过程控制1-5章习题答案
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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τ0。
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:影响物料出口温度的主要因素有哪些?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?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: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。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。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:
被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚;
被加热物料在温度过低时会发生凝结;
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:控制阀选气开阀,选反作用控制器。
控制阀选气关阀,选正作用控制器。
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Tf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, 使等效副对象时间常数减小,改善了对象的特性,使系统工作频率提高。
(2) 串级控制系统有较强的抗干扰能力,特别是干扰作用于副环的情况下,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、反作用方式只取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,主对象和主变送器.而副回路可视为一放大倍数为“1”的环节,主变送器放大倍数一般为正,所以主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。如果主对象放大倍数的符号为正,则主控制器为反作用,反之, 则主控制器为正作用。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来看?
副回路所起的作用是使副变量根据主调节器输出进行控制,是一随动系统。因此整个副回路可视为一放大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,就会造成系统的主回路或副回路按正反馈控制,当被控变量出现偏差时,系统不仅不向着消除偏差的方向校正,反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,,而釜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制精度要求很高,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?画出系统结构图。
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、气关形式及主、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级系统. (2)夹套温度为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统.
2.8 (右图)图2-21为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求:
⑴选择阀的开闭形式?⑵确定主、副控制器的正、反作用方式?
⑶在系统稳定的情况下,如果燃料压力突然升高,结合控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用方式,分析串级系统的工作过程。
答:(1) 气开阀
(2)主控制器反作用,副控制器反作用。
(3)如果燃料气的P1突然升高,
副回路首先有一个“粗调”:
P1↑→F1↑→T2↑→u2↓→ F1↓
没有完全被副回路克服的部分干扰,通过主回路“细调”:
T2↑→T1↑→u1↓→ F1↓→T2↓→T1↓
2.9 某干燥器采用夹套加热和真空吸收并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料物
性发生变化,这是不允许的,因此要求对干燥温度进行严格控制。夹套通入的是经列管式加
热器加热的热水,而加热器采用的是饱和蒸汽,流程如图2-22(右图)所示。要求:
⑴如果冷却水流量波动是主要干扰,应采用何种控制方案?为什么?
⑵如果蒸汽压力波动是主要干扰,应采用何种控制方案?为什么?
⑶如果冷却水流量和蒸汽压力都经常波动,应采用何种控制方案?为什么?
(1)以热水温度为副变量,干燥器出口温度为主变量,蒸汽流量为操纵变量构成温度温度串级
系统,冷水流量单独设计流量单回路系统
理由:当被控变量为干燥器出口温度时,不宜选冷水流量做操纵变量,故单独设计流量单
回路系统抑制冷水流量波动。
以干燥器出口温度为被控量、蒸汽流量为操纵变量的控制系统中,控制通道太长,存在较大的时间常数和纯滞后,故选择换热器出口温度为副变量,构成串级系统,利用副回路减小等效时间常数。