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1、学 海 无 涯 过程控制 模拟试题（一） 1、什么是过程控制系统? 其基本分类方法有哪几种? （5 分） 2、什么是机理分析法建模? 该方法有何特点?（5 分） 3、何谓调节阀的流通能力？对数流量特性有何特点？ （5 分） 4、何谓单回路系统？说明组成单回路系统各部分的作用。 （10 分） 5、选择调节器控制规律的依据是什么? 若已知过程的数学 模型，怎样来选择 PID 控制规律?（10 分） 6、什么叫比值控制系统? 常用比值控制方案有哪些? 并比 较其优缺点。（10 分） 7、试推导单容过程数学模型（输入量为 q1，被控量为 h1）。 （15 分） 8、某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进
2、行加热。热物 料温度必须满足生产工艺要求，故设计下图所示温度控 制系统流程图。试画出其框图，并确定调节阀的气开、 气关形式和调节器的正、反作用。 （20 分）,专业知识编辑整理1,学 海 无 涯,控制系统有哪些主要特点?（20 分）,过程,控制 模拟,试题,（一）答案,1、答案 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算 机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自 动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过 程检测控制仪表两部分组成的。 按过程控制系统的结构特点可进行如下分类： 1）反馈控制系统：反馈控制系统是根据系统被控量的偏差,9、对于下图所示的加热炉串级控制系统，试画
3、出系统的结 构框图，并分析其工作过程。与TT单回路系统相比，串级,TC,热物料,加热炉,冷物料,燃料,专业知识编辑整理2,专业知识编辑整理3,学 海 无 涯 进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小 偏差的目的。 前馈控制系统：前馈控制系统直接根据扰动量的大小 进行工作，扰动是控制的依据。由于它没有被控量的反馈 ，所以也称为开环控制系统。 前馈反馈控制系统(复合控制系统)：开环前馈控制 的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速地克服其对被 控参数的影响；对于其余次要扰动，则利用反馈控制予以 克服，使控制系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定 值上。 按给定值信号的特点可进行如下分类：
4、1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定值 不变，或在小范围附近不变。 程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时间程序 变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按工艺要求规 定的程序自动变化。 随动控制系统：它是一种被控量的给定值随时间任意变 化的控制系统。其主要作用是克服一切扰动，使被控量快,专业知识编辑整理4,学 海 无 涯 速跟随给定值而变化。 2、答案 机理建模： 是根据过程的内部机理(运动规律)，运用一些已知的 定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡 方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学 模型。 特点： 机理分析法建模的最大特点是当生产设备还处于设
5、计 阶段就能建立其数学模型。由于该模型的参数直接与设备 的结构、性能参数有关，因此对新设备的研究和设计具有 重要意义。另外，对于不允许进行试验的场合，该方法是 唯一可取的。机理分析法建模主要是基于分析过程的结构 及其内部的物理化学过程，因此要求建模者应有相应学科 的知识。通常此法只能用于简单过程的建模。对于较复杂 的实际生产过程来说，机理建模有很大的局限性，这是因 为实际过程的机理并非完全了解，同时过程的某些因素如 受热面的积垢、催化剂的老化等可能在不断变化，难以精,专业知识编辑整理5,学 海 无 涯 确描述。另外，一般来说机理建模得到的模型还需通过试 验验证。 3、答案 流通能力 C 表示执
6、行器的容量，其定义为：调节阀全 开，阀前后压差为 0.1MPa，流体密度为 1gcm3 时，每小 时流过阀门的流体流量(体积(m3)或质量(kg)。 对数(等百分比)流量特性： 是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此 点的相对流量成正比关系。调节阀对数流量特性曲线的斜 率即放大系数是随行程(开度)的增大而递增的。在行程变 化值相同的情况下，当流量小时，则流量变化亦小；当流 量大时，则流量变化亦大。从过程控制工程来看，利用对 数(等百分比)流量特性是有利的。调节阀在小开度时，调 节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时， 其放大系数大，控制作用灵敏有效。 4、答案 单回路过程控制
7、系统亦称单回路调节系统简称单回路 系统，一般是指针对一个被控过程 (调节对象)，采用一个,专业知识编辑整理6,学 海 无 涯 测量变送器监测被控过程，采用一个控制(调节)器来保持 一个被控参数恒定(或在很小范围内变化)，其输出也只控 制一个执行机构(调节阀)。从系统的框图看，只有一个闭 环回路。 检测变送器作用： 对被控参数(变量)以及其它一些参数、变量进行迅速、 准确地测量的检测和将测量信号传送至控制器，是设计过 程控制系统中的重要一环。 执行器（调节阀）作用： 在过程控制中，执行器(亦称执行机构)大多采用阀的 形式，控制各种气体或液体的流量与流速，是过程控制系 统的一个重要组成部分，其特性
8、好坏对控制质量的影响是 很大的。 控制器（调节器）作用： 将给定信号与过程被控量的检测信号进行综合运算，控 制执行器的动作，以保证被控量的稳定或按一定规律变化。 在过程控制中，控制器常称为调节器(控制常称为调节)。 在采用计算机控制时，控制是由计算机的数字运算来实现,专业知识编辑整理7,学 海 无 涯 的。在过程控制发展史中，控制器(控制规律)的发展起了 决定性作用，并由此来划分过程控制的各个阶段。可见控 制器的选型与控制规律的确定是系统设计中最重要的环 节，必须充分重视。 5、答案 根据 0/T0 比值和过程特性来选择控制器的控制规律： 根据 0/T0 比值来选择控制器的控制规律 当 0/T
9、01.0 时，采用单回路控制系统往往已不能满 足工艺要求，应采用复杂控制方案。 根据过程特性来选择控制器的控制规律： 比例控制规律(P)：适用控制通道滞后较小、负荷变化 不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余 差的场合。 比例积分控制规律(PI)：适用控制通道滞后较小、负 荷变化不大、被控参数不允许有余差的,专业知识编辑整理8,学 海 无 涯,场合。 比例微分控制规律(PD)：具有超前作用，对容量滞后 过程可改善系统的动态性能指标。 比例积分微分控制规律(PID)：PID 控制规律是一种较 理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消 除 余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定
