过控思考题及习题（答案）.pdf

第一章思考题及习题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？答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用（一般 的理解应当是控制器输出）U（s）对被控参数Rs）的影响通路（一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变 量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道）。同理，干扰通道就是干扰作 用尸对被控参数Rs）的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。裳1-1千找特色对位特性叁数对静态质的整响4 J 对动态质的呈响新增加余差增加龙影晌兀增加无整响过a*程时间*小,振黄值小立增加无影响无影响，控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示衰1-2控性对控的特性多败对毒质的影响购动态质量的响扁增加余差MMMII定前提F _ 一-向于舞“n增加无影响过窿过程时间增加,桑娩第率支便增加无影嘀*H定程度大大降低1.2 如何选择控制变量？答：所选控制变量必须是可控的。所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易 过小。所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜 经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量1.3 控制器的比例度6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？答：当Gc（s）=Kc时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度6成正比，即比例度越大，余差也就越大。1Kc增大、6减小，控制精度提高（余差减小），但是系统的稳定性下降。1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么？答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间方放在最大，微分时间期放在最小，比例 度放于适当数值（一般为100%）,然后使b由大往小逐渐改变，并在每改变一次6值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1,6应继续减小，当衰减比小 于4：1时G应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度G s，及振荡周期Ts0再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将 控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大（约20%）的数值上，待积分、微分放 好后再将6放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下6值，直到达到满意为止。1.5 图1.41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？答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影 响物料出口温度的主要因素。如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量 应选哪些参数?为什么？答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为 物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯 滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、S 1.41 习Sg i.S闭形式及控制器的正、反作用？答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。1.6 图1.42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。答：控制阀气闭式，控制器的反作用。被加热物料在温度过低时会发生凝结。答：控制阀气开式，控制器的正作用。图1.42习题1.6图2如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0以下，如何防止热交换器被冻坏。答：控制阀气闭式，控制器的反作用。1.7 单回路系统方块图如图1.43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？答：当Kc、Kv、Ko增加时，系统的 余差减小，但系统稳定性下降。To增加时，系统的工作频率降低，控制速度变慢。这 样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的控制质量会越差。T 0增加时，使系 统控制不及时，使动态偏差增大，而且还 会使系统的稳定性降低。氏增加时，系统 的余差也变大，即控制静态质量变差。Tf 增加时，控制过程的品质会提高。r f增加 时，质量没有影响。