孙洪程版过程控制课后答案

1、第一章第一章 思考题及习题思考题及习题 1.1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 1.2如何选择控制变量? 答： 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。 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。 所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 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。 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 1.3控制器的比例度 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 Gc(s)=Kc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

3、度 成正比，即比例度越大，余差也就越大。 Kc增大、 减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。 1.4 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 Ti放在最大，微分时间 Td放在 最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使 由大往小逐渐改变，并在每改变一次 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， 应继续减小，当衰减比小于4：1时 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 s，及振荡周期 Ts。再按经验公式，可以算出采 用不同类型控

4、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 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 值，直到达到满意为止。 1.5图1.41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： 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。 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

5、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。 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。 1.6图1.42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： 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

6、用。 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。 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。 1.7单回路系统方块图如图1.43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 KC、KV、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。 0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。 Kf增加时，系统的余差也变大，即控制静态

7、质量变差。Tf增加时，控制过程的品质会提高。 f增加时，质量没有影响。 1.8有一如图1.44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 150250，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0.2 30=6，所以待系统稳定后，

8、槽内温度是206。 1.9在 u=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0.6min， 227， 即 =0.6min， 拐点为1.0min， 280， 即 T0=2.0min-0.6min=1.4 min， 设采用型仪表， 测量范围为100250， 所以， K0= u=/ P =50/(341.0-200.1)= 50/140.9=0.355 =(1.1K0 / T0) 100%=(1.1 0.355 0.6 1.4) 100%=32.8% Ti=3.3 =3.3 0.6=1.98 min

9、第二章思考题及习题第二章思考题及习题 2.1与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点? 答： 串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能， 而且还具有许多单回路控制系统所 没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1)串级控制系 统具有更高的工作频率；(2)串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3)串级控制系统具有一 定的自适应能力 2.2为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而 与其他环节无关? 答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有 主控制器、副回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副

10、回路可将它视为一 放大倍数为“正”的环节来看待。 这样， 只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个 主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即 SignG01(s)SignG02 (s)SignG m1(s)SignGc1(s)=-1就可以确定主控制器的正、反作用。实际 上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的， 再考虑副回路视为一放大倍数为“正” 的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大 倍数符号为“正”时， 主控制器应选“负”作用； 反之， 当主对象放大倍数符号为“负”时， 主控制器应选正作用。 2.4试证明串级控制系统中，当干扰作用在副环时，

11、只要主、副控制器其中之一有积分 作用就能保证主变量无余差。 而当干扰作用于主环时， 只有主控制器有积分作用时才能保证 主变量无余差。 答：从串级控制系统结构图中可以看出： 1.当干扰作用在副环时，副环在干扰下的输出可如下计算： 令 并假定 f(t)为单位阶跃干扰，则 F(s)=1/s，运用终值定理可得： 如果 GC2(s)=Kc2(Tis+1)/ Tis，即含有积分环节，则在上式分子上出现 Tis 项，y2()=0，即 干扰作用下主环也无余差。 如果 GC2(s) =Kc2， 则副环余差为 y2()=1/KVKm2Kc2， 此余差进入主环， 此时将副环等效成一个环节，G02(s) =1/Km2

12、，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余 差，如果主环控制器具有积分作用，y1()=0，反之 y1()0。 当干扰作用在主环时，副环等效成一个环节，G02(s) =1/Km2，用与上述副环余差计算一 样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1()=0，反之 y1()0。 2.7图2.21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 用夹套通冷却水来进行冷却， 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。 当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。 选择釜内温度为主

13、对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下 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。 选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下 对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。 答：从安全角度出发，上述两种方案均应选择气闭式控制阀。 副控制器：第一种方案下，当冷却水流量超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的 开度减小，即控制器输出增大，所以选正作用。第二种方案下，当入口温度超过给定值时， 其输入为正值，此时要求阀的开度增加，即控制器输出减小，所以选负作用。 主环控制器：两种方案下，当冷却水流量增加时，釜内温

