过程控制系统（第3版）参考答案

第1章衰减比用于衡量控制系统的稳定性，回复时间用于描述控制系统的快速性，最大偏差和超调量则反映了系统的动态精确度(即准确性)和稳定性，它们都是描述系拐点B作切线(可用逼近法来完成),与稳态值y(一)交于A点，与横坐标交于C点，则线段AC在时间轴上的投影即为过程的等效时间及一个无纯滞后单容(一阶)过程的动态特性高阶自衡非振荡过程的特性比较复杂，在描述时可近12.(略)13.在过程的阶跃响应曲线上，用逐步逼近的方法通14.该水位控制系统中，被控变量：水箱水位，操纵变量：进水流量；主要扰动量：出在原稳定状态下，若出水流量(扰动量)增大，则液位随之降低，浮球下降，连杆以右当锥阀下降到进水流量与出水流量相等时，水位不再降低，重新稳定在一个低于原15.(略)常规控制器的基本控制规律有比例控制(P)、积分控制(I)和微分控制(D)。17.虽然积分作用能够消除余差，但在偏差刚出现时，控制作用是随着时间的积累微分控制作用的强弱用微分时间To来表示。Tp越大，表示微分作用越强。选取适当4244十 H₂(s)H₂(s)十G十十22.假定X(s)=0,原结构图可变为：53十8所以有：解得：1～4.(略)5.过程控制通道的放大系数Ko越大，则余差和最大偏差越小，控制作用增强，克服扰动的能力也越强，但系统的稳定性变差。为兼顾稳定性，Ko应适当地大一些。随着控制通道时间常数To的减小，系统的工作频率会提高，控制就较为及时，过渡过程也会缩短，控制质量将获得提高。然而也不是控制通道的时间常数越小越好。因为时间常数太小，系统工作过于频繁，系统将变得过于灵敏，反而会使系统的稳定性下降，系统质量变差。因此，在保证系统稳定性要求的前提下，To应适当小一些。6～12.(略)13.答：①影响物料出口温度的主要因素有：蒸汽流量和压力，物流的流量、初温、成②依控制要求，应选物料出口温度这一直接参数作被控变量。在①所述的因素中，物料的流量是生产负荷，不宜作为操物料纵变量，其初温和成份是不可控因素；蒸汽流量对出口温蒸汽度的影响最为有效，工艺上也允许调节，故应选择蒸汽进③如果物料温度过高时会分解，则应选气开阀。系统故障时，气开阀因失气而处于全关状态，关闭蒸汽供应，使物料温④如果物料在温度过低时会凝结，则应选择气关阀。一旦系统故障，气关阀因失气而处于全开状态，较大的蒸汽流量能保障温度不至过低。14.答：①锅炉汽包液位控制系统的方框图如下：②因工艺要求锅炉不能烧干，则当系统故障时须保证进水供应，控制阀应处于全开状态，因此应选择气关阀。③当进水流量增大时，汽包水位升高，即汽包对象的作用符号为“+”;气关形式的给水阀记为“-”。根据控制器正、反作用方式的选择判别式：(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”④当炉膛温度升高导致蒸汽蒸发量增加时，锅炉汽包水位下降，液位小，控制器的输入偏差亦减小，控制器输出减小，使气关形式的进水控制阀开度增②因精馏塔的温度不能太高，故当系统故障时应关闭蒸汽供应，应选③当蒸汽流量增大时，塔釜温度升高，即被控对象的作用符号为“+”(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”④当外界扰动使精馏塔塔釜温度升高时，塔釜温度的测量值增大，控增大，反作用控制器输出减小，致使蒸汽气开阀关小，减小了进入再沸器的蒸汽流16.答：①因工艺上不允许塔釜液体被抽空，因此当系统故障时出料控制阀应处于全关②当出料流量增大时，塔釜液位下降，即被控对象的作用符号为“-”(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”②当蒸汽流量增大时，反应器温度升高，即被控对象的作用符号为“+(控制器士)×(执行器土)×(被控过程士)=“-”18.答：①因工艺要求物料温度不能过高，否则容易分解，则应选气开形式的加热剂控(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”②因工艺要求物料温度不能太低，否则容易结晶，则冷剂控制阀应选(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”19.答：①因严禁储槽内液体溢出，则系统故障时应停止进料，控制阀应为气开式。(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”20～28.(略)29.比例度和积分时间均应减小。30～31.(略)32.答：①因工艺要求物料出口温度保持在(200±2)℃,则选物料出口温度为被控变影响出口温度的主要因素有：加热剂流量、压力及温度；物料入口温度、流量及成份，其中物料流量是生产负荷，不宜选做操纵变量。而加热剂流量是允许调节的，且对出口温度影响显著,故选作操纵变量。