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第一章 绪论2.（ 1） 解： 图 为液 位控 制系 统， 由储 水箱 （被 控过 程 ） 、 液位 检测 器（ 测量 变送 器 ） 、 液位 控制 器、 调 节阀 组成 的反 馈控 制系 统， 为了 达到 对水 箱液 位进 行控 制的 目的 ，对 液位 进行 检测 ，经 过液位控制 器来控制调节 阀，从而调节 1q（流量） 来实现液位控 制的作用。系统框图 如下： 控制器输 入输出分别为 ：设定值与反 馈值之差 ( )te 、控制量 ( )tu ；执行器输 入输出分别为 ：控制量 ( )tu 、操作变 量 ( )tq 1 ；被控对象 的输入输出为 ：操作变量 ( )tq1 、扰动量 ( )tq2 ，被控量 h； 所用仪表 为：控制器（ 例如 PID控制器 ） 、调节阀 、液位测量变 送器。 2.（ 4）解： 控制系统 框图： 被控过程 ：加热器 +汽包被控参数 ：汽包水位 控制参数 ：上水流量 干扰参数 ：蒸汽流量变 化 第二章 过程参数 的检测与变送1.（ 1） 答：在过 程控制中，过 程控制仪表： 调节器、电 /气转换器 、执行器、安 全栅等。调 节器 选电 动的 因为 电源 的问 题容 易解 决， 作用 距离 长， 一般 情况 下不 受限 制； 调节 精 度 高， 还可 以实 现微 机化 。执 行器 多数 是气 动的 ，因 为执 行器 直接 与控 制介 质接 触， 常常 在高 温、 高压 、深 冷、 高粘 度、 易结 晶、 闪蒸 、汽 蚀、 易爆 等恶 劣条 件下 工作 ，选 气动 的执 行 器就没有 电压电流信号 ，不会产生火 花，这样可以 保证安全生产 和避免严重事 故的发生。 气动仪表 的输入输出模 拟信号统一使 用 0.020.1MPa的模拟气 压信号。 电 动仪 表的 输入 输出 模拟 信号 有直 流电 流、 直流 电压 、交 流电 流和 交流 电压 四种 。各 国都以直流 电流和直流电 压作为统一标 准信号 。 过程控制 系统的模拟直 流电流信号 为 420mADC， 负载 250；模拟直 流电压信号为 15VDC。 1.（ 2）解： 实际液位液位设定 液位控制 器 上水调节 阀 汽包 液位变送 器 蒸汽流量 变化 由式 %1001= CK 可得 : 1=CK比例积分 作用下 u可由下式 计算得出： ( ) ( ) mAdtdtteTteKu Ic 32111 40 =+= += mAmAmAuuu 963)0( =+=+= 经过 4min后调节器 的输出 9mA. 2.（ 5）解： 调 节器 选气 开型 。当 出现 故障 导致 控制 信号 中断 时， 执行 器处 于关 闭状 态， 停止 加热 ，使设备不 致因温度过高 而发生事故或 危险。 2.（ 6）解： （ 1）直线流 量特性： 10%： 22.7 13.0 100%74.62% 13.0 =50%： 61.3 51.7 100%18.57% 51.7 =80%： 90.3 80.6 100%12.03% 80.6 =线 性调 节阀 在小 开度 时流 量的 相对 变化 量大 ，灵 敏度 高， 控制 作用 强， 容易 产生 振荡 ； 而 在大 开度 时流 量的 相对 变化 量小 ，灵 敏度 低， 控制 作用 较弱 。由 此可 知， 当线 性调 节阀 工作在小开 度或大开度时 ，它的控制性 能较差，因而 不宜用于负荷 变化大的过程 。 （ 2）对数流 量特性 10%： 6.58 4.67 100%40.90% 4.67 =50%： 25.6 18.3100%39.89% 18.3 =80%： 71.2 50.8100%40.18% 50.8 =对数流量 特性调节阀在 小开度时其放 大系数 vK较小 ， 因而控制 比较平稳 ； 在大开度 工作 时放大系 数 vK较大，控 制灵敏有效， 所以它适用于 负荷变化较大 的过程。