過程控制工程答案孫洪程著

1、第一章思考題及習(xí)題1.1何謂控制通道？何謂干擾通道？它們的特性對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量有什么影響答：所謂“通道”，就是某個(gè)參數(shù)影響另外一個(gè)參數(shù)的通路，這里所說的控制通道就是控制作用(一般的理解應(yīng)當(dāng)是控制器輸出 )U(3對(duì)被控參數(shù) Y(s)的影響通路(一般的理解是控制作用通過執(zhí)行器影響控制變 量，然后控制變量通過被控對(duì)象再影響被控參數(shù)，即廣義對(duì)象上的控制通道)。同理，干擾通道就是干擾作用F(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)的影響通路。干擾通道的特性對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量影響如下表所示。特性參效對(duì)動(dòng)的序響余 itwii升壇加過誰過程時(shí)同aft小小控制通道的特性對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量影響如下表所示*1-2控通賣徉性討控質(zhì)時(shí)特性摩數(shù)對(duì)靜

2、帝質(zhì)金的響對(duì)話惠曲的穩(wěn)余定前桅下)ra墻加無砂過懺過軽時(shí)廊増加，系矍煩率豊豪楓宦程彊大丈壽悽11.2如何選擇控制變量？答： 所選控制變量必須是可控的。 所選控制變量應(yīng)是通道放大倍數(shù)比較大者，最好大于擾動(dòng)通道的放大倍數(shù)。 所選控制變量應(yīng)使擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)越大越好，而控制通道時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些為好，但不易 過小。 所選控制變量其通道純滯后時(shí)間應(yīng)越小越好。 所選控制變量應(yīng)盡量使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥。 在選擇控制變量時(shí)還需考慮到工藝的合理性。一般來說，生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜 經(jīng)常變動(dòng)，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量1.3控制器的比例度3變化對(duì)控制系統(tǒng)的控制

3、精度有何影響 ？對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量有何影響 ？ 答：當(dāng)Gc(s)=Kc時(shí)，即控制器為純比例控制，則系統(tǒng)的余差與比例放大倍數(shù)成反比，也就是與比例度3成正比，即比例度越大，余差也就越大。Kc增大、3減小，控制精度提高（余差減?。?，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。1.4 4： 1衰減曲線法整定控制器參數(shù)的要點(diǎn)是什么？答：衰減曲線法是在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器積分時(shí)間Ti放在最大，微分時(shí)間 Td放在最小，比例度放于適當(dāng)數(shù)值（一般為100%）,然后使3由大往小逐漸改變，并在每改變一次3值時(shí)，通過改變給定值給系 統(tǒng)施加一個(gè)階躍干擾，同時(shí)觀察過渡過程變化情況。如果衰減比大于4: 1,3應(yīng)繼續(xù)減小，當(dāng)衰減比小于4:

4、1時(shí)3應(yīng)增大，直至過渡過程呈現(xiàn) 4: 1衰減時(shí)為止。找到 4: 1衰減振蕩時(shí)的比例度3 s,及振蕩周期Tso 再按經(jīng)驗(yàn)公式，可以算出采用不同類型控制器使過渡過程出現(xiàn)4: 1振蕩的控制器參數(shù)值。依次將控制器參數(shù)放好。不過在放積分、微分之前應(yīng)將多放在比計(jì)算值稍大（約20%）的數(shù)值上，待積分、微分放好后再將3放到計(jì)算值上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗(yàn)證一下過渡過程是否呈4: 1衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下3值，直到達(dá)到滿意為止。1.5圖1.41為一蒸汽加熱設(shè)備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。試問: 影響物料出口溫度的主要因素有哪些？HT 1.411.5 W答：影響物料出口溫

