过程控制15章习题答案

第一章单回路控制系统

1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？

控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系；

干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。

（1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）

控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。

控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。

控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。

（2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面）

干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。

干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。

干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。

1.2 如何选择操纵变量？

1）考虑工艺的合理性和可实现性；

2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数；

3）控制通道时间常数应适当小些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。4）控制通道纯滞后越小越好。

1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？

比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。随着δ减小，系统的稳定性下降。

1.5图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：影响物料出口温度的

主要因素有哪些？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？如果物

料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？

答：影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。

被控变量应选择物料的出口温度，操纵变量应选择蒸汽流量。物料的出口温度是工艺要求的直接质量

指标，测试技术成熟、成本低，应当选作被控变量。可选作操纵变量的因数有两个：蒸汽流量、物料

流量。后者工艺不合理，因而只能选蒸汽流量作为操纵变量。控制阀应选择气关阀，控制器选择正作用。

1.6 图1-43为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀的开闭形式及控制器的正反作用：

被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚；

被加热物料在温度过低时会发生凝结；

如果操纵变量为冷却水流量，该地区最低温度

在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。

答：控制阀选气开阀，选反作用控制器。

控制阀选气关阀，选正作用控制器。

控制阀选气关阀，选反作用控制器。

1.7 单回路系统方块图如图1-44所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化？为什么？

（1）若T0增大；（2）若τ0增大；（3）若Tf增大；（4）

若τf增大。

答：（1）T0 增大，控制通道时间常数增大，会使系统的工作频

率降低，控制质量变差；

（2）τ0 增大，控制通道的纯滞后时间增大，会使系统控制不

及时，动态偏差增大，过渡过程时间加长。

（3）Tf 增大，超调量缩小1/Tf倍，有利于提高控制系统质量；

（4）τf 增大对系统质量无影响，当有纯滞后时，干扰对被控

变量的影响向后推迟了一个纯滞后时间τf 。

第二章串级控制系统

2．1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点？

(1) 串级系统由于副回路的存在, 使等效副对象时间常数减小，改善了对象的特性,使系统工作频率提高。

(2) 串级控制系统有较强的抗干扰能力，特别是干扰作用于副环的情况下,系统的抗干扰能力会更强。

(3) 串级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、反作用方式只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关？

主环内包括有主控制器,副回路,主对象和主变送器.而副回路可视为一放大倍数为“1”的环节,主变送器放大倍数一般为正,所以主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。如果主对象放大倍数的符号为正,则主控制器为反作用,反之, 则主控制器为正作用。2．5 试说明为什么整个副环可视为一放大倍数为正的环节来看？

副回路所起的作用是使副变量根据主调节器输出进行控制，是一随动系统。因此整个副回路可视为一放大倍数为正的环节来看。

2．6 试说明在整个串级控制系统中主、副控制器之一的正、反作用方式选错会造成怎

样的危害？

当主、副控制器有一个正反作用方式选错时,就会造成系统的主回路或副回路按正反馈控

制,当被控变量出现偏差时,系统不仅不向着消除偏差的方向校正,反而使被控变量远离

给定值。

2．7 图2-20所示的反应釜内进行的是化学放热反应，，而釜内温度过高会发生事故，因

此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应

温度控制精度要求很高，单回路满足不了要求，需用串级控制。

⑴当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。

⑵当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。

⑶对以上两种不同控制方案选择控制阀的气开、气关形式及主、副控制器的正、反作用方式。

(1)选冷水流量为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统. (2)夹套温度为副变量,釜内温度为主变量组成串级系统.

2．8 (右图)图2-21为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。

要求：

⑴选择阀的开闭形式？⑵确定主、副控制器的正、反作用方式？

⑶在系统稳定的情况下，如果燃料压力突然升高，结合控制阀的开闭形

式及控制器的正、反作用方式，分析串级系统的工作过程。

答：(1) 气开阀

(2)主控制器反作用,副控制器反作用。

(3)如果燃料气的P1突然升高，

副回路首先有一个“粗调”：

P1↑→F1↑→T2↑→u2↓→ F1↓

没有完全被副回路克服的部分干扰，通过主回路“细调”：

T2↑→T1↑→u1↓→ F1↓→T2↓→T1↓

2．9 某干燥器采用夹套加热和真空吸收并行的方式来干燥物料。干燥温

度过高会使物料物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行

严格控制。夹套通入的是经列管式加热器加热的热水，而加热器采用的是

饱和蒸汽，流程如图2-22（右图）所示。要求：

⑴如果冷却水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？

⑵如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？

⑶如果冷却水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什

么？

(1)以热水温度为副变量,干燥器出口温度为主变量，蒸汽流量为操纵变量

构成温度温度串级系统，冷水流量单独设计流量单回路系统

理由：当被控变量为干燥器出口温度时，不宜选冷水流量做操纵变量，故单独设计流量单回路系统抑制冷水流量波动。

以干燥器出口温度为被控量、蒸汽流量为操纵变量的控制系统中，控制通道太长，存在较大的时间常数和纯滞后，故选择换热器出口温度为副变量，构成串级系统，利用副回路减小等效时间常数。

