过程控制系统（第3版）参考答案.docx

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1、习题参考答案第1章1.开环捽制系统：无反馈环节.锹出量仅受粕入我的控制系统结构简单,操作方便成本低：但抗干扰能力差，控制精度较低.闭环控制系统：采用负反馈环节，按儡差进行控制，控制精吱较尚，抗干扰Ife力强，2,将系统的输出变量通过适当的泅量变送仪表又引回到系统输入铝，并与输入变型相比较,这种做法称为“反馈”.当反馈价号与设定值和减时,称为负反馈.自动控制系统的工作过程，实质上就是控制作用不断克服扰动的过渡过程.从满足稳定性、快速性和准确性的本要求出发，需采用具有负反馈环节的闭环控制系统。3 .典型的自动控制系统主要由被控对象,控制涔、执行着过程控制系统中是控制网）、检测元件及变送推组成.在结

2、构上形成闭环负反馈是确保Jya定的先决条件.各组成部分在系统中的作用：略。4 .按设定值的变化情况，可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。5 .原来处于稳定状态下的过程控制系统,当其猫入（扰动作用或设定值）发生变化后.被控变AI（即怆出）将1时间不断变化，它Ki时间而变化的过程称为系统的过渡过程，即系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程.研究控制系统的过渡过程,可以分析系统花柩定性、快速性和准确性各方面的控制性能,6 .对自动控制系统的基本技术性能的要求,包含有静态和动态两个方向.一般可以将其归纳为稔定性、快速性和准确性，即“稳、快、准”的要求.过程控制系

3、统的单项性能指标彳；衰M比、回城时间、以大储差（或超调必）和余里.衰减比用于衡域控制系统的稳定性，回女时间用于描述控制系统的快速性，J偏差和超调fit则反映了系统的动态精确度（即准确性）和稳定性.它们都是描述系统动态性能的指标：而余不是反映控制系统准确性的一个更要稳态指标.7 .数学模型是描述系统（或环节）在动态过程中的输出变屐与输入变量之间关系的数学表达式.充分了解过程的特性，掌握其内在规律，是过程控制系统设计的前提。建立过程数学模型的方法有理论分析法和实5金测试法.8 .过程特性的描述同数学族型.过程特性是系统设计时确定合适的被控变址和操纵变枇、选择控制回流此特性的依据.也是选择桎制器控制

4、规律的主要依据之一。9 .一阶力衡过程的特性可用放大系数K、时间常数r和纯滞后时间笫这三个特性参数来全面发征.放大系数K是过程的静态特性参数。时间常数7用来表征过程输入变化后被控变M的变化情况,它是反映过程动态特性的参数。纯滞后时间m是指在过程的输入发生变化后.怆出变化落后于输入变化的时间,它也是反映过程动态特性的参数.10 .为了简化过程的数学模型，通常对多容过程的阶跣响应曲线作如下近似处理：在下图所示多容过程的阶版响应曲线匕通过曲线拐点H作切线(可用逼近法来完成).与稳态依河8)交于A点，与横坐标交于C点，则线段AC在时间轴上的投影即为过程的等效时间常数兀这样,就可以用一条由个纯滞后OM及

5、一个无纯滞后单容(一阶)过程的动态特性前税C8E所组成的曲绫。OCBF：来近似地表示多容过程的动态特性。在此，可将纯滞后m和容量滞后M均近似地看做纯滞后来一并处理，称为海后时间，用成示，则滞后时间U3n采用上述处理后,多容过程的传递函数可近似表示为G(三)=就e高阶自衡非振荡过程的特性比较红杂,在描述时可近似处理成具行纯滞后的阶自衡过程，用放大系数K、等效时间常数7和滞后时间r三个特性参数来近似很征，11 .K=10.T=4miM=Imin,4,+y(/)=10v(-1).(A.S)=jc12 .(B)K=)_y()-y(0)_55-50x30-2013 .在过程的阶跋响应曲戏上，用逐步遢近的

