識法。2．綜合練習(xí)題（1）如圖4-6所示，為過程的流入量，為流出量，為液位高度，C為容量系數(shù)。若以為過程的輸入量，為輸出量（被控量），設(shè)、為線性液阻，求過程的傳遞函數(shù)。答：根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系：流入量＝流出量過程的微分方程的增量形式如式（4-7）所示：（4-7）中間變量：（4-8）傳遞函數(shù)如式（4-9）所示：（4-9）如果考慮管道長度l，即出現(xiàn)純時延，由于管道流量恒定，所以其傳遞函數(shù)如式（4-10）所示：（4-10）1．基本練習(xí)題（4）什么叫比例度？它是怎樣定義的？答：比例度表示調(diào)節(jié)閥開度改變（即從全開到全關(guān)）時所需的系統(tǒng)被調(diào)量的允許變化范圍。也就是說，只有當(dāng)被調(diào)量處在這個范圍之內(nèi)時，調(diào)節(jié)閥的開度變化才與偏差成比例；若超出這個范圍，調(diào)節(jié)閥則處于全開或全關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)器將失去其調(diào)節(jié)作用。（5）比例控制對控制質(zhì)量有什么影響？答：1）比例調(diào)節(jié)是一種有差調(diào)節(jié)，即當(dāng)調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律時，不可避免的會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差?；蛘哒f，比例調(diào)節(jié)器是利用偏差實現(xiàn)控制的，它只能使系統(tǒng)輸出近似跟蹤給定值。2）比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例度的增大而增大，若要減小誤差，就需要減小比例度，即需要增大調(diào)節(jié)器的比例增益。3）比例調(diào)節(jié)不適用于給定值隨時間變化的系統(tǒng)。4）增大比例調(diào)節(jié)的增益不僅可以較少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而且還可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。（6）在保持穩(wěn)定性不變的情況下，比例微分控制系統(tǒng)的殘差為什么比純比例控制的殘差要??？答：因為比例微分控制能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抑制過渡過程的動態(tài)偏差，這是由于微分作用總是力圖阻止系統(tǒng)被調(diào)量的變化，而使過渡過程的變化速度趨于平緩。（7）在保持穩(wěn)定性不變的情況下，在比例控制中引入積分作用后，為什么要增大比例度？積分作用的最大優(yōu)點是什么？答：1）因為采用積分調(diào)節(jié)時系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比，增大積分速度會增強積分效果，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。2）積分作用最大的優(yōu)點是可以提高系統(tǒng)的無差度，也就是提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。（8）微分控制規(guī)律對純時延有無作用，為什么？答：1）微分調(diào)節(jié)對于純時延過程是無效的。2）由于在純時延時間里參數(shù)的變化率為零，所以微分環(huán)節(jié)對純滯后是無效的。（9）調(diào)節(jié)器參數(shù)都有哪些工程整定方法，各有什么特點，分別適用于什么場合？答：1）臨界比例度法：是一種閉環(huán)整定方法，它是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，不需要測試過程的動態(tài)特性，其方法簡單，使用方便，因而廣泛使用。缺點是對生產(chǎn)工藝過程不能反復(fù)做振蕩實驗、對比例調(diào)節(jié)本質(zhì)穩(wěn)定的被控系統(tǒng)并不適用。2）衰減曲線法：該方法與臨界比例度法相類似，所不同的是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程。適用于多數(shù)過程，最大的缺點是較難準(zhǔn)確確定4:1的衰減程度。尤其是對于一些干擾比較頻繁、過程變化較快的控制系統(tǒng)。3）響應(yīng)曲線法：這是一種開環(huán)整定方法，利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定。這種方法適應(yīng)性較廣，為調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定提供可能。2．綜合練習(xí)題（1）試以一階慣性過程為例，試計算并分析比例控制對控制質(zhì)量（超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差）的影響。答：一階慣性過程傳遞函數(shù)是：，若采用比例控制其輸出與偏差的關(guān)系為，比例調(diào)節(jié)中比例系數(shù)過小會導(dǎo)致過程出現(xiàn)振蕩情況，增大比例系數(shù)，調(diào)節(jié)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減少，但過大會是超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時間加長，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。3．設(shè)計題（1）如圖5-8所示的換熱器，用蒸汽將進入其中的冷水加熱到一定溫度。生產(chǎn)工藝要求熱水溫度維持在一定范圍（），試設(shè)計一個簡單的溫度控制系統(tǒng)，并指出調(diào)節(jié)器類型。答：1、被控參數(shù)：熱水的溫度。2、控制參數(shù)：熱蒸汽的流量（蒸汽管道上的閥門開度）。3、測溫元件及其變送器的選擇：選取熱電阻，并配上相應(yīng)溫度變送器。

4、調(diào)節(jié)閥的選擇：根據(jù)實際生產(chǎn)需要與安全角度考慮，選擇氣開閥。

