1、第二章 被控对象的数学模型第 一 章 自 动 控 制 系 统 基 本 概 念1.简 述 被 控 对 象 、 被 控 变 量 、 操 纵 变 量 、 扰 动 (干 扰 )量 、 设 定 (给定 )值 和 偏 差 的 含 义 ？答:自动控制系统中常用的几个术语其含义是：被控对象 自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量 受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值：被控变量的预定值。偏 差：被控变量的设定值与实际值之差。2.自 动
2、 控 制 系 统 按 其 基 本 结 构 形 式 可 分 为 几 类 ?其 中 闭 环 控 制 系 统 中按 设 定 值 的 不 同 形 式 又 可 分 为 几 种 ?简 述 每 种 形 式 的 基 本 含 义 。答 :自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有倾向控制又有反向联系的自动控制。如图11(a)即是一个闭环自动控制。图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物科出口温度回到设定值上。从图 l1(b)所示的控制系统方块图可
3、以清楚看出，操纵变量( 蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。在闭环控制系统中，按照没定值的不同形式又可分为：( 1)定 值 控 制 系 统定 值 控 制 系 统 是 指 设 定 值 恒 定 不 变 的 控 制 系 统 。 定 值 控 制 系 统 的 作 用 是 克 服 扰动 对 被 控 变 量 的 影 响 ， 使 被 控 变 量 最 终 回 到 设 定 值 或 其 附 近 。 以 后 无 特 殊 说 明控 制 系 统 均 指 定 值 控 制 系 统 而 言 。 (2)随 动 控 制 系 统 随 动 控 制 系
4、 统 的 设定 值 是 不 断 变 化 的 。 随 动 控 制 系 统 的 作 用 是 使 被 控 变 量 能 够 尽 快 地 、 准 确 无 误地 跟 踪 设 定 值 的 变 化 而 变 化 。 (a) (b) 图 1-1闭 环 自 动 控 制 基 本 结 构(3)程 序 控 制 系 统 程 序 控 制 系 统 的 设 定 值 也 是 变 化 的 ， 但 它 是 一 个 已 知 的时 间 函 数 ,即 设 定 值 按 一 定 的 时 间 程 序 变 化 。开 环 控 制 系 统 是 指 控 制 器 与 被 控 对 象 之 间 只 有 顺 向 控 制 而 没 有 反 向 联 系 的自 动 控
5、制 系 统 。 即 操 纵 变 量 通 过 被 控 对 象 去 影 响 被 控 变 量 ， 但 被 控 变 量 并 不 通过 自 动 控 制 装 置 去 影 响 操 纵 变 量 。 从 信 号 传 递 关 系 上 看 ， 未 构 成 闭 合 回 路 。开 环 控 制 系 统 分 为 两 种 ， 一 种 按 设 定 值 进 行 控 制 ， 如 图 1-2(a)所 示 。这 种 控 制 方 式 的 操 纵 变 量 (蒸 汽 流 星 )与 设 定 值 保 持 一 定 的 函 数 关 系 ， 当 设定 值 变 化 时 、 操 纵 变 量 随 其 变 化 进 而 改 变 被 控 变 量 。 另 一 种
6、是 按 扰 动 进 行 控 制 ，即 所 谓 前 馈 控 制 系 统 ， 如 图 1-2(b)所 示 。 这 种 控 制 方 式 是 通 过 对 扰 动 情 号 的测 量 ， 根 据 其 变 化 情 况 产 生 相 应 控 制 作 用 。 进 而 改 变 被 控 变 量 。开 环 控 制 系 统 不 能 自 动 地 觉 察 被 控 变 量 的 变 化 情 况 ， 也 不 能 判 断 操 纵 变 量的 校 正 作 用 是 否 适 合 实 际 需 要 。(a)按 设 定 值 进 行 控 制 的 开 环 控 制 系 统 (b)按 扰 动 进行 控 制 的 开 环 控 制 系 统图 1-2 开 环 控
7、 制 系 统 基 本 结 构3.自 动 控 制 系 统 主 要 由 哪 些 环 节 组 成 ?各 部 分 的 作 用 是 什 么 ?答 :自 动 控 制 系 统 主 要 由 两 大 部 分 组 成 。 一 部 分 是 起 控 制 作 用 的 全 套 自 动化 装 置 ， 对 于 常 规 仪 表 来 说 ， 它 包 括 检 测 元 件 及 变 送 器 、 控 制 器 、 执 行 器 等 ；另 一 部 分 是 受 自 动 化 装 置 控 制 的 被 控 对 象 。在 自 动 控 制 系 统 中 ， 检 测 元 件 及 变 送 器 用 来 感 受 被 控 变 量 的 变 化 并 将 它 转换 成 一
