(精品)过程计算机控制思考题与习题集(完整解答)

第一章思考题与习题（P9）1.简述过程控制发展概况。答上个世纪40年代以前，工业生产大多处于手操作阶段，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此劳动生产率很低。40年代以后，生产过程自动化发展很快。尤其近年来，过程控制技术发展更为迅速。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的组成部分。可以说，如果不配置合适的最大控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。纵观过程控制发展的历史，大致精力一下阶段：第一个阶段。50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。者是过程控制发展的第一个阶段。其主要特点是：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是启动仪表）；过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数；控制的目的是保持这些参数稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；过程控制的理论是以频率法和根轨迹法为主题的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。第二个阶段。在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二个阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表（包括电动和气动）。为了满足定型、灵活、多功能的要求，又出现了组装仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统要求。与此同时，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。在过程控制系统方面，为了提高控制质量与实现一些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，例如串级、比值和均匀控制的应用，尤其是前馈和选择性控制系统的应用，是复杂控制系统达到一个新的水平。在过程控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论解决实际生产过程遇到的问题外，现代控制理论开始应用，控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程遇到的更为复杂的问题。第三个阶段。70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型计算机的开发应用，使生产过程自动化的发展达到一个新的水平。其主要特点：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理。过程控制发展到现代过程控制的新阶段。在新型的自动化技术工具方面，开始采用以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程序调节器）；在测量变送器方面，较为突出的是成分在线检测与数据处理（如气相色普和液相色普与质普等）的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品质增加，可靠性能提高，而且本质安全防爆（电动），适应了各种复杂控制系统要求。70年代中期，DCS问世，从此工业生产过程自动化进入一个新的时代。在过程控制理论方面，智能控制与优化。3．什么是过程控制系统？试述其组成。答过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及pH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。其组成为：系统的组成包括测量元件、变送器、调节阀、调节器、被控过程等。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所示温度控制系统。生产要求发生器温度控制80±1℃。试画出温度控制系统的方框图，并指出图中控制对象、被控参数和调节参数。乙炔发生器TTTC乙炔气电石冷水图1-8温度控制系统答温度控制系统的方框图如下图所示：温度调节器检测变送调节阀乙炔发生器设定值-测量值误差温度值控制对象：乙炔发生器被调参数：乙炔发生器温度调节参数：冷水流量10．为什么说系统过渡过程的质量指标是一项单项指标？而偏差性能指标是一种综合指标？答系统过渡过程的质量指标由余差(静态偏差)、衰减比或衰减率、最大偏差、过渡过程时间和峰值时间组成。在上述质量指标中，它们之间是互相制约的。当一个系统的稳态精度要求很高时，可能会引起动态不稳定；解决稳定问题之后，又可能因反应迟钝而失去快速性。所以对于不同的控制系统，这些指标各有其重要性，要高标准地同时满足这些指标的要求是很困难的。因此，系统过程的质量指标是一种单项指标，应根据工艺的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证先满足主要的质量指标的要求。一个过程控制系统的质量主要看偏差的变化情况，在相同输入量作用下，如偏差越大，而且其持续时间越长，则系统的质量就越差，所以可以把偏差性能指标当成综合指标来对系统过渡过程进行综合评价。第二章思考题与习题（P47）5．图2—37所示液位过程的输入量为1Q，流出量为2Q、3Q，液h为被控参数，C为容量系数，并设1R,2R,3R均为线性液阻。要求：（1）列出过程的微分方程组；（2）画出过程的方框图；（3）求过程的传递函数0()Ws=H(S)/1()Qs.h1Q1R2Q2R3R3Q图2-37液位过程解：(1)由题意得：1232233.....(1)............................