【正文】 過(guò)程裝備控制技術(shù) 習(xí)題及參考答案 李宏燕 編寫(xiě) 寧夏大學(xué)機(jī)械學(xué)院 2020 年 1 月 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 ？生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化主要包含了哪些內(nèi)容？ 答：利用自動(dòng)化裝置來(lái)管理生產(chǎn)過(guò)程的方法稱為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。主要包含： ① 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) ② 信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng) ③ 自動(dòng)操縱系統(tǒng) ④ 自動(dòng)控制系統(tǒng)。 ？自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的術(shù)語(yǔ)有哪些？ 答：一個(gè)自動(dòng)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(dòng)控制裝置，包括測(cè)量?jī)x表，變送器，控制儀表以及執(zhí)行器等；另一部分是自動(dòng)控制裝置控制下的生產(chǎn)設(shè)備，即被控對(duì)象。 自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的術(shù)語(yǔ)有： 被控變量 y—— 被控對(duì)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(duì)應(yīng)于生產(chǎn)過(guò)程中被控變量的期望值； 測(cè)量值 ym—— 由檢測(cè)原件得到的被控變量的實(shí)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(shí)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(hào)； 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(hào)（ e） —— 被控變量的實(shí)際值與給定值之差，即 e=ym ys 控制信號(hào) u—— 控制器將偏差按一定規(guī)律計(jì)算得到的量。 ？它與工藝流程圖有什么不同？ 答：自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖上是由傳遞方塊、信號(hào)線（帶有箭頭的線段）、綜合點(diǎn)、分支點(diǎn)構(gòu)成的表示控制系統(tǒng)組成和作用的圖形。其中每一個(gè)分塊代表系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，方塊內(nèi)填入表示其自身特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式；方塊間用帶有箭頭的線段表示相互間的關(guān)系及信號(hào)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(hào)的聯(lián)系，以便對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析和研究。而工藝流程圖則是以形象的圖形、符號(hào)、代號(hào)，表示出工藝過(guò)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(dá)在一個(gè)化工生產(chǎn)中物料和能量的變化過(guò)程，即原料 → 成品全過(guò)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？?jī)烧哂惺裁搓P(guān)系？ 答：干擾作用是由干擾因素施加于被控對(duì)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(duì)象，通過(guò)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(duì)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(kāi)環(huán)控制？定值控制系統(tǒng)為什么必須是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)？ 答：閉環(huán)控制是指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的自動(dòng)控制，即操縱變量通過(guò)被控對(duì)象去影響被控變量，而被控變量又通過(guò)自動(dòng)控制裝置去影響操縱變量，從信號(hào)傳遞關(guān)系上看，構(gòu)成了一個(gè)閉合回路。開(kāi)環(huán)控制是指控制器與被控對(duì)象之間只有順向控制而沒(méi)有反向聯(lián)系的自動(dòng)控制系統(tǒng)。即操縱變量通過(guò)被控對(duì)象去影響被控變量，但被控變量并不通過(guò) 自動(dòng)控制裝置去影響操縱變量，從信號(hào)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(duì)應(yīng)的工藝指標(biāo)上，或在工藝指標(biāo)的上下一定范圍內(nèi)變化，因此需要閉環(huán)控制。另外負(fù)反饋其反饋信號(hào)的作用方向與設(shè)定信號(hào)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(gè)閉環(huán)負(fù)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(huà)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(hào)和輸出信號(hào)是什么？整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信 號(hào)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(shí)，該系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)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(hào)如圖所示。整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)為：給定值 ys，干擾作用 f，輸出為熱物料出口溫度 T， 當(dāng)冷物料流量增大 ，則出口溫度 y減小， TT 檢測(cè)后所得 ym減小，偏差信號(hào) e=ymys0， 輸入調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生控制信號(hào) u，使執(zhí)行器或調(diào)節(jié)閥加大閥門開(kāi)度，使溫 度 T升高，從而實(shí)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(huà)出該系統(tǒng)的方框圖； （ 2）指出系統(tǒng)中被控對(duì)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(duì)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(jìn)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(dòng)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(cè)量變送裝置 f 答：對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng)，擾動(dòng)作用是不可避免的，系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，其平衡狀態(tài)被破壞，被控變量就要發(fā)生波動(dòng)，在自動(dòng)控制作用下經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(gè)平衡狀態(tài)進(jìn)入另一個(gè)平衡狀態(tài)之間的過(guò)程稱為系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程。在階躍干擾作用下，其過(guò)度過(guò)程曲線有： ① 發(fā)散振蕩過(guò)程 ② 等幅振蕩過(guò)程 ③ 衰減振蕩過(guò)程 ④ 非振蕩的單調(diào)過(guò)程 。 其中衰減振蕩和非振蕩的單調(diào)過(guò)程屬于穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程，能滿足自動(dòng)控制的要求，其它的不能。 n1,n=1,n1,n→∞ 時(shí)的過(guò)度過(guò)程曲線？ 答：如圖所示： ？ 答：表示衰減振蕩過(guò)程的控制指標(biāo)有： ① 最大偏差 A—— 指過(guò)渡過(guò)程中被控變量偏離設(shè)定值的最大值，即被控變量第一個(gè)波的峰值與給定值的差。 ② 衰減比 n—— 過(guò)渡過(guò)程曲線上同方向的相鄰兩個(gè)波峰之比。 ③ 回復(fù)時(shí)間（過(guò)渡時(shí)間） ts—— 指被控變 量從過(guò)渡狀態(tài)回復(fù)到新的平衡狀態(tài)的時(shí)間間隔，即整個(gè)過(guò)渡過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間。 ④ 差 e(∞ )—— 指過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)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(guò)程 ⑤ 振蕩周期 T—— 過(guò)渡過(guò)程的第一個(gè)波峰與相鄰的第二個(gè)同向波峰之間的時(shí)間間隔，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。 第二章 過(guò)程裝備控制基礎(chǔ) ？