（ 3）快开流 量特性 10%： 38.1 21.7 100%75.58%21.7 = 液位实际 值液位设定 值 PID控制器 气动执行 器 加热器 液位变送 器 50%： 84.5 75.8100%11.48%75.8 = 80%： 99.03 96.13100%3.02%96.13 =快开流量 特性是指在小 开度时候就有 较大的流量 ， 随着开度 的增大 ， 流量很快 达到最大 ， 快开流量 特性的调节阀 主要用于位式 控制。 第四章 被控过程 的数学模型1.(4) 解 :(1)由题可以 列写微分方程 组 : 1 2 3 2 2 3 3 d hq q q Cdt hq R hq R = = = (2)过程控制 框图 (3)传递函数 0 1( ) ( )/ ( )GS HS QS= 0 1 2 3( ) ( )/ ( ) 1/( 1/ 1/ )GS HS QS CS R R= = + + 2.(1)解 :首先由题 列写微分方程 = = = = = 213 23 2 2 232 121 hhh Rhq Rhq dt hdCqq dthdCqq 消去 2q 、 3q，得： dthdCRhq 121 = 1/CS 21/R 31/R 1( )QS ( )HS dthdCRhRh 2322 =可得： dthdCRhRhq =+ 3221 2 则有： 3212 2 RRhqdthdCh += 消去中间 变量 2h可得： dtqdCRqhRdthdRRCdt hdRC 1312232232 112 +=+ +可得： ( ) ( ) ( ) 223232 310 1121 RSRRCSRC SCRsQsHsG + + += 第五章 简单控制 系统的设计1.(13) 解 :(1)只讨论系 统干扰响应时 ，设定值 0rT= 。由 01 5.4K= , 02 1K = , 1.48dK= ,01 5m inT ,02 2.5m inT ， 则 被 控 对 象 传 递 函 数 ：5.4 (5 1)(2.5 1)T s s= +扰动传递 函数 : 5.41.48( ) 7.992(5 1)(2.5 1) 5.4( ) 1 (5 1)(2.5 1) 5.41 (5 1)(2.5 1)d c cck TYs s sFs k T s s kk s s += = =+ + + + + 当 10F = ， 2.4cK= 时 ， 则 有 ： 2( ) 7.992( ) ( ) 12.5 2.5 11.96YsGs Fs s s= = + + 1 1 2 2 1 2 1 2 2 3 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 7.992 10 79.92( )( ) ( ) 12.5 2.5 11.96 12.5 2.5 11.96F Ys Gs FsYs Gs Fs T Y Y Y Gs F F Gs F s s s s s s = = = = = = = = + + + +经过反拉 氏变换之后可 得出：系统干 扰响应 0.1 0.1() 6.682 cos(0.9730) 0.6867 sin(0.9730) 6.682t tFT t e t e t = + a) 同理可得 出当 10F = ， 0.48cK= 时，则： 2( ) 7.992( ) ( ) 12.5 2.5 1.5920YsGs Fs s s= = + + 1 2 1 2 2 3 27.992 10 79.92( )( ) ( ) 12.5 2.5 1.5920 12.5 2.5 1.5920FT Y Y Y Gs F F Gs F s s s s s s= = = = = =+ + + + 经过反拉 氏变换之后可 得出：系统干 扰响应 0.1 0.1() 50.20 50.20 cos(0.3426) 14.65 sin(0.3426)t t FT t e t e t = (2)只讨论系 统设定值阶跃 响应时，干扰 输入 0F= 5.4( )( ) ( ) 1 (5 1)(2.5 1) 5.4c c r c c k T kYsGs Ts k T s s k= = =+ + + 已知 2rT =a） 当 2.4 cK= 时， 3 25.42.4 2 25.92( ) (5 1)(2.5 1) 5.42.4 12.5 2.5 11.96R