1.8 有一如图1.44所示的加热器，其 正常操作温度为200,温度控制器得测 量范围是150250C,当控制器输出变化若为增大；若大；若心大；苦盯城大图I 44习癌1.8谢1%时，蒸汽量将改变3%,而蒸汽量增加1%,槽内温度将上升0.2C。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%,槽内温度将会下降1。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为100%,试求当设定值由 200提高到220时，待系统稳定后，槽内温度是多少摄氏度？答：当设定值由200提高到220时，控制器输出变化20/200=10%,蒸汽量增加30%,液体流量不 变，槽内温度将上升0.2X30=6,所以待系统稳定后，槽内温度是206。1.9 在A片50阶跃干扰作用下，测得某温度对象控制通道得响应数据如下：根据上述数据用反应曲线法计算PI控制器参数。答：从响应数据得干扰起作用点为0.6min,227,即r=0.6min,拐点为l.Omin,280,即时间/nun0.00.20.40.60.81.01.21.4度凡200.1201J204.0227.0(二31,0.央302.5318.0时间/min1.6142.L2.22.42.62.93.0温度”329.5336.0339 g340.034L0341.0341.01341.07）=2.0min-0.6min=1.4 min,设采用HI型仪表，测量范围为100250,所以，K（）=%/尸3=50/(341.0-200,1 50/140.9=0.355V6=(1.W/7L)X 100%=(l.l X 0.355X0.6X 1.4)X100%=32.8%7=3.3r=3.3X0.6=1.98 min4第二章思考题及习题2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点？答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1)串级控制系统具有更高的工作频率;(2)串 级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3)串级控制系统具有一定的自适应能力2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无 关？答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副 同路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来 看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即SignGoi(s)SignGo2(s)SignGmi(s)SignGci(s)=-l就可以确定主控制器的正、反作用。实际上主变送 器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器 的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么？答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到 产品的质量，因此对它要求比较严格。而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身 没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达 到规定的质量指标要求即可。此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大 倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数Ki与的乘积等于Ks(改为主变量呈4：1衰减 振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。虽然按照 经验一次放上的副控制器参数不一定合适，但可通过调整主控制器放大倍数来进行补偿，结果仍然可使主 变量呈4：1衰减。2.4 试证明串级控制系统中，当干扰作用在副环时，只要主、副控制器其中之一有积分作用就能保证 主变量无余差。而当干扰作用于主环时，只有主控制器有积分作用时才能保证主变量无余差。答：从串级控制系统结构图中可以看出：1.当干扰作用在副环时，副环在干扰下的输出可如下计算：并假定火。为单位阶跃干扰，则尸(S尸1/S,运用终值定理可得:51(1+T.S)=sb(s)=lim KK-Um 一 忧一、s-0 S-O D 1+G(s)02，,f 2 s-o 1 十八02八1，加 25c2(SJ02(1+%S)如果Gc2（s）=Kc2（Tis+l）/Ts,即含有积分环节，则在上式分子上出现7项，j2（8尸o,即干扰作用下主 环也无余差。如果GC2（S）=2，则副环余差为P2（8）=l/KvKm2Kc2，此余差进入壬环，此时将副环等效成一*个环节，G2勺/八，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，为（8尸0,反之为（8）关0。当干扰作用在主环时，副环等效成一个环节，Gs）=l/K用与上述副环余差计算一样的方法计算 主环余差，如果主环控制器具有积分作用，为（8尸0,反之为（8）W0。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待？