过程控制习题课

1、控制系统组成及性能指标PCPP1P2PspPmuKv1Kv2F1F2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。 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。 控制器Gc (s)执行器Gv (s)控制通道Gp (s)测量变送Gm (s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD (s)+被控对象题2：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TC进料出料燃料TT

2、mTspRfu控制系统组成及性能指标（续）答案：被控对象：加热炉。被控变量：原料出口温度。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）AB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，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。物料的流量、温度变化，等。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要发挥控要

3、发挥控制作用使反应温度下降，即控制器输出使冷却水调节阀开度大些，使更多的冷却水制作用使反应温度下降，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。进入夹套，从而移走多余热量使反应器内温度降下来。题3：如图所示为一反应器温度控制系统示意图。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

4、作用对被控变量影响的？过程动态特性及建模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，流出量为Q2、Q3，液位h为被控参数，A为截面积，并设R1、R2、R3均为线性液阻。要求：列写过程的微分方程组；画出过程的方框图；求过程的传递函数HQiQoAQ2hR1R3R2Q3Q1 sQsHsW10 32323213322321)(RRsRARRRsQsHsWRhQRhQQQQdtdhAo 过程动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续）R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R1题2：(1) 列写过程微分方程组;(2) 画出方框图;(3) 求传递函数)()()(12sQsHsGp过程

5、动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续）R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R131222122111,QQdtdhCQQQdtdhC物料平衡方程:122112323212,RhhQRhQRhQ将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程过程动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续）31222122111,QQdtdhCQQQdtdhC122112323212,RhhQRhQRhQ由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHs

6、HsQRsHsQRsHsQ过程动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续）)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ+_+_Q12Q1(s)Q2sC1121R+_+_H1121RH2sC2131RH2(s)过程动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续）n利用方框图等效变换;n直接用传递函数计算公式;n通过求解传递函数方程组. 32122312121223213222132123212RRRSCRRCRRCRRCRRSCCRRRRRsQsHsWo 过程动态

7、特性及建模（续）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。答案： 11 TsKRFsRsQsHi 23/501/100020cmsscmcmsQHRKo scmcmsRFT100105 . 0/501242 过程动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续） 475ssGo 1sGC 1sGV 1sGm T如图所示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控制器TC的传递函数为调节阀的传递函数为测量变送环节的传递函数为因生产需要，出口物

8、料的设定温度从80提高到85 时，物料出口温度的稳态变化量为多少？系统的余差为多少？过程动态特性及建模（续）过程动态特性及建模（续） 19/79/597547514751sssssGsGsGsGsGsGsGsGmoVCoVC CT78. 2595C22. 278. 25解：系统的闭环函数为：由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 时，其输出稳态变化量。系统的余差约为。测量变送器和执行器与控制器测量变送器和执行器与控制器 -控制阀流量特性选择TC蒸汽凝液进料TspTmTG2G1, T1u(t)热平衡方程:2111)(GTTGC11121GGCGTKp控制通道静态增益:

9、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）且要求 若主要扰动为T1，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 ，所以 ，即应选择等百分比阀。 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。tConsKKPVtan 11GKP 1GKV 测量变送器和执行器与控制器（续）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？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：

10、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2：一生产过程，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）测量变送器和执行器与控制器（续）题3：一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？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

11、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

12、影响是无能为力的。测量变送器和执行器与控制器（续）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u0，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？u0的物理含义是什么？u0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。u0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）使得控制器不能够及时的得到被控参数的实际值，造成实际参数波动过大。从记

13、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。控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择选择TC进料出料燃料TTmTspRfu问题:如何选择控制阀的 “气开气关”？(1) 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 控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择（续）选择（续）精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，Pv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（尽可能在图上表明相应的

14、信号）。PC加热蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv控制器的控制器的“正反作用正反作用”选择（续）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。QiQo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，为了防止液体溢出，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

15、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象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？ 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

16、大倍数增大；时间常数变小，为维持原系统的稳定性不变，要做上述修改。把把副回路看做等效为副回路看做等效为1：1的环节也可不做修改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0200，后改为80 120 。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

17、益乘积为恒定。也可以比例度不动，增大积分时间。串级控制系统（续）题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 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。（1）当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组

18、成串级？画出系统结构图。-釜温变送器釜温变送器反反应应釜釜阀后水压变送器阀后水压变送器1阀后压力控阀后压力控制器制器釜温釜温控制控制器器控控制制阀阀夹夹套套釜 温 设釜 温 设定值定值-串级控制系统（续）（2）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。釜 温 控釜 温 控制器制器夹套水温控制夹套水温控制器器控控制制阀阀夹夹套套反反应应釜釜夹套温度变送器夹套温度变送器反应温度变送器反应温度变送器串级控制系统（续）题5 简述串级控制与串级均匀控制的异同点。 答：相同点：结构形式一样。具有副回路，能迅速克服进入副回路的干扰。 不同点：控制目的不同。串级控制是提高被控变量的控制

19、质量，使被控变量迅速回到给定值；而串级均匀控制的目的是使两个被控变量达到缓慢平稳的变化。串级控制系统（续）题6 下图为精溜塔的塔釜串级控制系统，请问是否有错？错在什么地方？应做如何改正？为什么？串级控制系统（续） 答：有错。图中主副变量选错了。应该用塔釜温度作为主变量，以进入再沸器的蒸汽流量为副变量。因为，图中精馏塔生产目的是得到一定纯度的塔底产品，而塔底产品与塔釜温度有直接的关系，因此应以塔釜温度为主变量；而调节进入再沸器的蒸汽流量可以改变塔釜温度。前馈控制系统题1 当控制系统的传递函数为： ， 。此时，动态前馈控制器能不能具体实现？为什么？1210)(1 . 0 sesGsp122)( s

