过程装备控制技术及应用习题

第1章控制系统的基本概念作业讲评
p11：题6：解答： ① 换热器出口温度控制系统
Ts
e = Tm － Ts 控制器
u 执行器 m
f (干扰变量） 换热器 T
反 Tm
正
正
测量元件及变送器
② 各环节的输入和输出信号分别如下：
输入
输出
换热器
测量元件与 变送器 控制器 执行器
操纵变量m（蒸汽流量）、 被控变量（管程出口温
t/min
解：放大倍数：
K (150 120) 60[ ℃ ]
(3.0 2.5)
t/h
或K
(150 120) / 200
(3.0 2.5)（/ 5
0
0）
1.5（无量纲）
时间常数：T = 8 －2 = 6 min 滞后时间：τ= 2 min ∴ 重油预热炉的微分方程：
T dT (t ) T (t ) KQ(t)
1-1（教材P11：6） 在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺 要求热物料出口温 度保持为某一设定值。
① 试画出该控制系统的方框图； ② 方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么? 整个系统的 输入信号和输出信号又是什么? ③ 系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)时,该系 统是如何实现自动控制的?
干扰变量f
度T）
管程出口温度T、
管程出口温度的测量值
Tm
偏差e = Tm － Ts
控制信号u
控制信号u
操纵变量m（蒸汽流量）
整个系统的输入信号：温度给定值Ts、干扰变量f；
输出信号：管程出口温度T
Ts
e = Tm － Ts
u
m
f (干扰变量） T
控制器
执行器
换热器
反 Tm
正
正
测量元件及变送器
③系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大Δqv) 时,该系统是如何实现自动控制的?
dt 6 dT (t 2) T (t 2) 60Q(t)
dt Q(t) 燃料油的变化量
在单位阶跃变化量时，温度变化量的函数表达式：
T KA（1 e（t）6）
60
1（1
e
（t
） 2） 6
(t 2)
T 0 (t 2)
§2.2 简单控制系统作业讲评
本节思考题：Pg58：6、7、8、9、10、11、12、14、 本节作业：
本节主要内容: §2.1.1 被控对象的特性及其描述方法 §2.1.2 被控对象的三大特性参数——放大系数K、时间常数T、 滞后时间τ 本节思考题：Pg57：1、2、3、4； 作业：1 训练求取被控对象的特性参数 Pg57：5
2 训练由实验反应曲线求对象特性的三大参数，进而 求出被控对象的特性方程式：补充题2
答：冷物料流量突然增大Δqv时，换热器管程的出 口温度受到干扰将降低 ，温度测量变送器将检测到的信 号送给控制器，控制器的输入偏差信号e ，控制器发出给 执行器的信号u ，执行器将自动开大阀门，壳程蒸汽的流 量m ，克服干扰的作用，将温度T 调节到给定值。
Ts
e = Tm － Ts
u
f (干扰变量）
2-5（Pg58 ：16）设计控制系统时，必须确定和考虑哪些 方面的问题？
答：1 首先要对被控对象动态和静态特性作全面的了解，还要 对工艺、设备有深入了解。 2确定正确的控制方案：包括① 被控变量的选择；② 操纵变 量的选择；③ 检测变送元件及检测位置的选择；④ 执行器的 选择；⑤控制器及控制规律的选择。 3对控制器的参数进行工程整定，调到最佳值。（参见上课 PPT，附后）
qv1
当t=T时，H（T） KA（1 e1）=0.632KA
A
t0
t
H
0.632H（ ∞ ）
KA
t0 T
t
P58：图2-67
2-2（补充作业题2）：为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬 间（假定t0=0）突然将燃气量从2.5t/h增加到3.0 t/h，重油出口温 度记录仪得到的阶跃反映曲线如图所示。假定对象为一阶对象，
试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化量与燃气变化
量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量
时温度变化量的函数表达式。（温度测量仪表的测量范围为 0~200℃；流量测量仪表的测量范围为0~5t/h。）
燃料量 （t/h）
3.0
2.5
t/min
温度/℃
150 139
120 28
重油预热炉的阶跃反应曲线
