过程控制-第一到三章-作业

第一章作业1.1 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些？它与误差积分指标各有何特点？答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。

1.2 什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律；(2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。

1.3 通常描述对象动态特性的方法有哪些？答：微分方程或传递函数。

1.4 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点？答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。

1.11 某水槽水位阶跃响应实验为：其中阶跃扰动量Δµ=20%。

(1)画出水位的阶跃响应曲线；(2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。

解：MATLAB编程如下：%作出标幺后的响应曲线t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ];h=[ 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ];x=0:0.01:400;y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值yy=y/y(end); %输出标幺plot(x,yy,'k');xlabel('t/s');ylabel('h/mm');title('阶跃响应曲线','fontsize',10);grid;%找出最接近0.39和0.63的点less1=find(yy<=0.39);more1=find(yy>=0.39);front1=less1(1,end);behind1=more1(1,1);cha11=0.39-yy(1,front1);cha12=yy(1,behind1)-0.39;if cha11<=cha12t1=x(1,front1)elset1=x(1,behind1)endless2=find(yy<=0.63);more2=find(yy>=0.63);front2=less2(1,end);behind2=more2(1,1);cha21=0.63-yy(1,front2);cha22=yy(1,behind2)-0.63;if cha21<=cha22t2=x(1,front2)elset2=x(1,behind2)end%求增益K和时间常数TK=y(end)/20T=2*(t2-t1)(1)水位的阶跃响应曲线如图：(2)计算结果如下：>> GK1_11t1 =48.1700t2 =96.5900K =4.9T =96.8400则该水位对象用一阶惯性环节近似后，得其增益K=4.9，时间常数T≈96.84。

第一章 概述1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。

控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标；b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。

第二章 过程控制系统建模方法习题2.10某水槽如图所示。

其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。

要求：（1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。

（1）物料平衡方程为123d ()d HQ Q Q Ft-+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F t∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=， 33hQ R ∆∆=， 代入增量关系式，则有23123()d d R R hh F Q t R R +∆∆+=∆ （2）两边拉氏变换有：23123()()()R R FsH s H s Q s R R ++=故传函为：232323123()()()11R R R R H s KG s R R Q s Ts F s R R +===+++ K=2323R R R R +, T=2323R R F R R +第三章 过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。

试问：（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量（2）被控变量：物料出口温度。

第一章绪论1)什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成？常用的过程控制系统可以分为哪几类？2）衡量过程控制系统过度过程的好坏，通过静态质量指标和动态质量指标，他们分别是什么？3）两个流量控制系统如下图所示。

试说明它们分别属于哪个过程控制系统？并画出各自的系统方框图。

4）某发酵过程工艺规定操作温度为（40±2）℃。

考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6℃。

现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下发酵罐及反应曲线如下图所示。

试①绘制系统方框图；②确定该系统的最大动态偏差、衰减比、余差、过度时间（按进入新稳态值±2%范围内）和振荡周期等过度过程指标，并回答是否满足工艺要求。

第二章检测及变送1）衡量一块仪表的性能指标有哪些？其中仪表精度和那个误差有关系？2）已知某S型热电偶在工作时冷端温度t0=30℃，现测得热电偶的热电动势为7.5mV，求被测介质的实际温度。

（已知E（30,0）=0.173mV）3）某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为+4℃，试确定该仪表的精度等级。

4）试简述热电偶工作原理及热电偶冷端温度补偿的几种主要方法和补偿原理。

5）试简述静压式液位计及电容式液位计测量原理？用电容式液位计在测量导电介质与非导电介质的液位时有何不同？6）某测温仪表的测量范围为0-500℃，输出信号为4-20mA，欲将该仪表用于测量200-1000℃的某信号，试问应该做如何调整迁移？7）某台测温仪表的测温范围为0~1000℃。

根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±7℃，试问应该如何选择仪表的精度等级才能满足要求？8）某台往复式压缩机的出口压力范围为25~28MPa，测量误差不得大于1MPa。

工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选择一台压力表，指出其测量范围及精度等级要求。

9）利用弹簧管压力表测量某容器中的压力，工艺要求其压力为1.3±0.06MPa，现可提供选择压力表的量程有0~1.6MPa、0~2.5MPa及0~4MPa，其精度为1.0,1.5,2.0,2.5及4.0级，试合理选用压力表的量程和精度等级。

第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。

控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。

被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。

在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。

3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。

3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。

过程控制课后答案全第一章思考题及习题1.1什么是控制通道？什么是干扰通道？它们的特性对控制系统的质量有什么影响？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。

控制通道特性对控制系统质量的影响如下表所示1.2如何选择控制变量?答复:① 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。

③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。

④ 所选控制变量的通道纯滞后时间应尽可能小。

⑤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。

⑥ 在选择控制变量时，还应考虑过程的合理性。

一般来说，生产负荷与产品产量直接相关，不应频繁变动。

在不十分必要的情况下，不应选择生产负荷作为控制变量1.3控制器的比例度δ变化如何影响控制系统的控制精度？对控制系统的动态质量有什么影响？答：当g(s)=k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，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。

CcK增大δ控制精度提高（残余误差减小），但系统稳定性降低。

c1.44:1使用衰减曲线法调整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t放在最大，微分时间t放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ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，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。

