【正文】 過程裝備控制技術(shù) 習題及參考答案 李宏燕 編寫 寧夏大學機械學院 2020 年 1 月 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 ？生產(chǎn)過程自動化主要包含了哪些內(nèi)容？ 答：利用自動化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法稱為生產(chǎn)過程自動化。主要包含： ① 自動檢測系統(tǒng) ② 信號聯(lián)鎖系統(tǒng) ③ 自動操縱系統(tǒng) ④ 自動控制系統(tǒng)。 ？自動控制系統(tǒng)常用的術(shù)語有哪些？ 答：一個自動控制系統(tǒng)主要有兩大部分組成：一部分是起控制作用的全 套自動控制裝置，包括測量儀表，變送器，控制儀表以及執(zhí)行器等；另一部分是自動控制裝置控制下的生產(chǎn)設(shè)備，即被控對象。 自動控制系統(tǒng)常用的術(shù)語有： 被控變量 y—— 被控對象內(nèi)要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)，即需要控制的工藝參數(shù)，如鍋爐汽包的水位，反應(yīng)溫度； 給定值（或設(shè)定值） ys—— 對應(yīng)于生產(chǎn)過程中被控變量的期望值； 測量值 ym—— 由檢測原件得到的被控變量的實際值； 操縱變量（或控制變量） m—— 受控于調(diào)節(jié)閥，用以克服干擾影響，具體實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量，是調(diào)節(jié)閥的輸出信號； 干擾 f—— 引起被控變量偏離給定值的， 除操縱變量以外的各種因素； 偏差信號（ e） —— 被控變量的實際值與給定值之差，即 e=ym ys 控制信號 u—— 控制器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。 ？它與工藝流程圖有什么不同？ 答：自動控制系統(tǒng)的方框圖上是由傳遞方塊、信號線（帶有箭頭的線段）、綜合點、分支點構(gòu)成的表示控制系統(tǒng)組成和作用的圖形。其中每一個分塊代表系統(tǒng)中的一個組成部分，方塊內(nèi)填入表示其自身特性的數(shù)學表達式；方塊間用帶有箭頭的線段表示相互間的關(guān)系及信號的流向。采用方塊圖可直觀地顯示出系統(tǒng)中各組成部分以及它們之間的相 互影響和信號的聯(lián)系，以便對系統(tǒng)特性進行分析和研究。而工藝流程圖則是以形象的圖形、符號、代號，表示出工藝過程選用的化工設(shè)備、管路、附件和儀表自控等的排列及連接，借以表達在一個化工生產(chǎn)中物料和能量的變化過程，即原料 → 成品全過程中物料和能量發(fā)生的變化及其流向。 ，什么是干擾作用？什么是控制作用？兩者有什么關(guān)系？ 答：干擾作用是由干擾因素施加于被控對象并引起被控變量偏離給定值的作用；控制作用是由控制器或執(zhí)行器作用于被控對象，通過改變操縱變量克服干擾作用，使被控變量保持在給定值，兩者的相同之處在于 都是施加于被控對象的作用，不同之處在于干擾作用是使被控變量偏離給定值，而控制作用是使被控變量接近給定值。 ？什么是開環(huán)控制？定值控制系統(tǒng)為什么必須是一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)？ 答：閉環(huán)控制是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的自動控制，即操縱變量通過被控對象去影響被控變量，而被控變量又通過自動控制裝置去影響操縱變量，從信號傳遞關(guān)系上看，構(gòu)成了一個閉合回路。開環(huán)控制是指控制器與被控對象之間只有順向控制而沒有反向聯(lián)系的自動控制系統(tǒng)。即操縱變量通過被控對象去影響被控變量，但被控變量并不通過 自動控制裝置去影響操縱變量，從信號傳遞關(guān)系上看，未構(gòu)成閉合回路。定值控制系統(tǒng)要求給定值恒定不變，控制系統(tǒng)的輸出即被控變量應(yīng)穩(wěn)定在與給定值相對應(yīng)的工藝指標上，或在工藝指標的上下一定范圍內(nèi)變化，因此需要閉環(huán)控制。另外負反饋其反饋信號的作用方向與設(shè)定信號相反，是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本條件，因此定值控制系統(tǒng)必須是一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。 111的換熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，工藝要求熱物料出口溫度保持為某一設(shè)定值。 ① 試畫出該控制系統(tǒng)的方框圖； ② 方框圖中各環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號是什么？整個系統(tǒng)的輸入信號和輸出信 號又是什么？ ③ 系統(tǒng)在遇到干擾作用（如冷物料流量突然增大 ）時，該系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動控制的？ 答：如圖所示為該控制系統(tǒng)的方框圖。 Ts T 干擾作用作用 溫度控制器 執(zhí)行器 換熱器 溫度測量變送裝置 TC TT 冷物料 蒸汽 熱物料 該控制系統(tǒng)及各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號如圖所示。整個系統(tǒng)的輸入信號為：給定值 ys，干擾作用 f，輸出為熱物料出口溫度 T， 當冷物料流量增大 ，則出口溫度 y減小， TT 檢測后所得 ym減小，偏差信號 e=ymys0， 輸入調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生控制信號 u，使執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥加大閥門開度，使溫 度 T升高，從而實現(xiàn)控制。 