./第二章思考題及習(xí)題2.1與單回路系統(tǒng)相比,串級控制系統(tǒng)有些什么特點?答：串級控制方案具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能,而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。因此,串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量一般都比單回路控制系統(tǒng)好。<1>串級控制系統(tǒng)具有更高的工作頻率；<2>串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力；<3>串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力2.2為什么說串級控制系統(tǒng)主控制器的正、反作用只取決于主對象放大倍數(shù)的符號,而與其他環(huán)節(jié)無關(guān)?答：主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定。主環(huán)包括有主控制器、副回路、主對象和主變送器?？刂破髡?、反作用設(shè)置正確的副回路可將它視為一放大倍數(shù)為"正"的環(huán)節(jié)來看待。這樣,只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號為"負(fù)"的要求。即Sign{G01<s>}Sign{G02’<s>}Sign{Gm1<s>}Sign{Gc1<s>}=-1就可以確定主控制器的正、反作用。實際上主變送器放大倍數(shù)符號一般情況下都是"正"的,再考慮副回路視為一放大倍數(shù)為"正"的環(huán)節(jié),因此主控制器的正、反作用實際上只取決于主對象放大倍數(shù)的符號。當(dāng)主對象放大倍數(shù)符號為"正"時,主控制器應(yīng)選"負(fù)"作用；反之,當(dāng)主對象放大倍數(shù)符號為"負(fù)"時,2.3串級控制系統(tǒng)的一步整定法依據(jù)是什么?答：一步整定法的依據(jù)是：在串級控制系統(tǒng)中一般來說,主變量是工藝的主要操作指標(biāo),直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量,因此對它要求比較嚴(yán)格。而副變量的設(shè)立主要是為了提高主變量的控制質(zhì)量,對副變量本身沒有很高的要求,允許它在一定圍變化,因此在整定時不必將過多的精力放在副環(huán)上,只要主變量達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)要求即可。此外對于一個具體的串級控制系統(tǒng)來說,在一定圍主、副控制器的放大倍數(shù)是可以互相匹配的,只要主、副控制器的放大倍數(shù)Kc1與Kc1的乘積等于Ks<Ks為主變量呈4：1衰減振蕩時的控制器比例放大倍數(shù)>,系統(tǒng)就能產(chǎn)生4：1衰減過程<下面的分析中可以進(jìn)一步證明>。雖然按照經(jīng)驗一次放上的副控制器參數(shù)不一定合適,但可通過調(diào)整主控制器放大倍數(shù)來進(jìn)行補償,結(jié)果仍然可使主變量呈4：1衰減。2.4試證明串級控制系統(tǒng)中,當(dāng)干擾作用在副環(huán)時,只要主、副控制器其中之一有積分作用就能保證主變量無余差。而當(dāng)干擾作用于主環(huán)時,只有主控制器有積分作用時才能保證主變量無余差。答：從串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出：1.當(dāng)干擾作用在副環(huán)時,副環(huán)在干擾下的輸出可如下計算：令并假定f<t>為單位階躍干擾,則F<s>=1/s,運用終值定理可得：如果GC2<s>=Kc2<Tis+1>/Tis,即含有積分環(huán)節(jié),則在上式分子上出現(xiàn)Tis項,y2<∞>=0,即干擾作用下主環(huán)也無余差。如果GC2<s>=Kc2,則副環(huán)余差為y2<∞>=1/KVKm2Kc2,此余差進(jìn)入主環(huán),此時將副環(huán)等效成一個環(huán)節(jié),G’02<s>=1/Km2,用與上述副環(huán)余差計算一樣的方法計算主環(huán)余差,如果主環(huán)控制器具有積分作用,y1<∞>=0,反之y1<∞>≠0。當(dāng)干擾作用在主環(huán)時,副環(huán)等效成一個環(huán)節(jié),G’02<s>=1/Km2,用與上述副環(huán)余差計算一樣的方法計算主環(huán)余差,如果主環(huán)控制器具有積分作用,y1<∞>=0,反之y1<∞>≠0。2.5試說明為什么整個副環(huán)可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看待?