过程控制习题以及详解

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6-46.7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6-66.8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6-346.43 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。

e-s例如，图6-35中，阀为气开＋A，阀开大，液位下降－B，则（＋A）·（－B）＝“－”调节器选正作用。

图6-356.45图6-36中，控制系统的调节器应该选用正作用方式，还是反作用方式？(a) (b)(c) (d) (e)图6-36答：(a)――正作用；(b) ――正作用；(c) ――反作用；(d) ――正作用；(e) ――反作用；6.46图6-37中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。

试选取调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用，再简单说明这一调节回路的工作过程。

答：因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开，所以调节阀是气关式。

当液位升高时，要求调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要求调节阀输出减少，调节器是反作用。

其工作过程如下：液体↑→液位变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↑→液体输出↑→液位↓。

图6-376.47图6-38所示为加热炉温度控制系统。

根据工艺要求，出现故障时炉子应当熄火。

试说明调节阀的气开、气关型式，调节器的正、反作用方式，并简述控制系统的动作过程。

图6-38答：故障情况下气源压力为零，应切断燃料，以确保炉子熄火。

故要求调节阀为气开式，气源中断时关闭。

当炉温增高时，要求燃料量减少，即减小调节阀开度。

由于是气开阀，所以要求调节器输出减小，应选用反作用调节器。

控制系统的动作过程为：进料↓→温度↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料量↓→炉温↓。

反之，由于各种原因引起炉温↓→调节器输出↑→调节阀开度↑→燃料量↑→炉温↑。

6.48请判定图6-39所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。

图6-39（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；（2）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；（4）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时。

答：（1）气关调节阀，正作用调节器；（2）气开调节阀，反作用调节器；（3）气开调节阀，正作用调节器；（4）气关调节阀，反作用调节器。

6.49图6-40为一蒸汽加热器，它的主要作用是对工艺介质加热，要求此介质出口温度恒定。

（1）选择被控变量和控制变量，组成调节回路，并画出方块图。

（2）决定调节阀的气开、气关型式和调节器的正反作用。

（3）当被加热的流体为热敏介质时，应选择怎样的调节方案为好？图6-40答：（1）方块图见图6-41。

图6-41（2）对于非热敏介质或易结晶介质，调节阀应选气关式，调节器的作用方向应是正作用。

（3）对于热敏介质，为防止局部过热而气化，调节参数不宜为蒸汽而选冷凝水为好。

即将调节阀装于冷凝水管线上。

6.50图6-42为一液体储槽，需要对液位加以自动控制。

为安全起见，储槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的气开、气关型式及调节器的正、反作用。

图6-42（1）选择流入量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Qo为操纵变量。

答：(1)当选择流入量Qi为操纵变量时，调节阀安装在流入管线上，这时，为了防止液体溢出，在调节阀膜头上气源突然中断时，调节阀应处于关闭状态，所以应选用气开型式调节阀，为“＋”作用方向。

这时，操纵变量即流入量Qi增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“＋”作用方向。

由于调节阀与对象都是“＋”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，调节器应选择反作用方向；(2)当选择流出量Qo为操纵变量时，调节阀安装在流出管线上，这时，为了防止液体溢出，在调节阀膜头上气源突然中断时，调节阀应处于全开状态，所以应选用气关型式调节阀，为“－”作用方向。