過程控制_-5章習(xí)題答案

1、1.1 何謂控制通道？何謂干擾通道？它們的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量有什么影響?控制通道一一是指操縱變量與被控變量之間的信號聯(lián)系；干擾通道一一是指干擾作用與被控變量之間的信號聯(lián)系。（1）控制通道特性對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響：（從 K、T、T三方面）控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)靈敏度越高，余差越小。但隨著靜態(tài)放大倍數(shù)的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。控制通道時間常數(shù)越大，經(jīng)過的容量數(shù)越多，系統(tǒng)的工作頻率越低，控制越不及時，過渡過程時間越長，系統(tǒng)的質(zhì)量越低，但也不是 越小越好，太小會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此應(yīng)該適當(dāng)小一些?？刂仆ǖ兰儨蟮拇嬖诓粌H使系統(tǒng)控制不及時，使動態(tài)偏差增大，而且還還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。（2）

2、干擾通道特性對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響：（從 K、T、T三方面）干擾通道放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的余差也越大，即控制質(zhì)量越差。干擾通道時間常數(shù)越大，階數(shù)越高，或者說干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置越遠(yuǎn)離被控變量測量點而靠近控制閥，干擾對被控變量的影響越小， 系統(tǒng)的質(zhì)量則越高。干擾通道有無純滯后對質(zhì)量無影響，不同的只是干擾對被控變量的影響向后推遲一個純滯后時間 T1.2 如何選擇操縱變量？1）考慮工藝的合理性和可實現(xiàn)性；2） 控制通道靜態(tài)放大倍數(shù)大于干擾通道靜態(tài)放大倍數(shù)；3） 控制通道時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小些為好，但不易過小，一般要求小于干擾通道時間常數(shù)。干擾動通道時 間常數(shù)越大越好，階數(shù)越咼越好。4）控制通道純滯后越小越好。

3、1.3 控制器的比例度 S 變化對控制系統(tǒng)的控制精度有何影響？對控制系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量有何影響?比例度 S 越小，系統(tǒng)靈敏度越高，余差越小。隨著 S 減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。1.5 圖 1-42 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？如果要設(shè)計一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量與操縱變量應(yīng)選誰？為什么？如果物料在溫度過低時會凝結(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：影響物料出口溫度的因素主要有蒸汽的流量和溫度、攪拌器的攪拌速度、物料的流量和入口溫度。被控變量應(yīng)選擇物料的出口溫度，操縱變量應(yīng)選擇蒸汽流量。物料的出口溫度是工藝要求的直

4、接質(zhì)量指標(biāo)，測試技術(shù)成熟、成本低，應(yīng)當(dāng)選作被控變量?？蛇x作操縱變量的因數(shù)有兩個：蒸汽流量、物料流量。后者工藝不合理，因而只能選蒸汽流量作為操縱變量。控制閥應(yīng)選擇氣關(guān)閥，控制器選擇正作用。-1.6 圖 1-43 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的開閉形式及控制一器的正反作用：被加熱物料在溫度過高時會發(fā)生分解、自聚； 被加熱物料在溫度過低時會發(fā)生凝結(jié)；如果操縱變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度 在 0C 以下，如何防止熱交換器被凍壞。答：控制閥選氣開閥，選反作用控制器?？刂崎y選氣關(guān)閥，選正作用控制器。控制閥選氣關(guān)閥，選反作用控制器。1.7 單回路系統(tǒng)方塊圖如圖 1-44 所

5、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，系統(tǒng)質(zhì)量會有何變化？為什么？（1 ）若 T0 增大； （2）若T0增大；（3）若 Tf 增大；若 T 增大。答：（1） T0 增大，控制通道時間常數(shù)增大，會使系統(tǒng)的工作頻 率降低，控制質(zhì)量變差；（2）T 增大，控制通道的純滯后時間增大，會使系統(tǒng)控制不及時，動態(tài)偏差增大，過渡過程時間加長。（3）Tf 增大，超調(diào)量縮小 1/Tf 倍，有利于提高控制系統(tǒng)質(zhì)量；（4）T 增大對系統(tǒng)質(zhì)量無影響，當(dāng)有純滯后時，干擾對被控變量的影響向后推遲了一個純滯后時間 T 第二章串級控制系統(tǒng)- CKJCKJ-L L-Y陽(12(12可題 1 一 5 題圖0。(4)IVI L-