8、 种 特 定 的 信 号 (如 气 压 信 号 或 电 压 、 电 流 信 号 等 )。 控 制 器 将 检 测元 件 及 变 送 器 送 来 的 测 量 信 号 与 工 艺 上 需 要 保 持 的 设 定 值 信 号 进 行 比 较 得 出 偏差 ， 根 据 偏 差 的 大 小 及 变 化 趋 势 。 按 预 先 设 计 好 的 控 制 规 律 进 行 运 算 后 ， 将 运算 结 果 用 特 定 的 信 号 (如 气 压 信 号 或 电 流 信 号 )发 送 给 执 行 器 。执 行 器 能 自 动 地 根 据 控 制 器 送 来 的 信 号 值 相 应 地 改 变 流 入 (或 流 出
9、)被控 变 量 的 物 料 量 或 能 量 ， 克 服 扰 动 的 影 响 ， 最 终 实 现 控 制 要 求 。6.什 么 是 自 动 控 制 系 统 的 方 块 图 ?它 与 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 有 什 么区 别 ?答 :自 动 控 制 系 统 的 方 块 图 是 由 传 递 方 块 、 信 号 线 (带 有 箭 头 的 线 段 )、综 合 点 、 分 支 点 构 成 的 表 示 控 制 系 统 组 成 和 作 用 的 图 形 。 其 中 每 一 个 方 块 代 表系 统 中 的 一 个 组 成 部 分 ， 方 块 内 填 入 表 示 其 自 身 特 性 的 数 学 表
10、 达 式 ， 方 块 间 用带 有 箭 头 的 线 段 表 示 相 互 间 的 关 系 及 信 号 的 流 向 。 采 用 方 块 图 可 直 观 地 显 示 出系 统 中 各 组 成 部 分 以 及 它 们 之 间 的 相 互 影 响 和 信 号 的 联 系 ， 以 便 对 系 统 待 性 进行 分 析 和 研 究 。而 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 则 是 在 控 制 方 案 确 定 以 后 ， 根 据 工 艺 设 计 给 出 的流 程 图 ， 按 其 流 程 顺 序 标 注 有 相 应 的 测 量 点 、 控 制 点 、 控 制 系 统 及 自 动 信 号 、连 锁 保 护 系
11、 统 的 图 。 在 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 上 设 备 间 的 连 线 是 工 艺 管 线 ， 表示 物 料 流 动 的 方 向 ， 与 方 块 图 中 线 段 的 含 义 截 然 不 同 。7.什 么 是 控 制 系 统 的 静 态 与 动 态 ?为 什 么 说 研 究 控 制 系 统 的 动 态 比 其静 态 更 有 意 义 ?答 :在 自 动 化 领 域 内 ， 把 被 控 变 量 不 随 时 间 而 变 化 的 平 衡 状 态 称 为 控 制 系统 的 静 态 。 在 这 种 状 态 下 ， 自 动 控 制 系 统 的 输 入 (设 定 值 和 干 扰 )及 输 出(
12、被 控 变 量 )都 保 持 不 变 ， 系 统 内 各 组 成 环 节 都 不 改 变 其 原 来 的 状 态 ， 它 们 输 入 、输 出 信 号 的 变 化 率 为 零 。 而 此 时 生 产 仍 在 进 行 ， 物 料 和 能 量 仍 然 有 进 有 出 。 因此 ， 静 态 反 映 的 是 相 对 平 衡 状 态 。系 统 的 动 态 是 被 控 变 量 随 时 间 而 变 化 的 不 平 衡 状 态 。 当 一 个 原 来 处 于 相 对平 衡 状 态 的 系 统 ， 受 到 扰 动 作 用 的 影 响 ， 其 平 衡 状 态 受 到 破 坏 ， 被 控 变 量 偏 离设 定 值
13、， 此 时 ， 控 制 器 就 会 改 变 原 来 的 状 态 ， 产 生 相 应 的 控 制 作 用 ， 改 变 操 纵变 量 克 服 扰 动 的 影 响 ， 力 图 恢 复 平 衡 状 态 。从 扰 动 发 生 ， 经 过 控 制 ， 直 到 系 统 重 新 建 立 平 衡 ， 在 这 段 时 间 中 整 个 系 统都 处 于 变 动 状 态 中 。在 自 动 化 工 作 中 ， 了 解 、 研 究 控 制 系 统 动 态 比 其 静 态 更 为 重 要 。 因 为 在 生产 过 程 中 ， 干 扰 是 客 观 存 在 的 ， 是 不 可 避 免 的 。 在 扰 动 引 起 系 统 变 动