答：对于副环来说，如果是负反馈系统，其等效环节等效传递函数为：G（）2GczGG 02 l+Gc2GvG02Gm(21)当控制器放大倍数远远大于1时，贝U有|GC2GVG02 Gmi1，又因为通常各个环节都是无量纲化的，此 时Gm=l。则有式（2-1）近似等于+1。2.6 试说明在串级控制系统中主、副控制器之一的正、反作用选错会造成怎样的危害？答：串级控制系统属于反馈控制系统，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时,其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡 过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工 作，必须要构成负反馈。2.7 图2.21所示的反应釜内进行的是放热化学反应，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。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回 路控制满足不了要求，需用串级控制。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。选择釜内温度为主对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下6 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。选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。答：从安全角度出发，上述两种方案均应选择气闭式控制阀。副控制器：第一种方案下，当冷却水流量超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即 控制器输出增大，所以选正作用。第二种方案下，当入口温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀 的开度增加，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：两种方案下，当冷却水流量增加时，釜内温度降低，因此Koi为负，应选择正作用。2.8 图2.22为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求：选择控制阀的开、闭形式。答：根据安全要求，控制阀应选择气开式。确定主、副控制器的正、反作用。副控制器：当炉膛温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：当燃料气流量增加时，釜内温度升高，因此反）1为正，应选择负作用。在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用，分析该串级控制系统的工作过程。答：在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，此时控制阀的开度还没有变化，所以燃料气流 量增加，炉膛温度升高，测量变送的输出增加，副控制器的输入为正，副控制器为负作用，输出减小，控 制阀为气开式，所以开度减小，使燃料气流量下降。燃料气流量增加，炉膛温度升高最终会使原油出口温 度增加，测量变送的输出增加，主控制器的输入为正，主控制器为负作用，输出减小，副控制器的给定值 减小，促使副环控制器对燃料气流量进一步调整。一直到原油出口温度回到给定值为止，控制阀处在一个 新开度上。72.9 某干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料的物性发生变 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后的热水，而 加热器采用的是饱和蒸汽，流程如图2.23所示。要求：如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么？答：应采用干燥器干燥温度与冷水流量串级控制系统，因为要将主要干扰冷水流量包围在副环内。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？答：应采用干燥器干燥温度与蒸汽压力串级控制系统，因为要将主要干扰蒸汽压力包围在副环内。如果冷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？答：应采用干燥器干燥温度与加热器出口热水温度串级控制系统，副控制器的输出控制蒸汽、冷水控 制阀，副控制器为负作用，蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气闭式，主控制器为负作用。图2.21 AJIB 2.7 K图2.22习1K2.8图图2.0月剪2.9图82.10 某串级控制系统采用两步法进行整定，测得4：1衰减过程的参数为：6卜=8%,6 2s=42%,丁k=120 s,7=8s。若该串级控制系统中主控制器采用PID规律，副控制器采用P规律。试求主、副控制器的参 数值应是多少？答：1、副控制器参数：6 2=6 2s=42%2、主控制器参数：6 1=0.86 is=0.8X8%=0.64%Ti=0.3 Tis=0.3X120=36s7=0.3 Tis=0X120=12s第三章思考题及习题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：比值K是工艺要求的流量比，定义为从动流量B与主动流量厂1之比，即：K=从动流量/主动流量=尸2/B比值系数K是仪表有效信号之比，定义为从动流量/2的有效信号与主动流量行的有效信号之比。