过程控制作业答案教学提纲.doc

过程控制作业答案2014

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第一章 概述

1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。
控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件

1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？
定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统

1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？
a.衰减比和衰减率：稳定性指标；
b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；
c.余差：稳态准确性指标；
d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。

第二章 过程控制系统建模方法
习题2.10
某水槽如图所示。其中F为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。要求：
（1） 写出以水位H为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；
（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K和时间常数T的数值。

（1）物料平衡方程为
增量关系式为
而， ，
代入增量关系式，则有
（2）两边拉氏变换有：

故传函为：

K=, T=

第三章 过程控制系统设计
1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。试问：
（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？
（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？
（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？
解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量
（2）被控变量：物料出口温度。因为其直观易控制，是加热系统的控制目标。
操作变量：蒸汽流量。因为其容易通过控制阀开闭进行调整，变化范围较大且对被控变量有主要影响。
（3）由于温度低物料凝结所以要保持控制阀的常开状态，所以控制阀选择气关式。控制器选择正作用。

2. 如下图所示为一锅炉锅筒液位控制系统，要求锅炉不能烧干。试画出该系统的框图，判断控制阀的气开、气关型式，确定控制器的正、反作用，并简述当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，该控制系统是如何克服干扰的？

解：系统框图如下：
控制器
阀门
给水流量
检测元件
液位设定值
液位
扰动通道
-
扰动
过控对象

由于锅炉不能烧干故选择气关式，增益为负控制器选择正作用。
克服干扰过程：当加热室温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，锅筒液位下降，具有正作用后调节器输出信号减小，使气关型的阀门开度增大，从而使给水流量增大，进而使锅筒液位升高，克服蒸汽流量干扰的影响。
3. 如下图所示为精馏塔温度控制系统，它通过调节进入再沸器的蒸汽量实现被控变量的稳定。试画出该控制系统的框图，确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用，并简述由于外界干扰使精馏塔温度升高时该系统的控制过程（此处假定精馏塔的温度不能太高）。

解：系统框图如下：
控制器
阀门
蒸汽流量
检测元件
温度设定值
温度
扰动通道
-
扰动
过控对象

根据题意阀门选择气开型，增益为正控制器为反作用。
克服干扰过程：
当外界干扰使蒸馏塔温度升高时，具有反作用的调节器输出信号减小，使得气开型的阀门开度减小，蒸汽流量随之减小，使精馏塔温度降低，克服干扰的影响。

第四章 PID调节原理
习题4.2 试总结调节器P, PI, PD动作规律对系统控制质量的影响。
习题4.7 某电动比例调节器的测量范围为100~200oC，其输出为0~10mA。当温度从140oC变化到160oC时，测得调节器的输出从3mA变化到7mA。试求出该调节器比例带。
解：

习题4.9某水槽液位控制系统如图所示。已知，F=1000cm2，R=0.03s/cm2，调节阀为气关式，其静态增益|Kv|=28cm3/s·mA，Km=1mA/cm。
（1） 画出系统的传递方框图；
（2） 调节器为比例调节器，其比例带δ=40%，试分别求出扰动ΔQd=56cm3/s以及定值扰动Δr=0.5mA 时，被调量h的残差；
（3） 若δ改为120%，其他条件不变，h的残差又是多少？比较（2）（3）的计算结果，总结δ值对系统残差的影响；
（4） 液位调节器改用PI调节器后，h的残差又是多少？
解：(1)
液位控制器器
控制阀
液位对象
液位检测器
设定值

-

(2)系统动态方程
增量关系式为 又
所以有
对上式进行拉氏变换，得到
从而得到单容液位过程的具体传递函数为

由系统方框图可得液位输出对于扰动输入和设定值输入的传递函数分别为：

扰动为时，余差（这部分用到终值定理）：

扰动为时，余差：

若，则有 {过程的增益为正，气关式阀门增益为负，检测器增益为正，由负反馈系统全部各个环节（包括比较环节）增益乘积为负可判断控制器增益为负}。

{过程的增益为正，气关式阀门增益为负，检测器增益为正，由负反馈系统全部各个环节（包括比较环节）增益乘积为负可判断控制器增益为负。}
将，， 以及其它条件代入上式，可得

(3) ，此时有

结论：比例度变大，残差变大。
（4）若改为PI调节，则

对于扰动，余差：

对于设定值扰动，余差：

第五章 串级控制
1. 对于如图所示的加热器串级控制系统，要求：
（1） 画出该控制系统的框图，并说明主被控变量、副被控变量分别是什么？
（2） 试确定控制阀的气开、气关型式；（气开型）
（3） 确定主、副控制器的正、反作用；（副控制器：反作用。主控制器：反作用）
（4） 温度变送器量程由原来的0~500℃改变为200~300℃，控制系统会出现什么现象？应如何解决？（Km1增大，控制作用减弱，余差增大，则应增大Kc1）
（5） 流量变送器量程由原来的0~250kg/h改变为0~400kg/h，控制系统会出现什么现象？应如何解决？（Km2减小，副回路等效时间常数增大，控制变慢，响应速度减慢，则应增大Kc2）