14、 后 、 就 需要 通 过 控 制 装 置 不 断 地 施 加 控 制 作 用 去 消 除 干 扰 作 用 的 影 响 ， 使 被 控 变 量 保 持在 工 艺 生 产 所 规 定 的 技 术 指 标 上 ， 以 满 足 过 程 控 制 的 要 求 。 一 个 正 常 工 作 的 自动 控 制 系 统 ， 时 时 刻 刻 都 受 到 扰 动 的 频 繁 作 用 ， 总 是 处 在 一 种 频 繁 的 、 不 间 断的 动 态 过 程 中 。 因 此 说 研 究 控 制 系 统 的 动 态 比 其 静 态 更 有 意 义 。8. 在 进 行 控 制 系 统 研 究 中 ， 典 型 的 输 入 信
15、 号 形 式 有 哪 些 ?为 什 么常 采 用 阶 跃 信 号 作 为 系 统 的 输 入 信 号 ？答 :在 进 行 控 制 系 统 研 究 中 ， 为 了 便 于 分 析 和 比 较 不 同 系 统 的 性 能 ， 通 常以 阶 跃 函 数 、 树 坡 (速 度 )函 数 、 抛 物 线 (加 速 度 )函 数 、 脉 冲 因 数 等 时 间 函数 信 号 作 为 典 型 的 输 入 信 号 。在 分 析 、 研 究 自 动 控 制 系 统 时 ， 常 采 用 阶 跃 信 号 作 为 系 统 的 输 入 信 号 。 因为 ， 阶 跃 信 号 具 有 突 发 性 ， 且 持 续 时 间 较
16、 长 ， 对 被 控 变 量 的 影 响 较 大 。 另外 阶 跃 信 号 的 数 学 表 示 形 式 简 单 ， 容 易 实 现 ， 便 于 分 析 、 实 验 和 计 算 。 如 果一 个 控 制 系 统 能 够 有 效 地 克 服 这 种 扰 动 的 影 响 ， 那 么 对 于 其 他 比 较 缓 和 的 扰 动也 一 定 能 取 得 很 好 的 校 正 效 果 。9.什 么 是 反 馈 ?什 么 是 正 反 馈 和 负 反 馈 ？ 负 反 馈 在 自 动 控 制 中 有 什 么 重要 意 义 ？答 :把 系 统 (或 环 节 )的 输 出 信 号 直 接 或 经 过 一 些 环 节 重
17、 新 引 回 到 输 入 端 的作 法 叫 做 反 馈 。反 馈 信 号 的 作 用 方 向 与 设 定 信 号 相 反 、 即 偏 差 信 号 为 两 者 之 差 ， 这 种 反 馈叫 做 负 反 馈 ； 反 之 为 正 反 馈 。在 控 制 系 统 中 采 用 负 反 馈 ， 是 因 为 当 被 控 变 量 受 到 扰 动 作 用 后 。 若 使 其 升高 ， 则 反 馈 信 号 升 高 ， 经 过 比 较 ， 偏 差 信 号 将 降 低 ， 此 时 控 制 器 将 发 出 信 号 而使 执 行 器 动 作 ， 施 加 控 制 作 用 ， 其 作 用 方 向 与 扰 动 作 用 方 向 相
18、 反 ， 致 使 被 控 变量 下 降 ， 这 样 就 达 到 了 控 制 的 目 的 。10.仪 表 位 号 由 哪 几 部 分 组 成 ， 各 表 示 什 么 意 义 ？答 :仪 表 位 号 由 字 母 代 号 组 合 和 回 路 编 号 两 部 分 组 成 。 仪 表 位 号 中 的 第 一位 字 母 表 示 被 测 变 量 ， 后 续 字 母 表 示 仪 表 的 功 能 。 常 用 的 字 母 代 号 含 义 如 下 表所 示 。 回 路 编 号 中 第 一 位 数 表 示 工 序 号 ， 后 续 数 字 (二 位 或 三 位 )表 示 顺序 号 。11.图 1-6所 示 为 一 自
19、力 式 贮 槽 水 位 控 制 系 统 。(1)指 出 系 统 中 被 控 对 象 、 被 控 变 量 、 操 纵 变 量 是 什 么 ?(2)试 画 出 该 系 统 的 方 块 图 。(3)试 分 析 当 出 水 量 突 然 增 大 时 ， 该 系 统 如 何 实 现 水 位 控 制 的 ?图 1-6 贮 槽 水 位 控 制 系 统 图 1-7 贮 槽 水 位 控 制 系 统 方 块 团1-贮 槽 2浮 球 3-杠 杆 4-针 形 阀 h 为 贮 槽 水 位 ； ho 为 贮 槽 希 望 保 持 的 水 位 。解 :(1)该 系 统 中 贮 槽 为 被 控 对 象 ； 贮 槽 中 水 的 液
