过程控制工程第一章答案

第一章思考题及习题

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?

答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。

控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示

如何选择控制变量?

答：①所选控制变量必须是可控的。

②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。

③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。

④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。

⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。

⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量

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?

答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。

K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。

4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?

答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期T s。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。

图为一蒸汽加热设备，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?

答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。

②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数?为什么?

答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。

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：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。

图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。

答：控制阀气闭式，控制器的反作用。

②被加热物料在温度过低时会发生凝结。

答：控制阀气开式，控制器的正作用。

③如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。

答：控制阀气闭式，控制器的反作用。

单回路系统方块图如图所示。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?

答：当K C、K V、K0增加时，系统的余差减小，但系统稳定性下降。T0增加时，系统的工作频率降低，控制速度变慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的控制质量会越差。τ0增加时，使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还会使系统的稳定性降低。K f增加时，系统的余差也变大，即控制静态质量变差。T f增加时，控制过程的品质会提高。τf增加时，质量没有影响。

有一如图所示的加热器，其正常操作温度为200℃，温度控制器得测量范围是150~250℃，当控制器输出变化1%时，蒸汽量将改变3%，而蒸汽量增加1%，槽内温度将上升0.2℃。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%，槽内温度将会下降l℃。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为100%，试求当设定值由200℃提高到220℃时，待系统稳定后，槽内温度是多少摄氏度？

答：当设定值由200℃提高到220℃时，控制器输出变化 20/200=10%，蒸汽量增加30%，液体流量不变，槽内温度将上升×30℃=6℃，所以待系统稳定后，槽内温度是206℃。

在Δu=50阶跃干扰作用下，测得某温度对象控制通道得响应数据如下：

根据上述数据用反应曲线法计算PI控制器参数。

答：从响应数据得干扰起作用点为，227℃，即τ=，拐点为，280℃，即T0= min，设采用Ⅲ型仪表，测量范围为100～250℃，所以，K0=Δu=/ΔP

=50/ 50/=

∵δ=τ/ T0)×100%=××××100%=%

T i=τ=×= min