② 845 ℃ ＜850 ℃，符合控制中温度最高不得超过850℃的要求
▲第2章 过程装备控制工程基础
教学要求与学习目标： 1 掌握被控对象的数学建摸和特性参数。 2 掌握简单控制系统控制方案的设计。 3 掌握控制器常用的控制规律 4 掌握控制器控制参数的工程整定。 5 能根据系统的特殊要求，设计合适的复杂控制
1 强化简单控制系统设计有关基本概念的理解： Pg58 ：13、15、16 2 训练简单控制系统的设计：补充题3、4
2-3（Pg58 ：13）：在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪 几个？试说明调整其中一个参数时，对调节器的控制作用有什么影 响？
答①：K
K
p
p
（比）例,控T制1, 作TD用
而δ 比例控制作用
qv1
② H（T）= 0.632H（ ∞ ）所对应的时间T，如图
③ =0
t0 H
0.632H（ ∞ ）
qv1 t
△H
t0 T
t
P58：图2-67
§2.1 被控对象的特性作业讲评
时间常数物理含义的讨论：
dH T dt H KQ1
H KQ（1 1 e(tt0 ) T） (2 7)
写成：H KA（1 et T） (2 7)
第1章 自动控制系统基本知识 学习重点
1 掌握自动控制系统的组成，各环节的作用以及各环节 之间的联系。 2 掌握方块图的画法，对一个具体的控制系统来说，能 准确指出被控对象 、被控变量、操纵变量 、扰动量等 参数。 3 掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。 4 掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下，过渡过程的几 种基本形式及过渡过程品质指标的含义。 本章作业：Pg11： 6、7、补充题1：求过渡过程性能 指标。 本章思考题： Pg11：1、 2、3、4、5、8、9、10
第1章 自动控制系统基本知识
教学要求与学习目标：
1 掌握自动控制系统的组成。 2 掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。 3 掌握方块图的画法。 4 掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下，过渡过程的几种基本形式 及过渡过程品质指标的含义。 5 掌握控制系统的分类
教学内容:
● §1.1 化工自动化的主要内容 ▲ §1.2 控制系统的组成 ▲ §1.3 带控制点的工艺流程图 ▲ §1.4 自动控制系统方块图 ▲ §1.5 控制系统的分类 ▲ §1.6 自动控制系统的过渡过程和品质指标 ●本章学习要点 ●本章思考题及作业
解： T/℃ 845
815
805
800 7
20 25
T/min
（1）分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间
Ts（温度进入±1%新的稳定值即示为系统已稳定）和震荡周期T。
解：
最大偏差：A =845－800 = 45℃
超 衰
调 减
量： σ=（845 比：n= B/B’=
－ 805）/805 = （845 － 805）
比例积Βιβλιοθήκη 分微分u（PID）
K
p e
1 T1
edt
TD
de dt
K p,
T1,
TD
控制质量高，积分 作用可消除余差， 微分作用可提高系 统的稳定性 但参数整定较麻烦。
用于容量滞后较 大，负荷变化大， 控制质量要求较 高的系统。如温 度、成分
§2.2 简单控制系统作业讲评
本节思考题：Pg58：6、7、8、9、10、11、12、14、 本节作业： 1 强化简单控制系统设计有关基本概念的理解： Pg58 ：13、15、16 2 训练简单控制系统的设计：补充题3、4
，K p 比例控制作用 ，δ 比例控制作用
② TI ，KI 积分作用 ， 积分速度 ， 消除余差速度快，稳定性 TI ，KI 积分作用 ， 积分速度 ， 消除余差速度慢，稳定性
③ TD ， 微分作用 ， 稳定性 。 T ， 过度灵敏，会出现高频震荡。
§2.2 简单控制系统作业讲评
本节思考题：Pg58：6、7、8、9、10、11、12、 14、 本节作业： 1 强化简单控制系统设计有关基本概念的理解： Pg58 ：13、15、16 2 训练简单控制系统的设计：补充题3、4
m
T
控制器
执行器
换热器
反 Tm
正
正
测量元件及变送器
第1章控制系统的基本概念作业讲评
本章作业：Pg11： 6、7、补充题1：求过渡过程性能指标。 本章思考题： Pg11：1、 2、3、4、5、8、9、10