20、 位 为 被 控 变 量 ； 进 水 流 量为 操 纵 变 量 。 (2)贮 槽 水 位 控 制 系 统 方 块 图 如 图 1-7所 示 。 (3)当 贮 槽 的 出水 量 突 然 增 大 ， 出 水 量 大 于 入 水 量 ， 使 水 位 下 降 ， 浮 球 随 之 下 移 ， 通 过 扛 杆 装置 带 动 针 形 阀 下 移 ， 增 大 了 进 水 量 ， 使 出 水 量 与 入 水 量 之 差 随 之 减 小 水 位 下 降变 缓 ， 直 至 进 水 量 与 出 水 量 又 相 等 ， 水 位 停 止 下 降 。 重 新 稳 定 ， 实 现 了 水 位 控制 。12.在 石 油 化 工
21、 生 产 过 程 中 ， 常 常 利 用 液 态 丙 烯 汽 化 吸 收 裂 解 气 体 的 热 量 ，使 裂 解 气 体 的 温 度 下 降 到 规 定 的 数 值 上 。 图 1-8是 一 个 简 化 的 丙 烯 冷 却 器温 度 控 制 系 统 。 被 冷 却 的 物 料 是 乙 烯 裂 解 气 ， 其 温 度 要 求 控 制 在 (15土1.5) 。 如 果 温 度 太 高 ， 冷 却 后 的 气 体 会 包 含 过 多 的 水 分 ， 对 生 产 造 成 有 害 影响 ： 如 果 温 度 太 低 ， 乙 烯 裂 解 气 会 产 生 结 晶 析 出 ， 堵 塞 管 道 。(1)指 出
22、系 统 中 被 控 对 象 、 被 控 变 量 和 操 纵 变 量 各 是 什 么 ?(2)试 画 出 该 控 制 系 统 的 组 成 方 块 图 ；(3)试 比 较 图 1-8及 它 的 方 块 图 ， 说 明 操 纵 变 量 的 信 号 流 向 与 物 料 的 实 际流 动 方 向 不 同 。图 1-8 丙 烯 冷 却 器 温 度 控 制 系 统 图 图 1-9温 度 控 制 系 统 方 块 图注 ： 为 乙 烯 裂 解 气 的 出 口 温 度 ，kp 为 乙 烯 裂 解 气 出 口 温 度 的 设 定 值 。解 :(1)在 丙 烯 冷 却 器 温 度 控 制 系 统 中 ， 被 控 对
23、象 为 丙 烯 冷 却 器 ； 被 控 变 量为 乙 烯 裂 解 气 的 出 口 温 度 ， 操 纵 变 量 为 气 态 丙 烯 的 流 量 。(2)该 系 统 方 块 图 如 图 1-9所 示 。(3)在 图 1-8中 ， 气 态 丙 烯 的 流 向 是 由 丙 烯 冷 却 器 流 出 。 而 在 方 块 图 中 ，气 态 丙 烯 作 为 操 纵 变 量 ， 其 信 号 的 流 向 是 指 向 丙 烯 冷 却 器 的 。13.图 1-10所 示 是 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
24、夹 套 的 冷 却 水 流 量 来 控 制 反 应 器 内 的 温 度 保持 不 变 。 图 中 了 TT 表 示 温 度 变 送 器 ， TC 表 示 温 度 控 制 器 。 试 画 出 该 温 度控 制 系 统 的 方 块 图 ， 并 指 出 该 控 制 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 变 化 的 扰 动 各 是 什 么 ?图 1-10 反 应 器 温 度 控 制 系 统 图 1-11温 度 控 制 系 统 方 块 图注 ： T 为 反 应 器 内 温 度 ， Tsp 为 反 应 器 内 温 度 的 设 定 值 。解
25、 :反 应 器 温 度 控 制 系 统 中 被 控 对 象 为 反 应 器 ； 被 控 变 量 为 反 应 器 内 温 度 ；操 作 变 量 为 冷 却 水 流 量 ； 干 扰 为 A、 B 物 料 的 流 量 、 温 度 、 浓 度 、 冷 却 水的 温 度 、 压 力 及 搅 拌 器 的 转 速 等 。反 应 器 的 温 度 控 制 系 统 的 方 块 图 如 图 1-ll 所 示 。14.某 发 酵 过 程 工 艺 规 定 操 作 温 度 为 (402) 。 考 虑 到 发 酵 效 果 ， 控 制过 程 中 温 度 偏 离 给 定 值 最 大 不 能 超 过 6 。 现 设 计 一 定