rT Gs T s s s s s s= = = + + + +反拉氏变 换： 系 统 设 定 值 阶 跃 响 应 ：0.1 0.1() 2.167 cos(0.9730) 0.2227 sin(0.9730) 2.167t t RT t e t e t = +b) 当 0.48 cK= 时 , 3 25.40.48 2 5.1840( ) (5 1)(2.5 1) 5.40.48 12.5 2.5 1.5920R rT Gs T s s s s s s= = = + + + +系 统 设 定 值 阶 跃 响 应 ： 0.1 0.1() 3.256 3.256 cos(0.3426) 0.9505 sin(0.3426 )t tRT t e t e t = 3） cK对设定值 响应的影响： 增大 cK可以减小 系统的稳态误 差，加速系统 的响应速度。 cK对干扰的 影响：增大 cK可以对干 扰的抑制作用 增强。 2.(6)解 : 由图可以 得到， 40= ， 0 230 40 190T= = ，( )( ) 0 39/ 100 0 1.560.02/ 0.1 0.02K = =对 象 增 益 对应 01 11.56K= = ，再查表 得 PI控制器参 数结果。 0 1.1 401.11.56 0.361190T = = = ； 1 3.3 3.3 40 132T = = = s 1） 液位 变送器 量程减 小，由 公式 m inm ax m inm ax0 uuu yyyK = ，此 时 Ymax减小 ， y不变 ，对象 增 益 0K放大 1倍，相应 缩小 1倍 。此时查 表得到的 应加大。 3.(1)解 : 1、 被控参数 ：热水温度2、 控制参数 ：蒸汽流量 3、 测温元件 及其变送器选 择：选取热电 阻，并配上相 应温度变送器 。4、 调 节阀 的选 择： 根据 实际 生产 需要 与安 全角 度的 考虑 ，选 择气 开阀 ；调 节器 选 PID 或 PD类型的调 节器 ； 由于调节 阀为气开式 （ 无信号时 关闭 ） ， 故 vK为正 ， 当被控过 程输入的 蒸汽增加时 ， 水温升高 ， 故 0K为正 ， 测量变送 mK为正 ， 为使整个 系统中 各环节静 态放大系数乘 积为正，调节 器 cK应为正， 所以选用反作 用调节器。第 6章 常用高性 能过程控制系 统 1.(12)解 : 1）画出控 制系统的框图 2） 调节阀 ： 气开形式 ； 这是因为 当控制系统一 旦出现故障 ， 调节阀必 须关闭 ， 以便切断蒸汽的供 应，确保设备 的安全。 3） 主调节器 ： 反作用方 式 ； 副调节器 ： 反作用方 式 。 对于副回 路 ， vk气开为正 ， 02k 为正 ， 2mk 为正 ，所 以有 2ck 为正 ，即 副调 节器为 反作 用方 式；对 于主 回路 ， vk为正 ， 01k 为正 ， 1mk 为 正，所以 有 1ck 为正，即 主调节器为反 作用方式。 1.(13)解 : 按 4:1衰减曲线 法测得数据， 由表 5-3（ P162页）得：副调节器 采用 P调节规律 ，查表得： 2 2 44%s = = 主调节器 采用 PID调节规律 ，查表得： %648.0 11 = s ， m in33.0 1 = sI TT ， m in11.0 1 = sD TT 2.(4) 流量控制 器 流量变送 器 调节阀 蒸汽管道 再沸器 精馏塔温度控制 器 温度变送 器 解： 1）前馈 串级复合控制 系统 :取进料流 量 )(sF 作为前馈 信号，经前馈 控制器输出控 制作 用到调节 阀。系统框图 如下 2）前馈调 节器的传递函 数：( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )( ) ( ) ( )( )( ) ( ) ( )svffvfssfv fB ff esGsTKK sTsTKsGsTeKK sTsTeKsGsGsG sGsG 00 1 111 11 0201 02010201 02010102 + +=+ +=3）讨论前 馈实现的可能 性： 1） 要求 0f ， 2）分子阶 次不高于分母 阶次，这样才 物理上可实现 。 