6、方法通过曲线拐点作切线,可得T三1.5min.T三1.2mln.=0.5(-hkg)换热涔的传递函数为；G(三)=IeF=禹ew14 .该水位控制系统中，被控变R：水箱水位，操纵变量：进水流Ih主要扰动量：出水流朵；控制器：浮球式自力调节器，原理方根图见卜图.在原稳定状态下,若出水流fit(扰动fit)增大,则液位随之降低,浮球下降,连杆以右侧固定处为支点做逆时计偏转，耐动椎阀下移而远离进水1,从而使进水流后增大.当卷RQ下降到进水流果与出水流量相等时，水位不再降低，费新枪定在一个低于原水位的高度上。；电图1.55水傅控制系统19.理15（略）16 .控制器的控制规律是指控制器的输出信号J输入

7、信号之间随行时间变化的规律。常规控制器的域本控制规律有比例控制（P）、枳分控制（D和微分控制Dh比例控制规律是控制器的基本控制规律.比例控制的特点是反应速度快、控制作用及时.但控制的结果存在余差.枳分控制作用的特点是能纾消除余差，但因其控制作用缓慢，因此枳分作用不能的独使用.做分控制作用是按偏差的变化速度进行捽制的,因此它具有“超前控制”作用,其控制的结果不能消除偏差，且对于固定不变的偏差无控制作用.17 .虽然积分作用能够消除余差，但在偏差刚出现时，控制作用是仍存时间的枳累而逐渐增强的，所以积分控制作用缓慢,总是滞后于俅荒的存在，不能及时有效地克服扰动的影响,致使被控变盘的动态偏差增大控制过

8、程拖长,国至使系统难以稳定.因此积分控制规律不能单独使用.微分作用控制的结果不能消除偏差。尤其是时固定不变的假差，即使其数位很大，激分作用也没有输出，所以做分控制规律一定不能单独使用。18 .工业生产中实际使用的控制规律主要有三种：比例（P）控制、比例枳分（PI）控制、比例枳分微分（PID）控制.比例P）控制规律适用于过程控制通道的滞后较小，负荷变化不大，而工艺要求又不高，允许被控变埴在一定范的内变化的场合。比例枳分（Pl）捽制规律适用于对过程控制通道的时间常数较小,系统负荷变化不大.且控制新度要求较高的曳要参数的控制.比例积分微分（PID）控制规律适用于过程控制通道具有较大的惯性或容依滞后，

9、且控制精度要求比较高，希望动态偏差较小，且比较重要的参数的控制.19 .比例发6是用于表示控制器比例控制作用强切的参数,其取值大小会影响系统的控制质量.3越小,则比例控制作用就越强.减小比例度拭有利于减小系统的余差,缩短回好时间，但会使系统的稳定性变差（降低）,比例度6时以大情差的影响视设定作用和扰动作用而不同.积分控制作用的强弱用枳分时间7i来表示.7i越小,则枳分作用越强,反之越弱.Ti的减小，有利于尽快消除余差、减小最大偏差，但会使控制系统的振荡加剧、系统的也定性下降，若Ti过小，则可能辱致系统不稔定.做分控制作用的强弱用微分时间Tb来表示。Td越大，表示微分作用越强。选取适当的徽分时间

10、7b.系统的控制指标将得到全面的改善即可缩短系统的回复时间.提高系统稳定性,减少动态偏差和余差.但若Tb取汨过大，则会使系统变得非常敏盛，系统的控制顽此反而变差，共至使系统不植定，20 .化简图1.56中的方框图,并求传递函数JWXg图a）s图(b)s图(C):图(d)：21.(1)求会时,令F(三)=0,原动态结构物可变换为Ha对动态结构图进行等效变换得：“S)-GzX(三)1-G2H2+GiG2H3(2)求舐时，令X(三)=0,原动态结构物可变换为：对动态结构图进行等效变换.得：r(三)G2(I-HlGi)F(三)-1-G2H2+G1G2H322.假定X(三)=0,原结构图可变为：F(三)