20、sGd答：不能。sspdffeesssGsGsG1 . 01 . 0511012122)()()( 结果意味着为了计算控制变量的现时值需用扰动量的将来值，而扰动量的将来值是不可能得到的。题2 是否可用普通的PID控制器作为前馈控制器？为什么？)()()(sGsGsGpdff 与干扰通道和控制通道的传递函数都有关系，即不同的对象特性前馈控制器的形式不同。因此，不能用通用的PID控制器作为前馈控制器。答：不可以。因为前馈控制器的传递函数为前馈控制系统（续）题2 什么是前馈控制系统？前馈控制系统有什么特点？应用在什么场合？答：按扰动变化大小进行控制的系统称为前馈控制系统。前馈控制系统的主要特点有：（

21、1）前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效；（2）前馈控制是属于“开环”控制系统；（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置；（4）一种前馈作用只能克服一种干扰。前馈控制主要用于下列场合：（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（2）主要干扰是可测不可控的变量；（3）对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈-反馈控制系统，以提高控制质量。前馈控制系统（续）题3 前馈控制有哪几种主要形式？答：前馈控制的主要形式有单纯的前馈控制（又称简单前馈）和前馈-反馈控制两种。根据对干扰补偿形式的特点，又分静态前馈控

22、制和动态前馈控制。题4 什么叫不变性原理？ 答：不变性原理也称扰动补偿原理，它是前馈控制的理论基础。 所谓“不变性”是指控制系统的被控变量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关，即被控变量对干扰完全独立或基本独立。 一般，进入控制系统中的扰动都使被控变量发生偏离其给定值的变化。而前馈控制之所以能实现完全补偿是通过前馈控制器的校正作用来消除扰动对被控变量的影响的。这就是所谓的不变性原理。 前馈-反馈控制系统TCFCTCFC原油原油燃料油燃料油(a)(b)题1：有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似。试问如何来区分它们？试分析判断下图所示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。

23、 答案：图(a)是前馈-反馈控制系统，图(b)是串级控制系统。前馈-反馈控制系统有一个闭合回路，串级控制系统有两个闭合回路；前馈-反馈控制系统中的调节阀在定值控制系统中，第二个图中的调节阀在随动控制系统中。比值控制系统题1 比值控制中的比值与比值系数是否是一回事？其关系如何？答：不是一回事。 比值是指反应工艺要求的两个流量的体积流量或重量流量之比，一般用k表示。而比值系数是指设置于比值运算器或比值调节器的仪表参数，一般用k表示。 。k是k的函数，两者一般不相等。设计和运用比值控制系统时，必须把k折算成k。min1min2ZIZIk 题2 什么是变比值控制系统？答：变比值控制系统是相对于定比值控

24、制而言的。当要求两种物料的比值大小能灵活地随第三变量的需要而加以调整时，就要求设计比值不是恒定值的比值控制系统，称为变比值控制系统。比值控制系统（续）题3 比值控制系统的结构有几种？名称是什么？各自有什么特点？各自适宜的应用场合？ 答：有4种结构，分别是：开环比值系统、单闭环比值系统、双闭环比值系统、变比值系统。 开环比值系统：简单，但比值不精确，负荷变化大，适宜比值精度要求不高、允许负荷变化的场合。 单闭环比值系统：比值可以精确，但负荷变化大，适宜比值精度要求高、允许符合变化的场合。 双闭环比值系统：比值精确，负荷变化小，结构复杂。适宜比值精度高、且负荷变化小的场合。 变比值系统：可完成比值

25、的动态修正，满足复杂的工艺要求。结构复杂，用于要求变比值控制的场合。比值控制系统（续）比值控制系统（续）FCFCF1F2F1spF2sp题1 对于如左图所示的流量系统, 希望F2按比例跟踪F1的变化:21FKFK比值控制系统（续）比值控制系统（续）题2 有一单闭环比值控制系统如图所示，其比值用DDZ-型乘法器来实现（图中的测量仪表是线性仪表）。已知Q1max7000kgh，Q2max4000kgh。要求：（1）若已知I018mA，求该比值控制系统的k？比值系数K=？（2）待该比值系统稳定时，测得I110mA，试计算此时的I2=？ I2I2I0I1F1TFYQ1Q2FCF2T比值控制系统（续）比

26、值控制系统（续）875. 042041842040 IK5 . 070004000875. 0max1max2max2max1 QQKkQQkK（2）待系统稳定时，则 （1）mAIIIIIIK25. 941044444221212 比值控制系统（续）比值控制系统（续）题3 有一生产工艺要求A、B两物料流量比值维持在0.4。已知Qamax=3200kg/h，Qbmax=800kg/h，流量测量用孔板配差压变送器进行测量，并在变送器后加了开方器。试分析可否用乘法器组成的比值控制方案？如果一定要用乘法器，在系统结构上应做何处理？乘法器要求仪表系数1因为k=0.4=QB/QA；所以K=0.4*（320

27、0/1000）=1.28 1乘法器放到从动流量侧，k=QA/QB=1/0.4，K=k*（1000/3200）=2.5/3.2=0.78 满足系统要求分程控制系统题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V1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，并给出选取的理由；6）给出图中控制规律的选取。分程控制系统（续）答： 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要整定的最慢，FC最快。 阀门V1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) T1C：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