14、度降低，因此 K01为负，应选 择正作用。 2.8图2.22为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求： 选择控制阀的开、闭形式。 答：根据安全要求，控制阀应选择气开式。 确定主、副控制器的正、反作用。 副控制器：当炉膛温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制 器输出减小，所以选负作用。主环控制器：当燃料气流量增加时，釜内温度升高，因此 K01 为正，应选择负作用。 在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开、闭形式及控制器 的正、反作用，分析该串级控制系统的工作过程。 答：在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，此时控制阀的开度还没有变化， 所以

15、燃料气流量增加，炉膛温度升高，测量变送的输出增加，副控制器的输入为正，副控制 器为负作用，输出减小，控制阀为气开式，所以开度减小，使燃料气流量下降。燃料气流量 增加，炉膛温度升高最终会使原油出口温度增加，测量变送的输出增加，主控制器的输入为 正，主控制器为负作用，输出减小，副控制器的给定值减小，促使副环控制器对燃料气流量 进一步调整。一直到原油出口温度回到给定值为止，控制阀处在一个新开度上。 2.9某干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料 的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。夹套通入的是经列管 式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和

16、蒸汽，流程如图2.23所示。要求： 如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么? 答： 应采用干燥器干燥温度与冷水流量串级控制系统， 因为要将主要干扰冷水流量包围 在副环内。 如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么? 答： 应采用干燥器干燥温度与蒸汽压力串级控制系统， 因为要将主要干扰蒸汽压力包围 在副环内。 如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案?为什么? 答： 应采用干燥器干燥温度与加热器出口热水温度串级控制系统， 副控制器的输出控制 蒸汽、冷水控制阀，副控制器为负作用，蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气闭式，主控 制器为负作用。 2.10某串级控

17、制系统采用两步法进行整定，测得4：1衰减过程的参数为：1s=8%， 2s=42%，T1s =120 s，T2s =8s。若该串级控制系统中主控制器采用 PID 规律，副控制器采用 P 规律。试求主、副控制器的参数值应是多少? 答： 1、副控制器参数：2 =2s =42% 2、主控制器参数：1=0.81s=0.8 8%=0.64% T1=0.3 T1s=0.3 120=36s Ti=0.3 T1s=0.1 120=12s 第三章思考题及习题第三章思考题及习题 3.1比值与比值系数的含义有什么不同?它们之间有什么关系? 答：比值 K 是工艺要求的流量比，定义为从动流量 F2与主动流量 F1之比，即

18、： K=从动流量/主动流量= F2/ F1 比值系数 K是仪表有效信号之比，定义为从动流量 F2的有效信号与主动流量 F1的有效 信号之比。如果用 I 来表示仪表的测量信号，则有： 流量比 K 与比值系数 K是两个不同的概念，不能混淆。 比值系数 K的大小与流量比 K 的值有关，也与变送器的量程有关，与负荷大小无关。 流量与测量信号之间有无非线性关 系对计算式有直接影响。线性关系时 K=K(F1max/ F2max)；非线性关系(平方根关系)时 K=K2(F1max/ F2max)2。 3.8一比值控制系统用 DDZ-型乘法器来进行比值运算(乘法器输出 I ，其中 I0与 I1分别为乘法器的两

19、个输入信号)，流量用孔板配差压变送器来测量，但没有 加开方器，如图3.24所示。己知 F1max=3600kg/h，F2max=2000kg/h，要求： (1)画出该比值控制系统方块图。 答：比值控制系统方块图如下 (2 )如果要求 F1：F2=2：1，应如何设置乘法器的设置值 I0? 答：没有加开方器，流量与测量信号成非线性关系，所以 K=K2(F1max/ F2max)2=0.52 （3600/2000）2=0.81 I0=16K+4=16 0.81+4=16.96mA 3.9某化学反应过程要求参与反应的 A、B 两物料保持 FA：FB=4：2.5的比例，两物料的 最大流量 FAmax=6