答：對于副環(huán)來說,如果是負(fù)反饋系統(tǒng),其等效環(huán)節(jié)等效傳遞函數(shù)為：當(dāng)控制器放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時,則有|Gc2GvG02Gm|>>1,又因為通常各個環(huán)節(jié)都是無量綱化的,此時Gm=1。則有式<2-1>近似等于2.6試說明在串級控制系統(tǒng)中主、副控制器之一的正、反作用選錯會造成怎樣的危害?答：串級控制系統(tǒng)屬于反饋控制系統(tǒng),只有在負(fù)反饋的情況下,系統(tǒng)才是穩(wěn)定的,當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時,其過渡過程將會是衰減的；反之,如果系統(tǒng)是正反饋,那么系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的,一旦遇到干擾作用,過渡過程將會發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當(dāng)然是不希望發(fā)生的,因此,對于反饋控制系統(tǒng)來說,要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作,必須要構(gòu)成負(fù)反饋。2.7圖2.21所示的反應(yīng)釜進(jìn)行的是放熱化學(xué)反應(yīng),而釜溫度過高會發(fā)生事故,因此采用夾套通冷卻水來進(jìn)行冷卻,以帶走反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對該反應(yīng)過程溫度控制精度要求很高,單回路控制滿足不了要求,需用串級控制。①當(dāng)冷卻水壓力波動是主要干擾時,應(yīng)怎樣組成串級?畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。選擇釜溫度為主對象,冷卻水流量為副對象,組成串級控制,結(jié)構(gòu)圖如下②當(dāng)冷卻水入口溫度波動是主要干擾時,應(yīng)怎樣組成串級?畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。選擇釜溫度為主對象,冷卻水入口溫度為副對象,組成串級控制,結(jié)構(gòu)圖如下③對上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開、閉形式及主、副控制器正、反作用。答：從安全角度出發(fā),上述兩種方案均應(yīng)選擇氣閉式控制閥。副控制器：第一種方案下,當(dāng)冷卻水流量超過給定值時,其輸入為正值,此時要求閥的開度減小,即控制器輸出增大,所以選正作用。第二種方案下,當(dāng)入口溫度超過給定值時,其輸入為正值,此時要求閥的開度增加,即控制器輸出減小,所以選負(fù)作用。主環(huán)控制器：兩種方案下,當(dāng)冷卻水流量增加時,釜溫度降低,因此K01為負(fù),應(yīng)選擇正作用。2.8圖2.22為一管式爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。要求：①選擇控制閥的開、閉形式。答：根據(jù)安全要求,控制閥應(yīng)選擇氣開式。②確定主、副控制器的正、反作用。副控制器：當(dāng)爐膛溫度超過給定值時,其輸入為正值,此時要求閥的開度減小,即控制器輸出減小,所以選負(fù)作用。主環(huán)控制器：當(dāng)燃料氣流量增加時,釜溫度升高,因此K01為正,應(yīng)選擇負(fù)作用。③在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,如果燃料氣壓力突然升高,結(jié)合控制閥開、閉形式及控制器的正、反作用,分析該串級控制系統(tǒng)的工作過程。答：在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,如果燃料氣壓力突然升高,此時控制閥的開度還沒有變化,所以燃料氣流量增加,爐膛溫度升高,測量變送的輸出增加,副控制器的輸入為正,副控制器為負(fù)作用,輸出減小,控制閥為氣開式,所以開度減小,使燃料氣流量下降。燃料氣流量增加,爐膛溫度升高最終會使原油出口溫度增加,測量變送的輸出增加,主控制器的輸入為正,主控制器為負(fù)作用,輸出減小,副控制器的給定值減小,促使副環(huán)控制器對燃料氣流量進(jìn)一步調(diào)整。一直到原油出口溫度回到給定值為止,控制閥處在一個新開度上。2.9某干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來干燥物料。干燥溫度過高會使物料的物性發(fā)生變化,這是不允許的,因此要求對干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。