孫洪程版過程控制課后答案

孫洪程版過程控制課后答案第一章思考題及習(xí)題1.1何謂控制通道?何謂干擾通道?它們的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量有什么影響?答：所謂“通道”，就是某個參數(shù)影響另外一個參數(shù)的通路，這里所說的控制通道就是控制作用(一般的理解應(yīng)當(dāng)是控制器輸出)U(s)對被控參數(shù)Y(s)的影響通路(一般的理解是控制作用通過執(zhí)行器影響控制變量，然后控制變量通過被控對象再影響被控參數(shù)，即廣義對象上的控制通道)。同理，干擾通道就是干擾作用F(s)對被控參數(shù)Y(s)的影響通路。干擾通道的特性對控制系統(tǒng)質(zhì)量影響如下表所示?？刂仆ǖ赖奶匦詫刂葡到y(tǒng)質(zhì)量影響如下表所示1.2如何選擇控制變量?答：①所選控制變量必須是可控的。②所選控制變量應(yīng)是通道放大倍數(shù)比較大者，最好大于擾動通道的放大倍數(shù)。③所選控制變量應(yīng)使擾動通道時間常數(shù)越大越好，而控制通道時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)小一些為好，但不易過小。④所選控制變量其通道純滯后時間應(yīng)越小越好。⑤所選控制變量應(yīng)盡量使干擾點(diǎn)遠(yuǎn)離被控變量而靠近控制閥。⑥在選擇控制變量時還需考慮到工藝的合理性。一般來說，生產(chǎn)負(fù)荷直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量，不宜經(jīng)常變動，在不是十分必要的情況下，不宜選擇生產(chǎn)負(fù)荷作為控制變量1.3控制器的比例度δ變化對控制系統(tǒng)的控制精度有何影響?對控制系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量有何影響?答：當(dāng)Gc(s)=Kc時，即控制器為純比例控制，則系統(tǒng)的余差與比例放大倍數(shù)成反比，也就是與比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。Kc增大、δ減小，控制精度提高(余差減小)，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。1.44：1衰減曲線法整定控制器參數(shù)的要點(diǎn)是什么?答：衰減曲線法是在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器積分時間Ti放在最大，微分時間Td放在最小，比例度放于適當(dāng)數(shù)值(一般為100%)，然后使δ由大往小逐漸改變，并在每改變一次δ值時，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一個階躍干擾，同時觀察過渡過程變化情況。如果衰減比大于4：1，δ應(yīng)繼續(xù)減小，當(dāng)衰減比小于4：1時δ應(yīng)增大，直至過渡過程呈現(xiàn)4：1衰減時為止。找到4：1衰減振蕩時的比例度δs，及振蕩周期Ts。再按經(jīng)驗公式，可以算出采用不同類型控制器使過渡過程出現(xiàn)4：1振蕩的控制器參數(shù)值。依次將控制器參數(shù)放好。不過在放積分、微分之前應(yīng)將多放在比計算值稍大(約20%)的數(shù)值上，待積分、微分放好后再將δ放到計算值上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗證一下過渡過程是否呈4：1衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下δ值，直到達(dá)到滿意為止。1.5圖1.41為一蒸汽加熱設(shè)備，利用蒸汽將物料加熱到所需溫度后排出。試問：①影響物料出口溫度的主要因素有哪些?答：影響物料出口溫度的主要有：蒸汽流量、物料流量為影響物料出口溫度的主要因素。②如果要設(shè)計一溫度控制系統(tǒng)，你認(rèn)為被控變量與控制變量應(yīng)選哪些參數(shù)?為什么?答：被控變量為物料出口溫度，控制變量為蒸汽流量。因為物料出口溫度表征了系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，蒸汽流量是可控的，無純滯后，靠近控制閥，控制通道時間常數(shù)較小。③如果物料在溫度過低時會凝結(jié)，應(yīng)如何選擇控制閥的開、閉形式及控制器的正、反作用?答：為防止在氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出時出現(xiàn)物料凝結(jié)，應(yīng)選氣閉式。當(dāng)出口溫度降低時，要求蒸汽流量加大，即控制閥輸入減小，控制器輸出減小，此時控制器輸入由于測量值減小而減小，控制器選正作用。1.6圖1.42為熱交換器出口溫度控制系統(tǒng)，要求確定在下面不同情況下控制閥開、閉形式及控制器的正、反作用：①被加熱物料在溫度過高時會發(fā)生分解、自聚。答：控制閥氣閉式，控制器的反作用。②被加熱物料在溫度過低時會發(fā)生凝結(jié)。答：控制閥氣開式，控制器的正作用。③如果控制變量為冷卻水流量，該地區(qū)最低溫度在0℃以下，如何防止熱交換器被凍壞。答：控制閥氣閉式，控制器的反作用。