过程装备控制技术课后习题及参考答案

过程装备控制技术课后习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：自动控制系统主要有被控对象,测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。自动控制系统常用的术语有：被控变量y；给定值ys；测量值ym；操纵变量m；干扰f；偏差信号（e）；控制信号u3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？答：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？答：闭环控制是控制系统的输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量是输出信号增大。可见定值控制系统满足闭环负反馈系统的要求。6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。①试画出该控制系统的方框图；②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？③系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大）时，该系统如何实现自动控制的？答：如图所示为该控制系统的方框图。该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值ys，干扰作用f，输出为热物料出口温度T，当冷物料流量增大，则出口温度y减小，TT检测后所得ym减小，偏差信号e=ym-ys0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，（1）试画出该系统的方框图；（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？TsTh干扰作用作用TC温控器调节阀被控对象温度测量变送装置TTTCTT冷物料蒸汽热物料偏差e设定温度Th,m控制信号蒸汽流量（1）如图所示为该控制系统的方框图；-（2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：进水流量，大气温度等。8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？答：对于任何一个控制系统，从被控对象受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，调节器开始发挥作用，使被控变量恢复到给定值附近范围内的过程叫做系统的过渡过程。①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④非振荡的单调过程⑤等幅振荡过程。上述五种振荡过程，其中非振荡衰减和振荡衰减过程是稳定过程，能基本满足要求，但衰减过程被控变量达到新稳态值进程过于缓慢，致使被控变量长期偏离给定值，所以一般不采用。只有生产工艺不允许被控变量振荡时才会考虑采用这种形式的过渡过程。等幅振荡发散振荡和非振荡发散受到阶跃干扰后不能稳定下来，不符合自动控自要求9.试画出衰减比分别为n1,n=1,n1,n→∞时的过度过程曲线？答：如图所示：10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？n1，发散振荡n〉1，衰减振荡n=1，等幅振荡LTLCqv1qv2hsh液位控制器阀门贮槽液位测量变送装置n→∞，单调过程f答：表示衰减振荡过程的控制指标有：①最大偏差A——指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第一个波的峰值与给定值的差。②衰减比n——过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。③回复时间（过渡时间）ts——指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。④差e(∞)——指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。⑤振荡周期T——过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔，其倒数称为振荡频率。第二章过程装备控制基础1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ。K：被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。T：时间常数是指当对象受到输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到输入作用后，被控变量达到新的稳态值的快慢。它决定整个动态过程的长短；τ：描述对象滞后现象的动态参数2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？答：放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数，所以K是被控对象的静态特性参数。时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，所以是动态特性参数。滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？答：被控对象的控制通道是指操纵变量与控制变量之间的关系，干扰通道是指干扰作用与被控变量之间的关系。4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？答：放大系数对控制的影响：对控制通道而言，放大系数K值大，即使调节器输出变化不大，也会对被控对象产生很大影响，控制灵敏。反之放大系数小，被控变量变化迟缓。对干扰通道而言，如果K很小，即使干扰幅度很大也不会对控制变量产生很大影响，如果K很大则当干扰幅度很大并且频繁出现系统很难稳定。时间常数T对控制影响：对控制通道而言，时间常数大，则被控变量变化较平缓，系统容易控制，缺点是控制较缓慢。若T小，则控制变量变化迅速，不易控制。对干扰通道而言，时间常数大明显存在好处，此时阶跃干扰系统影响比较平缓，被控变量变化平缓，系统容易控制。滞后时间对控制影响：对控制通道而言，滞后存在是不利的，使控制不够及时，在干扰出现后不能及时调节，严重影响控制质量。对干扰通道而言，纯滞后只是延迟干扰时间，并不影响控制质量，对于容量滞后则可以缓和干扰对控制变量的影响，因而对控制系统是有利5.试从图2-58某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间。解：如图所示：k=()(0)()(0)HHxx=1()(0)HHqvT如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间，T=10tt，00c如图所示，不存在容量滞后，0c6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID。7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？答：双位控制是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置，双位控制结构简单成本较低使用方便，对配用的调节阀没有任何要求，缺点是被控对象总是在波动，控制质量不高，且当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大，不适合控制要求较高场合。比例控制是指调节器输出变化量与输入变化量成比例，比例控制系统能迅速的克服干扰影响，使系统未定下来。有点是反应快控制及时，缺点是被控对象负荷发生改变时，系统输出存在余差。积分控制是指调节器输出变化量与输入余差积分成正比，积分控制可以消除余差，但输出变化总是滞后于余差变化，不能及时克服扰动影响，使被控变量的波动加剧，使系统难以稳定。微分控制是指调节器输出变化量与输入偏差变化速度成正比，且具有一定的超前控制作用，抑制振动，增强系统稳定（但微分作用不宜过强）8．什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之差。比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调节器有输出，就必须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能消除余差。积分控制其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调节器的输出就不0t1qvΔqv10t1qvΔqv11tTHH()断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有存在偏差身先等于的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。9．为什么积分控制规律一般不单独使用？答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律。10．比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控制质量的影响。答：①比例——比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。②积分控制——积分时间TI表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间TI的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。③微分控制——微分时间TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间TD越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。11．试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特征曲线。12．比例积分微分调节器有什么特点？答：比例积分微分调节器的特点是：①在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具有良好的调节性能。②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间TI和微分时间TD面改变。答：比例控制反应快，控制及时，但有余差。积分控制作用缓慢但可消除余差。微分控制具有一定的超前控制作用，抑制振荡，增强稳定性。若将三者结合起来，并选择适合的比例度、积分时间、微分时间，就可以得到无余差、控制及时又稳定的高质量控制。13．在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一个参数时,对调节器的控制作用有什么影响?e(t)AKpAKpAAAΔu(t)KpAKpAe(t)e(t)KpAtttttITt答:在PID调节器中,比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较高的控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当时，PID调节器成为积分微分调节器，当TI积分时间时，PID调节器成为比例微分控制器，当TD时，PID调节器成为PI即比例积分控制。答：调整积分时间对控制作用的影响：随着积分时间的减小积分作用不断增强，在相同的干扰作用下，调