夾套通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱后的熱水,而加熱器采用的是飽和蒸汽,流程如圖2.23所示。要求：①如果冷水流量波動是主要干擾,應(yīng)采用何種控制方案?為什么?答：應(yīng)采用干燥器干燥溫度與冷水流量串級控制系統(tǒng),因為要將主要干擾冷水流量包圍在副環(huán)。②如果蒸汽壓力波動是主要干擾,應(yīng)采用何種控制方案?為什么?答：應(yīng)采用干燥器干燥溫度與蒸汽壓力串級控制系統(tǒng),因為要將主要干擾蒸汽壓力包圍在副環(huán)。③如果冷水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動,應(yīng)采用何種控制方案?為什么?答：應(yīng)采用干燥器干燥溫度與加熱器出口熱水溫度串級控制系統(tǒng),副控制器的輸出控制蒸汽、冷水控制閥,副控制器為負(fù)作用,蒸汽控制閥為氣開式,冷水控制閥為氣閉式,主控制器為負(fù)作用。2.10某串級控制系統(tǒng)采用兩步法進(jìn)行整定,測得4：1衰減過程的參數(shù)為：δ1s=8%,δ2s=42%,T1s=120s,T2s=8s。若該串級控制系統(tǒng)中主控制器采用PID規(guī)律,副控制器采用P規(guī)律。試求主、副控制器的參數(shù)值應(yīng)是多少?答：1、副控制器參數(shù)：δ2=δ2s=42%2、主控制器參數(shù)：δ1=0.8δ1s=0.8×8%=0.64%T1=0.3T1s=0.3×120=36sTi=0.3T1s=0.1×120=12s第三章思考題及習(xí)題3.1比值與比值系數(shù)的含義有什么不同?它們之間有什么關(guān)系?答：比值K是工藝要求的流量比,定義為從動流量F2與主動流量F1之比,即：K=從動流量/主動流量=F2/F1比值系數(shù)K'是儀表有效信號之比,定義為從動流量F2的有效信號與主動流量F1的有效信號之比。如果用I來表示儀表的測量信號,則有：流量比K與比值系數(shù)K'是兩個不同的概念,不能混淆。比值系數(shù)K'的大小與流量比K的值有關(guān),也與變送器的量程有關(guān),與負(fù)荷大小無關(guān)。流量與測量信號之間有無非線性關(guān)系對計算式有直接影響。線性關(guān)系時K'=K<F1max/F2max>；非線性關(guān)系<平方根關(guān)系>時K'=K2<F1max/F2max>2。3.2用除法器進(jìn)行比值運算時,對輸入信號的安排有什么要求?為什么?答：對于采用除法器實施的比值控制系統(tǒng),由于除法器的結(jié)構(gòu),必須使輸入的分母信號大于分子信號。通常把主流量作為分母項,此時K'的圍是0<K'<1,因此在選擇流量測量儀表量程時,也需滿足F2max≥KmaxF1max。同時,用除法器作比值計算時,應(yīng)注意比值系數(shù)K'不能在1附近。若比值系數(shù)等于1,則比值給定已達(dá)最大信號I出=20mA,除法器輸出I0必將等于20mA。在這種情況下,如果出現(xiàn)某種使Fl下降或F2增加的變化,因除法器輸出已飽和,雖然比值K=F2/FlFI增加了,但由于I0不變化,相當(dāng)于系統(tǒng)的反饋信號不變,失去控制作用,故只好任其比值增加。3.3什么是比值控制系統(tǒng)?它有哪幾種?畫出它們的結(jié)構(gòu)原理圖。答：實現(xiàn)兩個或兩個以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng),稱為比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)類型：〔1開環(huán)比值控制系統(tǒng)〔2單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)〔3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)〔4變比值控制系統(tǒng)〔5串級和比值控制組合的系統(tǒng)3.4用除法器組成比值系統(tǒng)與用乘法器組成比值系統(tǒng)有什么不同之處?答：如果乘法器組成比值系統(tǒng)使用常規(guī)儀表實現(xiàn),可采用比值器、配比器、乘法器、分流器等。至于使用可編程調(diào)節(jié)器或其他計算機(jī)控制來實現(xiàn),采用乘法運算即可。如果比值K為常數(shù),上述儀表均可應(yīng)用；若為變數(shù)<變比值控制>時,則必須采用乘法器,此時只需將比值設(shè)定信號改成第三參數(shù)就行了。相除方案無論什么類型的儀表,均采用除法器來實現(xiàn)。而對于使用可編程調(diào)節(jié)器或其他計算機(jī)控制來實現(xiàn)的方案,只要對兩個流量測量信號進(jìn)行除法運算即可。由于除法器<或除法運算結(jié)果>輸出直接代表了兩流量信號的比值,所以可直接對它進(jìn)行比值指示和報警。這種方案比值很直觀,且比值可直接由控制器進(jìn)行設(shè)定,操作方便。