過程控制工程第三版1-5章習(xí)題[王樹青].ppt

1、練習(xí)題的說明，第一章P16頁的思考和練習(xí)題，1-1自動控制系統(tǒng)主要由哪些部分構(gòu)成？各個環(huán)節(jié)發(fā)揮什么作用？ a :自動控制系統(tǒng)由受控對象、測量轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機構(gòu)(控制閥)和控制器構(gòu)成。 被告的控制對象：指受控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。 測量變送器：測量被控變量，按照一定的規(guī)則變換為標準信號輸出。 執(zhí)行機構(gòu)：經(jīng)常使用控制閥，接收來自控制器的指令信號，改變控制閥的開度。 控制器：被告的控制變量的測定值與設(shè)定值進行比較，得到偏差信號e(t )，以一定的規(guī)則性輸出控制信號u(t )。 1-2研究一下比較常見的計算機控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特征：1)直接數(shù)字控制：不僅校正算法靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)典型的PID控制規(guī)則，而且能夠

2、分時處理多個控制電路。 2 )集中式修正機控制系統(tǒng)：集中了能夠?qū)崿F(xiàn)去耦控制、聯(lián)鎖控制等更復(fù)雜的控制功能的信息，因此運用管理和生產(chǎn)的優(yōu)化容易，靈活性大，控制電路的增減、控制方案的變更能夠通過軟件實現(xiàn)人與人的交互3 )集散控制系統(tǒng)：同時適應(yīng)管理與控制兩方面的需求，一方面可使用若干控制器完成系統(tǒng)的控制任務(wù)，使各控制器實現(xiàn)一定的控制目標，獨立完成數(shù)據(jù)采集、信號處理、算法實現(xiàn)與控制輸出等功能，另一方面可實現(xiàn)積的集中性、1-3、P:被控制變量、罐：被控制對象U:控制變量、進氣流量：操作變量被控制變量：被控制對象是需要維持其理想值的過程變量，也是測定變換的輸入。 控制變量：控制器的輸出電信號。 操作變量：致

3、動器的操作對象對被控制變量產(chǎn)生影響。 攝動變量：影響除了操作變量以外的被控制變量的變量。壓力控制器、控制對象、進氣控制閥、干擾通路、測定傳送、1-4以圖1-16所示液位控制系統(tǒng)為例，詳細說明在供給量Qi急劇增大的情況下，系統(tǒng)如何運用反饋控制機構(gòu)將測量變更、控制閥作為氣動閥，將控制器作為反作用力，將偏差作為指定值與測量值之差。 答：根據(jù)輸出對輸入變化的響應(yīng)情況，可以將進程分為自平衡進程和非自平衡進程兩類。 自平衡程序：輸入變化時，不需要追加的控制作用，程序自發(fā)地走向新的平衡狀態(tài)的性質(zhì)稱為自平衡性。 自平衡過程包括純滯后過程、單容過程和多容過程。 非自平衡過程：與自平衡過程不同，輸入一旦變化，非自

4、平衡過程就不能自發(fā)地走向新的平衡狀態(tài)。練習(xí)題2-1工業(yè)過程中被控對象的動態(tài)特性具有什么特征？課題2-2、液阻：局部改變液流的流通面積，使液流產(chǎn)生壓力損失(阻力特性)，壓力差一定時，調(diào)節(jié)流量(控制特性)，分配液壓閥口等結(jié)構(gòu)，例如薄壁小各液阻應(yīng)滿足流量壓力方程式。 液體阻力可以由R=P/q決定，p與液位差h有關(guān)。 或者，液體在長配管或各種閥孔、彎管及管接頭中流動時，由于液體流動的各質(zhì)點間及液體與管壁之間的摩擦和碰撞而產(chǎn)生阻力，因此阻礙這種液體流動的阻力稱為液體阻力。液體阻力的大小由流量和壓力決定，(1)根據(jù)液體力學(xué)原理，(2)過程的框圖，練習(xí)問題2-:機械建模例子，(1)過程微分方程式群(2)框圖

