【正文】 量減少開，停車中的不穩(wěn)定工況。 20． 什么是前饋控制系統(tǒng)？應(yīng)用在什么場合？ 答：前饋控制又稱擾動補(bǔ)償，它是測量進(jìn)入過程的干擾（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使被控變量維持在設(shè)定值上。因此一個是粗調(diào)，一個是細(xì)調(diào)。串級控制系統(tǒng)主要就用于：對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)面頻繁，負(fù)荷變化大，對控制質(zhì)量要求較高的場合。它是由主、副兩個控制器串接工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出操縱控制閥，以實現(xiàn)對主變量的定值控制。當(dāng) t/T 時，選用 P或 PI；當(dāng) 時，選PD或 PID；當(dāng) 時，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，這時應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。 ② 在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是必不可少的，當(dāng)廣義對控制通道時間常數(shù)較少，負(fù)荷變化較小，而工藝要求不高時，可選擇單純的比例規(guī)律，如貯罐液位，不太重要的壓力等參數(shù)控制。通過改變這三個參數(shù)的大小，就可以改變整個系統(tǒng)的性能，獲得較好的過 渡過程和控制質(zhì)量。②調(diào)節(jié)作用可通過調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)，比例度，積分時間 TI和微分時間 TD面改變。如微分時間 TD越大，表示微分控制作用越強(qiáng)。減少比例度，系統(tǒng)的余差越小，最大偏差也越短，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度降低；其過渡過程逐漸以衰減振蕩走向臨界振蕩直至發(fā)散振蕩。 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，因此工業(yè)過程控制中，通常不單獨使用積分控制規(guī)律。 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。 微分時間。積分規(guī)律的特點是控制緩慢，但能消除余差。 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。 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。 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。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。 ，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。滯后時間也是描述對象滯 后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。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?；虍?dāng)對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 %所需時間。 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(dāng)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 。 ② 衰減比 n—— 過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比。 ？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(jìn)入另一個平衡狀態(tài)之間的過程稱為系統(tǒng)的過度過程。 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。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。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(dá)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。 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。 過程裝備控制技術(shù) 習(xí)題及參考答案 李宏燕 編寫 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。 ？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。 ，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。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(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。 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。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 。 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。 K—— 被控對象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸入變化量之比。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)。滯后時間 τ 也是反映對象動態(tài)特性的重要參數(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。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(bǔ)償能力強(qiáng)， 余差也?。环糯笙禂?shù) K小，控制作用的影響不顯著，被控變量的變化緩慢。 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。 