过程控制作业答案最新版本

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123d ()d H

Q Q Q F

t

-+= 增量关系式为 123d d H

Q Q Q F

t

∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=

， 33

h Q R ∆∆=， 代入增量关系式，则有23123

()d d R R h

h F Q t R R +∆∆+=∆ （2）两边拉氏变换有：

23

123

()()()R R FsH s H s Q s R R ++

=

故传函为：

232323123

()()()11R R R R H s K

G s R R Q s Ts F s R R +===

+++ K=2323

R R R R +, T=23

23R R F R R +

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：

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

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

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100~200o C ，其输出为0~10mA 。当温度从140o C 变化到160o C 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： max min max min /()(160140)/(200100)

100%100%50%

/()(73)/(100)e e e u u u δ---=

⨯=⨯=---

习题4.9某水槽液位控制系统如图所示。已知，F=1000cm 2，R=0.03s/cm 2，调节阀为气

关式，其静态增益|K v |=28cm 3/s·mA，K m =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=56cm 3/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)

(2)系统动态方程

增量关系式为 又

所以有

液位控制器控制阀

液位对象

液位检测

设定值

-