112 為貯 糟液位控制系 統(tǒng) ，工 藝 要求液位保持 為 某一 數(shù) 值， （ 1）試畫出該系統(tǒng)的方框圖； （ 2）指出系統(tǒng)中被控對象，被控變量，操縱變量，干擾作用各是什么？ （ 1）如圖所示為該控制系統(tǒng)的方框圖； （ 2）該系統(tǒng)中被控變量對象為貯槽；被控變量為貯槽液位；操縱變量為出水 流量；干擾作用為：進水流量，大氣溫度等。 ？在階躍干擾作用下有哪幾種基本形式？其中哪些能滿足自動控制的要求，哪些不能，為什么？ LT LC qv1 qv2 hs h 液位控制器 執(zhí)行器 貯槽 液位測量變送裝置 f 答：對于任何一個控制系統(tǒng)，擾動作用是不可避免的，系統(tǒng)受到擾動作用后，其平衡狀態(tài)被破壞，被控變量就要發(fā)生波動，在自動控制作用下經(jīng)過一段時間，使被控變量回復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)進入另一個平衡狀態(tài)之間的過程稱為系統(tǒng)的過度過程。在階躍干擾作用下，其過度過程曲線有： ① 發(fā)散振蕩過程 ② 等幅振蕩過程 ③ 衰減振蕩過程 ④ 非振蕩的單調(diào)過程 。 其中衰減振蕩和非振蕩的單調(diào)過程屬于穩(wěn)定的過渡過程，能滿足自動控制的要求，其它的不能。 n1,n=1,n1,n→∞ 時的過度過程曲線？ 答：如圖所示： ？ 答：表示衰減振蕩過程的控制指標有： ① 最大偏差 A—— 指過渡過程中被控變量偏離設(shè)定值的最大值，即被控變量第一個波的峰值與給定值的差。 ② 衰減比 n—— 過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比。 ③ 回復(fù)時間（過渡時間） ts—— 指被控變 量從過渡狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的時間間隔，即整個過渡過程所經(jīng)歷的時間。 ④ 差 e(∞ )—— 指過渡過程終了時被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差。 n1，發(fā)散振蕩 n〉 1，衰減振蕩 n=1，等幅振蕩 n→∞ ，單調(diào)過程 ⑤ 振蕩周期 T—— 過渡過程的第一個波峰與相鄰的第二個同向波峰之間的時間間隔，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。 第二章 過程裝備控制基礎(chǔ) ？表征被控對象特性的參數(shù)有哪些？它們的物理意義是什么？ 答：所謂被控對象的特性，是指當被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律（包括變化的大小，速度），描述被控對象特性的參數(shù)有放大系數(shù) K，時間常數(shù) T和滯后 時間 τ 。 K—— 被控對象重新達到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸入變化量之比。由于放大系數(shù) K反映的是對象處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出和輸入之間的關(guān)系，所以放大系數(shù)是描述對象靜態(tài)特性的參數(shù)。 T—— 時間常數(shù)是指當對象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間?；虍攲ο笫艿诫A躍輸入作用后，被控變量達到新的穩(wěn)態(tài)值的 %所需時間。時間常數(shù)T 是反映被控變量變化快慢的參數(shù)，因此是對象的動態(tài)參數(shù)。 τ —— 滯后時間 是純滯后 τ 0時間 和容量滯后 τ c 的總和。 輸入變量的變化落后于輸入變量變化的時間 稱為純滯后時間，純滯后的產(chǎn)生一般是由于介質(zhì)的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。容量滯后一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。滯后時間 τ 也是反映對象動態(tài)特性的重要參數(shù)。 ，而時間常數(shù)和滯后時間是動態(tài)特性？ 答：放大系數(shù) K表達了被控對象在干擾作用下重新達到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時間變化的參數(shù)，所以 K是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)。時間常數(shù)反映了被控對象受到輸入作用后，輸入變量達到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個動態(tài)過程的長短，所以是動態(tài)特性參數(shù)。滯后時間也是描述對象滯 后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。 ？什么是干擾通道？ 答：對一個被控對象來說，輸入量是擾動量和操縱變量，而輸出是被控變量。由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯(lián)系稱為通道。操縱變量至被控變量的信號聯(lián)系稱為控制通道；擾動量至被控變量的信號聯(lián)系稱為擾動通道。 ，對象的放大系數(shù)，時間常數(shù)，滯后時間對控制有什么影響？ 答：對于不同的通道，對象的特性參數(shù)（ K， T ， τ ）對控制作用的影響是不同的。對于控制通道： 放大系數(shù) K大，操縱變量的變化對被控變量的影響就大，即控制作用對擾動的補償能力強， 余差也??