20、25m3/h，FBmax=290m3/h。通过观察发现 A、B 两物料流量因管线压力波动而经 常变化。根据上述情 况，要求： 设计一个比较合适的比值控制系统。 答：采用双闭环比值控制系统，使主副流量保持稳定，克服因管线压力波动而经常变化 带来的干扰，并保持比值关系，如下图所示。 计算该比值系统的比值系数 K。 答：设流量与测量信号成线性关系 K=K(F1max/ F2max)=(2.5/4) (625/290)=1.35 该比值系统中，比值系数应设置于何处?设置值应该是多少(假定采用 DDZ-型仪 表)? 答：该比值系统中，比值系数应设置于135%。设置值应该是1.35 选择该比值控制系统控制

21、阀的开闭形式及控制器的正、反作用。 答：选择两个控制阀为气开式，当流量增加时，测量值增加，控制器输入为正，此时要 求阀的开度减小，即控制器输出下降，所以两个控制器为反作用。 答：流量与测量信号成线性关系 K=K(F1max/ F2max)=(1/2) (12000/5000)=1.2 用 DDZ-型仪表来实现，信号为010mA， I0=10K =10 1.2=12 mA，所以，应在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器。 3.11有一个比值控制系统如图3.26所示。图中 K 为一系数。若已知 K=2，FAmax=300kg/h， FBmax=1000kg/h，试求 K=？K=?。 答：该

22、系统为用比值器组成的方案， K 为一系数且 K=2，即在副流量上串入了一个放 大倍数为2的比值器，副流量信号被放大了2倍，从图中可以看出此系统为流量比为2的比值 控制系统，即 K=2 K=K(F1max/ F2max)=2 (300/1000)=0.6 所以 K=2、K=0.6 3.12一个双闭环比值控制系统如图3.27所示。其比值用 DDZ-型乘法器来实现。已知 F1max=7000kg/h，F2max=4000kg/h。要求： 画出该系统方块图。 若已知 I0=18mA 求该比值系统的比值 K=?比值系数 K=? 待该比值系统稳定时，测 I1=l0mA，试计算此时 I2？ 答：方框图如下

23、I0=16K+4 18=16K+4 K=0.875 K=K(F1max/ F2max)= K (7000/4000)=0.875 K=0.5 比值系统稳定时，测 I1=l0mA， 由公式 得：K=( I2-4)/(10-4)，I2=l.25mA g/h。当系统稳定时，测 得 v1=4V，v2=3V，试计算该比值控制系统的比值系数 K=?，K=? v0=? 答：K=（v2-1）/（v1-1）=2/3=0.67 设流量与测量信号成线性关系 K=K(F1max/ F2max)= K (3600/ 2000) =(2/3) K= 0.37 根据比值控制要求，乘法器的 v1 与 v 1之间应具有下面的关

24、系： v1 -1=K(v 0-1) 再根据 可得：K=(v0-1)/4 v0=4 K+1=4 0.67+1=3.68 V 第四章第四章 思考题及习题思考题及习题 4.1均匀控制系统设置的目的是什么? 答： 均匀控制系统的名称来自系统所能完成的特殊控制任务， 它使前后设备在物料供求 上相互均匀、协调，统筹兼顾。 4.2均匀控制系统有些什么特点? 答：(1)结构上无特殊性 均匀控制是指控制目的而言， 而不是由控制系统的结构来决定的。 均匀控制系统在结构 上元任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式， 或者是一个双冲量控制系统的结构形式。 (2)参数应变化，而且应是

