过程控制工程第三版习题答案课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

习题讲解习题讲解郑重申明本PPT能够下载，但禁止转载。第1页第一章第一章P16P16页思索与习题页思索与习题1-1 自动控制系统主要由哪里些步骤组成？各步骤起什么作用？答答：自动控制系统由被控对象、测量变送 器、执行器（控制阀）和控制器组成。被告控对象：被告控对象：是指被控制生产设备或装置。测测量量变变送送器器：用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作为输出。执执行行器器：惯用是控制阀，接收来自控制器命令信号，用于改变控制阀开度。控控制制器器：它将被告控变量测量值班与设定值进行比较，得出偏差信号e(t)，并按一定规律性输出控制信号u(t)。第2页1-2 1-2 试讨论比较常见计算机控制装置系统结试讨论比较常见计算机控制装置系统结构与特点构与特点1）直接数字控制：计算灵活，不仅能实现典型PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。2）集中型计算机控制系统：可实现解耦控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；信息集中，便于实现操作管理与优化生产；灵活性大，控制回路增减、控制方案改变可由软件来实现；人机交互好，操作方便。3）集散控制系统：同时适应管理与控制两方面需要，一方面使用若干个控制器完成系统控制任务，每个控制器实现一定控制目标，可以独立完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输出等功能；其次，强调穦集中性。第3页1-31-3P:被控变量，储罐：被控对象U:控制变量，进气流量：操纵变量被控变量：被控对象需要维持在其理想值工艺变量，也是测量变送输入。控制变量：控制器输出电信号。操作变量：执行器操作对象，对被控变量有影响。扰动变量:影响被控变量变量（除了操作变量）。第4页压力控制器控制对象进气控制阀干扰通道测量变送第5页1-4 以图以图1-161-16所表示液位控制系统为例，当进料量所表示液位控制系统为例，当进料量QiQi突然增大时，详细说明系统怎样利用反馈控制机突然增大时，详细说明系统怎样利用反馈控制机制来实现液位定值控制之目标。制来实现液位定值控制之目标。液位控制器控制对象流出控制阀测量变送 假设控制阀为气关阀，控制器为反作用，偏差为指定值与测量值之差。第6页答：依据输出相对于输入改变响应情况可将过程分为两大类：自衡过程和非自衡过程。自自衡衡过过程程：当输入改变时，无需外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新平衡状态性质称为自衡性。自衡过程包含纯滞后过程、单容过程和多容过程。非非自自衡衡过过程程：与自衡过程不一样，当输入发生改变时，非自衡过程不能够自发地趋于新平衡状态。习题2-1工业过程中被控对象动态特征有哪些工业过程中被控对象动态特征有哪些特点？特点？第7页习题习题2-22-2液阻：凡是能局部改变液流通流面积使液流产生压力损失（阻力特征）或在压力差一定情况下，分配调整流量（控制特征）液压阀口以及类似结构，如薄壁小孔、短孔、细长孔、缝隙等，都称之为液阻。各种液阻都应满足流量压力方程。液阻可类似电阻用R=P/q确定,P与液位差H相关。或者,当液体流过一段较长管道或各种阀孔、弯管及管接头时，因为流动液体各质点之间以及液体与管壁之间相互摩擦和碰撞会产生阻力，这种妨碍液体流动阻力称为液阻。