如 果用/来表示仪表的测量信号，则有：-，20/从动流量的测量信号 4侬-八。门八主动流量的测量信号 几A max-/10流量比K与比值系数”是两个不同的概念，不能混淆。比值系数”的大小与流量比K的值有关，也 与变送器的量程有关，与负荷大小无关。流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响。线 性关系时K=K（RmaJ F2max）；非线性关系（平方根关系）时K JK2（尸imax/EmaxR3.2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：对于采用除法器实施的比值控制系统，由于除法器的结构，必须使输入的分母信号大于分子信号。通常把主流量作为分母项，此时K的范围是0VKN1,因此在选择流量测量仪表量程时，也需满足凡maxK maxFlmax o同时，用除法器作比值计算时，应注意比值系数H不能在1附近。若比值系数等于1,则比值 给定已达最大信号/出=20mA,除法器输出/o必将等于20mA。在这种情况下，如果出现某种使用下降或 尸2增加的变化，因除法器输出已饱和，虽然比值K=6/HFI增加了，但由于To不变化，相当于系统的反馈 信号不变，失去控制作用，故只好任其比值增加。93.3什么是比值控制系统?它有哪几种?画出它们的结构原理图。答：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。比值控制系统类型：(1)开环比值控制系统-II-(2)单闭环比值控制系统-1 1(3)双闭环比值控制系统-1 1-0-1-(a MM(4)变比值控制系统-a何方院副用九1开环H.W豪酰T,卜今干HH g 11-网迪*-外何方用主控IT控L 至J广鸟-卜-GT蜃扭5卜T及a，卜T/小，卜丁一上-.立卜-0 万AUffi 1.4或用M比娘拄制星烧10图”受比值佥第晚（5）串级和比值控制组合的系统 凡方案 b S方案图34则捶与比值控的相合系统3.4 用除法器组成比值系统与用乘法器组成比值系统有什么不同之处？答：如果乘法器组成比值系统使用常规仪表实现，可采用比值器、配比器、乘法器、分流器等。至于 使用可编程调节器或其他计算机控制来实现，采用乘法运算即可。如果比值K为常数，上述仪表均可应用；若为变数（变比值控制）时，则必须采用乘法器，此时只需将比值设定信号改成第三参数就行了。相除方案 无论什么类型的仪表，均采用除法器来实现。而对于使用可编程调节器或其他计算机控制来实现的方案，只要对两个流量测量信号进行除法运算即可。由于除法器（或除法运算结果）输出直接代表了两流量信号的 比值，所以可直接对它进行比值指示和报警。这种方案比值很直观，且比值可直接由控制器进行设定，操 作方便。若将比值给定信号改作第三参数，便可实现变比值控制。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：除法器的放大系数是随着负荷的减少而增大的，这与采用差压法测量流量而又不经开方运算时情 况正好相反。所以，在一般情况下（过程的特性是基本线性的），比值系统由于除法器非线性的引入，在小 11负荷时，系统不易稳定。当然，也有特殊的例外，如过程的特性本身是非线性的(放大系数随负荷增大而增 大)，此时采用除法器组成比值控制系统，除法器的非线性不仅对系统的控制质量无害，反而能起到对过程 非线性的补偿作用。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。对于随动系统，希 望物料能迅速正确地跟随主物料变化，且不宜有过调，也就是说，要使随动控制系统达到振荡与不振荡的 临界过程，所以4：1整定方法不适用于比值控制系统的整定3.7 当比值控制系统通过计算求得比值系数K1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：比值系数K1时，不能用乘法器组成比值控制，因为对于420mA信号，根据比值控制要求，比值系数K，为：/_4K二16同样，对于010mA信号仪表则有：K=lO/o当/o为最大值20mA、10mA时，上面2式式的最大为1,即Kl时/()将大于20mA或10mA,这是 不可能的。可在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器。作为一个例子，现有一生产工艺要求A、B两物料比值维持在0.4o已知&max=3200kg/h,尸Bmax=800kg/h,流量采用孔板配差压变送器进行测量，并在变送器后加了开方器。试分析可否采用乘法器组成比值控制方 案?如果一定要用乘法器，在系统结构上应作何处理？答：在变送器后加了开方器，流量与测量信号成线性关系尸 3200K=K=0.4 x-=1.6 1 800所以不能采用乘法器组成比值控制方案，副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器，这样 K，=0.8l,可以采用乘法器组成比值控制方案。(/-4)(44)-F 43.8 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1=16，其中/o与人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 3.24 所示。己知厂imax=3600kg/h,凡max=2000kg/h,要求：(1)画出该比值控制系统方块图。答：比值控制系统方块图如下12Sr,x-，叵返正-八(2)如果要求尸i：尸2=2：1,应如何设置乘法器的设置值To?