25、缓慢地变化 因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀， 所以表征这两个物料的参数都不应为某 一固定的数值,两个参数都变化，且变化比较缓慢。那种试图把两个参数都稳定不变的想法 是不能实现的。 (3)参数应限定在允许范围内变化 第五章思考题及习题第五章思考题及习题 5.1前馈控制与反馈控制各有什么特点? 答：(1)前馈控制克服干扰比反馈控制及时 前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的， 如控制作用恰到好处， 一般比反馈控制要 及时。基于这个特点，可把前馈控制与反馈控制作如下比较： (2)前馈控制属于“开环”控制系统 反馈控制系统是一个“闭环”控制系统， 而前馈控制是一个“开环”控制系统。 反馈控

26、制由于是闭环系统， 控制结果能够通过反馈获得检验， 而前馈控制的效果并不通过反馈加以 检验， 因此前馈控制对被控对象的特性掌握必须比反馈控制清楚， 才能得到一个较合造的前 馈控制作用。 (3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器， 一般的反馈控制系统均采用通用类型的 PID 控制器，而前馈控制器是专用控制器，对 于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的。 (4)一种前馈控制作用只能克服一种干扰 由于前馈控制作用是按干扰进行工作的， 而且整个系统是开环的， 因此根据一种干扰设 置的前馈控制只能克服这一干扰，而对于其他干扰，由于这个前馈控制器无法感受到，也就 无能为力了。 而反馈控制

27、只用一个控制回路就可克服多个干扰， 所以说这一点也是前馈控制 系统的一个弱点。 5.3前馈-反馈控制具有哪些优点? 答： ，前馈-反馈控制系统的优点在于： 由于增加了反馈控制回路，大大简化了原有前馈控制系统。只需对主要的干扰进行 前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用 型模型创造了条件. 负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的 自适应能力。 5.11某前馈-串级控制系统如图5.28所示。 已知： GC1(s)= GC2(s)=9； G01(s)=3/(2s+1)； Gv(s)=2； G

28、02(s)=2/(2s+1)；Gm1(s)= Gm2(s)=1：GPD(s)=0.5/(2s+1)。要求：绘出该系统方块图。 计算前馈控制器的数学模型。 假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正、反作用。 答： 系统方块图如下： 前馈控制器的数学模型为： 假定控制阀为气开式 副回路中控制阀符号为正，当阀门开度增加时，蒸汽流量增加，所以副对象符号为正， 测变环节为正，所以副控制器为负作用。主回路中当蒸汽流量增加时，出口温度上升，主对 象为正，所以主控制器为负作用。 5.12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，试问如何区 分它们? 试分析判断图52.9所示的两个系统各属于什

29、么系统?说明其理由。 答：串级控制是由内、外两个反馈回路所组成，而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和 另一个开环的补偿回路叠加而成。串级控制中的副参数与前馈-反馈控制中的前馈输入量是 两个截然不同的概念。 前者是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量， 控制作用对它产 生明显的调节效果； 而后者是对主被控变量有显著影响的干扰量， 是完全不受控制作用约束 的独立变量。 (b)图为串级控制系统，因为它由内、外两个反馈回路所组成，其副参数是串级控制系 统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果。 (a)图为静态前馈-反馈控制系统，因为原油的流量是对主被控变量温度有显著影响 的干扰量，

30、是完全不受控制作用约束的独立变量。 第六章思考题及习题第六章思考题及习题 6.1在选择性控制系统中，选择器的类型是如何确定的? 答：选择器的类型可以根据生产处于非正常情况下控制器的输出信号高、低来确定。如 果在这种情况下它的输出为高信号，则应选高选器；如果在这种情况下它的输出为低信号， 则应选低选器。 6.2何谓积分饱和?它有什么危害性? 答：一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存 在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加(当控制器为正作用且偏差为 正时)或不断减小(当偏差为负时)，一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱 和”。 由于积