3.(2)解： 1、如果冷 水流量波动是 主要干扰，采 用前馈反馈 控制；被控变 量为物料出料 温度 ,控制变量蒸汽流 量 ,前馈信号 为冷水流量。 2、 如果蒸汽 压力波动是主 要干扰 ， 采用串级 控制 ； 主被控变 量为物料出料 温度 ,副被控变 量为蒸汽压 力 ,控制变量 蒸汽流量。 3、 如果冷水 流量和蒸汽压 力都经常波动 ， 采用前馈 串级控制 ； 主被控变 量为物料出料 温度 ,副被控变 量为蒸汽流量 或压力 ,控制变量 蒸汽流量 ,前馈信号 为冷水流量。 第七章 实现特殊 工艺要求的过 程控制系统1.（ 15） 解： （ 1） A、 B两阀均采 用气开形式 ， A阀工作在 在 0.02Mpa到 0.06Mpa信号段 ， 当信号超 过 0.06 Mpa时， A阀全开； B阀工作在 0.06Mpa到 0.10Mpa信号段。（ 2）由 于 A、 B两个 阀都采 用气开 形式， 所以当 执行器 信号增 大时， A、 B两阀 开度变 大，所 以 执行 器为 正作 用形 式； 而当 进入 加热 炉燃 料量 增大 时， 原油 温度 升高 ，所 以被 控对 象为 正作用形式 ； 所以调节 器选择增益为 正，反作用形 式。 （ 3）控制框 图如下： 温度设定 原油出口 温度温度控制 器 天然气阀 加热炉 温度变送 器 燃料油阀 工 作原 理： 当控 制器 根据 温度 设定 与实 际原 油出 口温 度之 差运 算得 到控 制信 号在 A阀 工作 信号段内时 ，仅 A阀开启； 而当控制信号 在 B阀工作信 号段时，则 A阀全开， B阀开启。 2 （ 1） 解：1）选择双 闭环的比值控 制系统，因为 双闭环比值控 制能实现主、 副回路的抗干 扰性能 ， 使主、副 流量既能保持 一定比值，又 能使总物料流 量保持平稳。 2）因为流 量和压力呈非 线性关系 21 2 1 2.5: 4:2.5 0.6254qq q K q= = = = 不带开方 器时： 22 1m ax 2m ax 6250.625 1.814290qK K q = = = 带开方器 时： 35.1m ax2m ax1 = qqKK3） 当出现故 障时调节阀关 闭 ， 所以选择 两调节阀都为 气开形式 ； 两调节器 选择 为反作用 。 2 （ 2） 解：均 匀控 制系 统在 调节 器参 数整 定时 ，比 例作 用和 积分 作用 均不 能太 强， 通常 设置 较大 的 比例度（ 较小的比例系 数）和较长的 积分时间，以 较弱的控制作 用达到均匀控 制的目的。 本题可根 据 PI的调节规 律的性质： 对 于该 系统 ，有 时出 现周 期很 长、 衰减 很慢 的振 荡过 程。 说明 了系 统的 调节 参数 ：比 例系 数过 大导 致振 荡； 周期 很长 、衰 减很 慢是 由于 积分 时间 大， 导致 曲线 过渡 过程 很平 缓， 等 待平衡的 时间长。 若 加大 调节 器的 比例 度（ 比例 系数 减小 ）并 不能 减小 振荡 ；若 减小 调节 器的 比例 度（ 比 例 系数 增大 ）反 而能 提高 衰减 比。 对于 此现 象， 因为 增加 调节 器比 例度 ，使 控制 作用 减弱 ，在 干扰 作用 下， 导致 振荡 并不 能减 小； 当减 小调 节器 比例 度时 ，控 制作 用增 强， 使得 动态 响 应变快， 提高了衰减比 。 2.（ 4）解：控制系统 框图如下： （ 2） 由于 裂解 气冷 却出 口温 度要 求不 得低 于 15摄 氏度 ，否 则会 引起 管道 阻塞 ，因 此调 节阀选择气开 形式。 由 于调 节阀 为气 开形 式， 所以 为正 作用 形式 ；当 调节 阀开 度变 大时 ，釜 液流 量变 大， 即为 正作 用形 式， 所以 流量 调节 器 为反 作用 形式 ；而 此时 裂解 气出 口温 度却 下降 ，即 为反 作用 形式，因 此温度控制器 为正作 用形式。由于裂解 气冷却后出口 温度不得低于 15摄氏度 ， 因此当温 度低于要求温 度时 ， 调节器的 输出信号 减小，要求选 择器选中温度 控制器，故选 择器为低值选 择器。 3.