过程控制过程课后习题答案

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过程控制工程 戴连奎课后题答案

1. 什么是过程控制工程？

过程控制工程是一门综合应用科学，研究如何对工业生产过程进行控制和优化的学科。它涉及多个领域的知识，包括自动化工程、仪器仪表、计算机科学、电气工程等。过程控制工程的主要任务是通过设计和实现控制系统，使工业生产过程能够达到既定的目标，并保持稳定的运行状态。

2. 过程控制系统的基本组成部分有哪些？

一个典型的过程控制系统包括以下几个基本组成部分：

• 传感器：用于感知和测量工业生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。

• 执行器：根据控制系统的指令，控制工业生产过程中的某些执行元件的运动，如阀门、电机等。

• 控制器：根据传感器测量到的过程参数，计算出相应的控制指令，用于调节执行器的运动。

• 信号处理模块：用于将传感器测量到的模拟信号转换成数字信号，方便计算机对其进行处理。 未知驱动探索，专注成就专业

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• 计算机：根据控制器的指令和传感器的反馈数据，进行计算和决策，实现对工业生产过程的控制。

• 通信网络：用于传输控制指令和传感器反馈数据的通信网络。

3. 过程控制工程中常用的控制模式有哪些？

在过程控制工程中，常用的控制模式包括以下几种：

• 开环控制：控制器只根据事先设定的控制指令来操作执行器，没有对执行结果进行反馈和调整。这种控制模式简单，但对于系统参数变化、干扰等因素不敏感，容易产生偏差。

• 闭环控制：控制器根据传感器反馈的过程参数来调整控制指令，使系统保持稳定。闭环控制能够对系统参数变化和干扰作出及时的调整，提高控制精度和鲁棒性。

• 嵌套控制：将一个控制系统作为另一个控制系统的一部分，形成多层次、多级联的控制结构。这种控制模式适用于复杂的工业过程，能够提高系统的稳定性和鲁棒性。

• 模糊控制：根据输入和输出的模糊关系，设计模糊规则，并根据模糊规则进行推理和决策，实现对工业生产未知驱动探索，专注成就专业

1 第二章思考题及习题

2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?

答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1) 串级控制系统具有更高的工作频率；(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力

2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?

答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即Sign{G01(s)}Sign{G02’(s)}Sign{Gm1(s)}Sign{Gc1(s)}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。

2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?

答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此对它要求比较严格。而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数Kc1与Kc1的乘积等于Ks(Ks为主变量呈4：1衰减振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。虽然按照经验一次放上的副控制器参数不一定合适，但可通过调整主控制器放大倍数来进行补偿，结果仍然可使主变量呈4：1衰减。

1100%()yy（2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。

答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。

过程控制系统的一般性框图如图1-1所示：图1-1 过程控制系统的一般性框图

（3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？

答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。

1）模拟仪表的信号：气动0.02 ~0.1MPa；电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。2）数字式仪表的信号：无统一标准。

（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。

答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示：

图1-2 加热炉过程控制系统流程

（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？

答：1）单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。

2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；

超调量σ：第一个波峰值1y与最终稳态值y（）之比的百分数：

最大动态偏差A：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；

静差，也称残余偏差C： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（）与设定值之间的偏差C称为残余偏差，简称残差；

调节时间st：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5%（2%）范围内所需要的时间；

振荡频率n：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；

上升时间pt：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；

峰值时间pt：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。

（9）两个流量控制系统如图1-4所示。试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。

图1-4两个流量控制回路示意图

答：系统1是前馈控制系统，系统2是反馈控制系统。系统框图如图1-5如下： 控制器r(t)执行器被控过程检测变送装置y(t)_f(t)e(t)u(t)q(t)z(t)TCPC给定值阀管道加热炉热油出口温度PT燃油压力_TT_干扰2干扰1ACAT燃油PTPCTCTT引风机烟气冷油入口热油出口火嘴送风机空气

1 过程控制工程综合练习题

2012/05/26

1．某一管式加热炉的控制系统如图1所示，被控变量为工艺介质出口温度T；P为控制阀后的燃气压力，而Ps为燃气气源压力（系统主要干扰之一）；Tm与Pm分别表示T、 P的测量信号； u 为控制阀的开度； Psp、Tsp分别表示控制器TC11、PC21 的设定值。

（1）试描述该控制系统完整的方块图，并注明每一模块的输入输出信号；

（2）选择控制阀的气开/气关形式，并解释选择的原因；

（3）确定控制器PC21、TC11的正反作用，以构成负反馈控制系统。

工艺介质燃气TspPspTmPmTPuTT11TC11PC21PT21Ps 图1 管式加热炉工艺介质出口温度控制系统 2

2．考虑上述温度控制系统，当控制器PC21为“自动”、控制器TC11为“手动”时，对于PC21的设定值阶跃变化，对应的过程响应曲线如图2所示。假设压力变送器PT 21的量程为0.0 ~ 0.40 MPa；而温度变送器TT 11的量程为200

~ 400℃。

（1）试指出温度控制器TC11对应的广义被控对象的输入输出信号；

（2）计算该广义对象的特征参数K、T、τ；

（3）若TC11采用PID 控制器，试整定其PID 参数Kc、Ti、Td。

基于对象特性参数的PID整定法

控制器类型 Kc Ti Td λ取值

P 1TK  0 0

PI 1TK T 0 

PID 1TK T /2 0.2

图2 针对控制器PC21设定值变化的过程阶跃响应 3

3．根据工艺过程的要求，需要用水将NaOH溶液稀释，对应的控制系统如图3所示。假设NaOH溶液质量流量计FT31的仪表量程为0 ~ 30 T/hr，而FT32的仪表量程为0 ~ 120 T/hr，而且两流量计均为线性DDZ-III仪表，输出信号为 4 ~