过程控制习题课

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1、U控制系统组成及性能指标题1:如图所示是一压力自动控制 系统。试指出该系统中的被控对象、 被控变量、操纵变量和扰动变量， 画出该系统的方框图。答案：被控对象：压力罐。被 控变量：储罐内的压力。操纵 变量：进料流量。扰动变量： 进料压力，出料流量，等。进料.%燃料控制系统组成及性能指标(续)题厶对于如图所示的加 热炉温度控制系统，试(1) 指出该系统中的被控变 量、操纵变量、扰动变量;(2) 画出该系统的方块图答案：被控对象：加热炉。被控变量：原料 岀口温度。操纵变量：燃料流量。扰动变量: 进料流量、温度，燃料温度、压力、成分， 等。控制系统组成及性能指标（续）题3：如图所示为一反应器温度控制系

2、统 示意图。A、B两种物料进入反应器进行反 应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控 制反应器内的温度不变。试画出该温度控 制系统的方块图，并指出该系统中的被控 对象、被控变量、操纵变量及可能影响被 控变量的干扰是什么？如果由于进料温度 升高使反应器内的温度超过给定值，试说 明此时该控制系统的工作情况，此时系统 是如何通过控制作用来克服干扰作用对被 控变量影响的？被控对象：反映器。被控变量：反应器内的温度（反应温度）。操纵变量：冷 却水流量。干扰：冷却水压力、温度变化，A、B物料的流量、温度变化，等。1若进料温度升高，反应器内的温度超过温度给定值时，即偏差小于0, TC要发挥控 制作用使反应温度下

3、降，即控制器输出使冷却水调节阀开度大些，使更多的冷却水 进入夹套，从而移走多余热量使反应器内温度降下来。过程动态特性及建模题1:如图所示液位过程的输入量为 Q1,流岀量为Q2、Q3,液位h为被控 参数，A为截面积，并设Rl、R2、R3 均为线性液阻。要求： 列写过程的微分方程组； 画岀过程的方框图；，、 求过程的传递函数冥QXS)过程动态特性及建模(续)题2：02Q2 R2 C(1)列写过程微分方 程组；F(2)画出方框图;打e(3)求传递函数G(s) =H2(s)Q(S)过程动态特性及建模（续）物料平衡方程：C啓厶，&at 二Q2 心 q。2喰R3Q2h、&2将流量方程代入物料平衡方程， 即

4、得到过程状态方程过程动态特性及建模（续）J-G 1- = Q - 0 _。12, at- Q2(s) - Qi2(s) CxsC2j = QnQ? at/2傀Q严屮K2丹2（沪（皿）-恥）C2sO2（S）= ，O3（S）=尺2日2（$）可Q12(S)=H(s)-H2(s)尺2由以上传递函数方程，可画出相 应的方框图.过程动态特性及建模（续）H（s）（01（$）-02（$）-。12（$），Css日2（Q =亠（212（$）- 0 （$）C2s/2坨Q2（S）/d（S）&2过程动态特性及建模（续）利用方框图等效变换；直接用传递函数计算公式; 通过求解传递函数方程组.R2R3w ($)=仏($)=Q

5、矿 R2R2R3CC2S2 +(R.R.C. + R2R3C2 + Ri2R2C + R2R3C2)S +(Ri2 + R2 + R3)”过程动态特性及建模（续）题3：有一水槽，其截面积F为0.5m2。流出侧阀门阻 力实验结果为：当水位H变化20cm时，流出量变化 为1000cm3/s。试求流出侧阀门阻力R,并计算该水 槽的时间常数T。a H（s） _ R _ K 答案：H。胡加+ 1一7 + 1_ AW20cm 1.2=K =s / cm Agjy） 1000cm3/550挣曲x0.5x10S200s过程动态特性及建模(续)如易鳥为蒸汽加热器控制系统，若被控对象控制通道的传递函数为Gs) =

6、 5-u / ra控制器TC的传递函数为Gc(s) = l调节阀的传递函数为Gy ($) = 1 S + 测量变送环节的传递函数为G,s) = l因生产需要，出口物料的设定温度从80C提高到85 C时，物料出口温度的稳态变化量 AT(OO) 为多少？系统的余差为多少？拎擬水过程动态特性及建模（续）解：系统的闭环函数为：如乙蟲嚟器仏厂声7$ + 455/91 + 7 + 4出此可知该系统为一阶滞后环节，静态放大系数为5/9当输入变化量为5 C时，其输出稳态变化量Ar(oc)=-x52.78CO系站勺余差约为5-2.78 = 2.22C凝液且要求 Ky Kp = Cons tan t控制通道静态增

