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第一章思考题及习题1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响?答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示1.2如何选择控制变量?答：①所选控制变量必须是可控的。②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响?答：当Gc(s)=Kc时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。Kc增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。1.44：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间Ti放在最大，微分时间Td放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期Ts。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。1.5图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：①影响物料出口温度的主要因素有哪些?答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数?为什么?答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用?答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。1.6图1.42为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用：①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。答：控制阀气闭式，控制器的反作用。②被加热物料在温度过低时会发生凝结。答：控制阀气开式，控制器的正作用。③如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。答：控制阀气闭式，控制器的反作用。1.7单回路系统方块图如图1.43所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化?为什么?答：当KC、KV、K0增加时，系统的余差减小，但系统稳定性下降。T0增加时，系统的工作频率降低，控制速度变慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的控制质量会越差。τ0增加时，使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还会使系统的稳定性降低。Kf增加时，系统的余差也变大，即控制静态质量变差。Tf增加时，控制过程的品质会提高。τf增加时，质量没有影响。1.8有一如图1.44所示的加热器，其正常操作温度为200℃，温度控制器得测量范围是150~250℃，当控制器输出变化1%时，蒸汽量将改变3%，而蒸汽量增加1%，槽内温度将上升0.2℃。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%，槽内温度将会下降l℃。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为100%，试求当设定值由200℃提高到220℃时，待系统稳定后，槽内温度是多少摄氏度？答：当设定值由200℃提高到220℃时，控制器输出变化20/200=10%，蒸汽量增加30%，液体流量不变，槽内温度将上升0.2×30℃=6℃，所以待系统稳定后，槽内温度是206℃。1.9在Δu=50阶跃干扰作用下，测得某温度对象控制通道得响应数据如下：根据上述数据用反应曲线法计算PI控制器参数。答：从响应数据得干扰起作用点为0.6min，227℃，即τ=0.6min，拐点为1.0min，280℃，即T0=2.0min-0.6min=1.4min，设采用Ⅲ型仪表，测量范围为100～250℃，所以，K0=Δu=/ΔP=50/(341.0-200.1)=50/140.9=0.355∵δ=(1.1K0τ/T0)×100%=(1.1×0.355×0.6×1.4)×100%=32.8%Ti=3.3τ=3.3×0.6=1.98min第二章思考题及习题2.1与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1)串级控制系统具有更高的工作频率；(2)串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3)串级控制系统具有一定的自适应能力2.2为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即Sign{G01(s)}Sign{G02’(s)}Sign{Gm1(s)}Sign{Gc1(s)}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。2.4试证明串级控制系统中，当干扰作用在副环时，只要主、副控制器其中之一有积分作用就能保证主变量无余差。而当干扰作用于主环时，只有主控制器有积分作用时才能保证主变量无余差。答：从串级控制系统结构图中可以看出：1.当干扰作用在副环时，副环在干扰下的输出可如下计算：令并假定f(t)为单位阶跃干扰，则F(s)=1/s，运用终值定理可得：如果GC2(s)=Kc2(Tis+1)/Tis，即含有积分环节，则在上式分子上出现Tis项，y2(∞)=0，即干扰作用下主环也无余差。如果GC2(s)=Kc2，则副环余差为y2(∞)=1/KVKm2Kc2，此余差进入主环，此时将副环等效成一个环节，G’02(s)=1/Km2，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1(∞)=0，反之y1(∞)≠0。当干扰作用在主环时，副环等效成一个环节，G’02(s)=1/Km2，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1(∞)=0，反之y1(∞)≠0。2.7图2.21所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。①当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。选择釜内温度为主对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下②当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下③对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。答：从安全角度出发，上述两种方案均应选择气闭式控制阀。副控制器：第一种方案下，当冷却水流量超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出增大，所以选正作用。第二种方案下，当入口温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度增加，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：两种方案下，当冷却水流量增加时，釜内温度降低，因此K01为负，应选择正作用。2.8图2.22为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求：①选择控制阀的开、闭形式。答：根据安全要求，控制阀应选择气开式。②确定主、副控制器的正、反作用。副控制器：当炉膛温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：当燃料气流量增加时，釜内温度升高，因此K01为正，应选择负作用。③在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用，分析该串级控制系统的工作过程。答：在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，此时控制阀的开度还没有变化，所以燃料气流量增加，炉膛温度升高，测量变送的输出增加，副控制器的输入为正，副控制器为负作用，输出减小，控制阀为气开式，所以开度减小，使燃料气流量下降。燃料气流量增加，炉膛温度升高最终会使原油出口温度增加，测量变送的输出增加，主控制器的输入为正，主控制器为负作用，输出减小，副控制器的给定值减小，促使副环控制器对燃料气流量进一步调整。一直到原油出口温度回到给定值为止，控制阀处在一个新开度上。2.9某干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。夹套通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽，流程如图2.23所示。要求：①如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么?答：应采用干燥器干燥温度与冷水流量串级控制系统，因为要将主要干扰冷水流量包围在副环内。②如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么?答：应采用干燥器干燥温度与蒸汽压力串级控制系统，因为要将主要干扰蒸汽压力包围在副环内。③如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案?为什么?答：应采用干燥器干燥温度与加热器出口热水温度串级控制系统，副控制器的输出控制蒸汽、冷水控制阀，副控制器为负作用，蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气闭式，主控制器为负作用。2.10某串级控制系统采用两步法进行整定，测得4：1衰减过程的参数为：δ1s=8%，δ2s=42%，T1s=120s，T2s=8s。若该串级控制系统中主控制器采用PID规律，副控制器采用P规律。试求主、副控制器的参数值应是多少?答：1、副控制器参数：δ2=δ2s=42%2、主控制器参数：δ1=0.8δ1s=0.8×8%=0.64%T1=0.3T1s=0.3×120=36sTi=0.3T1s=0.1×120=12s第三章思考题及习题3.1比值与比值系数的含义有什么不同?它们之间有什么关系?答：比值K是工艺要求的流量比，定义为从动流量F2与主动流量F1之比，即：K=从动流量/主动流量=F2/F1比值系数K'是仪表有效信号之比，定义为从动流量F2的有效信号与主动流量F1的有效信号之比。如果用I来表示仪表的测量信号，则有：流量比K与比值系数K'是两个不同的概念，不能