1.7單回路系統(tǒng)方塊圖如圖1.43所示。試問當(dāng)系統(tǒng)中某組成環(huán)節(jié)的參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)質(zhì)量會有何變化?為什么?答：當(dāng)KC、KV、K0增加時，系統(tǒng)的余差減小，但系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。T0增加時，系統(tǒng)的工作頻率降低，控制速度變慢。這樣就不能及時地克服干擾的影響，因而，系統(tǒng)的控制質(zhì)量會越差。τ0增加時，使系統(tǒng)控制不及時，使動態(tài)偏差增大，而且還會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。Kf增加時，系統(tǒng)的余差也變大，即控制靜態(tài)質(zhì)量變差。Tf增加時，控制過程的品質(zhì)會提高。τf增加時，質(zhì)量沒有影響。1.8有一如圖1.44所示的加熱器，其正常操作溫度為200℃，溫度控制器得測量范圍是150~250℃，當(dāng)控制器輸出變化1%時，蒸汽量將改變3%，而蒸汽量增加1%，槽內(nèi)溫度將上升0.2℃。又在正常操作情況下，若液體流量增加1%，槽內(nèi)溫度將會下降l℃。假定所采用的是純比例式控制器，其比例度為100%，試求當(dāng)設(shè)定值由200℃提高到220℃時，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，槽內(nèi)溫度是多少攝氏度？答：當(dāng)設(shè)定值由200℃提高到220℃時，控制器輸出變化20/200=10%，蒸汽量增加30%，液體流量不變，槽內(nèi)溫度將上升0.2×30℃=6℃，所以待系統(tǒng)穩(wěn)定后，槽內(nèi)溫度是206℃。1.9在Δu=50階躍干擾作用下，測得某溫度對象控制通道得響應(yīng)數(shù)據(jù)如下：根據(jù)上述數(shù)據(jù)用反應(yīng)曲線法計算PI控制器參數(shù)。答：從響應(yīng)數(shù)據(jù)得干擾起作用點(diǎn)為0.6min，227℃，即τ=0.6min，拐點(diǎn)為1.0min，280℃，即T0=2.0min-0.6min=1.4min，設(shè)采用Ⅲ型儀表，測量范圍為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(diǎn)?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(diǎn)。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(qiáng)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)內(nèi)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，主控制器應(yīng)選正作用。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(yùn)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。2.7圖2.21所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行的是放熱化學(xué)反應(yīng)，而釜內(nèi)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。選擇釜內(nèi)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。選擇釜內(nèi)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，釜內(nèi)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，釜內(nèi)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)內(nèi)。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)內(nèi)。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。3.8一比值控制系統(tǒng)用DDZ-Ⅲ型乘法器來進(jìn)行比值運(yùn)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，F(xiàn)2max=2000kg/h，要求：(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×（3600/2000）2=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，F(xiàn)Bmax=290m3/h。通過觀察發(fā)現(xiàn)A、B兩物料流量因管線壓力波動而經(jīng)常變化。根據(jù)上述情況，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。