10、性。它适 用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高 的场合。 6、答案 凡是两个或多个参数自动维持一定比值关系的过程控制系 统，统称为比值控制系统。 常用的比值控制方案 单闭环比值控制：从动量 Q2 是一个闭环随动控制系统， 主动量 Q1 却是开环的。Q2 跟随 Q1 的变化而改变。 该控制方案的优点是能确保 Q2Q1K 不变。同时方案 结构较简单，因而在工业生产过程自动化中得到广泛应用。 但该方案中Q1 不受控制、易受干扰。 双闭环比值控制：它是由一个定值控制的主动量回路和,专业知识编辑整理9,学 海 无 涯 一个跟随主动量变化的从动量随动控制回路组成。主动量 控制回路能克服主动量扰
11、动，实现其定值控制。从动量控 制回路能克服作用于从动量回路中的扰动，实现随动控制。 当扰动消除后，主、从动量都回复到原设定值上，其比值 不变。 双闭环比值控制能实现主动量的抗扰动、定值控制，使 主、从动量均比较稳定，从而使总物料量也比较平稳，这 样，系统总负荷也将是稳定的。双闭环比值控制的另一优 点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制器的给 定值，这样从动量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。 不过双闭环比值控制方案所用设备较多、投资较高，而且 投运比较麻烦。 2）变比值控制 单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流 量间的定值控制，在系统运行过程中其比值系数希望(并设 定)是不变的
12、。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比 值随 第三个参数的需要而变化。为了满足上述生产工艺要求，,学 海 无 涯 开发了采用除法器构成的变比值控制。这实际上是一个以 某种质量指标 y1(常称为第三参数或主参数)为主变量，而 以两个流量比为副变量的串级控制系统。当 Q1、Q2 出现扰 动时，通过比值控制回路，保证比值一定，从而不影响或 大大减小扰动对产品质量的影响。 7、答案,8、答,案,1）系统框图,调节,Wc(s)：器（TC）；Wv(s)：,调节,（控制燃料）；W0(s)：,加热炉过程； Wm(s):温度测量变送(TT)； F (s)：扰动量； Y(s)：热物料温度。,， 反作用调节器,2
13、）调节阀选气开形式（安全考虑） 3）Kv：+；K0：+；Km：+Kc：+ 9、答案,1）系统框图,0,120,R2K 0,W (s) H (s) ,Q (s)R Cs 1 T s 1,式中,T0液位过程的时间常数，T0R2C； K0液位过程的放大系数，K0R2； C 液位过程的容量系数，或称过程容量,Wc(s),Wv(s),W0(s),Wm(s阀),Z(s),E(s),U(s),Q (s),Y(s),+,-,F (s),专业知识编辑整理10,学 海 无 涯,主调节器,副调节器调节阀炉膛,管壁,物料,y2,y1,x2,f1,x1 + z1,-,+ z2,-,f3f2,专业知识编辑整理11,副变量
14、变送器 主变量变送器 2）加热炉串级控制系统的工作过程： 当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变， 燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和 炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度， 此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况 时，串级控制系统便开始了其控制过程。 (1)燃料压力、热值变化 f2 和烟筒抽力变化 f3二次扰动 或副回路扰动 扰动 f2 和 f3 先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出 校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上述扰 动对炉膛温度的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及 时控制一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽 然经过副
15、回路的及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由 主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温,专业知识编辑整理12,学 海 无 涯 度调回到给定值上来。 被加热物料的流量和初温变化 f1一次扰动或主回 路扰动 扰动 f1 使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用， 克服人 f1 对炉出口温度的影响。由于副回路的存在加快了 校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时要 小。 一次扰动和二次扰动同时存在 假设加热炉串级系统中调节阀为气开式，主、副调节 器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方 向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加
16、强控制作用， 使炉出口温度很快调回到给定值上。如果一、二次扰动的 作用使主、副被控参数一个增大(炉出口温度升高)，另一 个减小(燃料量减少，即炉膛温度降低)，此时主、副调节 器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小 变动即满足控制要求。 2)串级控制系统的特点,专业知识编辑整理13,学 海 无 涯 串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区 别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环 双闭环或称为双环。串级控制系统在结构上与电力传动自 动控制系统中的双环系统相同，其系统特点与分析方法亦 基本相同。串级控制系统，就其主回路(外环)来看是一个 定值控制系统，而副回路(内环)则为一个随动系统。以加 热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉 出口温度的 “粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度 的“细调”任务。 与单回路控制系统相比，串