5、度的主要有：蒸汽流量、物料流量為影 響物料出口溫度的主要因素。 如果要設(shè)計(jì)一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量與控制變量 應(yīng)選哪些參數(shù)？為什么？答：被控變量為物料出口溫度，控制變量為蒸汽流量。因?yàn)?物料出口溫度表征了系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，蒸汽流量是可控的，無純 滯后，靠近控制閥，控制通道時(shí)間常數(shù)較小。 如果物料在溫度過低時(shí)會(huì)凝結(jié)，應(yīng)如何選擇控制閥的開、 閉形式及控制器的正、反作用答：為防止在氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出時(shí)出現(xiàn)物料凝結(jié)，應(yīng)選氣閉式。當(dāng)出口溫度降低時(shí)，要求蒸汽流量加大， 即控制閥輸入減小，控制器輸出減小，此時(shí)控制器輸入由于測量值減小而減小, 控制器選正作用。1.42習(xí)融I幣圏1.6圖1

6、.42為熱交換器出口溫度控制系統(tǒng)，要求確定在下面不同情況下控制閥開、閉形式及控制器的正、反作用： 被加熱物料在溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生分解、自聚。答：控制閥氣閉式，控制器的反作用。 被加熱物料在溫度過低時(shí)會(huì)發(fā)生凝結(jié)。答：控制閥氣開式，控制器的正作用。 如果控制變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度在0C以下，如何防止熱交換器被凍壞。答：控制閥氣閉式，控制器的反作用。1.7單回路系統(tǒng)方塊圖如圖1.43所示。試問當(dāng)系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量會(huì)有何變化？為什么？答：當(dāng)Kc、Kv、K。增加時(shí)，系統(tǒng)的余差減小，但系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。To增加時(shí),系統(tǒng)的工作頻率降低，控制速度變慢。這樣就不能及時(shí)地克服干擾的影

7、響，因而,系統(tǒng)的控制質(zhì)量會(huì)越差。t增加時(shí)，使系統(tǒng)控制不及時(shí)，使動(dòng)態(tài)偏差增大，而且還會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。Kf增加時(shí)，系統(tǒng)的余差也變大，即控制靜態(tài)質(zhì)量變差。Tf若耳増大；若帀埔大：若比増犬：若召塔丈IS t.43 習(xí)題 L? 8H汽增加時(shí)，控制過程的品質(zhì)會(huì)提高。T增加時(shí)，質(zhì)量沒有影響。1.8有一如圖1.44所示的加熱器，其正常操作溫度為200 C，溫度控制器得測圖1 44習(xí)題1.S圖精品量范圍是150250C，當(dāng)控制器輸出變化 1%時(shí)，蒸汽量將改變 3%,而蒸汽量增加1%,槽內(nèi)溫度將上升 02C。又在正常操作情況下，若液體流量100%，試求當(dāng)設(shè)定值由增加1%,槽內(nèi)溫度將會(huì)下降IC。假定所采用的是

8、純比例式控制器，其比例度為 200C提高到220C時(shí)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，槽內(nèi)溫度是多少攝氏度?答：當(dāng)設(shè)定值由200C提高到220C時(shí)，控制器輸出變化20/200=10%，蒸汽量增加30%,液體流量不206 Co變，槽內(nèi)溫度將上升 0.2X 30C =6 C,所以待系統(tǒng)穩(wěn)定后，槽內(nèi)溫度是1.9在Au=50階躍干擾作用下，測得某溫度對(duì)象控制通道得響應(yīng)數(shù)據(jù)如下:根據(jù)上述數(shù)據(jù)用反應(yīng)曲線法計(jì)算PI控制器參數(shù)。時(shí)間Fmin0.00.20,40.6 10.81.0U214迢度/乜200.120UI204.022?,0 ；:誓ID280.0 1302,5時(shí)間7minL61,8i,(r _2.22.42,6283.0329.533.0. i341.034L0341.0MI.0答：從響應(yīng)數(shù)據(jù)得干擾起作用點(diǎn)為0.6min, 227 C ,即T=0.6min，拐點(diǎn)為1.0min , 280 C，即T0=2.0min-0.6min=1.4 min，設(shè)采用川型儀表，測量范圍為100250C，所以，K= Au=/