5、畫出(3)傳遞函數(shù)求練習(xí)問題2-:列寫狀態(tài)方程式如果將流量方程式代入材料平衡方程式，則能夠得到過程狀態(tài)方程式，能夠根據(jù)由練習(xí)問題2-:狀態(tài)方程式傳遞函數(shù)表示的上述傳遞函數(shù)方程式，描繪出對應(yīng)的框圖.通過直接使用傳遞函數(shù)修正式來求出傳遞函數(shù)方程式，從而能夠得到2-4線性化是為什么是過程制線性化是指在某種條件下進行某種近似，或縮小某個動作范圍，將非線性微分方程式近似地作為線性微分方程式來處理。 自然界沒有真正的線性系統(tǒng)，所謂的線性系統(tǒng)也只是在一定的工作范圍內(nèi)保持線性關(guān)系。 實際上，所有組件和系統(tǒng)在不同水平上都具有非線性性質(zhì)。 例如，機械系統(tǒng)的阻尼器在低速時可以看作線性，但在高速時粘性阻尼力與運動速度

6、的平方成比例，成為非線性函數(shù)的關(guān)系。 此外，例如，因為電路中的電感受到磁路中的鐵心飽和的影響，所以電感值和流過的電流處于非線性函數(shù)的關(guān)系。 在包含非線性函數(shù)關(guān)系的系統(tǒng)中，非線性數(shù)學(xué)模型的建立和求解過程非常復(fù)雜。 為了避免非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)處理上的困難，當信號和變量的改變范圍對大多數(shù)元件和系統(tǒng)來說不太大或者非線性不太大時，線性化數(shù)學(xué)模型可以替代非線性數(shù)學(xué)模型被近似地線性化。 如果用線性化數(shù)學(xué)模型近似表現(xiàn)非線性系統(tǒng)，就可以使用線性理論進行系統(tǒng)的分析和設(shè)定修正。 練習(xí)題2-6的測定變更鏈路中，式中Km為增益，Tm為時間常數(shù)，m為延遲時間。 測量傳輸鏈路的非線性會影響這些殘奧儀表，但為了便于處理，采用了

7、線性化處理來獲得上述動態(tài)特性。 練習(xí)題2-7:控制閥流量特性選擇、熱平衡方程式：控制通路靜態(tài)增益：為平衡點流量。 從靜態(tài)增益補償?shù)挠^點出發(fā)，從動態(tài)特性變化的觀點(Why？ 閥特性的選擇如下：表2-1 :控制閥固有流量特性、單回路系統(tǒng)積分飽和防止原理分析、研究：以正常為標準的PI控制算法；另一方面，發(fā)生超限時，自動切除積分作用。 為什么？ 習(xí)題2-8，1，注意：液阻與液位高度(壓力)的關(guān)系為R=H/Q。 那么：2，根據(jù)流量的壓力平衡方程式是：即：拉爾斯變換：時間常數(shù)是： T=0.01，注意：如果這里假定液位上升，則練習(xí)題2-9，單位化0.33333，0.45455，0.5556，0.63636

8、單位階躍響應(yīng)：?。翰檎冶砣。簽榱苏f明此階躍響應(yīng)需要更高級的函數(shù)，根據(jù)查找表2-2取，n=3，由：取：練習(xí)問題2-11，題意系統(tǒng)模型，傳遞函數(shù)在系統(tǒng)的操作點進行動作當時域變?yōu)轭l域時沒有此項，也就是說練習(xí)題3-2只增強了控制器的積分作用，對于相同的步進干涉，最大偏差是增大還是振動激烈？ a :相同的階躍干涉時，積分作用增強，最大偏差減小，振動加劇。 參考模擬。練習(xí)題3-2只是加強控制器的積分作用，對于相同的階躍噪聲，最大偏差是變大還是振動變大？ a :相同的階躍干涉時，積分作用增強，最大偏差減小，振動加劇。 為了得到與以往相同的穩(wěn)定性，可以縮小KC，參考模擬。習(xí)題3-3、積分飽和：對于具有積分功能