26、值 控 制 系 统 ， 在 阶 跃扰 动 作 用 下 的 过 渡 过 程 曲 线 如 图 1-12所 示 。 试 确 定 该 系 统 的 最 大 偏 差 、 衰减 比 、 余 差 、 过 渡 时 间 (按 被 控 变 量 进 入 2%新 稳 态 值 即 达 到 稳 定 来 确 定 )和 振 荡 周 期 等 过 渡 过 程 指 标 ， 并 回 答 该 系 统 能 否 满 足 工 艺 要 求 ?图 1-12 发 酵 罐 及 反 应 曲 线 示 意 图解 :由 反 应 曲 线 可 知 ：最 大 偏 差 ： A=45-40=5余 差 ： C=41-40=1 衰 减 比 ： 第 一 个 波 峰 值 B=
27、45-41=4第 二 个 波 峰 值 B=42-41=1n=B/B 4:1过 渡 时 间 ： 由 题 要 求 ， 被 控 变 量 进 入 新 稳 态 值 的 2 就 可 以 认 为过 渡 过 程 已 经 结 束 ， 那 么 限 制 范 围 应 是 4l 2 0.82由 图 可 看 出 ， 过 渡 时 间 Ts 23min振 荡 周 期 ： T 18-5 13min习 题2.锅 炉 是 化 工 、 炼 油 等 企 业 中 常 见 的 主 要 设 备 。 汽 包 水 位 是 影 响 蒸 汽 质量 及 锅 炉 安 全 的 一 个 十 分 重 要 的 参 数 。 水 位 过 高 ， 会 使 蒸 汽 带
28、 液 。 降 低 了 蒸 汽的 质 量 和 产 量 ， 甚 至 会 损 坏 后 续 设 备 。 而 水 位 过 低 ， 轻 则 影 响 汽 液 平 衡 ， 重 则烧 干 锅 炉 甚 至 引 起 爆 炸 。 因 此 ， 必 须 对 汽 包 水 位 进 行 严 格 的 控 制 。 图1-16是 一 类 简 单 锅 炉 汽 包 水 位 控 制 示 意 图 ， 要 求 ：(1)画 出 该 控 制 系 统 方 块 图 ；(2)指 出 该 系 统 中 被 控 对 象 、 被 控 变 量 、 操 纵 变 量 、 扰 动 变 量 各 是 什 么 ?图 1-16 锅 炉 汽 包 水 位 控 制 图 l-17 控
29、 制 系 统 方 块 图解 :(1)锅 炉 汽 包 水 位 控 制 系 统 方 块 图 如 图 1-17所 示 。(2)被 控 对 象 ： 锅 炉 汽 包 。 被 控 变 量 ： 锅 炉 汽 包 水 位 操 纵 变 量 ： 锅 炉 给 水 量 。扰 动 量 ： 冷 水 温 度 、 压 力 、 蒸 汽 压 力 、 流 量 ， 燃 烧 状 况 等 。注 ： h 为 锅 炉 汽 包 水 位 ； h0为 锅 炉 汽 包 水 位 设 定 值 。3.图 1-18所 示 为 离 心 泵 出 口 流 量 控 制 系 统 ， 控 制 的 目 的 是 保 持 泵 流 量 恒定 。(1)指 出 系 统 中 被 控
30、对 象 、 被 控 变 量 、 操 纵 变 量 及 干 扰 各 是 什 么 ?(2)画 出 流 量 控 制 系 统 方 块 图 ；图 1-18 流 量 控 制 系 统 示 意 图 图 1-18 流 量 控 制 系 统 方 块 图解 :(1)被 控 对 象 ： 管 道 (从 检 测 点 到 控 制 阀 之 间 )。被 控 变 量 ： 泵 出 口 流 量 。操 纵 变 量 ： 泵 出 口 流 量 。扰 动 量 ： 管 路 压 力 波 动 、 (泵 的 )原 动 机 转 速 等 。(2)离 心 泵 出 口 流 量 控 制 系 统 方 块 图 如 图 l-18所 示 。4.图 1-19所 示 为 一
31、列 管 式 换 热 器 。 工 艺 要 求 出 口 物 料 温 度 保 持 恒 定 。 经 分析 如 果 保 持 物 料 入 口 流 量 和 蒸 汽 流 量 基 本 恒 定 ， 则 温 度 的 波 动 将 会 减 小 到 工 艺允 许 的 误 差 范 围 之 内 。 现 分 别 设 计 了 物 科 入 口 流 量 和 蒸 汽 流 量 两 个 控 制 系 统 ，以 保 持 出 口 物 料 温 度 恒 定 。(1)试 画 出 对 出 口 物 料 温 度 的 控 制 系 统 方 块 图 ；(2)指 出 该 系 统 是 开 环 控 制 系 统 还 是 闭 环 控 制 系 统 ， 并 说 明 理 由 。
32、图 1-19列 管 式 换 热 器 控 制 系 统 示 意 图解 :(1)控 制 系 统 方 块 图 如 图 1-20所 示 。图 1-20 温 度 控 制 系 统 方 块 图(2)控 制 系 统 为 开 环 控 制 系 统 。 从 方 块 图 可 以 看 出 ， 对 物 料 入 口 流 量 和 蒸汽 流 量 均 为 闭 环 控 制 系 统 ； 而 对 于 出 口 物 料 温 度 ， 未 经 过 测 量 变 送 环 节 反 馈 到系 统 输 入 端 ， 没 有 形 成 闭 环 系 统 。5.某 炼 油 厂 常 减 压 装 置 加 热 炉 如 图 1-21所 示 。 工 艺 要 求 严 格 控