31、分饱和的影响， 造成了控制阀的工作“死区”， 使控制阀不能及时地发挥控制作 用，因而导致控制品质的恶化，甚至还会导致发生事故。 6.5图6.15所示为一锅炉燃烧系统的产气量与燃料管线压力选择性控制系统。 其中燃料压 力控制是为了防止压力过高产生“脱火”事故而设置的， 蒸汽流量控制则是根据用户所需蒸 汽量而设置的。假设系统中所选控制阀为气闭阀，试分析确定各控制器的正、反作用及选择 器的类型。并简要说明该系统的工作原理。 答：所选控制阀为气闭阀，蒸汽流量增加时，FC 输入增加，此时要求控制阀开度加大， 即 FC 输出减小，所以 FC 为正作用；当燃料压力超过设定值时，PC 输入为正，要求 PC 通

32、 过选择器使控制阀开度减小，即 PC 的输出为高信号，所以 PC 选择正作用，选择器为高选 器。 在正常情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力(即低于给定值)，PC 感受到的是负偏 差，它的输出呈现为低信号(因为 PC 为正作用、窄比例控制器)，与此同时 FC 的输出信号 相对来说则呈现为高信号。这样，高选选器 HS 将选中 PC 的输出送往控制阀，构成蒸汽流 量控制系统。 当燃料气压力上升到超过 PC 的给定值(脱火压力)时，PC 感受到的是正偏差，由于它是 正作用、窄比例，因此 PC 的输出一下升为高信号，于是高选器 HS 就改选 PC 的输出送往 控制阀， 构成燃料气压力控制系统， 从而防

33、止燃料气压力的上升， 达到防止产生脱火的目的。 待燃料气压力下降到低于给定值时， PC 输出又迅速降为低信号， 而蒸汽压力控制器 FC 输出相对而言又成为高信号，被高选器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。 第七章第七章 思考题及习题思考题及习题 7.3在分程控制系统中，什么情况下需选用同向动作控制阀，什么情况下需选用反向动 作的控制阀? 答：当分程控制系统用于扩大控制阀的可调范围，改善系统品质时，需选用同向动作控 制阀。当分程控制系统用于满足某些工艺操作的特殊需要时，需选用同反动作控制阀。 7.7图7.23为某管式加热炉原油出口温度分程控制系统。 两分程阀分别设置在瓦斯气和燃 料油

34、管线上。工艺要求优先使用瓦斯气供热，只有当瓦斯气量不足以提供所需热量时，才打 开燃料油控制阀作为补充。 根据上述要求试确定： A、B 两控制阀的开闭形式及每个阀的工作信号段(假定分程点为0.06MPa)。 答：根据安全要求，A、B 两个阀门应选择气开式；(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06 200=12， 所以 A 阀工作信号段为412mA，B 阀工作信号段为1220mA。 确定控制器的正、反作用。 A 阀为气开式，其符号为“+”，A 阀开度加大即瓦斯气流量增大，温度升高，对象符 号为“+”；所以控制器为反作用。 画出该系统的方块图，并简述该系统的工作原理。 答：系统的方块图如

35、下。 工作原理：当瓦斯气量足以提供所需热量时，温度由于某种原因低于设定值，则 TC 的 输入下降，由于 TC 为反作用，所以输出增加，但不会超过12mA，A 阀开度加大，增加瓦 斯气供应量，使温度回升。当瓦斯气供应不足以维持出口温度时，TC 的输入为负，输出增 加超过12mA，此时 A 阀全开，B 阀由全闭开始打开，提供燃料油，使温度回升到设定值。 7.7图7.8某生产工艺有一个脱水工序，用95%浓度的酒精按卡拉胶与酒精之比为1：6的 比例加入到卡拉胶中，以脱除卡拉胶中所含的一部分水分，工艺流程如图7.24所示。酒精来 源有两个：一为酒精回收工序所得；一为新鲜酒精。工艺要求尽量使用回收酒精，只