純滯后的存在，相當(dāng)于將擾動推遲 τ 0時間才進(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。 ，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(jī)構(gòu)只有幾個特定的位置。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。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。 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。 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。 10． 比例、積分、微分、控制分別用什么量表示其控制作用的強(qiáng)弱？并分別說明它們對控制質(zhì)量的影響。 ②積分控制 —— 積分時間 TI表示積分控制 作用強(qiáng)弱的參數(shù)，積分時間越小，表示積分控制作用越強(qiáng)。增加微分時間 TD，能克服對象的滯后，改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但微分作用不能太大，否則有可能引起系統(tǒng)的高頻振蕩。 13． 在比例積分微分調(diào)節(jié)器中可以調(diào)整的參數(shù)有哪幾個 ?試說明調(diào)下整其中一個參數(shù)時 ,對調(diào)節(jié)器的控制作用有什么影響 ? e(t) A KpA KpA A A Δu(t) KpA KpA e(t) e(t) KpA t t t t t IT t 答 :在 PID調(diào)節(jié)器中 ,比例度、積分時間、微分時間 三個參數(shù)可以調(diào)整，從而可獲得較高的控制質(zhì)量。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的目的就是按照己定的控制系統(tǒng)求取控制系質(zhì)量最好的調(diào)節(jié)器參數(shù)，工程上常用的整定方法有： ① 經(jīng)驗試湊法 —— 根據(jù)被控變量的性質(zhì)在己知合適的參數(shù)（經(jīng)驗參數(shù)）范圍內(nèi)選擇一組適當(dāng)?shù)闹底鰹檎{(diào)節(jié)器的參數(shù)值，然后直接在運行的系統(tǒng)中，人為地加上階躍干擾，通過觀察記錄儀表上的過渡曲線，并以比例度、積分時間、微分時間對過渡曲線的影響為指導(dǎo)，按照某種順序反復(fù)試湊比例度、積分時間、微分時間的大小，直到獲得滿意的過渡過程曲線為止。 ③ 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較，負(fù)荷變化較小，而工藝要求無余差時，可選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如管道壓力，流量等參數(shù)的控制。 16． 設(shè)計控制系統(tǒng)時，必須確定和考慮哪些方面的問題？ 答：設(shè)計一個控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對被控對象做全面的了解。 它的特點有：①能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾。 18． 串級控制系統(tǒng)中心副回路和主回路各起什么作用？為 什么？ 答：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)是由兩個串聯(lián)工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 19． 圖 259是聚合釜溫度與流量的串級控制系統(tǒng)。前饋控制主要用于下列場合： ①干擾幅值大面頻繁，對被控變量影響劇烈，單純反饋達(dá)不到要求時； ② 主要干擾是可測不可控的變量； ③ 對象的控制通道滯后大，反饋控制不即時，控制質(zhì)量差時，可采用前饋 — 反饋控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。 ？ 答：均勻控制系統(tǒng)的目的是為了解決前后工序的供求矛盾，使兩個變量之 間能夠互相兼顧和協(xié)調(diào)操作。測量過程三要素為：測量單位，測量方法，測量儀器與設(shè)備。不同之處在于直接測量測量過程簡單方便，應(yīng)用廣泛；間接測量過程較復(fù)雜，只有在誤差較大或缺乏直接測量儀表時才采用。 答：系統(tǒng)誤差是由于測量工具本身的不準(zhǔn)確或安裝調(diào)整得不正確，測試人員的分辨能力或固有的讀數(shù)習(xí)慣，測量方法的理論根據(jù)有缺陷或采用了近似公式等原因產(chǎn)生的測量值與真值的偏差。如氣溫的變化。 ② 隨即誤差：由于摩擦，間隙，噪聲等都會產(chǎn)生隨機(jī)誤差，因此首先從結(jié)構(gòu)，原理上盡量避免采用存在摩擦的可動部分；采用減小噪聲的裝置，并采用抗干擾能力強(qiáng)的測量儀器。 相對誤差 — 測量的絕對誤差與被測變量的約定真值（實際值）之比，即用 10 0% 6%x? ?? ? ? ? ? ，可表示儀表的基本誤差限與絕對誤差相比較，相對誤差更能說明測量結(jié)果的精確程度，如溫度升測量顯示值為 57℃ ，時間溫度為 60℃ ，則 ： ? =5760=3, 3 100% %60? ? ? ? ? ?， 若 實際 為 30℃ ，測量顯示值為 27℃ ，則 ： ? =3℃， 3 1 0 0 % 1 0 .0 %30? ? ? ? ? ?， 顯然此時的相對誤差比前者大。 解： 絕對誤差： 0x x A? ? ? ；相對誤差：0xA? ?? ， 示值相對誤差： 39。 解： n=20，平均值 x = 201111 iiiixxn ?????? ， 剩余誤差： iiV x x?? ，即： 0 0 標(biāo)準(zhǔn)差 ? = 211 0 .0 6 41 n ii Vn ? ?? ? ，標(biāo)限誤差 max ?? （ 1） 3? 準(zhǔn)則： 3? =， max 3V ??? 因此該組數(shù)中無壞值。 B表： q=2%== maxS? m a x 0 . 0 2 [ 5 5 0 ( 5 0 ) ] 1 2? ? ? ? ? ? ?℃ m a x 12 0. 02 4 2. 4% 2. 5%500?? ? ? ? ? 故 B表合適。 主 要特點：玻璃液體：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度高，價格低廉；測量上限和精度受玻璃質(zhì)量的限制，易碎，不能遠(yuǎn)傳。選用補(bǔ)償導(dǎo)線要求其在一定