(2) 以热水温度为为副变量,干燥器的温度为主变量串级系统。

理由：将蒸汽压力波动这一主要干扰包含在副回路中, 利用副回路的快速有效克服干扰作用抑制蒸汽压力波动对干燥器出口的温度的影响.

（3）采用与（1）相同方案。理由同（1）。

第三章比值控制系统

3.1 比值与比值系数的含义有什么不同?它们之间有什么关系？

答：比值指工艺流量之比，即：；比值系数指主、副流量变送器输出电流信号之比，即：；二者之间的关系

由下式决定：（变送器输出与流量成线性关系时）（变送器输出与流量成开平方关系时）

3.2 用除法器进行比值运算时，对输入信号的安排有什么要求？为什么？

答：应使除法器输出小于1。除法器输出值即仪表比值系数，需要通过副流量调节器的内给定设置，大于1无法设定、等于1无法现场整定。

3.3 什么是比值控制系统？它有哪几种类型?画出它们的结构原理图。

答：比值控制系统就是实现副流量与主流量成一定比值关系，满足关系式：的控制系统。

比值控制系统的类型：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、

双闭环比值控制系统、变比值控制系统。（结构原理图见下页）

3.4 用除法器组成比值系统与用乘法器组成比值系统有何不同之处？

答：①系统结构不同，实现比值控制的设备不同。②比值系数的设置方法不同，乘法方案通过在乘法器的一个输入端，输入一个外加电流信号I0设置；除法方案通过副流量调节器的内给定设置。

3.5 在用除法器构成的比值控制系统中，除法器的非线性对比值控制有什么影响？

答：除法器环节的静态放大倍数与负荷成反比。

3.6 为什么4：1整定方法不适用于比值控制系统的整定？

答：单闭环比值控制系统、双闭环的副流量回路、变比值回路均为随动控制系统，希望副流量跟随主流量变化，始终保持固定的配比关系。出现4：1振荡时，固定配比关系不能保证。

3.7 当比值控制系统通过计算求得比值系数时，能否仍用乘法器组成比值控制？为什么？能否改变一下系统结构，仍用乘法器构成比值控制？

答：①当比值控制系统通过计算求得比值系数大于1时，不能用乘法器组成比值控制。因为当时，计算所得的乘法器的一个外加输入电流信号I0大于20mA,超出乘法器的输入范围。②不用改变系统结构，只要调整F2max 保证即可。

3.8 一比值控制系统用DDZ-III 型乘法器来进行比值运算（乘法器输出，其中I1与I0分别为乘法器的两个输入信号），流量用孔板配差压变送器来测量，但没有加开方器，如图所示。已知

，要求：①画出该比值控制系统方块图。②如果要求，应如何设置

流量对象

乘法器控制器调节阀

乘法器的设置值？

解：①方框图如下：

测量变送器

测量变送器

②;；

3.9 某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持的比例，两物料的最大

流量。通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经

常变化。根据上述情况，要求：

①设计一个比较合适的比值控制系统。②计算该比值系统的比值系数。

③在该比值系统中，比值系数应设置于何处？设置值应该是多少（假定采用DDZ-III型仪表）。

④选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用。

解：①系统设计如右图：

②

③，所以要将调大。所以

取 ,比值系数K＇通

过设置，

④选择A阀为气开阀，主对象为正环节，测量变送为正环节，则主调节器为反作用。选取B阀为气开阀，副对象为正环节，测量变送为正环节，则副调节器为反作用。

3.10 在硝酸生产过程中有一氧化工序，其任务是将氨氧化成一氧化氮。为了提高氧化率，要求维持氨与氧的比例为2：1。该比值控制系统采用如图所示的结构形式。已知。试求比值系数=？如果上述比值控制用DDZ-II型仪表来实现，比值系数的设置应该是多少？

解：调整副流量的测量上限，使K＜1,取，则即可。

对于DDZ-II，.

3.11 有一个比值控制系统如右图所示。图中k为一系数。

若已知k=2，，

试求 K=?