1-2（教材P11：7）图1-12为贮槽液位控制系统,工艺要求液位保 持为某一数值。
① 试画出该系统的方框图； ② 指出该系统中被控对象、被控变量、操作变量、干扰作用各 是什么？
解： ①水槽水位控制系统方块图：
Ls e = Lm － Ls u
m
控制器
执行器
Lm 测量变送器
f (干扰变量） L
水槽
②被控对象 ：水槽 被控变量：水槽的水位； 操纵变量：水槽出水流量qv2； 扰动量：水槽进水流量qv1 、压力
第1章控制系统的基本概念作业讲评
本章作业：Pg11： 6、7、补充题1：求过渡过程性能指标。 本章思考题： Pg11：1、 2、3、4、5、8、9、10
但控制结果有余 差
适用于控制通道滞 后较小，负荷变化 较小，工艺上没有 提出余差要求的系 统.如：液位
比例积分u
（PI）
K
p
(e
1 T1
edt)
K p，T1
能消除余差。
但积分控制作用 比较缓慢、控制 不及时，系统稳 定性下降
用于控制通道滞 后较小，负荷变 化较小，工艺参 数不允许有余差 的系统.如：压力、 流量等
§2.1 被控对象的特性作业讲评
1 训练求取被控对象的特性参数 Pg57：5 2 训练由实验反应曲线求对象特性的三大参数，进而求出被控对象 的特性方程式：补充题2
2-1（Pg57：5） 试从图2-67某对象的反应曲线中，表示出该对象 的放大系数、时间常数和滞后时间。
解：① K= △H △qv1
有量纲
▲画法方块图要注意的几个要点：
① 组成控制系统的环节用“方块”表示
②信号联系箭头符号不能丢
③负反馈负号不能丢
④对某一具体的控制系统来说，应指出被控对象、被控变量、操纵 变量、干扰变量是什么？
⑤ 给定值、被控变量不是环节，不用方块表示
第1章控制系统的基本概念作业讲评
本章作业：Pg11： 6、7、补充题1：求过渡过程性能指标。 本章思考题： Pg11：1、 2、3、4、5、8、9、10
2-4（Pg58 ：15）：调节器控制规律选择的依据 是什么？
答：参见教材Pg34。（或参见上课讲义PPT，附后）
比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）的比较
控制规律 数学表达式 可调参数
优缺点
适应场合
比例 （P）
u=K p e
K p ,（）
1 100 %
Kp
控制及时、过渡 时间短、克服干 扰能力强。
1-3（补充题1）：某化学反应器工艺规定操作温度为（800±10） ℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。现设计的 温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如下图所示。
T/℃ 845
815
805
800 7
20 25
T/min
（1）分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间 Ts（温度进入±1%新的稳定值即示为系统已稳定）和震荡周期T。 （2）分析此温度控制系统是否满足工艺要求？
系统
教学内容: ● §2.1 被控对象的特性 ▲ §2.2 简单控制系统 ▲ §2.3 复杂控制系统
§2.1 被控对象的特性
教学目的与要求：
1 了解被控对象特性的意义和重要性； 2 掌握对象动态特性的通道的含义 3 了解被控对象特性的数学建模； 4 掌握被控对象特性的实验测定方法； 5 掌握表征被控对象特性的三大参数——放大系数K、时间常 数T、滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响
4.97% / （815
－
805y）(t p
) =
y4(：)1100%
余
差： C= 805－800= 5 ℃
y()
过 渡 时 间：Ts = 25 min
震 荡 周 期：T = 20 －7=13 min
T/℃ 845
815
805
800 7
20 25
T/min
（2）分析此温度控制系统是否满足工艺要求？ 解：符合要求： ① 系统新的稳定值是805 ℃，符合工艺规定操作温度为 （800±10）℃ 的要求
HGJ7-87《 化工过程检测.控制系统设计符号统一规定》
第1章 自动控制系统基本知识
本章例题及习题训练的目的： 1 要求能看懂带控制点的工艺流程图； 2 会根据带控制点的工艺流程图画控制系统
的方块图 3 会求控制系统过渡过程的品质指标
要点归纳
▲设计以及读带控制点的工艺流程图时。
注意：6大要素
①测量点 ②被测变量 ③仪表功能 ④仪表安装位置 ⑤工段号 ⑥仪表序号