1、0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、 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
2、定性降低。（2） 干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从 K、T、 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 0。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
3、纯滞后越小越好。1.3 控制器的比例度 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 越小，系统灵敏度越高，余差越小。随着 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
4、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1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。答：TC冷 却 水物 料 被 冷 却 物 料 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
5、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 0 增大； （3）若 Tf增大； （4）若 f 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）0 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）f 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 f 。第二章 串级控制系统21 与单回路系统相比，
6、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。222 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
7、。25 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。26 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。27 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
8、求很高，单回路满足不了要求，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。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。 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.328 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： 选择阀的开闭形式？ 确定主、副控制器的正、反作用方式？ 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
9、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”：P1F1T2 u2 F1没有完全被副回路克服的部分干扰，通过主回路“细调”：T2T1u1 F1T2T129 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： 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？ 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？ 如果冷却水流量和蒸汽
10、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
11、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：比值指工艺物料流量之比，即从流量与主流量之比：；比值系数指副、主流量变送器输出电流信号之比，即：二者之间的关系由下式决定：（变送器输出与流量成线性关系时）（变送器输出与流量成平方关系时） 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
12、们的结构原理图。答：比值控制系统就是实现副流量 与主流量 成一定比值关系，满足关系式： 2F1 12FK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。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： 系统结构不同，实现比值控制的设备不同。 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
13、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。12FKmin12Imax21FK 2max21)(63.7 当比值控制系统通过计算求得比值系数 时，能否仍用乘法器组成比值控制？1K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 时，计算所得的乘法器的一个外加输入电流信号 I0大于1K20mA,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 K1 即可。
14、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， 416)I(I0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 ，h/kg20F,h/kg36Fmaxmax1要求： 画出该比值控制系统方块图。 如果要求 ，应如何设置乘法器的设置值 ？1:2:1 0I解：方框图如下：0I1I 2F- 2I 1F 12I系 统 稳 定 时 ：211004()4,.816IKIIK乘法器 控制器 调节阀测量变送器 2测量变送器 1流量对象21 2max1360()().81FK， 由 于 流 量 用 孔 板 配 差 压
15、变 送 器 ， 没 加 开 方 器 ， 所 以701640.8146.9IKmA3.9 某化学反应过程要求参与反应的 A、B 两物料保持 的比例，两物料的5.2:4F:BA最大流量 。通过观察发现 A、B 两物料流量因管hFhFA /290,/6253max3max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。 计算该比值系统的比值系数 。K 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） 。 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：系统设计如下： 81.)290654.()FK(2maxBA ，所以要
16、将 调大。1ax所以 625.345.AmaxB取 450maxF 7.0)4()(2axBAFK比值系数 K通过 I0设置， mAI160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。试求比值系数 K=？ 如果上述比值控h/m50F,h/120F3ax3max氧氧制用 DDZ-II 型仪表来实现，比值系数的设置 应该是多少？0I解
17、： 12.5012FKmax氧调整副流量的测量上限，使 K1取 ，则 即可。8.0 7ax氧对于 DDZ-II， mAI8.013.11 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，试求 ？K K=？h/kgF,h/kg30FmaxBmaxA解： 21KIAB21)03()F(maxB6.23.12 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。要求：h/kg40F,h/kg70Fmax2max1 画出该系统方块图。 若已知 求该比值系统的比值 K=？比值系数 ？KA8I09 待该比值系统稳定时，测 mA10I，试计算此时 2I=？解： 12I系 统 稳 定 时 ：211004()4,616IKIIK第五章前馈控制系统51 前馈控制与反馈控制各有什么特点？答：反馈控制的特点 ：优点：能够克服各种干扰。只要干扰对被控变量造成影响，就有控制校正作用。缺点：反馈控制不及时，是一个有差控制系统。反馈控制系统只有被控变量在干扰作用下出现偏差时，才有校正作用，干扰总存在，偏差总存在。001max2a1x4, 8.750.84172IIAFK214()0.875(14)9.25IKmA