；放大系數(shù) K小，控制作用的影響不顯著，被控變量的變化緩慢。但 K太大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 在相同的控制作用下，時間常數(shù) T大，則被控變量的變化比較緩慢，此時對象比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡過程時間較大；若時間常數(shù) T 小，則被控變量變化速度快，不易控制。時間常數(shù)太大或太小，在控制上都將存在一定困難，因此，需根據(jù)實際情況適中考慮。 滯后時間 τ 的存在，使得控制作用總是落后于被控變量的變化，造成被控變量的最大偏差增大，控制質(zhì)量下降。因此，應(yīng)盡量減小滯后時間 τ 。 對于擾動通 道： 放大系數(shù) K大對控制不利，因為當擾動頻繁出現(xiàn)且幅度較大時，被控變量的波動就會很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù) k小，即使擾動較大，對被控變量仍然不會產(chǎn)生多大影響。 時間常數(shù) T 大，擾動作用比較平緩，被控變量變化較平穩(wěn)，對象較易控制。 純滯后的存在，相當于將擾動推遲 τ 0時間才進入系統(tǒng)，并不影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)；而容量滯后的存在，則將使階躍擾動的影響趨于緩和，被控變量的變化相應(yīng)也緩和些，因此，對系統(tǒng)是有利的。 258某對象的反應(yīng)曲線中，表示出該對象的放大系數(shù)，時間常數(shù)和滯后時間。 解：如圖所示： k= ( ) (0)( ) (0)HHxx????=1( ) (0)HHqv??? T 如圖所示，以起始速率變化至新穩(wěn)態(tài)值所對應(yīng)的時間， T= 10tt? ， 0 0?? c? 如圖所示，不存在容量滯后， ? 0c?? 的控制規(guī)律？調(diào)節(jié)器有哪幾種基本控制規(guī)律？ 答：調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號隨輸入信號變化的規(guī)律或是指控制器的輸出信號 P與輸入偏差信號 e 之間的關(guān)系。 0t 0t 1qv Δqv1 Δqv1 1t T H H(? ) 常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律有：位式，比例，積分，微分等，以及它們的組合控制規(guī)律如 PI， PD， PID。 ，比例控制，積分控制，微分控制，它們各有什么特點？ 答： ① 位式控制器的輸出只有幾個特定的數(shù)值，或它的執(zhí)行機構(gòu)只有幾個特定的位置。最常見的是雙位控制。，它們輸出只有兩個數(shù)值（最大或最?。?，其執(zhí)行機構(gòu)只有兩個特定的位置（開或關(guān)）。 位式控制器結(jié)構(gòu)簡 單，成本較低，易于實現(xiàn)，應(yīng)用較普遍。但它的控制作用不是連續(xù)變化的，由它所構(gòu)成的位式控制系統(tǒng)其被控變量的變化將是一個等幅振蕩過程，不能使被控變量穩(wěn)定在某一數(shù)值上。 ② 積分控制（ P）是指調(diào)節(jié)器的輸出信號變化量 與輸入信號變化量e(t)成比例關(guān)系： ， 比例放大系數(shù)，比例控制的伏點是反應(yīng)快，控制及時，其缺點是當系統(tǒng)的負荷改變時，控制結(jié)果有余差存在，即比例控制不能消除余差，因此只在對被控變量要求不高的場合，才單獨使用比例控制。 ③ 積分控制（ I）：調(diào)節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的積分成正比，即： 式中 積分速度， 積分時間。積分規(guī)律的特點是控制緩慢，但能消除余差。由于輸出變化量總要滯后于偏差的變化，因此不能及時有效地克服擾動的影響，加劇了被控變量的波動，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來，故不單獨使用積分控制規(guī)律。 ④ 微分控制（ D） 指調(diào)節(jié)器輸出信號的變化量與輸入偏差的變化速度成正比。即 。 微分時間。 微分控制規(guī)律的特點是有一定的超前控制作用，能抑制系統(tǒng)振蕩，增加穩(wěn)定性；由于其輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差的存在無關(guān)，因此，不能克服確定不變的偏差。故也不單獨使用。 8． 什么是余差？為什么單純的比例控制 不能消除余差積分控制消除余差。 答：余差是指過渡過程終了時，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與測定值之差。 比例調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差具有一一對應(yīng)的比例差系，要使調(diào)節(jié)器有輸出，就必須要有偏差存在，因此，比例調(diào)節(jié)控制不能消除余差。積分控制其輸出信號的大小不僅與輸入偏差信號的大小有關(guān)，還取決于偏差存在時間長短。只要有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就不斷變化，偏差存在的時間越長，輸出信號的變化量就越大，只有存在偏差身先等于的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出信號才能相對穩(wěn)定，因此積分控制作用是力圖消涂余差。 9． 為什么積分控制規(guī)律一般不單獨使 用？ 答：積分控制其輸出變化總是滯后于偏差，不能及時有效地克服擾動的影響，加劇了被控變量的波動，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來，因此