36、有在回 收酒精量不足时，才允许添加新鲜酒精给予补充。根据上述情况应采用何种控制方式为好? 画出系统的结构图与方块图。选择系统中控制阀的开、闭形式，控制阀的工作信号及控制器 的正、反作用。 答：酒精与卡拉胶之间的流量采用比值控制系统，酒精流量采用分程控制系统，用 A 控制阀控制回收酒精流量，B 控制阀控制新鲜酒精流量。 系统的结构图与方块图如下所示： A、B 两阀均选择气开式，A 阀工作信号段为412mA，B 阀工作信号段为1220mA。 A 阀为气开式，其符号为“+”，A 阀开度加大即回收酒精流量增大，总流量增加，对象符 号为“+”；所以控制器为反作用。 7.9图7.25所示为甲烷化反应器(D

37、C-301)入口温度分程控制系统。 它利用反应生成物经换 热器 EA-302对进反应器的物料进行预热，如入口温度仍达不到要求，则进一步通过蒸汽换 热器 EA-301进一步预热。 两分程阀分别设置在换热器 EA-302的旁路和蒸汽管线上， 如图7.25 所示。试确定各控制阀的开闭形式、工作信号段(设分程点为0.06MPa)及控制器的正、反作 用。 答：B 阀选择气闭式，A 阀选择气开式。(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06 200=12，所以 A 阀工作信号段为1220mA，B 阀工作信号段为412mA。B 阀为气闭式，其符号为“-”， B 阀开度加大即旁路流量增加，入口温度下降

38、，所以对象符号为“-”，所以控制器选择反 作用。 7.10图7.26为一燃料气混合罐(EA-703)压力分程控制系统。正常时调出界区的甲烷流量 控制阀A， 当罐内压力降低到A 阀全关仍不能使其回升时， 则开大来自燃料气发生罐(EA-704) 的出口管线控制阀 B。 试分析该系统中各控制阀的开闭形式、 阀上的信号段以及控制器的正、 反作用。 答： A、 B 两阀均选择气开式， A 阀工作信号段为412mA， B 阀工作信号段为1220mA。 A 阀为气开式，其符号为“+”，A 阀开度加大即出界区的甲烷流量增大，罐内压力下降， 对象符号为“-”；所以控制器为正作用。 7.11某反应过程要求反应物入

39、口温度必须预热到所要求的温度，因此在反应物进入反应 器之前经蒸汽换热器与蒸汽进行换热，其工艺流程图如图7.27所示。假定该反应过程对入口 温度要求很严，而蒸汽换热由于时间常数比较大，控制很不及时，那么你认为应该设计何种 控制方案为好?画出系统的结构图与方块图， 选择控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用， 并说明该系统的工作原理。 答：采用分程控制系统，系统的结构图与方块图如下图所示： 从安全角度出发，A 阀应选气开式，B 阀应选气闭式。B 阀气闭式，其符号为“-”，B 阀开度加大，入口温度降低，其对象符号为“-”，TC 选择反作用，其符号为“-”，A 阀 气开式，其符号为“+”，A 阀开度加大

40、，入口温度升高，其对象符号为“+”，VPC 选择 正作用。 系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值 R，控制阀 VA处于某一开度，控制 阀 VB处于阀位控制器 VPC 所设置的小开度。当系统受到外界干扰使入口温度上升时，温度 控制器的输出将减小，这一减小的信号送往两处：其一去 VB；其二去 VPC。送往 VB的信号 将使 VB开度增大，这会将原油出口温度拉下来；送往 VPC 的信号是作为后者的测量值，在 r 不变的情况下，测量值减小，VPC 的输出将减小，VA的开度将减小，燃料量则随之减少， 入口温度也将因此而下降。这样 VA、VB两只控制阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减 低。随着入

41、口温度上升趋势的下降，TC 输出逐渐增加，于是阀 VB的开度逐渐减小，阀 VA 的开度逐渐加大。这一过程一直进行到温度控制器 TC 及阀位控制器 VPC 的偏差都等于零 时为止。温度控制器偏差等于零，意味着入口温度等于给定值，阀位控制器偏差等于零，意 味着控制阀 VB的阀压与阀位控制器 VPC 的设定值 r 相等， 而 VB的开度与阀压是有着一一对 应的关系的，也就是说阀 VB最终会回到设定值 r 所对应的开度。 7.12某放热化学反应器温度阀位控制系统如图7.28所示。为了控制反应温度，必须及时 移走反应所产生的热量。图中采用两项措施：其一是在夹套通以冷却水；其二是将反应物从 釜中抽出，与冷

