1、過程控制工程第一章 單回路控制系統1.1 何謂控制通道？何謂干擾通道？它們的特性對控制系統質量有什么影響？控制通道是指操縱變量與被控變量之間的信號聯系；干擾通道是指干擾作用與被控變量之間的信號聯系。（1） 控制通道特性對系統控制質量的影響：（從K、T、三方面）控制通道靜態放大倍數越大，系統靈敏度越高，余差越小。但隨著靜態放大倍數的增大，系統的穩定性變差。控制通道時間常數越大，經過的容量數越多，系統的工作頻率越低，控制越不及時，過渡過程時間越長，系統的質量越低，但也不是越小越好，太小會使系統的穩定性下降，因此應該適當小一些?？刂仆ǖ兰儨蟮拇嬖诓粌H使系統控制不及時，使動態偏差增大，而且還還會使系

2、統的穩定性降低。（2） 干擾通道特性對系統控制質量的影響：（從K、T、三方面） 干擾通道放大倍數越大，系統的余差也越大，即控制質量越差。干擾通道時間常數越大，階數越高，或者說干擾進入系統的位置越遠離被控變量測量點而靠近控制閥，干擾對被控變量的影響越小，系統的質量則越高。干擾通道有無純滯后對質量無影響，不同的只是干擾對被控變量的影響向后推遲一個純滯后時間0。1.2 如何選擇操縱變量？1）考慮工藝的合理性和可實現性；2）控制通道靜態放大倍數大于干擾通道靜態放大倍數；3）控制通道時間常數應適當小一些為好，但不易過小，一般要求小于干擾通道時間常數。干擾動通道時間常數越大越好，階數越高越好。4）控制通道

3、純滯后越小越好。1.3 控制器的比例度變化對控制系統的控制精度有何影響？對控制系統的動態質量有何影響？比例度越小，系統靈敏度越高，余差越小。隨著減小，系統的穩定性下降。1.5圖1-42為一蒸汽加熱設備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。試問： 影響物料出口溫度的主要因素有哪些？ 如果要設計一溫度控制系統，你認為被控變量與操縱變量應選誰？為什么？ 如果物料在溫度過低時會凝結，應如何選擇控制閥的開閉形式及控制器的正反作用？答： 影響物料出口溫度的因素主要有蒸汽的流量和溫度、攪拌器的攪拌速度、物料的流量和入口溫度。 被控變量應選擇物料的出口溫度，操縱變量應選擇蒸汽流量。物料的出口溫度是工藝要求的直

4、接質量指標，測試技術成熟、成本低，應當選作被控變量?？蛇x作操縱變量的因數有兩個：蒸汽流量、物料流量。后者工藝不合理，因而只能選蒸汽流量作為操縱變量。 控制閥應選擇氣關閥，控制器選擇正作用。1.6 圖1-43為熱交換器出口溫度控制系統，要求確定在下面不同情況下控制閥的開閉形式及控制器的正反作用： 被加熱物料在溫度過高時會發生分解、自聚； 被加熱物料在溫度過低時會發生凝結； 如果操縱變量為冷卻水流量，該地區最低溫度在0以下，如何防止熱交換器被凍壞。答： 控制閥選氣關閥，選反作用控制器。 控制閥選氣開閥，選正作用控制器。 控制閥選氣關閥，選反作用控制器。1.7 單回路系統方塊圖如圖1-44所示。試問

5、當系統中某組成環節的參數發生變化時，系統質量會有何變化？為什么？（1）若T0增大； （2）若0增大； （3）若Tf增大； （4）若f增大。答：（1）T0 增大，控制通道時間常數增大，會使系統的工作頻率降低，控制質量變差；（2）0 增大，控制通道的純滯后時間增大，會使系統控制不及時，動態偏差增大，過渡過程時間加長。（3）Tf 增大，超調量縮小1/Tf倍，有利于提高控制系統質量；（4）f 增大對系統質量無影響，當有純滯后時，干擾對被控變量的影響向后推遲了一個純滯后時間f 。第二章 串級控制系統21 與單回路系統相比，串級控制系統有些什么特點？(1) 串級系統由于副回路的存在, 使等效副對象時間常數

6、減小，改善了對象的特性,使系統工作頻率提高。(2) 串級控制系統有較強的抗干擾能力，特別是干擾作用于副環的情況下,系統的抗干擾能力會更強。(3) 串級系統具有一定的自適應能力。22 為什么說串級控制系統主控制器的正、反作用方式只取決于主對象放大倍數的符號，而與其他環節無關？ 主環內包括有主控制器,副回路,主對象和主變送器.而副回路可視為一放大倍數為“1”的環節,主變送器放大倍數一般為正,所以主控制器的正反作用只取決于主對象放大倍數的符號。如果主對象放大倍數的符號為正,則主控制器為反作用,反之, 則主控制器為正作用。25 試說明為什么整個副環可視為一放大倍數為正的環節來看？ 副回路所起的作用是使

7、副變量根據主調節器輸出進行控制，是一隨動系統。因此整個副回路可視為一放大倍數為正的環節來看。26 試說明在整個串級控制系統中主、副控制器之一的正、反作用方式選錯會造成怎樣的危害？當主、副控制器有一個正反作用方式選錯時,就會造成系統的主回路或副回路按正反饋控制,當被控變量出現偏差時,系統不僅不向著消除偏差的方向校正,反而使被控變量遠離給定值。27 圖2-20所示的反應釜內進行的是化學放熱反應，而釜內溫度過高會發生事故，因此采用夾套通冷卻水來進行冷卻，以帶走反應過程中所產生的熱量。由于工藝對該反應溫度控制精度要求很高，單回路滿足不了要求，需用串級控制。 當冷卻水壓力波動是主要干擾時，應怎樣組成串級