9、的偏差，控制器的作用是累積偏差改變控制器的輸出。 此時，如果閥門飽和(全開或全閉)，無法進一步調(diào)整，則無法消除偏差。 但是，通過積分作用，控制的輸出達到某個界限值，在那里停留為止增加，這是積分飽和。 由定義可知，發(fā)生積分飽和的前提是控制器具有積分功能，控制器的飽和輸出極限值大于比熱先行機喀什信號范圍。 后果：系統(tǒng)控制效果差，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，可能對人和設(shè)備造成威脅。參照練習(xí)題3-4、表3-3、練習(xí)題3-5兩點法，將階躍對應(yīng)傳遞函數(shù)設(shè)為：進行無量綱階躍響應(yīng)：取：參照模擬實驗，對比： K=0.6，KI=20 K=1.4，KI=20；習(xí)題4-1、前饋反饋控制器：、習(xí)題4-2、前饋控制器：習(xí)題4-3、

10、系統(tǒng)框圖：閥是副加法中的致動器，在主電路中副電路整體上正作用，因此在副回路中，執(zhí)行元件從空氣開閥變?yōu)榭諝忾]閥，正反作用發(fā)生變化。 正反作用的選擇是使系統(tǒng)成為負反饋系統(tǒng)，但在副電路中，除了副控制器以外，其佗正反作用不變。 副控制器的正反作用發(fā)生變化。 2 .比例因子的積分全部改變，副控制器的輸出改變閥，比例因子增加，積分時間減少。 口徑變大相當于控制通道的倍率增加，此時如果不改變比例度和積分，則控制系統(tǒng)的開環(huán)倍率增加，系統(tǒng)容差變小，但系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 關(guān)于不穩(wěn)定的系統(tǒng)談侑差是沒有意義的。 因此，首先為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要減小控制器的倍率，即增大比例度。 此時，侑差必須變大，因此必須縮小積分作

11、用、即積分時間，噴射水來消除侑差。 3 .主控制器的比例度和積分時間不變。 級聯(lián)控制系統(tǒng)由于副對象和控制閥的特性變化具有魯棒性，所以副對象控制閥的特性變化不影響主控制器。 習(xí)題5-2，1，最合適的應(yīng)該選2。 這是因為干擾最多，而且離第四罐比較遠，不易引起系統(tǒng)共振。 2 .控制方塊圖是、3、副控制器的選擇與主電路無關(guān)，測量寄存器、副對象是正作用，主控制器是負作用。 練習(xí)問題5-3應(yīng)該采用如下的級聯(lián)控制，首先，由于干擾信道的時間常數(shù)為0.2，所以對被變量的影響相當大。 包括在復(fù)制電路中的純延遲時間有利于增強子電路的高速性。 第三主控對象是大慣性鏈路，其響應(yīng)時間比副電路大。 上面的電路在前面的鏈路是大慣性鏈路，并且如果信道沒有被延遲，主控制對象時間常數(shù)小，響應(yīng)快，噪聲會立即影響主控制變量，但是由于大慣性鏈路，子電路不能處理噪聲。 在演習(xí)問題5-5中，首先，在結(jié)構(gòu)上，級聯(lián)控制由兩個反饋控制電路構(gòu)成，前饋-反饋控制器是由一個反饋和一個開環(huán)補償電路疊加而成的。在變量中，用于級聯(lián)控制的子殘奧儀表和前饋反饋控制的輸入量可以是兩個完全不同的變量，前者是在級聯(lián)控制系統(tǒng)中反映主被控制變量的中間變量，控制作用對他產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果。