过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程

第一章单回路控制系统

1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？

控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系；

干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。

（1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）

控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。

控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。

控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。

（2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：

（从K、T、τ三方面）

干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。

干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。

干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个

。

纯滞后时间τ

1.2 如何选择操纵变量？

1）考虑工艺的合理性和可实现性；

2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数；

3）控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道

时间常数。干扰动通道时间常数越大

越好，阶数越高越好。

4）控制通道纯滞后越小越好。

1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？

比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。

随着δ减小，系统的稳定性下降。

1.5图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。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，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？

答：

①影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。

②被控变量应选择物料的出口温度，操纵变量应选择蒸汽流量。

物料的出口温度是工艺要求的直接质量指标，测试技术成熟、成本低，应当选作被控变量。

可选作操纵变量的因数有两个：蒸汽流量、物料流量。后者工艺不合理，因而只能选蒸汽流量作为操纵变量。

③控制阀应选择气关阀，控制器选择正作用。

1.6 图1-43为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀的开闭形式及控制器的正反作用：

①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚；

②被加热物料在温度过低时会发生凝结；

③如果操纵变量为冷却水流量，该地区最低温度在0℃以下，如何防止热

交换器被冻坏。

答：

TC

冷却水

物料被冷却物料

①控制阀选气关阀，选反作用控制器。

②控制阀选气开阀，选正作用控制器。

③控制阀选气关阀，选反作用控制器。

1.7 单回路系统方块图如图1-44所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化？为什么？

（1）若T0增大；（2）若τ0增大；（3）若T f增大；（4）若τf增大。

答：

（1）T0 增大，控制通道时间常数增大，会使系统的工作频率降低，控制质量变差；

（2）τ0 增大，控制通道的纯滞后时间增大，会使系统控制不及时，动态偏差增大，过渡过程时间加长。

（3）Tf 增大，超调量缩小1/Tf倍，有利于提高控制系统质量；

（4）τf 增大对系统质量无影响，当有纯滞后时，干扰对被控变量的影响向后推迟了一个纯滞后时间τf 。

第二章串级控制系统

2．1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点？

(1) 串级系统由于副回路的存在, 使等效副对象时

常数减小，改善了对象的特性,使系统工作频率

高。

(2) 串级控制系统有较强的抗干扰能力，特别是干扰

用于副环的情况下,系统的抗干扰能力会更强。

(3) 串级系统具有一定的自适应能力。

2．2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用方式只决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关？

主环内包括有主控制器,副回路,主对象和主变器.而副回路可视为一放大倍数为“1”的环节,主变

器放大倍数一般为正,所以主控制器的正反作用只取

于主对象放大倍数的符号。如果主对象放大倍数的符

为正,则主控制器为反作用,反之, 则主控制器为正

用。

2．5 试说明为什么整个副环可视为一放大倍数为正的环节看？

副回路所起的作用是使副变量根据主调节器输出行控制，是一随动系统。因此整个副回路可视为一放

倍数为正的环节来看。

2．6 试说明在整个串级控制系统中主、副控制器之一的正反作用方式选错会造成怎样的危害？

当主、副控制器有一个正反作用方式选错时,就造成系统的主回路或副回路按正反馈控制,当被控变

出现偏差时,系统不仅不向着消除偏差的方向校正,

而使被控变量远离给定值。

2．7 图2-20所示的反应釜内进行的是化学放热反应，，而内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应温度控精度要求很高，单回路满足不了要求，需用串级控制。

⑴当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级？出系统结构图。

⑵当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级画出系统结构图。

⑶对以上两种不同控制方案选择控制阀的气开、气关形及主、副控制器的正、反作用方式。

(1)选冷水流量为副变量,釜内温度为主变量组成串