答：没有加开方器，流量与测量信号成非线性关系，所以K=K2(尸imax/Bmax)2=0.52X(3600/2000)M.81/o=16K+4=16XO.81+4=16.96mA图3,24习题立8图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，两物料的最大流量 FAmax=625m3/h,FBmax=290m3/ho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：设计一个比较合适的比值控制系统。答：采用双闭环比值控制系统，使主副流量保持稳定，克服因管线压力波动而经常变化带来的干扰，并保持比值关系，如下图所示。控型承卜丁一鸟-1北赢马卜-T需.，通卜(b)码，IA1C双阂M比&生制展愫计算该比值系统的比值系数K。答：设流量与测量信号成线性关系K=K(Qmax/凡 max 尸(2.5/4)X(625/290尸 1.35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)?答:该比值系统中，比值系数应设置于135%。设置值应该是1.3513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。答：选择两个控制阀为气开式，当流量增加时，测量值增加，控制器输入为正，此时要求阀的开度减 小，即控制器输出下降，所以两个控制器为反作用。3.10 在硝酸生产过程中有一氧化工序，其任务是将氨氧化生成一氧化氮。为了提高氧化率，要求维持 氨与氧的比例为2：1。该比值控制系统采用如图3.25所示的结构形式已知：尸氨max=12000Nm3/h,F氧 max=5000Nm3/ho试求比值系数H=?如果上述比值控制用DDZ-II型仪表来实现，比值系数的设置值po应该是多少?图3.23习题3.10图册3,26习题3/1图答：流量与测量信号成线性关系K=K(尸/尸2max尸(1/2)义(12000/5000)=1.2用DDZ-H型仪表来实现，信号为010mA,7o=lOH=10X1.2=12 mA,所以，应在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器。3.11 有一个比值控制系统如图3.26所示。图中K为一系数。若已知K=2,尸Amax=300kg/h,尸Bmax=1000kg/h,试求KH K=答：该系统为用比值器组成的方案，K为一系数且K=2,即在副流量上串入了一个放大倍数为2的比 值器，副流量信号被放大了 2倍，从图中可以看出此系统为流量比为2的比值控制系统，即K=2K,=K(FimaJ 厂2max尸2 X(300/1000)=0.6所以 K=2、Kf=0.63.12 一个双闭环比值控制系统如图3.27所示。其比值用DDZ-III型乘法器来实现。已知尸imax=7000kg/h,max=4000kg/ho 要求：画出该系统方块图。若已知/o=18mA求该比值系统的比值K=?比值系数K，=?待该比值系统稳定时，测/i=10mA,试计算此时A?14答：方框图如下/o=16K+418=16K+4“0.875K=K(FimaJ Bmax 尸 KX(7000/4000尸 0.875K=0.5比值系统稳定时，测/i=10mA,12-,20由公式 K=乙3-0。/一，10/-710得：K=(/2-4)/(10-4),/2=L25mA3.13图3.28所示为一个用电动仪表来实现的比值控制系统。乘法器的输入/输出信号为直流15V,其运算公式为一（%一1）（匕一1）+3）,已知：Glmax=3600 kg/h,G2max=2000 kg/h。当系统稳定时，测 415得vi=4V,V2=3V,试计算该比值控制系统的比值系数K=?,K=?V()=?答:Kr=3)/(vi-1)=2/3=067设流量与测量信号成线性关系X=K(F、maJ 凡 max 尸 K(3600/2000)=(2/3)K=0.37根据比值控制要求，乘法器的V；与vi之间应具有下面的关系:v；-l=Ko-l)/4vo=4 K+1=4X 0.67+1=3.68 V16第四章思考题及习题4.1 均匀控制系统设置的目的是什么？答：均匀控制系统的名称来自系统所能完成的特殊控制任务，它使前后设备在物料供求上相互均匀、协调，统筹兼顾。4.2 均匀控制系统有些什么特点？答：(1)结构上无特殊性均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结构上元任何特殊 性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统 的结构形式。(2)参数应变化，而且应是缓慢地变化因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征这两个物料的参数都不应为某一固定的数值,两个参数都变化，且变化比较缓慢。那种试图把两个参数都稳定不变的想法是不能实现的。(3)参数应限定在允许范围内变化4.3 为什么均匀控制系统的核心问题是控制器参数的整定问题？答：从下图一一液位控制系统控制作用不同时液位与流量的响应可看出，同样一个单回路液位控制系 统，由于控制作用强弱不一，它可以是一个单回路液位定值控制系统，如(a);也可以是一个简单均匀控制 系统，如(b)。因此，均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结 构上元任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个 双冲量控制系统的结构形式。所以，一个普通结构形式的控制系统，能否实现均匀控制的目的，主要在于 系统控制器的参数整定如何。