2. 对于如图所示加热炉出口温度简单控制系统，要求：
（1） 在进料流量或燃料成分扰动下，设计合理串级控制系统，画出框图，确定控制器的正、反作用；
（2） 在燃料油压力扰动下，设计合理串级控制系统。

解：（1）进料流量扰动

TT2

TC2
TT1
TC1
加热炉

原料

控制阀：气开
副控制器：反作用
副被控量：加热炉内部温度
主控制器：反作用
主被控量：物料出口温度

系统框图如下
扰动 扰扰动通道
扰动通道
动
温度控制器
温度控制器
温度检测
温度监测
阀门

出口温度设定
炉膛温度（出口温度对象）
流量（炉膛温度对象）内

（2）燃料油压力扰动
PC
TT
TC
加热炉

原料

PT

主控制器：反作用
主被控量：物料出口温度
副控制器：反作用
福被控量：燃料油管内压力
控制阀：气开

系统框图：
扰动 扰扰动通道
扰动通道
动
压力控制器
温度控制器
温度检测
压力监测
阀门

出口温度设定
压力（出口温度对象）
燃料罐内压力对象

第六章 特殊控制方法

1. 比值控制系统有哪些类型？各有什么特点？
开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。
2. 某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持的比例,两物料的最大流量=625,=290.通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化。根据上述情况，要求：
1）设计一个比较合适的比值控制系统；
2）计算该比值系统的比值系数；
3）在该比值系统中，比值系数应设置于何处？设置值应该是多少（假定采用DDZ-Ⅲ型仪表）？
4）选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正反作用。
解：（1）

A
B

(2)将A物件作为主动量，B物件作为从动量。

若采用开方器

若不采用开方器

(3)该系统若采用比值器方案实施，将比值系数直接设置即可，。
（若采用乘法器实现，因，则将乘法器放置在从动量一侧，设定。）
(4)A、B阀门均选用气开型阀门，控制器选反作用。

3. 管式加热炉原油出口温度分程控制
（1）调节阀开关型式：瓦斯气调节阀（A）气开
燃料油调节阀（B）气开
工作新号段： A 低信号4~12mA 0.02~0.06MPa
B 高信号12~20mA 0.06-0.1MPa
（2）调节器正反作用：反作用
（3）系统框图
控制器
天然气调节阀
温度对象
温度变送器
出口温度

-

燃油调节阀

工作原理：
当原油出口温度较低时，反作用控制器输出信号较高，天然气阀门全开后，燃油阀门打开到一定开度，随着燃料量的增加，出口温度上升，控制器输出逐渐减小，使燃料油阀门开度变慢，变小。（温度上升速度放缓）。温度高至苯一点时，反作用控制器输出为低信号，燃油阀完全关闭，天然气阀开度随温度升高逐渐变小，温度有所降低，控制器信号再次增大，使天然气阀门开大，使出口温度再次回升，如此循环。直至温度达到苯设定值。

4. 如图所示高位槽向用户供水，为保证供水流量的平稳，要求对高位槽出口流量进行控制。但为了防止高位槽过高而造成溢水事故，需对液位采取保护性措施。根据上述情况，要求设计一连续型选择性控制系统。试画出该系统的框图，确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用形式以及选择器的类型，并简述该系统的工作原理。

LT
LC
LS
FC
FT

流量
控制器
出口流量对象
温度变送器
出口
温度

-
阀门
液位对象

低选器
设
定值
流量
控制器
出口
温度

设
定值
-
温度变送器
出口
流量

调节阀为气关型，液位控制器反作用，流量控制器正作用，选择器选低选器。
工作原理：
正常工作时，流量控制器工作，出口流量受干扰增大时，具有正作用的流量控制器输出流量增大，使阀门开度变小，出口流量减小，从而克服干扰的影响，当液位超过限值时，由低选器选择液位控制器参加工作，当液位继续增加时，具有正作用的液位控制器输出信号减小，使阀门开度变大，出口流量增加使液位回降。

第七章 补偿控制
补充题目：前馈-串级复合控制

如图所示精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产工艺要求一旦发生事故应立即停止蒸汽的供应。要求：
1. 画出控制系统框图；
2. 确定调节阀的气开气关形式；
3. 确定主、副控制器的正、反作用方式；
4. 如果进料流量波动较大，试设计一个前馈-串级复合控制系统，已知系统中有关传递函数分别为
，，
试画出此复合控制系统的传递函数框图，并写出前馈调节器的传递函数，讨论其实现的可能性。
1.系统框图

反作用
T

反作用

2.气开型（工艺要求一旦发生事故终止蒸汽供应）
3.主副控制器均为反作用
4.
FT
PC
进料
TC
TT
FT
FC
T

副对象相当于增益为Ko2的随动系统

若，可实现。
第八章 关联分析和解耦控制

已知一2*2耦合过程的传递函数矩阵为

试计算该过程的相对增益矩阵，说明其变量配对的合理性，然后按照前馈补偿解耦方式进行解耦，求取前馈补偿解耦装置的数学模型，画出前馈解耦系统框图。
解：由题知，开环增益矩阵P= ，利用公式求取相对增益矩阵。
P=

或者代公式得到，从而得到相对增益矩阵为。
由相对增益矩阵得知：合理，合理。
N21
N12
G11
G21
G12
G22
Y2
U2
U1
Y1

解耦器的数学模型为
,

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