7、益: dTA1K =oc 卩 dG2 CQ G测量变送器和执行器与控制器控制阀流量特性选择热平衡方程：GGGT-7；） =久G? 主要扰动为T1时，如何选择控制阀流量 特性； 主要扰动为G1时，如何选择阀的流量 特性； 设定值变化时，如何选择阀的流量特性。 （提示：首先应求取对象静态增益与主要扰动的关系）（1）若主要扰动为Tl,因Kp为常数，所以Kv为常数，即 应选择直线流量特性的阀。若主要扰动为G1,因Kpoc歹所以Kyocq即应选 择等百分比阀。1设定值变化。时，因Kp为常数，所以Kv为常数，即应 选择直线流量特性的阀。测量变送器和执行器与控制器（续）题1:定值控制系统的过渡过程有几种形式

8、？工程上一般要求为哪种过渡过程形式? 随动系统一般要求为哪种过渡过程形式？ 答：五种，分别是：非周期发散过程、非周期衰减过程、发散振荡过程、等幅振荡 过程、衰减振荡过程等。工程上一般要求为衰减振荡的过渡过程形式。随动系统一般要求为单调过程。题2： 生产过程，被控对象为一阶特性，控制器为纯比例控制器，控制中还是发 生了衰减振荡过程？为什么？答：这是因为系统中还有控制阀和变送环节，如果它们的时间常数不可忽略的话, 系统为二阶系统，故控制中还是会发生衰减振荡过程。测量变送器和执行器与控制器（续）题3： 个系统的对象有容量滞后，另一个系统由于测量点位置造成纯滞后，如分别 采用微分作用克服滞后，效果如何

9、？答：微分作用的控制器，其输出的控制信号p与输入的偏差e的变化速度成正比，即, 式中为微分时间。当对象具有容量滞后时，系统在外界扰动作用下，被控变量马上 有变化，在给定值不变的情况下，控制器的输入偏差e就有一定的变化速度，因此控 制器的输出就能马上变化，及时克服扰动对被控变量的影响。所以对于具有容量滞 后的对象，增加微分作用能够克服滞后，提高控制质量。对于由于测量点位置造成纯滞后的对象，在扰动作用下，尽管被控变量可能立即会 变化，但由于测量点位置造成纯滞后，送往控制器的被控变量测量值不可能立即变 化，必须等待一个纯滞后时间后，控制器的输入偏差信号才可能变化。在纯滞后这 段时间内，微分作用的控制

10、器是不可能有输出，亦即不起作用，所以微分作用对于 克服纯滞后对控制质量的影响是无能为力的。测量变送器和执行器与控制器（续）题4： PID控制器的时间域算式中有一偏置uO,而在复频域（即在传递函数形式）算式中却没有这一项，这是为什么？ uO的物理含义是什么？ uO的具体取值是怎样 取得的？答案：传递函数表达的是系统在稳定点附近变化时的情况，平衡点的情况不考 虑。uO表示系统初始输出值。题5增大测量变送环节的时间常数Tm,对实际被控变量的控制质量有何影响？对 指示记录曲线又有何影响？两者是否一致，为什么？ 给控制质量带来不利的影响，变送环节的时间常数增加（控制器参数不变的 情况下）使得控制器不能够

11、及时的得到被控参数的实际值，造成实际参数波动 过去。从记录仪上的记录曲线来看，由于检测的响应速度慢，则曲线波动不大，表 面的现象是控制效果还不错。实际不然，理由同上。控制器的“正反作用”选择问题：(1) 如何选择控制阀的“气开气关” ？(2) 如何选择温度控制 器的正反作用，以 使闭环系统为负反 馈系统？答：控制阀为气开型，控制器应为反作用式控制器的“正反作用”选择(续)塔底部再沸器精惚塔提惚段温度控制系统 如图所示，图中，代为调节 阀阀前压力。(1) 为保证再沸器的安全, 蒸汽调节阀应选用气关阀还 是气开阀？为什么？(2) 确定调节器TC、PC的 正反作用，并画出该系统完 整的方框图(尽可能

12、在图上 表明相应的信号)。占控制器的“正反作用”选择(续)如图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。(1) 选择流入量Qi为操纵变量；(2) 选择流出量Qo为操纵变量。答：(1)当选择流入量Qi为操纵变量时，为了防止 液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀 应处于关闭状态，所以应选用气开阀，为正作用方向。 控制器应选择反作用方向。(2)当选择流出量Qo为操纵变量时，为了防止液体 溢岀，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处 于全开状态，所以应选用气关阀，为反作用方向。控 制器应选择反作用方向以上

13、两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气 关形式的选择及对彖的作用方向都与操纵变量的选择 是有关的。串级控制系统题1在一个串级控制系统中，原来选用口径为20mm的气开阀，后来 改为口径为32mm的气关阀。问：主、副控制器的正反作用要否改变？为什么？副控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什 么？男主控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什 副控制器正反作用改变，主控制器的不变。 比例度适当变大，因为阀的增益变大了，系统稳定性变差了；积分时 间要适当变大。 主控制器的比例度和积分时间适当变大，因为副回路等效环节的放大倍 数增大；时间常数变小，为维持原系统的稳定性不变