調(diào)節(jié)器選PID或PD類型的調(diào)節(jié)器，由于調(diào)節(jié)閥為氣開式（無信號時關(guān)閉），故為正，當(dāng)被控過程輸入的蒸汽增加時，水溫升高，故為正，正作用過程，測量變送為正，為使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)乘積為正，調(diào)節(jié)器應(yīng)為正，所以選用反作用調(diào)節(jié)器。1．基本練習(xí)題（1）與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有什么結(jié)構(gòu)特點？答：串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個測量變送器和一個調(diào)節(jié)器，形成了兩個閉合回路，其中一個稱為副回路，一個稱為主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了顯著的改善。（2）前饋控制與反饋控制各有什么特點？為什么采用前饋-反饋控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)？答：前饋控制的特點：開環(huán)控制、比反饋控制及時、可以作為專用調(diào)節(jié)器。反饋控制的特點：屬于閉環(huán)控制、可以抑制干擾對被控對象的影響、能夠使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上保證系統(tǒng)的較高控制質(zhì)量。采用前饋－反饋控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)是因為該復(fù)合控制系統(tǒng)一方面利用前饋控制制及時有效的減少干擾對被控參數(shù)的影響；另一方面則利用反饋控制使參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而保證系統(tǒng)有較高的控制質(zhì)量。（9）串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器正、反作用的確定是否只取決于主被控過程放大系數(shù)的符號而與其他環(huán)節(jié)無關(guān)？為什么？答:1）不對。2）主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方式選擇的方法是：首先根據(jù)工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，并決定負(fù)調(diào)節(jié)器的正、反作用；然后根據(jù)主、副過程的正、反形式最終確定主調(diào)節(jié)器的正反作用形式。（11）在圖6-1所示加熱爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)中，工藝要求一旦發(fā)生重大事故，應(yīng)立即切斷燃料油的供應(yīng)。要求：1）畫出控制系統(tǒng)的框圖；2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式答：1）串級系統(tǒng)方框圖如圖6-2所示：副回路選擇加熱爐爐膛溫度控制，消除F1（S）干擾。圖6-1加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)圖6-2加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)方框圖2）由于發(fā)生重大事故時立即切斷燃料油的供應(yīng)，從工藝的安全性考慮，調(diào)節(jié)閥選擇氣開式，保證無氣時調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。3）主調(diào)節(jié)器選擇PI（或PID）控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。由于燃料增加加熱爐溫度必然增加，所以過程為正。調(diào)節(jié)閥氣開式為正，主副調(diào)節(jié)器都選擇反作用方式。（12）圖6-3所示為精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝要求一旦發(fā)生事故應(yīng)立即停止蒸汽的供應(yīng)。要求：1）畫出控制系統(tǒng)的框圖；2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。1）控制系統(tǒng)的框圖如圖6-4所示：圖6-3溫度、流量串級控制系統(tǒng)圖6-4溫度、流量串級控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)閥：氣開形式；這是因為當(dāng)控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥必須關(guān)閉，以使切斷整齊的供應(yīng)，確保設(shè)備的安全。（3）主調(diào)節(jié)器：反作用方式；負(fù)調(diào)節(jié)器：反作用方式。1．基本練習(xí)題（1）什么叫比值控制系統(tǒng)？它有哪幾種類型？畫出它們的原理框圖。答：1）比值控制系統(tǒng)就是實現(xiàn)副流量QUOTE與主流量QUOTE成一定比值關(guān)系，滿足關(guān)系式：QUOTE的控制系統(tǒng)。2）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)。3）結(jié)構(gòu)原理圖分別如圖7-1，圖7-2，圖7-3，圖7-4所示：圖7-1開環(huán)比值控制系統(tǒng)（a）開環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖（b）開環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖圖7-2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖（b）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖圖7-3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（a）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)原理圖（