【正文】 對象比較平穩(wěn)，容易進(jìn)行控制，但過渡過程時(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。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(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。操縱變量至被控變量的信號聯(lián)系稱為控制通道；擾動(dòng)量至被控變量的信號聯(lián)系稱為擾動(dòng)通道。 ？什么是干擾通道？ 答：對一個(gè)被控對象來說，輸入量是擾動(dòng)量和操縱變量，而輸出是被控變量。時(shí)間常數(shù)反映了被控對象受到輸入作用后，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)過程的長短，所以是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。滯后時(shí)間 τ 也是反映對象動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。 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。時(shí)間常數(shù)T 是反映被控變量變化快慢的參數(shù)，因此是對象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。 T—— 時(shí)間常數(shù)是指當(dāng)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(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。 K—— 被控對象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的輸 出變化量與輸入變化量之比。 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(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。 ③ 回復(fù)時(shí)間（過渡時(shí)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(shí)間間隔，即整個(gè) 過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間。 n1,n=1,n1,n→∞ 時(shí)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(biāo)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(gè)波的峰值與給定值的差。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。 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(jìn)水流量，大氣溫度等。 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。 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。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。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(dòng)控制系統(tǒng)。 ，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。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(jìn)行分 析和研究。 ？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。 ？自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的術(shù)語有哪些？ 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，包括測量儀表，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，即被控對象。 過程裝備控制技術(shù) 習(xí)題及參考答案 第一章 控制系統(tǒng)的基本概念 ？生產(chǎn)過程自動(dòng)化主要包含了哪些內(nèi)容？ 答：利用自動(dòng)化裝置來管理生產(chǎn)過程的方法稱為生產(chǎn)過程自動(dòng)化。主要包含： ① 自動(dòng)檢測系統(tǒng) ② 信號聯(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(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； 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(shí)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(jì)算得到的量。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)系及信號的流向。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(gè)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。 ？什么是開環(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，即操縱變量通過被控對象去影響被控變量，而被控變量又通過自動(dòng)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(gè)閉合回路。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(dòng)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。另外負(fù)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(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。 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(gè)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(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。整個(gè)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(dāng)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(shí)現(xiàn)控制。 ？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 液位測量變送裝置 f 答：對于任何一個(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)之間的過程稱為系統(tǒng)的過度過程。 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(dòng)控制的要求，其它的不能。 ② 衰減比 n—— 過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個(gè)波峰之比。 ④ 差 e(∞ )—— 指過渡過程終了時(shí)被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值之差。 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(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 。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)?；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(shí)間。 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。容量滯后一般是因?yàn)槲锪匣蚰芰康膫鬟f需要通過一定的阻力而引起的。 ，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 是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)。滯后時(shí)間也是描述對象滯后現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯(lián)系稱為通道。 ，對象的放大系數(shù)，時(shí)間常數(shù)，滯后時(shí)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。但 K 太大，會(huì)使控制作用對被控變量的影響過強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。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。因此，應(yīng)盡量減小滯后時(shí)間 τ 。 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)，對象較易控制。 258某對象的反應(yīng)曲線中，表示出該對象的放大系數(shù)，時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間。 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。最常見的是雙位控制。 位式控制器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較普遍。 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(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，因此只在對被控變量要求不高的場合，才單獨(dú)使用比例控制。積分規(guī)律的特點(diǎn)是控制緩慢，但能消除余差。 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。 微分時(shí)間。故也不單獨(dú)使用。 答：余差是指過渡 過程終了時(shí)，被控變量新的穩(wěn)態(tài)值與測定值之差。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(shí)間長短。 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，因此工業(yè)過程控制中，通常不單獨(dú)使用積分控制規(guī)律。 答：①比例 —— 比例度是反映比例控制器的比例控制作用強(qiáng)弱的參數(shù)。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。積分時(shí)間 TI 的減少，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)性能變差，但能加快消除余差的速度，提高系統(tǒng)的靜態(tài)準(zhǔn)確度，最大偏差減小。如微分時(shí)間 TD越大，表示微分控制作用越強(qiáng)。 11． 試畫出在階躍作用下，比例、比例積分、比例積分微分調(diào)節(jié)器的輸出特征曲線。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(shí)間 TI和微分時(shí)間 TD面改變。如比 例度增大，則比例控制作用減少弱，當(dāng) 時(shí)， PID 調(diào)節(jié)器成為積分微分調(diào)節(jié)器，當(dāng) TI積分時(shí)間 時(shí)， PID 調(diào)節(jié)器成為比例微分控制器，當(dāng) TD 時(shí)， PID 調(diào)節(jié)器成為 PI即比例積分控制。通過改變這三個(gè)參數(shù)的大小，就可以改變整個(gè)系統(tǒng)的性能，獲得較好的過渡過程和控制質(zhì)量。 ② 臨界比例度法 —— 首先求取比例作用下的閉環(huán)系統(tǒng)為等幅振蕩過程時(shí)的比例度 和振蕩周期 TK，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng) 的調(diào)節(jié)器參數(shù) ③ 衰減曲線法 —— 以在純比例下獲得 4： 1 衰減振蕩曲線為參數(shù)整定和依據(jù)，方法同臨界比例度法，獲得 4： 1 衰減曲線的 TS、 ，然后求解相應(yīng)的值。 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(shí)間常數(shù)較少，負(fù)荷變化較小，而工藝要求不高時(shí)， 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。 ④ 當(dāng)廣義對象控制通道時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大時(shí)，應(yīng)引入微分作用，如工藝充許消除余差，可選用比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律；如工藝要求無余差時(shí)，則選用 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，如溫度，成分， PH等參數(shù)控制。當(dāng) t/T 時(shí)，選用 P 或 PI；當(dāng) 時(shí)，選PD或 PID；當(dāng) 時(shí)，采用簡單控制系統(tǒng)往往不能滿足控制要求，這時(shí)應(yīng)選用復(fù)雜控制系統(tǒng)。除被控對象的動(dòng)靜態(tài)特征外，對于工藝過程，設(shè)備等也需要比較深入的了解； 在此基礎(chǔ)上，確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行行器，調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律待，最后將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。它是由主、副兩個(gè)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(shí)現(xiàn)對主變量的定值控制。②能改善被控對象的特征，提高了系統(tǒng)克服干擾的能力。串級控制系統(tǒng)主要就用于：對象的滯后和時(shí)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