江南大学过控常考题总结

知识点：1.过程控制系统的重要术语被控变量/受控变量/过程变量（ControlledVariable-CV,ProcessVariable-PV）设定值/给定值(Setpoint-SP,SetpointValue-SV)操纵变量/操作变量(ManipulatedVariable,MV)扰动/扰动变量(DisturbanceVariable,DV)对控制器而言，测量/测量信号(Measurement)，控制/控制信号/控制变量（ControlVariable）2.被控对象动态建模方法机理建模原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明了。测试建模原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。3.气开阀与气关阀的选择原则若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。练习题：1.对于如图所示的压力控制系统，假设贮罐温度不变，主要干扰为P1、P2。试指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与被控对象，并画出该系统的方块图。答案：被控对象：压力罐。被控变量：储罐内的压力。操纵变量：进料流量。扰动变量：进料压力，出料流量，等。PCPP1P2PspPmuKv1Kv2F1F2控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动D干扰通道GD(s)++被控对象2.(1)列写过程微分方程组；(2)画出方框图；(3)求传递函数)()()(12sQsHsGp答案：物料平衡方程:31222122111,QQdtdhCQQQdtdhC122112323212,,RhhQRhQRhQ将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.利用方框图等效变换;直接用传递函数计算公式;通过求解传递函数方程组.32122312121223213222132123212RRRSCRRCRRCRRCRRSCCRRRRRsQsHsWoR12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R1+_+_Q12Q1(s)Q2sC1121R+_+_H1121RH2sC2131RH2(s)3.对于如图所示的加热炉温度控制系统，试(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与控制目标;(2)画出该系统的方块图；(3)选择控制阀的“气开-气关”形式;(4)指出该控制系统的“广义对象”及物理意义。答案：被控对象：加热炉。被控变量：原料出口温度。操纵变量：燃料流量。扰动变量：进料流量、温度，燃料温度、压力、成分，等。4.对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；5.引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？6.引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？7.如何确定PID参数？8.采用纯比例控制，Kc增加时系统的稳定性会怎样？稳定的情况下余差会怎样？9.采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比例度应该怎样变化？10.精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，Pv为调节阀阀前压力。（1）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并画出该系统完整的方框图（尽可能在图上表明相应的信号）。11.如图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。（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，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开阀，为正作用方向。控制器应选择反作用方向。（2）当选择流出量Qo为操纵变量时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断TC进料出料燃料TTmTspRfuPC加热蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关阀，为反作用方向。控制器应选择反作用方向以上两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关形式的选择及对象的作用方向都与操纵变量的选择是有关的。12.如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2、Q3，液位h为被控参数，A为截面积，并设R1、R2、R3均为线性液阻。要求：①列写过程的微分方程组；②画出过程的方框图；③求过程的传递函数sQsHsW10答案：32323213322321)(RRsRARRRsQsHsWRhQRhQQQQdtdhAo13.相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？14.串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变量？16.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。试问如何来区分它们？