42、冻盐水换热后再送回釜中。显然，第二项措施反应较快，滞后较小，有良好 的动态性能，但是用冷冻盐水代价太高，不经济。因此，正常情况盐水控制阀只打开一个很 小的开度(由设置值 r 决定)。要求： 确定两控制阀的开、闭形式。 答：从安全角度出发 A、B 阀应选闭开式。 确定各控制器的正、反作用。 答：A 阀气闭式，其符号为“-”，A 阀开度加大，釜内温度降低，其对象符号为“-”， TC 选择反作用，其符号为“-”，B 阀气闭式，其符号为“-”，B 阀开度加大，釜内温度 降低，其对象符号为“-”，VPC 选择正作用。 分析一下该系统的工作过程。 系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值 R，控制阀

43、VB处于某一开度，控制 阀 VA处于阀位控制器 VPC 所设置的小开度。当系统受到干扰使釜内温度上升时，温度控制 器的输出将减小，这一减小的信号送往两处：其一去 VA；其二去 VPC。送往 VA的信号将使 VA开度增大，这会将釜内温度拉下来；送往 VPC 的信号是作为后者的测量值，在 r 不变的 情况下，测量值减小，VPC 的输出将减小，VB的开度将增大，冷水量则随之增加，釜内温 度也将因此而下降。这样 VA、VB两只控制阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减低。随 着釜内温度上升趋势的下降，TC 输出逐渐增加，于是阀 VA的开度逐渐减小，阀 VB的开度逐 渐加大。这一过程一直进行到温度控制器

44、TC 及阀位控制器 VPC 的偏差都等于零时为止。 温度控制器偏差等于零，意味着釜内温度等于给定值，阀位控制器偏差等于零，意味着控制 阀 VA的阀压与阀位控制器 VPC 的设定值 r 相等， 而 VA的开度与阀压是有着一一对应的关系 的，也就是说阀 VA最终会回到设定值 r 所对应的开度。 第八章思考题及习题第八章思考题及习题 8.1什么是非线性控制系统? 答：非线性控制系统的控制规律不是线性的，可以分为两类：一类过程是线性的(或近 似按线性处理)，为了满足控制系统的某种要求或改善控制系统质量而引入非线性的控制规 律；另一类过程本身是非线性的，引入非线性的补偿元件或控制规律，以达到系统规定的控

45、 制指标。 8.4列出几种与 PID 控制器结合提高非线性控制能力的人工智能方法，它们是如何与常 规 PID 控制器相结合的? 答：(1)模糊 PID 控制 模糊 PID 控制是利用当前的控制偏差和偏差，结合被控过程动态特性的变化，以及针 对具体过程的实际经验，根据一定的控制要求或目标函数，通过模糊规则推理，对 PID 控 制器的三个参数进行在线调整。 (2)专家 PID 控制 专家系统是一个具有大量专门知识和经验的计算机程序系统， 其内部具有某个领域中大 量专家水平的专门知识、 经验和技巧， 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该 领域的问题。专家 PID 控制 采用规则 PID 控

46、制形式，通过对系统误差和系统输出的识别，了解被控对象过程动态特性 的变化，在线调整 PID 的三个参数，直到过程的响应曲线为某种最佳响应曲线。它是一种 基于启发式规则推理的自适应技术，其目的就是为了应付过程中出现的不确定性。 (3)神经网络 PID 控制 神经网络，又称人工神经网络，就是将人工神经元按某种方式联结组成的网络，用于模 拟人脑神经元活动的过程，实现对信息的加工、处理、存储等。神经网络有前向网络(前馈 网络)、反馈网络等网络结构形式。基于神经网络的 PID 控制即可以用神经网络来整定 PID 的参数，也可以用神经网络直接作为控制器，通过训练神经网络的权系数间接地调整 PID 参数。

