A石油工程自动控制技术3习题课

习题课邮箱：[e-mail]1.简述过程控制的发展概况。解：19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表——采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构——单输入、单输出系统；被控参数——温度、压力、流量和液位参数；控制目的——保持这些参数的稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论——频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表——采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构——多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的——提高控制质量或实现特殊要求；理论——除经典控制理论，现代控制理论开始应用。前馈控制——按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量。选择性控制——在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表——新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构——由单→多变量系统，由PID控制规律→特殊控制规律，由定值控制→最优控制、自适应控制，由仪表控制系统→智能化计算机分布式控制系统；理论→现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。2.什么是集散控制系统？解：集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术为一体的装置。系统在结构上是分散的(生产过程是分散系统)，但过程控制的监视、管理是集中的控制系统。3.什么是过程控制系统？试述其组成。解：所谓过程控制就是对连续不断的生产（一般是可产生新物质的生产）过程进行的控制。过程控制系统就是能实现过程控制目的的自动化系统。过程控制系统组成：由传感器及变送器（现场数据采集）、控制器（算法运算）、执行器（被控参数调节）、被控过程构成。4.为什么要由系统控制流程图画出其方框图？解：为了便于应用控制理论来分析过程控制系统的工作过程及控制质量。5、乙炔发生器是利用电石和水来生产乙炔气的装置。为了降低电石消耗量，提高乙炔气的收率，确保生产安全，故设计图1-8所示的温度控制系统。生产要求发生器温度控制在80±1℃。试画出温度控制系统的方框图，并指出图中的控制对象、被调参数和调节参数。解：控制过程：乙炔发生器。被调（控）参数y(t)：温度。调节参数q(t)：冷水流量。6.与其他自动控制系统相比，过程控制系统有哪些主要特点？解：由过程的实时检测仪表、控制仪表组成；被控过程具有多样性；控制方案具有多样性；控制过程多为慢慢变过程（30秒以上）；多为定值控制。7.通常过程控制系统可分为哪几种类型？解：按系统的结构特点分类：反馈控制系统前馈控制系统前馈—反馈控制系统(复合控制系统)按给定值信号的特点分类：定值控制系统随动控制系统程序控制系统8.什么叫定值控制系统？其输入信号是什么？解：系统被控量(温度、压力、流量、液位、成分等)的给定值保持在某一定值(或在某一很小范围内不变)中。系统的输入信号是扰动（干扰）信号。9.过程控制系统过渡过程的质量指标包含哪些主要内容？哪些属于静态质量指标？哪些属于动态质量指标？解：单项指标：余差（或称静态偏差）c：系统过渡过程终值与设定值之差。（静态质量指标）衰减比n：第一波幅与第二波幅之比，n=1，为等幅震荡，n=4，为衰减震荡。（动态质量指标）。最大偏差A（或称超调量）：第一波幅与给定值之差。（动态质量指标）过渡过程时间ts（衰减时间）：震荡开始到被控制量到达新稳定值的+/-5%的时间。（动态质量指标）峰值时间tp：（动态质量指标）偏差性能指标（积分指标）（动态质量指标）：（偏差指标到达最小的系统为最优系统）。平方误差积分指标(ISE)；时间乘误差的平方积分指标(ITSE)；误差绝对值积分指标(IAE)；时间乘误差绝对值的积分指标(ITAE)min)(J02dtte＝min)(J02dttte＝min|)(|J0dtte＝min|)(|J0dttet＝10、为什么说系统过渡过程的质量指标是一种单项指标？而偏差性能指标是一种综合指标？解：单项指标只考虑某时刻（动态）的值或最终的值（静态），偏差指标考虑整个衰减过程的值。1、什么是过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪几种？解：指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。被控过的建模方法（三种）：机理法：通过静态、动态的物料、能量平衡关系（物理学、化学），用纯数学推导而得。工程现场实测（过程响应曲线识别与参数估计）法：将被控对象作为物质和能量传递的黑匣子，全部输入量称为流入量（表征流入被控对象的物质和能量的数量），全部输出量称为流出量（表征从被控对象流出的物质和能量的数量），对流入量施加一扰动（常常施加阶跃扰动），测量流出量的变化情况（输出响应），得出被控对象的传递函数。综合法：先用机理法得到被控对象的模型结构，再用实验法确定结构的具体参数。2、从阶跃响应曲线看，大多数过程有些什么特点？描述过程数学模型的特征参数有哪些？解：大多数具有可近似地以一阶、二阶、一阶加时延、二阶加时延特性之一来描述。模型的特性参数有，时间常数放大系数K0、T0、延时时间τ。3、什么是过程的调节通道（控制通道）和扰动通道？过程的基本扰动和外部扰动是什么？解：控制通道-----控制作用与被控变量之间的信号联系。扰动通道-----扰动作用与被控变量之间的信号联系。内部扰动（基本扰动）-----通常是一个可控性良好的输入量，选作为控制作用，即调节器的输山量(u(t))作为控制作用。基本扰动作用于闭合回路内，所以对系统的性能起决定作用。外部扰动------其他的输入量则称为扰动作用（f1（t）～fn（t））。外部扰动对过程控制也有很大影响。4、什么是过程的自平衡能力和无自平衡能力？什么是单容过程和多容过程？解：自衡过程——过程对扰动的响应有时延，被控量变化最后自动地达到新的平衡，即过程具有自平衡能力。如图2—2(a)所示。无自衡过程——被控量不断交化最后不再平衡下来，过程无自平衡能力。如图2—2(b)所示。单容过程——只有一个贮蓄容量的过程。单容过程可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。多容过程——被控过程往往是由多个容积和阻力构成。可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。下课