解：

K=2.36

3.12 一双闭环比值控制系统如右图所示。

其比值用DDZ-III型乘法器来实现。

已知。

要求：

①画出该系统方块图。

②若已知求该比值系统的比值K=？比值系数

③待该比值系统稳定时，测，试计算此时=？

解：①

②∵,,

③∵

第五章前馈控制系统

5．1 前馈控制与反馈控制各有什么特点？

答：反馈控制的特点：

优点：能够克服各种干扰。只要干扰对被控变量造成影响，就有控制校正作用。

缺点：反馈控制不及时，是一个有差控制系统。反馈控制系统只有被控变量在干扰作用下出现偏差时，才有校正作用，干扰总存在，偏差总存在。

前馈控制的特点：

（1）前馈控制根据干扰进行，控制及时。如果前馈控制规律恰当，理论上可完全消除干扰的影响

（2）前馈控制是一种开环控制，被控变量并不经测量反馈到输入端。不能保证控制效果。

（3）前馈控制需要对干扰进行测量，才能进行控制。通常只测量一种干扰，因而只能克服一种干扰。

（4）前馈控制器的控制规律是经过对干扰通道与控制通道的特性计算而得是一种专用的控制器，在工程上，精确的通道特性难以获取，精确的前馈控制规律难以实现。

5．2 纯前馈控制在生产过程中为什么很少采用？

答：单纯的前馈由于存在以下两三方面问题，其控制效果往往并不理想，因此在生产中很少使用。这主要表现在：

（1）单纯前馈是一种开环控制，不能保证控制效果。不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。这样，在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而作进一步的校正。

（2）单纯前馈通常只能克服一种干扰。由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被控变量的影响，势必要设计多个前馈通道，因此单纯前馈就不能很好控制。

（3）准确的的前馈控制规律工程上难以实现。

5．3 前馈---反馈控制具有哪些优点？

答：前馈--反馈系统的优点：前馈控制系统与反馈控制系统优势互补，主要表现在：

（1）过渡过程时间、超调量大大降低。由于引入了前馈控制，当主要干扰一出现时，同步施加了一个前馈校正作用，消除或大大降

低了对被控变量的影响，因而使反馈控制的超调量、过渡过程时间大大降低。前馈补偿了反馈的缺点。

（2）反馈回路的存在，为前馈控制的工程实现创造了条件。前馈不能补偿的部分可由反馈校正，降低了前馈控制模型的精度要求，便于工程实现。

（3）具有一定的自适应性：负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿。

5．4为什么前馈控制器不能采用常规的控制器？

答：前馈控制器的控制规律为对象干扰通道特性与控制通道的特性之比，是一种专用控制器。常规的控制器的控制规律是对偏差进行P、I、D运算，实现的控制规律完全不同。

5．6 如何用对象特性实验数据构成前馈控制器数学模型？

答：工程上通常按下式实现前馈控制规律，通过对象特性实验数据获取控制通道时间常数T1、K1、τ1，与干扰通道时间常数T2、K2、

τ2代入下式后，便构成前馈控制器数学模型。

5．11某前馈—串级控制系统。已知：

Gc1(s)=Gc2(s)=9 G01(s)=3/(2s+1)

Gv(s)=2 G02(s)=2/(2s+1)

Gm1(s)=Gm2(s)=1 GPD(s)=0.5/(2s+1)

要求：1）绘出该系统方块图2）计算前馈控制器的数学模型3）假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正反作用（图见教材110页）解：（1）

（2）前馈控制器的数学模型由下式确定：

系统的传递函数为 ,式中为副回路等效对象的传递函数：

,应用不变性条件：F(S)≠0，Θ(S)≡0，当串级控制系统中副回路是一个很好的随动系统，其工作频率高于主回路的工作频率的10倍，则可把副回路近似处理为，则前馈控制

器的传函简化为 =

（3）选择气开阀、流量控制器FC反作用、温度调节器TC反作用（蒸汽加热系统，操纵变量为蒸汽）。

5．12有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似。试问如何区分它们？

试分析判断如下两个系统各属于什么系统？说明其理由

（a）（b）

（a）为前馈—反馈控制系统，而不是串级控制系统。貌似原油、温度两个闭环，实际上貌似的原油、燃料环是一个开环系统，是检测原油流量的大小（作为干扰出现）而改变燃料阀门的，而改变燃料流量，并不能影响原油流量（即检测变量），这就是开环，即前馈控制。而外环的温度控制是反馈控制。所以为前馈－反馈控制系统。

（b）为串级控制系统。是由燃料、温度两个闭环组成的。内环是燃料控制系统，是根据燃料流量的大小而改变燃料阀门，而改变燃料阀门就是控制燃料流量的（即检测变量就是被控变量），这就是闭环。而外环的温度控制是反馈控制。所以为串级控制系统。