过程控制与自动化仪表课后作业详解第一章P152-1. (1)简述图1-6所示系统的工作原理，画出控制系统的方框图并写明每一方框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

答：1)图为液位控制系统，由储水箱(被控过程X液位检测器(测量变送器)、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节Q 1 (流量)来实现液位控制的作用。

2)框图如图1-7所示：图1-7控制系统框图3)控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e (t )、控制量u(t )；执行器输入输出分别为：控制量u(t)、操作变量Q 1(t)；被控对象的输入输出为：操作变量Q 1(t)、扰动量Q2 (t)，被控量h；所用仪表为：控制器(例如PID控制器)、调节阀、液位测量变送器。

2-3某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于或等于5%,要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图所示。

要求：1)计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间；2)说明该系统是否满足工艺要求。

答：1)稳态误差：e(8)=810-800=10衰减比：n=B1/B2=(850-810)/(820-810)=4最大超调量：。

=(850-810)/810=4.9%假设以系统输出稳定值的2%为标准，则810*2%=16.2,则过渡过程时间：ts=17min2）由于规定操作温度为800 °C,而系统稳态值为810 ℃所以不满足工艺要求。

第二章P711-3某台测温仪表测量的上下限为500℃~1000℃,它的最大绝对误差为±2℃,试确定该仪 表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2℃ 则精度等级5 =±烹义100% = ±0.4% 所以仪表精度等级为0.4级1-4某台测温仪表测量的上下限为100℃~1000℃,工艺要求该仪表指示值的误差不得超过土 2℃,应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答： 由题可得：5=± ——2—— x 100% = ±0.22%1000 -100仪表精度等级至少0.2以上。

过程控制课后习题答案第1章自动控制系统基本概念~~1-3自动控制系统主要由哪些环节组成？求解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节共同组成。

~~1-5题1-5图为某列管式蒸汽加热器掌控流程图。

先行分别表明图中pi-307、trc-303、frc-305所代表的意义。

题1-5图加热器控制流程图求解pi-307则表示就地加装的压力命令仪表，工段号为3，仪表序号为07；trc-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；frc-305则表示分散仪表盘加装的，具备命令记录功能的流量掌控仪表；工段号为3，仪表序号为05。

~~~~~1-7在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？求解测量变送装置的功能就是测量被控变量的大小并转变为一种特定的、统一的输入信号（例如气压信号或电压、电流信号等）送至控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即为控制阀，它能够自动地根据控制器送去的信号值发生改变阀门的打开度，从而发生改变压低变量的大小。

~~~1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？解：被控对象（对象）――自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。

被控变量――被控对象内建议维持设定值的工艺参数。

控系统通常用该变量的名称去称谓，例如温度控制系统，压力制系统等。

给定值（或设定值或期望值）――人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。

它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。

压低变量（调节变量）――对被控变量具备较强的直接影响且易于调节（压低）的变量。

或同时实现掌控促进作用的变量。

操纵介质(操纵剂)――用来实现控制作用的物料。

~~~1-11题l-11图右图为一反应器温度控制系统示意图。

第一章作业1.1 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些？它与误差积分指标各有何特点？答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。

1.2 什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律；(2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。

1.3 通常描述对象动态特性的方法有哪些？答：微分方程或传递函数。

1.4 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点？答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。

1.11 某水槽水位阶跃响应实验为：其中阶跃扰动量Δµ=20%。

(1)画出水位的阶跃响应曲线；(2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。

解：MATLAB编程如下：%作出标幺后的响应曲线t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ];h=[ 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ];x=0:0.01:400;y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值yy=y/y(end); %输出标幺plot(x,yy,'k');xlabel('t/s');ylabel('h/mm');title('阶跃响应曲线','fontsize',10);grid;%找出最接近0.39和0.63的点 less1=find(yy<=0.39); more1=find(yy>=0.39); front1=less1(1,end); behind1=more1(1,1);cha11=0.39-yy(1,front1); cha12=yy(1,behind1)-0.39; if cha11<=cha12 t1=x(1,front1) elset1=x(1,behind1) endless2=find(yy<=0.63); more2=find(yy>=0.63); front2=less2(1,end); behind2=more2(1,1);cha21=0.63-yy(1,front2); cha22=yy(1,behind2)-0.63; if cha21<=cha22 t2=x(1,front2) elset2=x(1,behind2) end%求增益K 和时间常数T K=y(end)/20 T=2*(t2-t1)(1)水位的阶跃响应曲线如图：t/sh /m m阶跃响应曲线(2)计算结果如下：>> GK1_11 t1 =48.1700t2 =96.5900K =4.9T =96.8400则该水位对象用一阶惯性环节近似后，得其增益K=4.9，时间常数T≈96.84。

第一章思考题与习题1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。

它是最常用、最基本的过程控制系统。

2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。

由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。

由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。

3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。

3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。

它是一个静态指标，对定值控制系统。

希望余差越小越好。

2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。

衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。

5．过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％（根据系统要求）范围内所需要的时间。

它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s 越小，过渡过程进行得越快。

6．峰值时间tp: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。

称为峰值时间tp 。