液阻大小由流量和压力决定 第8页（1 1）据液体力学原理有：）据液体力学原理有：第9页（2 2）过程方框图）过程方框图第10页习题习题 2-3:2-3:机理建模举例机理建模举例 (1)列写过程微分方程组;(2)画出方框图;(3)求传递函数第11页习题习题2-3:2-3:列写状态方程列写状态方程物料平衡方程:将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程第12页习题习题2-3:2-3:状态方程传递函数表示状态方程传递函数表示由以上传递函数方程,可画出对应方框图.第13页习题习题2-3:2-3:过程传递函数方框图过程传递函数方框图第14页习题习题2-3:2-3:计算输入输出传递函数计算输入输出传递函数利用方框图等效变换;直接用传递函数计算公式;经过求解传递函数方程组.第15页2-4 2-4 什么是线性化？为何在过程控制中经常什么是线性化？为何在过程控制中经常采取近似线性化模型？采取近似线性化模型？所谓线性化，就是在一定条件下作某种近似，或者缩小一些工作范围，而将非线性微分方程近似地作为线性微分方程来处理。自然界中并不存在真正线性系统，而所谓线性系统，也只是在一定工作范围内保持其线性关系。实际上，全部元件和系统在不一样程度上，均含有非线性性质。比如，机械系统中阻尼器，在低速时能够看作线性，但在高速时，粘性阻尼力则与运动速度平方成正比，而为非线性函数关系。又比如，电路中电感，因为磁路中铁心受饱和影响，电感值与流过电流呈非线性函数关系。对于包含有非线性函数关系系统来说，非线性数学模型建立和求解，其过程是非常复杂。为了绕过非线性系统在数学处理上困难，对于大部分元件和系统来说，当信号或变量改变范围不大或非线性不太严重时，都能够近似地线性化，即用线性化数学模型来代替非线性数学模型。一旦用线性化数学模型来近似地表示非线性系统，就能够利用线性理论对系统进行分析和设计。第16页习题习题2-6 2-6 测量变送步骤以下：测量变送步骤以下：式中Km为增益，Tm为时间常数，m为滞后时间。测量变送步骤非线性会影响这些参数，为了便于处理，普通采取线性化处理得到以上动态特征。第17页习题习题2-7:2-7:控制阀流量特征选择控制阀流量特征选择热平衡方程:控制通道静态增益:为平衡点流量。第18页被控对象动态特征改变被控对象动态特征改变对控制阀流量特征选择考虑对控制阀流量特征选择考虑从静态增益赔偿角度从动态特征改变角度(Why?)阀特征选择请参考表2-1：控制阀固有流量特征第19页单回路系统防积分饱和原理分析单回路系统防积分饱和原理分析讨论讨论：正常情况为标准PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。为何?第20页习题习题 2-8 2-8 1、注意：液阻与液位高度（压力）关系为 R=H/Q。那么有：2、依据流量压力平衡方程有：即：拉氏变换得：即：时间常数为：T=0.01注意：这里在假设液位升高，那么不然第21页习题习题2-92-9单位化：t=0,10,20,40,60,80,100,150,200,300,400,500y=0,0.09596,0.18182,0.33333,0.45455,0.55556,0.63636,0.78788,0.86869,0.9596,0.9899,1，假设液位测量范围为0-1000.单位阶跃响应，当单位阶跃响应，当t=Tt=T时，振幅为时，振幅为0.6320.632，由表可知，由表可知，当和当和t=100t=100时，时，h=0.632h=0.632，所以，所以，T=100.T=100.第22页第23页习题习题2-102-10单位阶跃响应：取：查表得：因为：则说明该阶跃响应需要更高级函数才能拟全更加好，查表2-2得，n=3由：得：第24页习题习题2-112-11依题意系统模型为：单位阶跃响应：查表得：得：第25页习题习题3-13-1PID控制表示式：偏置值u0是控制器稳态输出，反应了控制系统稳态工作点，所以它值由控制系统稳态输出确定。传递函数反应是系统在工作点动态特征，故在时域变为频域时没有这一项，即：第26页习题习题3-2 3-2 仅加加强控制器积分作用仅加加强控制器积分作用在相同阶跃干扰情况下，最大偏差是否增大？振荡是否加剧？