过程控制系统部分习题讲解
6.1说明一下名词术语的含义：被动对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值、偏差。
答：被控对象——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量——受控制器操作的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料或能量。
扰动量——除操作变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值——被控变量的预定值。
偏差——被控变量的设定值与实际值之差。
6.3下列控制系统中，哪些是开环控制，哪些是闭环控制？
A．定制控制B．随动控制
C．前馈控制D．程序控制
答：C——开环控制；
A、B、D——闭环控制。
（程序控制的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。）
6.6在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定数值上。图6-3是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±1.5）℃。如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。
图6-3
（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？
（２）试画出该控制系统的组成方块图。
答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操作变量为气态丙烯的流量。
（３）该系统的方块图如图6-4所示。
图6-4
6.7图6-5所示是以反应温度控制系统示意图。Ａ、Ｂ两种物料进入反映，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。图中ＴＴ表示温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？
图6-5
答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为Ａ、Ｂ物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速。反应器的温度控制系统的方块图如图6-6所示。
图6-6
6.8乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气装置。为了降低电石消耗量，提高乙炔的收率，确保生产安全，设计了如图6-7所示温度控制系统。工艺要求发生器温度控制在（８０±１）℃。试画出该温度控制系统的方块图，并指出图中的被控对被控变量、操作变量及可能存在的扰动。
图6-7
答：乙炔发生器温度控制系统方块图如图6-8所示（图中T、T O分别为乙炔发生器温度及其设定值）。
图6-8
被控对象：乙炔发生器；
被控变量：乙炔发生器内温度；
操纵变量：冷水流量；
扰动量：冷水温度、压力；电石进料量、成分等。
6.9图6-9所示为一列管式换热器。工艺要求出口物料温度保持恒定。经分析如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，则温度的波动将会减小到工艺允许的误差范围之内。现分别设计了物料入口流量和蒸汽流量两个控制系统，以保持出口物料温度恒定。
图6-9
（1）试画出对出口物料温度的控制系统方块图；
（2）指出该系统是开环控制系统还是闭环控制系统，并说明理由。
答：（1）控制系统方块图如图6-10所示。
图6-10
（2）控制系统为开环控制系统。从方块图可以看出，对物料入口流量和蒸汽流量均为闭环控制系统；而对于出口物料温度，未经过测量变送环节反馈到系统输入端，没有形成闭环系统。
6.15 图6-14是一个典型的衰减振荡过程曲线，衰减振荡的品质指标有以下几个：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）。请分别说明其含义。
图6-14
答：（1）最大偏差――是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。图中A表示最大偏差。最大偏差描述了被控变量偏离设定值的程度，最大偏差愈大，被控变量偏离设定值就越远，这对于工艺条件要求较高的生产过程是十分不利的。
（2）衰减比――是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。图中衰减比n＝B:B’。对于衰减振荡而言，n总是大于1的。若n接近1，控制系统的过渡过程曲线接近于等幅振荡过程；若n小于1，则为发散振荡过程；n越大，系统越稳定，当n 趋于无穷大时，系统接近非振荡衰减过程。根据实际操作经验，通常取n＝4～10为宜。
（3）余差――是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。图中C表示余差。余差是一个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，一般希望它为0或在一预定的允许范围内。
（4）过渡时间――是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。从理论上讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。所以在实际应用时，规定只要被控变量进入新的稳态值的±5％(或±2％)的范围内，且不再越出时为止所经历的时间。过渡时间短，说明系统恢复稳定快，即使干扰频繁出现，系统也能适应；反之，过渡时间长，说明系统稳定慢，在几个同向扰动作用下，被控变量就会大大偏离设定值而不能满足工艺生产的要求。一般希望过渡时间愈短愈好。
（5）振荡周期（或频率）――振荡周期是指过渡过程同向波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比。一般希望振荡周期短些好。
6.26填空。
（1）根据实践经验的总结发现，除少数无自衡的对象以外，大多数对象均可用_____、_____、_____、_____这4种典型的动态特性来加以近似描述。
（2）为了进一步简化，也可以将所有的对象的动态特性都减化为_____的形式，用传递函数可以表示为_____。
（3）在对象传递函数表达式W(s) 中，K 表示对象的_____，T 表示对象的_____，表示对象的_____。
答：（1）一阶；二阶；一阶加纯滞后；二阶加纯滞后。
（2）一阶加纯滞后；W （s ）＝
(3)静态放大系数；时间常数；纯滞后时间。
6.41 什么是简单控制系统？试画出简单控制系统的典型方块图。
答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。 简单控制系统的典型方块图如图6-34所示。
图6-34
6.43 被控对象、调节阀、调节器的正、反作用方向各是怎样规定的？
答：被控对象的正、反作用方向规定为：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”；反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”。
调节阀的作用方向由它的气开、气关型式来确定。气开阀为“正”方向，气关阀为“反”方向。
如果将调节阀的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的调节器称为“正作用”调节器；反之，调节器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”调节器。
6.44 单参数控制系统中，调节器的正反作用应怎样选择？
答：先做两条规定：
（1）气开调节阀为＋A ，气关调节阀为－A ；
（2）调节阀开大，被调参数上升为＋B ，下降为－B 。
则A ·B=“＋”调节器选反作用；A ·B=“－”调节器选正作用。
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