若將比值給定信號改作第三參數(shù),便可實現(xiàn)變比值控制。3.5在用除法器構(gòu)成的比值控制系統(tǒng)中,除法器的非線性對比值控制有什么影響?答：除法器的放大系數(shù)是隨著負(fù)荷的減少而增大的,這與采用差壓法測量流量而又不經(jīng)開方運算時情況正好相反。所以,在一般情況下<過程的特性是基本線性的>,比值系統(tǒng)由于除法器非線性的引入,在小負(fù)荷時,系統(tǒng)不易穩(wěn)定。當(dāng)然,也有特殊的例外,如過程的特性本身是非線性的<放大系數(shù)隨負(fù)荷增大而增大>,此時采用除法器組成比值控制系統(tǒng),除法器的非線性不僅對系統(tǒng)的控制質(zhì)量無害,反而能起到對過程非線性的補償作用。3.6為什么4：1整定方法不適用于比值控制系統(tǒng)的整定?答：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)的副流量回路、變比值回路均為隨動控制系統(tǒng)。對于隨動系統(tǒng),希望物料能迅速正確地跟隨主物料變化,且不宜有過調(diào),也就是說,要使隨動控制系統(tǒng)達(dá)到振蕩與不振蕩的臨界過程,所以4：1整定方法不適用于比值控制系統(tǒng)的整定3.7當(dāng)比值控制系統(tǒng)通過計算求得比值系數(shù)K’>1時,能否仍用乘法器組成比值控制?為什么?能否改變一下系統(tǒng)結(jié)構(gòu),仍用乘法器構(gòu)成比值控制?答：比值系數(shù)K’>1時,不能用乘法器組成比值控制,因為對于4~20mA信號,根據(jù)比值控制要求,比值系數(shù)K'為：同樣,對于0~10mA信號儀表則有：K'=10/I0當(dāng)I0為最大值20mA、10mA時,上面2式式的最大為1,即K’>1時I0將大于20mA或10mA,這是不可能的?？稍诟绷髁炕芈分写胍粋€比例系數(shù)為0.5的比值器。作為一個例子,現(xiàn)有一生產(chǎn)工藝要求A、B兩物料比值維持在0.4。已知FAmax=3200kg/h,FBmax=800kg/h,流量采用孔板配差壓變送器進(jìn)行測量,并在變送器后加了開方器。試分析可否采用乘法器組成比值控制方案?如果一定要用乘法器答：在變送器后加了開方器,流量與測量信號成線性關(guān)系所以不能采用乘法器組成比值控制方案,副流量回路中串入一個比例系數(shù)為0.5的比值器,這樣K’=0.8<1,可以采用乘法器組成比值控制方案。3.8一比值控制系統(tǒng)用DDZ-Ⅲ型乘法器來進(jìn)行比值運算<乘法器輸出I’＝,其中I0與I1分別為乘法器的兩個輸入信號>,流量用孔板配差壓變送器來測量,但沒有加開方器,如圖3.24所示。己知F1max=3600kg/h,F2max=2000kg/h<1>畫出該比值控制系統(tǒng)方塊圖。答：比值控制系統(tǒng)方塊圖如下<2>如果要求F1：F2=2：1,應(yīng)如何設(shè)置乘法器的設(shè)置值I0?答：沒有加開方器,流量與測量信號成非線性關(guān)系,所以K'=K2<F1max/F2max>2=0.52×〔3600/20002=0.81I0=16K'+4=16×0.81+4=16.96mA3.9某化學(xué)反應(yīng)過程要求參與反應(yīng)的A、B兩物料保持FA：FB=4：2.5的比例,兩物料的最大流量FAmax=625m3/h,FBmax=290m3/h。通過觀察發(fā)現(xiàn)A、況,要求：①設(shè)計一個比較合適的比值控制系統(tǒng)。答：采用雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng),使主副流量保持穩(wěn)定,克服因管線壓力波動而經(jīng)常變化帶來的干擾,并保持比值關(guān)系,如下圖所示。②計算該比值系統(tǒng)的比值系數(shù)K’。答：設(shè)流量與測量信號成線性關(guān)系K'=K<F1max/F2max>=<2.5/4>×<625/290>=1.35③該比值系統(tǒng)中,比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于何處?設(shè)置值應(yīng)該是多少<假定采用DDZ-Ⅲ型儀表>?答：該比值系統(tǒng)中,比值系數(shù)應(yīng)設(shè)置于135%。設(shè)置值應(yīng)該是1.35④選擇該比值控制系統(tǒng)控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用。答：選擇兩個控制閥為氣開式,當(dāng)流量增加時,測量值增加,控制器輸入為正,此時要求閥的開度減小,即控制器輸出下降,所以兩個控制器為反作用。3.10在硝酸生產(chǎn)過程中有一氧化工序,其任務(wù)是將氨氧化生成一氧化氮。為了提高氧化率,要求維持氨與氧的比例為2：1。該比值控制系統(tǒng)采用如圖3.25所示的結(jié)構(gòu)形式。已知：F氨max=12000Nm3/h,F氧max=5000Nm3/h。