6、44習(xí)題1,71,7牠囲1Y I I 43習(xí)趣I I托題罔2.主環(huán)內(nèi)包括有主控制器，副回路,主對象和主變送器.而副回路可視為一放大倍數(shù)為“ 1”的環(huán)節(jié)，主變送器放大倍數(shù)一般為正，所以主控 制器的正反作用只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。如果主對象放大倍數(shù)的符號為正，則主控制器為反作用，反之，則主控制器為正作用。2. 5 試說明為什么整個副環(huán)可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看？ 副回路所起的作用是使副變量根據(jù)主調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行控制，是一隨動系統(tǒng)。因此整個副 回路可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看。2. 6 試說明在整個串級控制系統(tǒng)中主、副控制器之一的正、反作用方式選錯會造成怎 樣的危害?當(dāng)主、副控制器有一個正

7、反作用方式選錯時，就會造成系統(tǒng)的主回路或副回路按正反饋控 制,當(dāng)被控變量出現(xiàn)偏差時，系統(tǒng)不僅不向著消除偏差的方向校正，反而使被控變量遠(yuǎn)離給定值。2. 7 圖 2-20 所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的是化學(xué)放熱反應(yīng)，而釜內(nèi)溫度過高會發(fā)生事故，因 此采用夾套通冷卻水來進(jìn)行冷卻，以帶走反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對該反應(yīng)溫度控制精度要求很高，單回路滿足不了要求，需用串級控制。 當(dāng)冷卻水壓力波動是主要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應(yīng)怎樣組成串級？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。對以上兩種不同控制方案選擇控制閥的氣開、氣關(guān)形式及主、副控制器的正、反作用方式。(1)選冷水流量為副變量

8、，釜內(nèi)溫度為主變量組成串級系統(tǒng) .(2)夾套溫度為副變量，釜內(nèi)溫度為主變量組成串級系統(tǒng)2. 8 (右圖)圖 2-21 為一管式爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。要求：選擇閥的開閉形式？ 確定主、副控制器的正、反作用方式?在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，如果燃料壓力突然升高，結(jié)合控制閥的開閉形 式及控制器的正、反作用方式，分析串級系統(tǒng)的工作過程。答：氣開閥(2) 主控制器反作用，副控制器反作用。(3) 如果燃料氣的 P1 突然升高， 副回路首先有一個“粗調(diào)”：P1fT F1fT T2fT u2 F1 J沒有完全被副回路克服的部分干擾，通過主回路“細(xì)調(diào)”：T2fT T1fT u1F1T2TIJ2. 9 某

9、干燥器采用夾套加熱和真空吸收并行的方式來干燥物料。度過高會使物料物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對干燥溫度進(jìn)行 嚴(yán)格控制。夾套通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱的熱水，而加熱器采用的是 飽和蒸汽，流程如圖 2-22 (右圖)所示。要求： 如果冷卻水流量波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？ 如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？(1)(2)(3)2.1 與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有些什么特點？串級系統(tǒng)由于副回路的存在，使等效副對象時間常數(shù)減小，改善了對象的特性，使系統(tǒng)工作頻率提高。串級控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，特別是干擾作用于副環(huán)的情況下，系統(tǒng)的抗干擾能力會更強(qiáng)。串級

10、系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。2 為什么說串級控制系統(tǒng)主控制器的正、反作用方式只取決于主對象放大倍數(shù)的符號，而與其他環(huán)節(jié)無關(guān)？K 2吃2習(xí)題2.9圖進(jìn)外圖2 2-70-70習(xí)題2 2. .7 7圖叭一蓋iP：旳一火套水渦干燥溫 如果冷卻水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？（1）以熱水溫度為副變量，干燥器出口溫度為主變量，蒸汽流量為操縱變量構(gòu)成溫度溫度串級系統(tǒng)，冷水流量單獨設(shè)計流量單回路系統(tǒng) 理由：當(dāng)被控變量為干燥器出口溫度時，不宜選冷水流量做操縱變量，故單獨設(shè)計流量單回路系統(tǒng)抑制冷水流量波動。以干燥器出口溫度為被控量、蒸汽流量為操縱變量的控制系統(tǒng)中，控制通道太長，存在較大的時間

11、常數(shù)和純滯后，故選擇換熱器出口溫度為副變量，構(gòu)成串級系 統(tǒng)，利用副回路減小等效時 間常數(shù)。（2）以熱水溫度為為副變量，干燥器的溫度為主變量串級系統(tǒng)。理由：將蒸汽壓力波動這一主要干擾包含在副回路中，利用副回路的快速有效克服干擾作用抑制蒸汽壓力波動對干燥器出口的溫度的（3）采用與（1）相同方案。理由同（1 ）。第三章比值控制系統(tǒng)3.1比值與比值系數(shù)的含義有什么不同？它們之間有什么關(guān)系?答：比值指工藝流量之比，即：K = ；比值系數(shù)指主、畐 y 流量變送器輸出電流信號之比，即:式?jīng)Q定：K=K盤（變送器輸出與流量成線性關(guān)系時）K=3.2 用除法器進(jìn)行比值運算時，對輸入信號的安排有什么要求？為什么？答：