表征被控對(duì)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(duì)象的特性，是指當(dāng)被控對(duì)象的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律（包括變化的大小，速度），描述被控對(duì)象特性的參數(shù)有放大系數(shù) K，時(shí)間常數(shù) T和滯后 時(shí)間 τ 。 K—— 被控對(duì)象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)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(duì)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(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)。 T—— 時(shí)間常數(shù)是指當(dāng)對(duì)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(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間?；虍?dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，被控變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的 %所需時(shí)間。時(shí)間常數(shù)T 是反映被控變量變化快慢的參數(shù)，因此是對(duì)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。 τ —— 滯后時(shí)間 是純滯后 τ 0時(shí)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(shí)間 稱為純滯后時(shí)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(shí)間引起的。容量滯后一般是因?yàn)槲锪匣蚰芰康膫鬟f需要通過(guò)一定的阻力而引起的。滯后時(shí)間 τ 也是反映對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。 ，而時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間是動(dòng)態(tài)特性？ 答：放大系數(shù) K表達(dá)了被控對(duì)象在干擾作用下重新達(dá)到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時(shí)間變化的參數(shù)，所以 K是被控對(duì)象的靜態(tài)特性參數(shù)。時(shí)間常數(shù)反映了被控對(duì)象受到輸入作用后，輸入變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的長(zhǎng)短，所以是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。滯后時(shí)間也是描述對(duì)象滯 后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。 ？什么是干擾通道？ 答：對(duì)一個(gè)被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，輸入量是擾動(dòng)量和操縱變量，而輸出是被控變量。由對(duì)象的輸入變量至輸出變量的信號(hào)聯(lián)系稱為通道。操縱變量至被控變量的信號(hào)聯(lián)系稱為控制通道；擾動(dòng)量至被控變量的信號(hào)聯(lián)系稱為擾動(dòng)通道。 ，對(duì)象的放大系數(shù)，時(shí)間常數(shù)，滯后時(shí)間對(duì)控制有什么影響？ 答：對(duì)于不同的通道，對(duì)象的特性參數(shù)（ K， T ， τ ）對(duì)控制作用的影響是不同的。對(duì)于控制通道： 放大系數(shù) K大，操縱變量的變化對(duì)被控變量的影響就大，即控制作用對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償能力強(qiáng)， 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(huì)使控制作用對(duì)被控變量的影響過(guò)強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 在相同的控制作用下，時(shí)間常數(shù) T大，則被控變量的變化比較緩慢，此時(shí)對(duì)象比較平穩(wěn)，容易進(jìn)行控制，但過(guò)渡過(guò)程時(shí)間較大；若時(shí)間常數(shù) T 小，則被控變量變化速度快，不易控制。時(shí)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(shí)際情況適中考慮。 滯后時(shí)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(shí)間 τ 。 對(duì)于擾動(dòng)通 道： 放大系數(shù) K大對(duì)控制不利，因?yàn)楫?dāng)擾動(dòng)頻繁出現(xiàn)且幅度較大時(shí)，被控變量的波動(dòng)就會(huì)很大，使得最大偏差增大；而放大系數(shù) k小，即使擾動(dòng)較大，對(duì)被控變量仍然不會(huì)產(chǎn)生多大影響。 時(shí)間常數(shù) T 大，擾動(dòng)作用比較平緩，被控變量變化較平穩(wěn)，對(duì)象較易控制。 純滯后的存在，相當(dāng)于將擾動(dòng)推遲 τ 0時(shí)間才進(jìn)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(dòng)的影響趨于緩和，被控變量的變化相應(yīng)也緩和些，因此，對(duì)系統(tǒng)是有利的。 258某對(duì)象的反應(yīng)曲線中，表示出該對(duì)象的放大系數(shù)，時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)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(hào)隨輸入信號(hào)變化的規(guī)律或是指控制器的輸出信號(hào) P與輸入偏差信號(hào) 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(diǎn)？ 答： ① 位式控制器的輸出只有幾個(gè)特定的數(shù)值，或它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有幾個(gè)特定的位置。最常見(jiàn)的是雙位控制。，它們輸出只有兩個(gè)數(shù)值（最大或最?。?，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有兩個(gè)特定的位置（開(kāi)或關(guān)）。 位式控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，成本較低，易于實(shí)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(gè)等幅振蕩過(guò)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(hào)變化量 與輸入信號(hào)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(diǎn)是反應(yīng)快，控制及時(shí)，其缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷改變時(shí)，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(duì)被控變量要求不高的場(chǎng)合，才單獨(dú)使用比例控制。 ③ 積分控制（ I）：調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)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(shí)間。積分規(guī)律的特點(diǎn)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(shí)有效地克服擾動(dòng)的影響，加劇了被控變量的波動(dòng)，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來(lái)，故不單獨(dú)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(hào)的變化量與輸入偏差的變化速度成正比。即 。 微分時(shí)間。 微分控制規(guī)律的特點(diǎn)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(wú)關(guān)，因此，不能克服確定不變的偏差。故也不單獨(dú)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(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與測(cè)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(duì)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(hào)的大小不僅與輸入偏差信號(hào)的大小有關(guān)，還取決于偏差存在時(shí)間長(zhǎng)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(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)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(hào)才能相對(duì)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(dú)使 用？ 答：積分控制其輸出變化總是滯后于偏差，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)的影響，加劇了被控變量的波動(dòng)，使系統(tǒng)難以穩(wěn)定下來(lái)，因此