②该控制系统流程图见图2.64(a),方框图如下：③正常的出口温度应在(200±2)℃范围内，测温元件选用铂热电阻，分度号Pt100;④若工艺要求换热器内的温度不能过高，则当系统故障时应关闭加热剂进口控制阀，(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”⑤因对出口温度控制要求较高，控制器的参数整定不宜选择临界比例度法，可选择衰1～4.(略)5.答：影响加热炉出口温度的主要因素有：燃料流量、压力、热值的波动；烟囱抽力的波动；被加热原料的流量波动和成份、初温的变化。其中被加热原料的流量为①如果扰动主要来自于燃料流量的波动，则应以燃料流量为副变量和操纵变量，构成出该串级控制系统的控制流程图如图3.12所示。方框图如下：②如果扰动主要来自于被加热原料流量的波动，因原料流量是生产负影响出口温度，不宜作为操纵变量，则应以炉膛温度为副变量、以燃料流量为操纵象的动态特性、提高系统工作频率的特点，有效克服原料流量的波动对出口温度的其控制流程图和控制系统方框图分别如图3.2、图3.3所示。6.答：串级控制系统由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力；由于副回路的存在改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率，所以控制质量比较高；此外副回路的快速随动特性使串级控制系统对负荷的变化具有一定的自适应能力。因此对于控制质量要求较高、扰动大、滞后时间长的过程，当采用简单控7.(略)8.答：原则上，所选串级控制系统的副变量，应使主、副对象的时间常数之比在3～109～11.(略)加热蒸汽的压力、流量均可作为副变量。其压力的波动势必会引蒸汽压加温度对象出口温度压力控制器温度控制器温度对象流量变送器温度变送器温度控制器流量控制器控制阀副控制器的正反作用应满足：(副控制器士)×(控制阀士)×(副对象士)=“-”。副温度控制器流副控制器：副回路是流量控制回路，副对象作用符号为“+路判别式：(副控制器士)×(控制阀士)×(副对象士)=“-”,副控制器为反作用④当蒸汽压力突然增大时，首先引起蒸汽流量增大，副测量值亦随之增大，副控制器输出减小，使气开式控制阀的开度减小，蒸汽流量亦随之减小。通过副回路的快速⑤当冷物料流量突然加大时，直接影响出口温度(主变量),使其降低。主测量值减小，式的控制阀开度增大，蒸汽流量亦随之增加，从而使出口温度升高，向主设定值靠16～18.(略)19.答：副控制器采用P控制规律，则δ₂=δ₂s=42%;主控制器采用PID控制规律，则：δ₁=0.88s=0.8?75%60%,20.答：副控制器采用P控制规律，则δ₂=δ₂s=42%;X(s)X(s)1～4.(略)5.答：可以选择右图所示的前馈-反馈控制方案。料量F₂,以保持总进料流量(F₁+F₂)的稳定。出口温度控制器(主控制器):当副变量(燃料油流量)增加时，出口温度升高，因此燃料油流量控制器(副控制器):因副回路为流量控制回路，则副气开阀为“+”,依据副回路判别式：(副控制器士)×(控制阀士)×(副对象士)=1～2.(略)。3.解：工程上对氨氧化炉的实际控制方案是：采用以空气流量为主动量，氨气流量为从动量的比值控制方案。则F₁=20000m³/h,F₂=2000m³/h,F¹max=25000m³/h,①若流量与测量信号成线性关系，则②若流量与测量信号成非线性关系，则4.解：本题中，自来水流量为主动量F₁,氯气流量是从动量F₂,采用单闭环比值控制5.解：由题意，可采用图5.4所示的双闭环比值控制方案，甲流量为主动量，乙流量为①当被测流量与测量信号分别成非线性关系时由于仪表比值系数K′大于1,因此需在从动量的测量回路中串入一个比例系数约为0.5因K′值太小，致使从动流量F₂控制器的设定值K'I₁也必然很小，仪表的量程不能充分③比值系数K′的计算式只取决于流量与测量信号之间是否成线性关系，而与仪表的信号范围无关，其K′值8～9.(略)。1～10.(略)1～3.(略)4.答：选用气关式控制阀。在系统故障或控制阀失气的情况下，位于压缩机至吸入罐传输管道中的控制阀处于全开状态，以避免吸入罐因压力过低被吸瘪、以及压缩机替代(压力)控制回路：当吸入罐进气流量增大时，吸入罐压力随之增大，压力被控对象作用符号为“+”;气关阀符号为“-”,根据单回路控制系统的控制器正、反作用方式判别式：(控制器士)×(执行器士)×(被控过程士)=“-”,压力控制器应为正常(流量)控制回路：当吸入罐进气流量增大时，吸入罐压力增大，从而使得吸入罐出气流量增大，流量被控对象作用符号为“+”;同理可得，流量控制器也为正作用5～6.(略)7.答：①此工况生产负荷(物料流量)比较稳定，但蒸汽压力波动较大，可以采用工艺介质出口温度与蒸汽流量或蒸汽压力组成的串级控制系统(若采用出口温度与蒸框图略)蒸汽②在蒸汽压力比较平稳，但物料流量F(生产负荷)波动较大的工况下，因生产负荷是见图4.2(a)。③在物料流量