33、制 加 热炉 出 口 温 度 T， T 可 以 通 过 改 变 燃 油 量 来 控 制 。 据 此 设 计 一 个 定 值 温 度 控 制系 统 ， 其 中 被 控 变 量 为 加 热 炉 出 口 物 料 温 度 ， 操 纵 变 量 为 燃 料 油 流 量 。 要 求 ：(1)画 出 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 ； (2)试 画 出 该 控 制 系 统 的 方 块 图 。图 1-21 加 热 炉 示 意 图 图 1-22 图 1-23解 :(1)工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 如 图 1-22所 示 。(2) 控 制 系 统 的 方 块 图 如 图 1-23所 示 。6.图
34、 1-24为 一 组 在 阶 跃 扰 动 作 用 下 的 过 渡 过 程 曲 线 。(1)指 出 每 种 过 程 曲 线 的 名 称 ；(2)试 指 出 哪 些 过 程 曲 线 能 基 本 满 足 控 制 要 求 ?哪 些 不 能 ?(3)你 认 为 哪 个 过 渡 过 程 最 理 想 ， 试 说 明 其 理 由 。图 1-24 过 渡 过 程 曲 线解 :(1) (a)等 幅 振 荡 ;(b)衰 减 振 荡 ;(c)非 振 荡 衰 减 ;(d)发 散 振 荡 。(2) (b)、 (c)能 基 本 满 足 控 制 要 求 ， (a)、 (d)不 能 。 因 为 (b)、 (c)对应 的 过 渡
35、 过 程 是 稳 定 的 。(3) (b)最 理 想 ， 因 为 该 过 渡 能 够 使 系 统 较 快 地 达 到 稳 定 状 态 。8.某 化 学 反 应 器 工 艺 规 定 操 作 温 度 为 (80010) 。 为 确 保 生 产 安 全 ，控 制 中 温 度 最 高 不 得 超 过 850 。 现 运 行 的 温 度 控 制 系 统 ， 在 最 大 阶 跃 扰 动下 的 过 渡 过 程 曲 线 如 图 l-26 所 示 。图 1-26 温 度 控 制 系 统 过 渡 过 程 曲 线(1)分 别 求 出 最 大 偏 差 、 余 差 、 衰 减 比 、 过 渡 时 间 (温 度 进 入
36、按 2新 稳 态 值 即 视 为 系 统 已 稳 定 来 确 定 )和 振 荡 周 期 。(2)说 明 此 温 度 控 制 系 统 是 否 满 足 工 艺 要 求 。解 :最 大 偏 差 ： A=45 。 余 差 ： C=5 。 衰 减 比 ： n=4:1 。 过 渡 时间 ： Ts=25min 。 振 荡 周 期 ： T=13min 。第二章 被控对象的数学模型1什么是被控对象特性?什么是被控对象的数学模型?研究被控对象特性有什么重要意义?答：被控对象持性是指被控对象输入与输出之间的关系。即当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出且是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输入量
37、有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。定量地表达对象输入输出关系的数学表达式、称为该对象的数学模型。在生产过程中，存在着各种各样的被控对象。这些对象的持性各不相同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳，有的却很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设计时、首先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量，合适的
38、测量元件和控制器选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。特别在设计新型的控制系统时。例如前馈控制、解偶控制、自适应控制、计算机最优控制等，更需要考虑被控对象特性。2简述建立对象的数学模型的两种主要方法。答：一是机理分析法。机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等 )、在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。二是实验测取法。实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规