答：在相同阶跃干扰情况下，增增强强积积分分作作用用，最大偏差会减小，振荡会加剧。参考仿真。第27页习题习题3-2 3-2 仅加加强控制器积分作用仅加加强控制器积分作用在相同阶跃干扰情况下，最大偏差是否增大？振荡是否加剧？答：在相同阶跃干扰情况下，增增强强积积分分作作用用，最大偏差会减小，振荡会加剧。为了取得以前相同稳定性，可减小KC，参考仿真。第28页习题习题3-33-3积分饱和：对于一个有积分功效偏差，控制器作用就会对偏差进行累积来改变控制器输出。假如这时阀门已经抵达饱和（已经全开或者全关），而无法继续进行调整，那么偏差将无法消除。然而因为积分作用，控制输出仍在增加，直到抵达某个极限值并停留在那里，这种情况成为积分饱和。由定义可知，发生积分饱和前提是控制器含有积分功效，控制器饱和输出极限值要比热先机榣信号范围大。后 果：系统控制效果差，产品质量无法确保，可能对人或者设备组成威胁。第29页习题习题3-43-4见表3-3第30页习题习题3-53-5两点法两点法设阶跃对应传递函数为：作无量纲阶跃响应：取：第31页得：参考仿真试验，对比：K=0.6,KI=20;K=1.4,KI=20;第32页习题习题4-14-1前馈反馈控制器：第33页第34页第35页第36页第37页习题习题4-24-2前馈控制器：第38页习题习题4-34-3系统框图：第39页由图可得：由不变性原理 得：即：得：第40页习题习题5-15-11、副控制器正反作用要改变，主控制器正反作用不改变。阀门是副加中执行器，在主回路中，副回路作为一个整体为正作用，故执行器改变对主回路无影响，主控制器正反作用不变。在副回路中，执行器由气开阀变认为气关阀，正反作用改变。而正反作用选择是使系统成为负反馈系统，而副回路中除副控制器外其余正反作用不变。帮副控制器正反作用改变。2、百分比度积分都要改变，副控制器输出是改变阀门，百分比度要增加，而积分时间要减小。口径变大相当于控制通道放大倍数增加，此时若百分比度和积分不变则控制系统开环放大倍数增加，系统余差变小，不过系统会变得不稳定。对于一个不稳定系统谈余差是没有意义。所以，首先要保持系统稳定性，那么要减小控制器放大倍数，即增大百分比度。此时余差必定会变大，所以要加强积分作用，即减小积分时间，喷水消除余差。3、主控制器百分比度和积分时间不改变，因为串级控制系统对副对象和控制阀特征改变含有鲁棒性，即副对象控制阀特征改变不会影响主控制器。第41页习题习题5-25-21、最适当应该选择2，因为它包含干扰最多，而且距离第四贮罐比较远，不轻易引发系统共振。2、控制方框图以下：3、副控制器选择与主回路无关，而测量变送器，副对象为正作用，调整阀为正作用，故副控制器为负作用，主控制器与主对象正反作用相反。而主对象为正作用，故主控制器为负作用。第42页习题习题5-35-3应该把下面这个采取串级控制，首先，因为干扰通道时间常数为0.2，对被变量影响相当大。其次副本回路中包含纯滞后时间上，有利于提升副回路快速性。第三主控制对象为大惯性步骤，其响应时间比副回路要大。上面那个回路，前面那个步骤为大惯性步骤，通道没延时，主控制对象时间常数小，响应快速，当干扰影响到副变量时候，很快影响到主控变量，而因为大惯性步骤，副回路还来不及处理干扰。第43页习题习题5-55-5首先在结构上来看，串级控制由两个反馈控制回路组成，而前馈-反馈控制器由一个反馈和一个开环赔偿回路叠加而成。在变量上，串级控制副参数与前馈-反馈控制输入量是两截然不一样变量，前者是串级控制系统中反应主被控变量中间变量，控制作用对他产生显著调整效果。后者是对主被告控变量有显著影响干扰量，是完全不受控制作用约束独立变量，引入前馈目标是为了赔偿原料干扰对输出影响。在功效上，前馈控制器与串级控制副控制器担负不一样功效。图5-73中(a)为串级控制，(b)为前馈-反馈控制。第44页习题习题5-75-7（1）A、B阀均选气开阀时，为正作用，控制器为反作用，（2）A、B阀均选气关阀时，为反作用，控制器为正作用。第45页