12、應(yīng)使除法器輸出小于 1。除法器輸出值即儀表比值系數(shù)，需要通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設(shè)置，大于 場整定。3.3 什么是比值控制系統(tǒng)？它有哪幾種類型？畫出它們的結(jié)構(gòu)原理圖。答：比值控制系統(tǒng)就是實現(xiàn)副流量2 與主流量 I 成一定比值關(guān)系，滿足關(guān)系式：K = 的控制系統(tǒng)。h b - mlnK=!?贏；二者之間的關(guān)系由下1 無法設(shè)定、等于 1 無法現(xiàn)2（變送器輸出與流量成開平方關(guān)系時）答：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，實現(xiàn)比值控制的設(shè)備不同。比值系數(shù)的設(shè)置方法不同，乘法方案通過在乘法器的一個輸入端，輸入一個外加電流信號 I0 設(shè)置；除法方案通過副流量調(diào)節(jié)器的內(nèi)給定設(shè)置。3.5除法器環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大倍數(shù)與負(fù)荷成反比。為什么

13、4: 1 整定方法不適用于比值控制系統(tǒng)的整定?單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)的副流量回路、變比值回路均為隨動控制系統(tǒng)，希望副流量跟隨主流量變化，始終保持固定的配比 關(guān)系。出現(xiàn) 4： 1 振蕩時，固定配比關(guān)系不能保證。3.7 當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)K 1 時，能否仍用乘法器組成比值控制？為什么？能否改變一下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仍用乘法 器構(gòu)成比值控制?答：當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)大于1 時，不能用乘法器組成比值控制。因為當(dāng) KA 1 時，計算所得的乘法器的一個外 加輸入電流信號10 大于 20mA 超出乘法器的輸入范圍。不用改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只要調(diào)整3.8一比值控制系統(tǒng)用 DDZ-III 型

14、乘法器來進(jìn)行比值運算（乘法器輸出r二 警 幻+ 4，其中 11 與 I0 分別為乘法器的兩個輸入信號），流量用孔板配差壓變送器來測量,但沒有加開方器，如圖所示。已知Fl max = 3600kg/h f加皿=2000kg/h要求： 畫出該比值控制系統(tǒng)方塊圖。解：方框圖如下:如果要求= 2:1，應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)置值IQ？在用除法器構(gòu)成的比值控制系統(tǒng)中，除法器的非線性對比值控制有什么影響?答:3.6答:F2max 保證 K V 1 即可。3.4 用除法器組成比值系統(tǒng)與用乘法器組成比值系統(tǒng)有何不同之處?K = 0,8，則 F 郭 5 二 7500 即可。對于 DDZ-II，b =1K= lf）x

15、【用=AniA3.11 有一個比值控制系統(tǒng)如右圖所示。圖中k 為一系數(shù)。若已知 k=2FAERK二r Fpn 阿=lOOOkg/hI I試求 K =? K=?,F&n 譏 2“300 21K = （Kg = （KX 歸=耳3.12 一雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如右圖所示。其比值用 DDZ-III 型乘法器來實現(xiàn)。已知 F1,曲二 7000k 卽 hF2 皿抿=4000kg/h。,FIEJ1 徊 0 2K =（K話）=G X茹而）=0.8120002000Io = 16K + 4 = 16 X 0-81 + 4 = 16.96mA3.9某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的B 兩物料保持FA：FH=4:2

16、.5 的比例，兩物料的最大流量 %那=625m Vib Fumax =290誦h。通過觀察發(fā)現(xiàn) A、B 兩物料流量因管線壓力波動而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，要求：設(shè)計一個比較合適的比值控制系統(tǒng)。計算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù)在該比值系統(tǒng)中，比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于何處？設(shè)置值應(yīng)該是多少（假定采用 選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用。DDZ-III 型儀表）解：系統(tǒng)設(shè)計如右圖:K（K豊）=（手X壽=1.812 5K KpAmax =才 X625 = 390.625F” 45DrAiunH 2r5白 25 2取gm話孟吒K =（K脣二）=（可 X 面）=0.75，比值系數(shù) K/通過WF PT?-胃卜置lo = 16K + = 16mA”選擇 A 閥為氣開閥，主對象為正環(huán)節(jié)，測量變送為正環(huán)節(jié)，則主調(diào)節(jié)器為反作用。B 閥為氣開閥，副對象為正環(huán)節(jié)，測量變送為正環(huán)節(jié)，則副調(diào)節(jié)器為反作用。漫A讖廠L_選