39、律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。3描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?答：描述对象特性的参数分别是放大系数 K、时间常数 T、滞后时间 。放大系数 K 放大系数 K 在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化量之比，即：K= 输出的变化量/ 输入的变化量，由于放大系数 K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变比，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变
40、量达到新的稳态值的63.2%所需时间。时间常数 T 是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。滞后时间 是纯滞后时间 0和容量滞后 c 的总和。输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间 也是反映对象动态持性的重要参数。4.什么是控制通道和扰动通道(干扰通道)? 对于不同的通道 ,对象的特性参数(K、T 、)对控制有什么不同的影响?答：对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信
41、号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数(K、T 、)对控制作用的影响是不同的。对于控制通道： 放大系数 K 大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数 K 小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但 K 太大，会使控制作对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。在相同的控制作用下，时间常数 T 大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数 T 小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或大小
42、、在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。滞后时间 的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间 。对于扰动通道： 放大系数 K 大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数 K 小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。时间常数 T 大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较乎稳，对象较易控制。纯滞后的存在，相当于将扰动推迟 o 时间才进入系统，并不影响控制系统的品质。而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。5.实验测取对象特性常用的方法有哪些?各自有什么特点?答：实验测取对象待性常用的方法有阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。阶跃响应曲线法是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。根据这一响应曲线，再经过一定的处理，就可以得到描述对象特性的几个参数。阶跃响应曲线法是一种比较简单的方法。如果输入量是流量，只需将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了一个阶跃扰动，同时还可以利用原设备上的仪表把输出量的变化记录下来既不需要增加仪器设备，测试工作量也不大。但由于一般的被控对象较为复杂，扰动因素较多，