47、第九章第九章 思考题及习题思考题及习题 第十章第十章 思考题及习题思考题及习题 10.1何谓系统关联?如何进行表示? 答：系统关联就是系统之间彼此互相有影响。利用回路相对增益来表示。 10.12在所有回路都开环时，某一过程的开环增益矩阵为 试推导出相对增益矩阵 A，并选出最好的控制回路。分析此过程是否需要解耦? 答： 由传递矩阵可知 Y1 (s )=0.58U1(s)-0.36 U2(s) -0.36 U3(s) Y2 (s )= 0.73U1(s)-0.61U2(s) Y3 (s )=U1(s)+ U2(s) +U3(s) 当除 U1Y1回路闭合，其它回路都开环时 静态增益为0.58 其它回

48、路都闭环，即 Y2 (s )、Y3 (s )保持不变时，U2(s)=1.197 U1(s)，U3(s)= -2.197 U1(s) 静态增益为0.58-1.197 0.36+2.197 0.360.94 11=0.58/0.940.62 当除 U2Y1回路闭合，其它回路都开环时 静态增益为-0.36 其它回路都闭环，即 Y2 (s )、Y3 (s )保持不变时，U1 (s)=0.84 U 2 (s)，U3(s)=-1.84 U 2 (s) 静态增益为0.58 0.84-0.36+1.84 0.360.79 12=-0.368/0.79-0.46 当除 U1Y2回路闭合，其它回路都开环时 静态增

49、益为-0.61 其它回路都闭环，即 Y2 (s )、Y3 (s )保持不变时，U1 (s)=0，U3(s)=-0 静态增益为-0.619 21=-0.61/-0.61=1 同理 22=1 所以，增益矩阵为 最好的控制回路有 U1Y2、U3Y1、U3Y3 此过程不需要解耦 第十五章第十五章 思考题及习题思考题及习题 15.1离心泵流量控制方案有哪几种形式? 答：离心泵流量控制方案有：直接节流法、改变泵的转速 n、改变旁路回流量 15.4何谓离心式压缩机的喘振?喘振产生的原因是什么? 答：离心式压缩机在运行过程中，当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏， 气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生

50、强烈振荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。 此时可看到气体出口压力表、流量表的指示大幅度波动。随之，机身也会剧烈振动，并带动 出口管道、厂房振动，压缩机将会发出周期性间断的吼响声。如不及时采取措施，将使压缩 机遭到严重破坏，这种现象就是离心式压缩机的喘振，或称飞动。 喘振是由离心式压缩机的固有特性特性曲线呈驼峰型而引起的。 正由于特性曲线极 值点的存在，一旦工艺负荷下降，使工作点移入极值点左侧，成为不稳定的工作点。此时， 系统稍有扰动，就不能稳定下来，出现气体排量强烈振荡而引起的喘振现象。引起离心式压 缩机喘振的直接原因是负荷的下降，使工作流量 Q1小于极限流量 QP，从而工作点进入到喘 振区内。除此以外，还有一些工艺上的原因，也容易使工作点靠近或进入喘振区，引起压缩 机的喘振，如压缩机气体的吸入状态的变化，使特性曲线发生变化，从而工作点有可能靠近 或进入喘振区；管网阻力的变化使管路特性发生变化，工作点也有可能进入喘振区。 15.5防喘振控制方案有哪些? 常用的控制方案有固定极限流量法和可变极限流量法两种。 第十六章第十六章 思考题及习题思考题及习题 16.1对传热设备来说，它是通过对传热量的调节来达到控制温度的目的。那么，调节传 热量究竟有哪些途径? 答：从传热定理可知，热