11、，=(2s+l)(4s+1)力(三)=(3779X5T)FG)W(三)-Y(三)2(1+1)Y(三)=匕(三)+Y2(三)=O将X、果(三)代入Y(三)表达式.有(2s+：.+D+(3A9X2l)卜他STG)2(1+)=设Y(三)=0.有：5F(三)24F(三)W(三)C+=0(2s+l)(4s+1)(3s+9)(2s1)524W(三)_所以有：解得:“初(2s+l)(4s+1)+(3s+9)(2s+l)1=05,24W(三)(2s+l)(4s+1)+(3s+9)(2s+1)=0W(三)=-5(3s+9)(2s+1)24(2s+l)(4s+1)l-4.B）5.过程控制通道的放大系数治越大，则余

12、差和最大偏差越小，控制作用增强，克服扰动的能力也越强,但系统的枪定性变差.为兼须稳定性，心应适当地大一些。的若控制通道时间常数7h的;小.系统的工作频率会提高.控制就较为及时,过渡过程也会缩短，控制质限将获得提高然而也不是控制通道的时间常数越小越好.因为时间常数太小，系统工作过于频繁，系统将变得过于灵敢，反而会使系统的稳定性卜降，系统就埴变差。因此，在保证系统稳定性要求的前提下，咒应适当小一些.6-12.（略）13 .答:影响物料影口温度的主要因索有:蒸汽流麻和压力，物流的流研、初混、成份。控制要求，应选物料Hl口温度这一直接参数作被控变锹,在所述的因素中,物料的流量是生产负荷,不宜作为操纵变

13、量.其初温和成份砧不可控因素：蒸汽流后对出口温度的影响以为有效，工艺上也允许调节，故应选择雅汽进口流量作操纵变地。如果物料温度过高时会分解,则应选气开脚.系统故障时.气开阀因失气而处于全关状态，关闭蒸汽供应，使物料温度不至过海。如果物料在温度过低时会凝结，则应选择气关阀。一旦系统故障，气关阀因失气而处于全开状态,较大的蒸汽流量能保障品度不至过低.14 .答：锅炉汽包液位控制系统的方框图如下:iS定他*1.rnF三MBffi因工艺要求楸炉不能烧干，则当系统故障时须保证迸水供应，控制阀应处于全开状态，因此应选择气关阀.当进水流奴增大时，汽包水位升高，即汽包对象的作用符号为“+”：气关形式的给水网记

14、为f根据控制器正、反作用方式的透标判别式；（控制器）X（执行器士）X（被控过程）=m-控制器的符号为“+”，应选正作用方式.当炉膛温度升高导致蒸汽蒸发出增加时,锅炉汽包水位下降.液位变送器输出陆之减小，控制器的怆入偏差亦减小，控制器怆出减小，使气关形式的进水控制阀开度增大，从而使进水流m增加，以保证液位不至过低。15 .答：精选塔塔釜温度控制系统的方框图如下：因精谭塔的淑度不能太高.故当系统故障时应关闭蒸汽供应应选择气开形式的蒸汽控制陶当然汽流演增大时，塔釜温度升高，即被控时象的作用符号为+”；气开形式的蒸汽控制阀记为“十:根据控制器正、反作用方式的选择判别式：拄制器士）（执行潺士）X被控过程

15、）=-控制器的符号为“，应选反作用方式.当外界扰动使釉懒塔塔釜温度升高时，塔釜温度的测MtfI增大，控制器的输入偏差亦埴大，反作用控制器输出减小，致使蒸汽气开网关小，健小了进入再沸器的蒸汽流量,从而使塔釜温度降低而重新枪定在设定值附近.16 .答：囚工艺上不允许塔釜液体被抽空，因此当系统故障时出料控制阙应处于全关状态，应选择气开形式的控制仍。当出料流量加大时，塔釜液位卜降，即被控时象的作用符号为气开阀符号记为一”。根据控制零正、反作用方式的选择判别式：（控制器士）X（执行器士）X（被控过程土）=控制涔的符号为“+应选正作用方式.17 .答：因工艺上不允许反应器温度过高，故应选择气开形式的蒸汽控制网.一旦系统故障,立即关闭蒸汽供应.当蒸