可以说，均匀控制是通过降低控制回路灵敏度来获得的，而不是靠结构变化 得到的。4.4 可以采用解耦方法解决均匀问题吗?道理如何?17答：均匀控制系统中的对象（控制通道）可视为单输入、双输出的对象。所谓单输入即控制作用量只有 一个（即一个控制阀），双输出指被控变量有两个，一个是液位，另一个是流量。该系统为本质关联对象，无法实现解耦控制，只能靠反馈构成一般关联控制系统。4.5 均匀控制系统能运用4：1衰减曲线法整定控制器参数吗?为什么？答：不能。串级均匀控制中的流量副控制器参数整定与普通流量控制器整定差不多，而均匀控制系统 的其他几种形式的控制器都需按均匀控制的要求来进行参数整定。整定的主要原则是一个“慢”字，即过 渡过程不允许出现明显的振荡，可以采用凭经验整定，看曲线调参数的方法来进行。4.6 简单均匀控制系统与单回路反馈控制系统有些什么相同点与不同点？答：简单均匀控制系统采用单回路控制系统的结构形式。从系统结构形式上看，它与单回路液位定值 控制系统是一样的，但由于它们的控制目的不同，因此在控制器的参数整定上有所不同。通常均匀控制系 统的控制器整定在较大的比例度和积分时间上，一般比例度要大于100%,以较弱的控制作用达到均匀控4.7 图4.13为一水槽，其液位为,进水流量为厂，试设计一入口 流量与液位双冲量均匀控制系统。画出该系统的结构图，确定该系统中 控制阀的开闭形式，控制器的正、反作用以及引入加法器时各信号所取 的符号。答：入口流量与液位双冲量均匀控制系统的结构图如下164.13 习 414.786进入加法器的信号所取的符号为：/s为负值，/L、/F为正值。选择控制阀为气开式，当流量或液位、流量和液位增加时，控制阀的开度要减小，此时/o增加，控制 器的输入增大，其输出应减小，所以控制器选择反作用。18第五章思考题及习题5.1前馈控制与反馈控制各有什么特点？答：(1)前馈控制克服干扰比反馈控制及时前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时。基于这 个特点，可把前馈控制与反馈控制作如下比较：控制的依据检德的信号控制作用的次生时间反情制被控变量的偏位被控变偏裁出现后酣饿控制干扰量的大小干优量|餐出现胸(2)前馈控制属于“开环”控制系统反馈控制系统是一个“闭环”控制系统，而前馈控制是一个“开环”控制系统。反馈控制由于是闭环 系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制的效果并不通过反馈加以检验，因此前馈控制对被控 对象的特性掌握必须比反馈控制清楚，才能得到一个较合造的前馈控制作用。(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特 性，前馈控制器的形式将是不同的。(4)一种前馈控制作用只能克服一种干扰由于前馈控制作用是按干扰进行工作的，而且整个系统是开环的，因此根据一种干扰设置的前馈控制 只能克服这一干扰，而对于其他干扰，由于这个前馈控制器无法感受到，也就无能为力了。而反馈控制只 用一个控制回路就可克服多个干扰，所以说这一点也是前馈控制系统的一个弱点。5.2 纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用？答：单纯的前馈往往不能很好地补偿干扰，存在着不少局限性，主要是单纯前馈不存在被控变量的反 馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。这样在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系 统无法得到这一信息而做进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被控 变量的影响，势必要设计多个前馈通道，这就增加了投资费用和维护工作量。此外前馈控制模型的精度也 受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生漂移，必将导致GPD和GPC的变化,因此，一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了解决这一局限性，可以将前馈与反馈结合起来 使用，构成所谓前馈-反馈控制系统(FFC-FBC)。5.3 前馈-反馈控制具有哪些优点？答:，前馈-反馈控制系统的优点在于：19由于增加了反馈控制回路，大大简化了原有前馈控制系统。只需对主要的干扰进行前馈补偿，其 他干扰可由反馈控制予以校正。反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用型模型创造了 条件.负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的自适应能力。5.4 为什么前馈控制器不能采用常规的控制器？答：通过对前馈控制系统几种典型结构形式的分析可知，前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道 与控制通道的特性。由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形式繁多，所以前馈控制 器不能采用常规的控制器。5.5 什么是欠补偿?什么是过补偿?在前馈控制中，怎样的补偿才算合适？答：治对控制过程的影响示于下图中。图中为无前馈作用，为补偿合适，即再值适当。如果整 定值比此时的屁值小，则造成欠补偿，如曲线(b),过大则造成过补偿，如曲线(d)。&过大(d)过外俊动态参数。