（ 3）解：系统控制 框图如下： 为 防止 故障 状况 下， 水溢 出水 槽， 调节 阀采 用气 开形 式， 因此 调节 阀为 正作 用形 式。 又由 于当 调节 阀开 度变 大时 ，水 流量 变大 ，液 位升 高， 因此 被控 对象 均为 正作 用。 所以 液位 控 制器、流 量控制器均 为反作用 形 式。 第八章 复杂过程 控制系统1.（ 4）解： 本题采用 增益矩阵计算 法获取相对增 益矩阵： 流量设定 温度设定 釜液流量 裂解气出 口温度温度控制 器 热交换器 流量变送 器 流量控制 器 选择器 执行器 温度变送 器 流量控制 器 流量变送 器 调节阀 入水管线 水槽液位控制 器 液位变送 器 ( )1 TTK H K K = 10.58 0.36 0.36 0.58 0.36 0.360.73 0.61 0 0.73 0.61 0 1 1 1 1 1 10.6170 0.4583 0.0753 0 1 00.3830 0.4583 1.0753 T = 从相对增 益矩阵可以看 出，选用 u1 y1,u2 y2,u3 y3的变量配 对方案，但 u1 y1和 u3 y3间需解耦 。 2.（ 2）解：由 ( ) 1 TTK H K K = 得： 10.5 0.3 0.5 0.30.4 0.6 0.4 0.6 0.714 0.2860.286 0.714 T = 由 增 益 矩 阵 可 以 看 出 ， 两 个 变 量 之 间 存 在 一 定 的 耦 合 ， 因 此 u1-y1， u2-y2配 对 ， 同 时用前馈补 偿设计法进行 解耦。可得前 馈补偿器的数 学模型为： 0122 011( ) 0.3( ) 0.6( ) 0.5B G sG s G s = = = 0211 022( ) 0.4( ) 0.667( ) 0.6B G sG s G s= = = 前馈解耦 控制框图略。 2.（ 3）解： 1 2 0.5*1.01 20.5*1.0 0.5*0.5 1q aq adq q ad bc ad bcq dq = = = = = 因此： 1 2 21, 1, 2qv q qv = = =由增益矩 阵可以看出， 两变量之间存 在耦合现象。 需怎样解 耦？ 第十章2 （ 3） 图 10-23所 示为 锅炉 燃烧 系 统选 择性 控制 。 它可 以根 据用 户 对蒸 汽的 要求 ， 自动 调 节 燃烧 量和 助燃 空气 量， 不仅 能维 持两 者的 比值 不变 ，而 且能 使燃 烧量 与空 气量 的调 整满 足 下 述逻 辑关 系： 当蒸 汽用 量增 加时 ，先 增加 空气 量后 增加 燃烧 量； 当蒸 汽用 量减 少时 ，先 减少 燃烧 量后 减空 气量 。根 据上 述要 求， 试确 定图 中控 制阀 的气 开、 气关 形式 、调 节器 的正 、 反作用及 选择器的类型 ，并画出系统 框图。 PC PT 2FT 1FT 1FC 2FC K 选 择 器 选 择 器 蒸 汽 燃 料 空 气 解：燃料 阀选气开形式 ，空气阀选气 关形式。 PC正作用， F1C反作用， F2C调节器正 作用。 当蒸汽用 量增加时，先 增加空气量后 增加燃烧量， 图上面选择器 应为高值选择 器 HS；当蒸汽用 量减少时，先 减少燃烧量后 减空气量，图 下面选择器应 为低值选择器 LS。 系统框图 略。 3.（ 3）解： 由题可知 ， 当 q经常发生 波动时 ， 可以采取 前馈反馈控 制 。 q的波动量 做为扰动量 ， 对其进行前馈控 制，而将塔底 温度做为被控 量，蒸汽流量 做为控制量。 结构框图如下 ： 调 节阀 选择 气开 形式 。当 调节 阀开 度变 大时 ，塔 底温 度升 高， 即被 控对 象亦 为正 作用 形式 ，因此控制 器选择为反作 用形式。 如果蒸汽 压力也经常波 动，则可以采 取前馈串级 控制系统。 进料扰动前馈补偿 器 扰动传函 温度控制 器 温度变送 器 调节阀 再沸器 蒸馏塔 进料扰动前馈补偿 器 扰动传函 压力控制 器 压力变送 器 调节阀 蒸汽管线 蒸馏塔温度控制 器 温度变送 器
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