8、？畫出系統結構圖。當冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應怎樣組成串級？畫出系統結構圖。 對以上兩種不同控制方案選擇控制閥的氣開、氣關形式及主、副控制器的正、反作用方式。(1)選冷水流量為副變量,釜內溫度為主變量組成串級系統.(2)夾套溫度為副變量,釜內溫度為主變量組成串級系統.28 圖2-21為一管式爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統。要求： 選擇閥的開閉形式？ 確定主、副控制器的正、反作用方式？ 在系統穩定的情況下，如果燃料壓力突然升高，結合控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用方式，分析串級系統的工作過程。 (1) 氣開閥 (2)主控制器反作用,副控制器反作用。(3)如果燃料氣的P1突然生高

9、，副回路首先有一個“粗調”：P1àF1àT2àu2à F1 沒有完全被副回路克服的部分干擾，通過主回路“細調”：T2àT1àu1à F1àT2àT129 某干燥器采用夾套加熱和真空吸收并行的方式來干燥物料。干燥溫度過高會使物料物性發生變化，這是不允許的，因此要求對干燥溫度進行嚴格控制。夾套通入的是經列管式加熱器加熱的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽，流程如圖2-22所示。要求： 如果冷卻水流量波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？ 如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？ 如果冷卻水流

10、量和蒸汽壓力都經常波動，應采用何種控制方案？為什么？(1)以熱水溫度為副變量,干燥器出口溫度為主變量，蒸汽流量為操縱變量構成溫度溫度串級系統，冷水流量單獨設計流量單回路系統 理由：當被控變量為干燥器出口溫度時，不宜選冷水流量做操縱變量，故單獨設計流量單回路系統抑制冷水流量波動。以干燥器出口溫度為被控量、蒸汽流量為操縱變量的控制系統中，控制通道太長，存在較大的時間常數和純滯后，故選擇換熱器出口溫度為副變量，構成串級系統，利用副回路減小等效時間常數。(2) 以熱水溫度為為副變量,干燥器的溫度為主變量串級系統。理由：將蒸汽壓力波動這一主要干擾包含在副回路中, 利用副回路的快速有效克服干擾作用抑制蒸汽

11、壓力波動對干燥器出口的溫度的影響. (3) 采用與（1）相同方案。理由同（1）。第三章 比值控制系統3.1 比值與比值系數的含義有什么不同?它們之間有什么關系？答：比值指工藝物料流量之比，即從流量與主流量之比：；比值系數指副、主流量變送器輸出電流信號之比，即：二者之間的關系由下式決定： （變送器輸出與流量成線性關系時） （變送器輸出與流量成平方關系時） 3.2 用除法器進行比值運算時，對輸入信號的安排有什么要求？為什么？答：應使除法器輸出小于1。除法器輸出值既儀表比值系數，需要通過副流量調節器的 內給定設置，大于1無法設定、等于1無法現場整定。3.3 什么是比值控制系統？它有哪幾種類型?畫出它

12、們的結構原理圖。答：比值控制系統就是實現副流量與主流量成一定比值關系，滿足關系式： 的控制系統。比值控制系統的類型：開環、單閉環、雙閉環、變比值、串級比值控制系統。原理圖見教材。 3.4 用除法器組成比值系統與用乘法器組成比值系統有何不同之處？答： 系統結構不同，實現比值控制的設備不同。 比值系數的設置方法不同，乘法方案通過在乘法器的一個輸入端，輸入一個外加電流信號I0設置；除法方案通過副流量調節器的內給定設置。3.5 在用除法器構成的比值控制系統中，除法器的非線性對比值控制有什么影響？答：除法器環節的靜態放大倍數與負荷成反比。3.6 為什么4：1整定方法不適用于比值控制系統的整定？答：單閉環

13、比值控制系統、雙閉環的副流量回路、變比值回路均為隨動控制系統，希望副流量跟隨主流量變化，始終保持固定的配比關系。出現4：1振蕩時，固定配比關系不能保證。3.7 當比值控制系統通過計算求得比值系數 時，能否仍用乘法器組成比值控制？為什么？能否改變一下系統結構，仍用乘法器構成比值控制？答：當比值控制系統通過計算求得比值系數大于1時，不能用乘法器組成比值控制。因為當時，計算所得的乘法器的一個外加輸入電流信號I0大于20mA,超出乘法器的輸入范圍。不用改變系統結構，只要調整F2max 保證K1 即可。3.8 一比值控制系統用DDZ-III型乘法器來進行比值運算（乘法器輸出， 其中I1與I0分別為乘法器

14、的兩個輸入信號），流量用孔板配差壓變送器來測量，但沒有加開方器，如圖所示。已知，要求： 畫出該比值控制系統方塊圖。 如果要求，應如何設置乘法器的設置值？解：方框圖如下：乘法器控制器調節閥測量變送器2測量變送器1流量對象 - 3.9 某化學反應過程要求參與反應的A、B兩物料保持的比例，兩物料的最大流量。通過觀察發現A、B兩物料流量因管線壓力波動而經常變化。根據上述情況，要求： 設計一個比較合適的比值控制系統。 計算該比值系統的比值系數。 在該比值系統中，比值系數應設置于何處？設置值應該是多少（假定采用DDZ-III型儀表）。 選擇該比值控制系統控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用。解：系統設計如下：，所以要將調大。所以 取 比值系數K通過I0設置，選擇A閥為氣開閥，主對象為正環節，測量變送為正環節，則主調節器為反作用。選取B閥為氣開閥，副對象為正環節，測量變送為正環節，則副調節器為反作用。3.10 在硝酸生產過程中有一氧化工序，其任務是將氨氧化成一氧化氮。為了提高氧化率，要求維持氨與氧的比例為2：1。該比值控制系統