試求比值系數(shù)K'=?如果上述比值控制用DDZ-Ⅱ型儀表來實現(xiàn),比值系數(shù)的設(shè)置值p0應(yīng)該是多少?答：流量與測量信號成線性關(guān)系K'=K<F1max/F2max>=<1/2>×<12000/5000>=1.2用DDZ-Ⅱ型儀表來實現(xiàn),信號為0~10mA,I0=10K'=10×1.2=12mA,所以,應(yīng)在副流量回路中串入一個比例系數(shù)為0.5的比值器。3.11有一個比值控制系統(tǒng)如圖3.26所示。圖中K為一系數(shù)。若已知K=2,FAmax=300kg/h,FBmax=1000kg/h,試求K'=？答：該系統(tǒng)為用比值器組成的方案,K為一系數(shù)且K=2,即在副流量上串入了一個放大倍數(shù)為2的比值器,副流量信號被放大了2倍,從圖中可以看出此系統(tǒng)為流量比為2的比值控制系統(tǒng),即K=2K'=K<F1max/F2max>=2×<300/1000>=0.6所以K=2、K'=0.63.12一個雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)如圖3.27所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器來實現(xiàn)。已知F1max=7000kg/h,F2max=4000kg/①畫出該系統(tǒng)方塊圖。②若已知I0=18mA求該比值系統(tǒng)的比值K=?比值系數(shù)K’=?③待該比值系統(tǒng)穩(wěn)定時,測I1=l0mA,試計算此時I2？答：①方框圖如下②I0=16K'+418=16K'+4K'=0.875K'=K<F1max/F2max>=K×<7000/4000>=0.875K=0.5③比值系統(tǒng)穩(wěn)定時,測I1=l0mA,由公式得：K'=<I2-4>/<10-4>,I2=l.25mA3.13圖3.28所示為一個用電動儀表來實現(xiàn)的比值控制系統(tǒng)。乘法器的輸入/輸出信號為直流1~5V,其運算公式為已知：G1max=3600kg/h,G2max=2000kg/h。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時,測得v1=4V,v2=3V,試計算該比值控制系統(tǒng)的比值系數(shù)K'=?,K=?v0=?答：K'=〔v2-1/〔v1-1=2/3=0.67設(shè)流量與測量信號成線性關(guān)系K'=K<F1max/F2max>=K<3600/2000>=<2/3>K=0.37根據(jù)比值控制要求,乘法器的v1’與v1之間應(yīng)具有下面的關(guān)系v1’-1=K'<v0-1再根據(jù)可得：K'=<v0-1>/4v0=4K'+1=4×0.67+1=3.68V第四章思考題及習(xí)題4.1均勻控制系統(tǒng)設(shè)置的目的是什么?答：均勻控制系統(tǒng)的名稱來自系統(tǒng)所能完成的特殊控制任務(wù),它使前后設(shè)備在物料供求上相互均勻、協(xié)調(diào),統(tǒng)籌兼顧。4.2均勻控制系統(tǒng)有些什么特點?答：<1>結(jié)構(gòu)上無特殊性均勻控制是指控制目的而言,而不是由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來決定的。均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上元任何特殊性,它可以是一個單回路控制系統(tǒng),也可以是一個串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,或者是一個雙沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。<2>參數(shù)應(yīng)變化,而且應(yīng)是緩慢地變化因為均勻控制是前后設(shè)備物料供求之間的均勻,所以表征這兩個物料的參數(shù)都不應(yīng)為某一固定的數(shù)值,兩個參數(shù)都變化,且變化比較緩慢。那種試圖把兩個參數(shù)都穩(wěn)定不變的想法是不能實現(xiàn)的。<3>參數(shù)應(yīng)限定在允許圍變化4.3為什么均勻控制系統(tǒng)的核心問題是控制器參數(shù)的整定問題?答：從下圖――液位控制系統(tǒng)控制作用不同時液位與流量的響應(yīng)可看出,同樣一個單回路液位控制系統(tǒng),由于控制作用強弱不一,它可以是一個單回路液位定值控制系統(tǒng),如<a>；也可以是一個簡單均勻控制系統(tǒng),如<b>。因此,均勻控制是指控制目的而言,而不是由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來決定的。均勻控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上元任何特殊性,它可以是一個單回路控制系統(tǒng)