、“值决定了动态补偿的程度，当4过小或公过大时，会产生欠补偿现象，未能有效地 发挥前馈补偿的功能，控制过程曲线与上图(b)静态欠补偿的情况是相似的；而当方过大或72过小时，则 会产生过补偿现象，所得的控制过程甚至较纯粹的反馈控制系统品质还差，控制过程曲线与上图(d)静态补 偿的情况是一样的。显然当分别接近或等于对象控制通道和干扰通道的时间常数时，过程的控制品 质最佳，此时补偿合适，其控制过程曲线类似上图(c)所示静态补偿合适的情况。5.6 如何用对象特性实验数据构成前馈控制器数学模型？答：相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要 时再串联一个纯滞后环节来近似它，例如：20K2 KGPD=G(s)=T2s+1 Ts+1则式中K.Kz/Ki，静态前馈放大系数。T.r 2-r 1上式为带有纯滞后的“超前-滞后”前馈控制模型。其纯滞后环节按：1 HTS2近似展开。当r 1和r 2差别不大时，为了简化前馈补偿装置，可采用如下简化形式：小+1G打（s）=-Kf 力 7 T25+l此种“超前-滞后”前馈补偿模型已成为目前广泛应用的一种动态前馈补偿模式，在定型的DDZ-III型 仪表、组装仪表及微型控制机中都有相应的硬件模块。在DCS系统中，也有相应的控制算法。在没有定 型仪表情况下，也可用一些常规仪表组合而成，例如用比值器、加法器和一阶惯性环节来实施。5.7 如何用反馈回路来整定前馈静态放大倍数Kf?答：系统处于反馈系统运行状态。待系统运行稳定后，记下干扰量变送器的输出电流/DO（或风压）和反 馈控制器的输出稳定值/co。然后，对干扰。施加一增量，等反馈系统在。作用下被控变量重新回 到给定值时，再记下干扰量变送器的输出/D（或风压）及反馈控制器的输出/c（或风压）。则前馈控制器的静 态放大系数为：ID【DO I D5.8 如何用前馈回路来整定前馈静态放大倍数Kf?答：在前馈-反馈系统中将反馈网路断开，使系统处于单纯静态前馈状态下，施加干扰，吊值由小逐步 增大，直到被控变量回到给定值，此时对应的&值为最佳整定值。为了使&值整定结果准确，应力求工 况稳定，减少其他干扰对被控变量的影响.215.9 在前馈系统整定过程中，增大前馈模型分母的时间常数，前馈补偿情况会发生怎样的变化?如果增 大分子中的时间常数，补偿情况又会怎样变化？答：动态参数方、值决定了动态补偿的程度，当增大前馈模型分母的时间常数72时，会产生欠补 偿趋势，使被控变量响应曲线的下偏差面积增大，未能有效地发挥前馈补偿的功能；而当增大分子中的时 间常数4时，使被控变量响应曲线的上差面积增大，则会产生过补偿趋势。5.10 通过分析判断图5.27所示的系统属于何种类型?画出它的方块图，并说明其工作原理。答：系统属于前馈一反馈控制系统通过对进入储液罐的总流量厂1+死，使出液量保持稳定。反馈控制系统根据总流量的大小调节下2,保 持八的稳定。前馈控制将尸1的流量检测，与色的检测值相加，作为控制器的输入。当尸1增加，测量值 增加，控制器的输入增加，此时要求凡下降，所以控制器输出减小，为反作用，控制阀为气开式，开度减 小，色的流量下降。5.11 某前馈-串级控制系统如图5.28所示。已知：Gci(s尸Gc2=9；Goi(s)=3/(2s+l)；Gvs2；G02=2/(2s+l)；Gmi=6位=1：GPD=o.5/(2s+l)。要求：绘出该 系统方块图。计算前馈控制器的数学模型。假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正、反作用。答：图5,23月融5.11用系统方块图如下:22前馈控制器的数学模型为:0.5_(2s+1)_(2s+1)2 二.24(2s+1)(2s+1)假定控制阀为气开式副回路中控制阀符号为正，当阀门开度增加时，蒸汽流量增加，所以副对象符号为正，测变环节为正,所以副控制器为负作用。主回路中当蒸汽流量增加时，出口温度上升，主对象为正，所以主控制器为负作 用。5.12 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区分它们？试分析判断图52.9所示的两个系统各属于什么系统?说明其理由。图5.29习题5.12图答：串级控制是由内、外两个反馈回路所组成，而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和另一个开环的补 偿回路叠加而成。串级控制中的副参数与前馈-反馈控制中的前馈输入量是两个截然不同的概念。前者是串 级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果；而后者是对主被控变量有 显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量。(b)图为串级控制系统，因为它由内、外两个反馈回路所组成，其副参数是串级控制系统中反映主被控 变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果。23(a)图为静态前馈-反馈控制系统，因为原油的流量是对主被控变量一一温度有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量o5.13 图5.30所示为一双冲量均匀控制系统。试分析它的实质是一种什么类型的控制系统?并由此得出 什么结论?5.3O习题5.13国答：该系统实质上是一个液位反馈控制和流量前馈控制系统。可以讲，冲量均匀控制系统是前馈控制 系统在均匀控制中的应用形式。24第六章思考题及习题6.1 在选择性控制系统中，选择器的类型是如何确定的？答：选择器的类型可以根据生产处于非正常情况下控制器的输出信号高、低来确定。如果在这种情况 下它的输出为高信号，则应选高选器；如果在这种情况下它的输出为低信号，则应选