试分析判断下图所示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。答案：图(a)是前馈-反馈控制系统，图(b)是串级控制系统。前馈-反馈控制系统有一个闭合回路，串级控制系统有两个闭合回路；前馈-反馈控制系统中的调节阀在定值控制系统中，第二个图中的调节阀在随动控制系统中。17.前馈控制的原理是什么？18.为什么一般不单独使用前馈控制？19.有一单闭环比值控制系统如图所示，其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器来实现（图中的测量仪表是线性仪表）。已知Q1max＝7000kg／h，Q2max＝4000kg／h。要求：（1）若已知I0＝18mA，求该比值控制系统的k＝？比值系数K=？（2）待该比值系统稳定时，测得I1＝10mA，试计算此时的I2=？答案：875.042041842040IK5.070004000875.0max1max2max2max1QQKkQQkK（2）待系统稳定时，则mAIIIIIIK25.94104444422121'220.为什么说超驰控制是一种软保护措施？它与硬保护有什么差异？21.什么是超驰控制系统？何时需采用这种系统？22.超驰控制系统为什么要特别注意防积分饱和？它与单回路控制时的防积分饱和方法有什么重要差异？23.图示为加热炉出口温度控制系统方案之一。工艺上规定要优先使用炼厂气A，只有在负荷增加后。使用了炼厂气所能提供的最大限量还是不够时，则以B来加以补充。试分析：控制方案是如何满足上述工艺要求的？答案：1）正常工况：TC输出为M，而且M小于AH，经低选器LS后做炼厂气A流量控制器的设定值，此时构成主参数为温度、副参数为炼厂气A的串级控制系统。由于Ar=M，因此FBC设定值（Br=M-AH）等于0。所以燃料B的阀门全关。2）在工况变化时，如出现MAH，则低选器选择AH作为输出，AH=Ar。因此FAC成为定值流量控制系统，使得炼厂气A稳定在AH的数值上。这时由于（M-AH）0,则构成温度与燃料B的串级控制系统，即打开燃料B的阀门以补充燃料A的不足。从而使得炉出口温度稳定在设定值上。24.下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？2）最主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？3）图中哪个控制器要整定的最慢，哪个控制器要整定的最快？为什么？4）阀门V1是气开还是气关？为什么？V2是气开还是气关？为什么？5）指出各图中控制器的正反作用，并给出选取的理由；6）给出图中控制规律的选取。答：⑴是串级分程控制系统。⑵最主要的被控变量是反应器内温度，最主要的操纵变量是冷剂流量。⑶图中T1C要整定的最慢，FC最快。⑷阀门V1是气关，保证反应温度不致过高，从而生成其它产物。阀门V2是气开。⑸图中：T1C反作用，T2C正作用，FC正作用。(6)T1C：PID；T2C：P（PI，I弱）；FC：P。25.如图所示的精馏塔提馏段灵敏板温度控制回路很可能引起液泛。假设液泛可以用塔底和塔顶压力之差来表征（压差太大表示可能存在液泛）。请在此基础上设计一个液泛约束控制系统，以保证正常操作时按提馏段温度调节加热蒸汽流量，而当塔即将出现液泛时则要求调节加热蒸汽流量确保不发生液泛。要求：（1）画出带控制点的流程图与对应的方块图；（2）选择调节器的正反作用。26.如图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用TC进料顶产品底产品气开PBPDΔPm来克服干扰作用对被控变量影响的？答案：被控对象：反映器。被控变量：反应器内的温度（反应温度）。操纵变量：冷却水流量。干扰：冷却水压力、温度变化，A、B物料的流量、温度变化，等。若进料温度升高，反应器内的温度超过温度给定值时，即偏差小于0，TC要发挥控制作用使反应温度下降，即控制器输出使冷却水调节阀开度大些，使更多的冷却水进入夹套，从而移走多余热量使反应器内温度降下来。27.有一水槽，其截面积F为0.5m2。流出侧阀门阻力实验结果为：当水位H变化20cm时，流出量变化为1000cm3/s。试求流出侧阀门阻力R，并计算该水槽的时间常数T。答案：11TsKRFsRsQsHi23/501/100020cmsscmcmsQHRKoscmcmsRFT100105.0/50124228.如图所示为蒸汽加热器控制系统，若被控对象控制通道的传递函数为475ssGo控制器TC的传递函数为1sGC，调节阀的传递函数为1sGV，测量变送环节的传递函数为1sGm。因生产需要，出口物料的设定温度从80℃提高到85℃时，物料出口温度的稳态变化量T为多少？系统的余差为多少？解：系统的闭环函数为：19/79/597547514751sssssGsGsGsGsGsGsGsGmoVCoVC由此可知该系统为一阶滞后环节，静态放大系数为5/9当输入变化量为5℃时，其输出稳态变化量CT78.2595系统的余差约为C22.278.2529.定值控制系统的过渡过程有几种形式？工程上一般要求为哪种过渡过程形式？随动系统一般要求为哪种过渡过程形式？答：五种，分别是：非周期发散过程、非周期衰减过程、发散振荡过程、等幅振荡过程、衰减振荡过程等。工程上一般要求为衰减振荡的过渡过程形式。随动系统一般要求为单调过程。30.一生产过程，被控对象为一阶特性，控制器为纯比例控制器，控制中还是发生了衰减振荡过程？为什么？答：这是因为系统中还有控制阀和变送环节，如果它们的时间常数不可忽略的话，系统为二阶系统，故控制中还是会发生衰减振荡过程。31.一个系统的对象有容量滞后，另一个系统由于测量点位置造成纯滞后，如分别采用微分作用克服滞后，效果如何？答：微分作用的控制器，其输出的控制信号p与输入的偏差e的变化速度成正比，即，式中为微分时间。当对象具有容量滞后时，系统在外界扰动作用下，被控变量马上有变化，在给