(2).............................(3)dhQQQCdthQRhQR(2)()et1()Qs2()Qs3()Qs21/R31/R()Hs1/Cs(3)由方程（2）、（3）代入（1）得123hhdhQCRRdt拉氏变换后123()()()()hshsQSCShsRR传递函数为23012323()()()RRHSWSQSCRRSRR6.已知两只水箱串连工作（如图2—38所示），其输入量1Q，流出量2Q、3Q,1h，2h分别为两只水箱的水位，2h为被控参数，1C、2C为容量系数，假设1R、2R、12R、3R为线性液阻。要求：（1）列出过程的微分方程组；（2）画出过程的方框图；（3）求过程的传递函数201()()()HsWsQs.1C2C1R2R12R1h2h3R2Q3Q图2-38液位过程解：（1）由题意得：对水箱1C列方程：211122111212122.............(1)...............................(2).........................................(3)dhQQQCdthhQRhQR对水箱2C列方程：21232121212233......(4)...............(5)........................(6)dhQQCdthhQRhQR(2)1()Qs2()Qs3()Qs11/Cs21/Cs21/R31/R121/R12()Qs2()Hs1()Hs（3）方程（2）、（3）代入（1）得112111122dhhhhQCdtRR拉氏变换：1111212212111()QsCShshshsRRR(7)式（5）、（6）代入（4）得：12222123hhhdhCRRdt拉氏变换：1222212312()()()()hshshsCShsRRR(8)将式（7）、（8）消去1()hs得传递函数012112212121212123232321()()/()11()WsHsQsCRCRRRCCSCCSRRRRRR232121223112212322321232312()RRCCRRRSCRRCRRCRRCRRSRRR7.如图2－39所示，1Q为过程的流入量，2Q为流出量，h为液位高度，C为容量系数。若以1Q为过程输入量，h为输出量，设1R,2R为线性液阻，求过程的传递函数0()Ws=H(S)/1()Qs。1R2Rh1Q2Q图2-39液位过程解：由题意得：1222....(1)....................(2)dhQQCdthQR（2）代入（1）拉氏变换得：2012()()()1RHsWsQsRCS11、用脉冲响应法求加热炉过程的动态特性，脉冲宽度0t＝2mm，幅值为0.2T/h，其实验数据如下：t02468101214161820*()yt00.480.690.560.470.390.330.270.220.180.15t22242628303234363840*()yt0.130.110.090.070.050.030.020.010.010试由脉冲响应*()yt求阶跃响应()yt，并求其数学模型。解一：脉冲响应曲线*()yt由阶跃响应曲线()yt、()yta叠加*0()()()2minytytytaat→*()()()ytytyta由题意得：(0)0y阶跃响应如下表：t02468101214161820y00.481.171.732.22.592.923.193.413.593.74t22242628303234363840y3.873.984.074.144.194.224.244.254.264.26由y(t)的数据得出,曲线y(t)形状为S形，可能是一阶时延环节或二阶环节。试用二阶环节验证：由12()0.4()()0.8()ttttytyyty得12()0.4*4.261.704()0.8*4.263.41ttttytyt12616tt因为1260.320.3750.4616tt，确认此环节为二阶下面求0K、1T、2T0012121212122()(0)2.16(1.740.55)()yyKxttTTTTtTTt012122124.2621.30.261610.192.161.74*0.3750.550.1()KTTTTTT解之得：121.189.01TT传递函数为：021.3()(1.181)(9.011)Wsss11.解二：脉冲响应曲线*()yt由阶跃响应曲线()yt、()yta叠加*0()()()2minytytytaat→*()()()ytytyta由题意得：(0)0y阶跃响应如下表：t02468101214161820y00.481.171.732.22.592.923.193.413.593.74t22242628303234363840y3.873.984.074.144.194.224.244.254.264.26由y(t)的数据得出,曲线y(t)形状得一阶时延环节。试验证：由1234()0.33()0.39()0.632()0.7ytytytyt123455.91112tttt41140013212120.8322()(0)2()2ttttyyKxTttttT011224.2621.30.22(115.9)10.22*5.956.81258.750.83*5121.52KTT解之得：09.4754.15T传递函数为：4.15021.3()(9.4751)sWses14.、用响应曲线法辨识某液位被控过程，阶跃扰动的幅值为1（即单位阶跃），阶跃响应的数据如下表所示，试用一阶环节近似法和二阶环节近似法求过程的数学模型。t(S)0204060801001401802503004005006000h(cm)00.20.82.03.65.48.811.814.416.618.419.219.3解：1、一阶时延环节由0()()/()ytyty得t(S)0204060801001400h(cm)00.100.0410.1040.1870.2800.456t(S)1802503004005006000h(cm)0.6110.7460.8600.9530.9951.00001020304()