过程控制工程
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一些为好，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
1
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。
TC冷却水物料被冷却物料答：
? 控制阀选气关阀，选反作用控制器。 ? 控制阀选气开阀，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
2．2 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.
3
2．8 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。
(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突然生高，
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。
4
(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）。
5
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：①比值指工艺物料流量之比，即从流量与主流量之比：；
F K?2F1
比值系数指副、主流量变送器输出电流信号之比，即：
K??二者之间的关系由下式决定：
I2?IminI1?IminF （变送器输出与流量成线性关系时）
K??K1maxF2max
（变送器输出与流量成平方关系时） F1max2?K?(K)F2max
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。除法器输出值既仪表比值系数，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F2与主流量F1成一定比值关系，满足关系式：K?的控制系统。
比值控制系统的类型：开环、单闭环、双闭环、变比值、串级－比值控制系统。 原理图见教材。
F2 F1
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。
6
3.7 当比值控制系统通过计算求得比值系数K??1 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：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K??1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。
不用改变系统结构，只要调整F2max 保证K＇〈1 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
I??(I1?4)(I0?4)?4，
16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F1max?3600kg/h,F2max?2000kg/h， 要求：
① 画出该比值控制系统方块图。
② 如果要求F1:F2?2:1，应如何设置乘法器的设置值I0？
解：①方框图如下： I0 I1 F2 流量对象 乘法器 控制器 调节阀 - I2
测量变送器2 测量变送器1 F1 ②
F1K?2?，由于流量用孔板配差压变送器，没加开方器，所以
F12
F136002 K??(K1max)2?(?)?0.81F2max22000系统稳定时：‘I1?I2
‘I2?4I?4K??1I1?4I1?4’I??(I1?4)(I0?4)I?4?4,?K'?0?0.811616
7
I0?16K??4?16?0.81?4?16.96mA
3.9 某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持FA:FB?4:2.5的比例，两物料的
33最大流量FAmax?625m/h,FBmax?290m/h。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K?。
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系统设计如下：
②K??(KFAmax22.56252)?(?)?1.81 FBmax4290③K??1，所以要将FBmax调大。 所以 FBmax?KFAmxa?取FBmax?450
2.5?625?390.625 4FAmax22.56252)?(?)?0.75 FBmax4450K??(K比值系数K＇通过I0设置，I0?16K??4?16mA
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，
8
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
F氨max?12000m3/h,F氧max?5000m3/h。试求比值系数K’=？如果上述比值控
制用DDZ-II型仪表来实现，比值系数的设置I0应该是多少？ 解：K??KF氨maxF氧max112000???1.2?1 25000调整副流量的测量上限，使K＜1’ 取K??0.8，则F氧max?7500即可。 对于DDZ-II，I0?10K??10?0.8?8mA
3.11 有一个比值控制系统如图所示。图中k为一系数。若已知k=2，
FAmax?300kg/h,FBmax?1000kg/h，试求K??？ K=？
解：
IB11??K?? IAk2FAmax230021)?(K)? FBmax10002K??(K?K?2.36
3.12 一双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。已知
F1max?7000kg/h,F2max?4000kg/h。要求：
① 画出该系统方块图。
② 若已知I0?18mA求该比值系统的比值K=？比值系数K??？
9
③ 待该比值系统稳定时，测I1?10mA，试计算此时I2=？
解：①
I1?I2 ②系统稳定时：‘‘I2?4I?4K??1I1?4I1?4’I?? ③
(I1?4)(I0?4)I?4?4,?K'?01616I0?16K??4, I0?18mA?K??14?0.87516FK??K1maxF2maxK?K?
F2max0.875?40001??F1max70002K??I2?4I1?4I2?K?(I1?4)?4?0.875?(10?4)?4?9.25mA 10
11
过程控制工程课后习题参考答案-前三章