14、，要做上述修改。把 副回路看做等效为1: 1的环节也可不做修改串级控制系统（续）题2在一个串级控制系统中，主变量是温度，温度变送器量程原为0-200C, 后改为80120C o问：副控制器比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？主控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？ 副控制器可以不改变，因为副控制器的作用主要局限在副回路，对 主回路的广义对象特性特性变化不敏感。主控制器比例度和积分时间要改变。比例度变大、或积分时间变大。 因为在维持稳定性不变的前提下，要保持控制器的增益和广义对象的增益 乘积为恒定。也可以比例度不动，增大积分时间。(A)(B)串级控制系统（续）题

15、3表示了两个动态过程方块图 为了改善闭环品质（F2扰动时），哪一个过程应该采用串级控制？为什么？ 对应该采用串级控制的系统，试画出相应的方块图假设。答案：应该选择（B）过程，因为在（A）图中主副变量特 性接近，构成串级意 义不大。串级控制系统（续）串级系统图(B)二次扰动一次扰动主参数 测量变送串级控制系统(续)题4如图所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故， 因此采用夹套通冷水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对 该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。釜温设 0i釜温变送器 1 乘法器放到从动流量侧，k二Qa/Qb二 1/

16、0.4, K=k* (1000/3200)二2.5/3.2二0.78 满足 系统要求分程控制系统 OO加热剂(C)VIV2题1下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？ 2） 最主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？ 3）图中哪个控制器要整定的最慢, 哪个控制器要整定的最快？为什么？ 4）阀门VI是气开还是气关？为什么？ V2是气开还是 气关？为什么？ 5）指出各图中控制器的正反作用，并给岀选取的理由；6）给出图中控制 规律的选取。分程控制系统（续）答：（1）是串级分程控制系统。最主要的被控变量是反应器内温度，最主要的操纵变量是冷剂流量。 图中T1C要整定

17、的最慢，FC最快。阀门VI是气关，保证反应温度不致过高，从而生成其它产物。阀门 V2是气开。图中：T1C反作用，T2C正作用，FC正作用。（6） TIC： PID； T2C： P （PI, I弱）；FC： P。分程控制系统（续）题2有一放热反应的化学反应釜，需要移走热量，在一般情况下用自来水作冷剂，但在热天需补充深井水作冷剂。控制的要求是当自来水阀全开还 感到去热不足时，才开启深井水阀。现设计了一套分程控制系统，试确定: 阀的气开、气关形式；控制器的正、反作用；分程区间。（均为气关）分程控制系统（续）题3图中所示的加热炉，出口温度需控制在规定值。所用燃料要求尽量使用燃料 气，使用不足时才用燃油

18、，如何设计控制系统？执行器的气开、气关形式；控制器的正、反作用；在下图上画出工艺控 制流程图；画出控制系统方块图。分程控制系统（续） 均为气开 反作用100%燃料油_十皆燃料气0.020.050.1反作用0%分程控制系统（续）方块图给定温度温度控 制器燃料气控制阀燃料油控制阀加热炉反应温度温度变送器选择性控制系统什么是控制器的“积分饱和”现象？产生积分饱和的条件是什么？答：积分饱和现象是指有积分作用的控制器当偏差总不为零时，控制器的 输出就要一直增加到最大或降低到最小。产生这种现象的条件有三个：其一是控制器具有积分作用；其二是控制器处于开环 工作状态，其输出没有被送往执行器；其三是控制器的输入

19、偏差信号长期存在。在 选择性控制系统中，没有被选择器选中的控制器就有可能产生积分饱和现象。选择性控制系统（续）ABrA-Em燃料油B图示为加热炉出口温度控制系 统方案之一。工艺上规定要优 先使用炼厂气A,只有在负荷 增加后。使用了炼厂气所能提 供的最大限量还是不够时，则 以B来加以补充。试分析：图示控制方案是如何 满足上述工艺要求的？LS v炼厂气A的上限 T釘值号.选择性控制系统（续）答案：正常工况：TC输出为M,而且M小于AH,经低选器LS后 做炼厂气A流量控制器的设定值，此时构成主参数为温度、副参数为 炼厂气A的串级控制系统。由于Ar=M,因此FBC设定值（Br=M-AH） 等于0。所以燃料B的阀门全关。在工况变化时，如出现MAH,则低选器选择AH作为输出， AH=Aro因此FAC成为定值流量控制系统，使得炼厂气A稳定在AH 的数值上。这时由于（MAH） 0,则构成温度与燃料B的串级控制系 统，即打开燃料B的阀门以补充燃料A的不足。从而使得炉出口温度 稳定在设定值上。阀位控制系统什么是阀位控制系统（VPC） ?何时需采用这种系统？答案：当系统要求控制品质较高，又需要经济运行、节约能源的时候 可以采用这类控制系统。它要求系统具备两个操纵变量，一个为提高 控制品质的快速操纵变量，另一个为满足节能要求的慢速操纵变量。