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，F(xiàn)Amax=300kg/h，F(xiàn)Bmax=1000kg/h，試求K'=？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，F(xiàn)2max=4000kg/h。要求：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.25mAg/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(diǎn)?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)限定在允許范圍內(nèi)變化第五章思考題及習(xí)題5.1前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)?答：(1)前饋控制克服干擾比反饋控制及時前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時?；谶@個特點(diǎn)，可把前饋控制與反饋控制作如下比較：(2)前饋控制屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)是一個“閉環(huán)”控制系統(tǒng)，而前饋控制是一個“開環(huán)”控制系統(tǒng)。反饋控制由于是閉環(huán)系統(tǒng)，控制結(jié)果能夠通過反饋獲得檢驗，而前饋控制的效果并不通過反饋加以檢驗，因此前饋控制對被控對象的特性掌握必須比反饋控制清楚，才能得到一個較合造的前饋控制作用。(3)前饋控制使用的是視對象特性而定的“專用”控制器，一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用類型的PID控制器，而前饋控制器是專用控制器，對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。(4)一種前饋控制作用只能克服一種干擾由于前饋控制作用是按干擾進(jìn)行工作的，而且整個系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種干擾設(shè)置的前饋控制只能克服這一干擾，而對于其他干擾，由于這個前饋控制器無法感受到，也就無能為力了。而反饋控制只用一個控制回路就可克服多個干擾，所以說這一點(diǎn)也是前饋控制系統(tǒng)的一個弱點(diǎn)。5.3前饋-反饋控制具有哪些優(yōu)點(diǎn)?答：，前饋-反饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：①由于增加了反饋控制回路，大大簡化了原有前饋控制系統(tǒng)。只需對主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其他干擾可由反饋控制予以校正。②反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求，為工程上實現(xiàn)比較簡單的通用型模型創(chuàng)造了條件.③負(fù)荷或工況變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此具有一定的自適應(yīng)能力。5.11某前饋-串級控制系統(tǒng)如圖5.28所示。已知：GC1(s)=GC2(s)=9；G01(s)=3/(2s+1)；Gv(s)=2；G02(s)=2/(2s+1)；Gm1(s)=Gm2(s)=1：GPD(s)=0.5/(2s+1)。要求：①繪出該系統(tǒng)方塊圖。②計算前饋控制器的數(shù)學(xué)模型。③假定控制閥為氣開式，試確定各控制器的正、反作用。答：①系統(tǒng)方塊圖如下：②前饋控制器的數(shù)學(xué)模型為：③假定控制閥為氣開式副回路中控制閥符號為正，當(dāng)閥門開度增加時，蒸汽流量增加，所以副對象符號為正，測變環(huán)節(jié)為正，所以副控制器為負(fù)作用。主回路中當(dāng)蒸汽流量增加時，出口溫度上升，主對象為正，所以主控制器為負(fù)作用。5.12有時前饋-反饋控制系統(tǒng)從其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看與串級控制系統(tǒng)十分相似，試問如何區(qū)分它們?試分析判斷圖52.9所示的兩個系統(tǒng)各屬于什么系統(tǒng)?說明其理由。答：串級控制是由內(nèi)、外兩個反饋回路所組成，而前饋-反饋控制是由一個反饋回路和另一個開環(huán)的補(bǔ)償回路疊加而成。串級控制中的副參數(shù)與前饋-反饋控制中的前饋輸入量是兩個截然不同的概念。前者是串級控制系統(tǒng)中反映主被控變量的中間變量，控制作用對它產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果；而后者是對主被控變量有顯著影響的干擾量，是完全不受控制作用約束的獨(dú)立變量。(b)圖為串級控制系統(tǒng)，因為它由內(nèi)、外兩個反饋回路所組成，其副參數(shù)是串級控制系統(tǒng)中反映主被控變量的中間變量，控制作用對它產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果。(a)圖為靜態(tài)前饋-反饋控制系統(tǒng)，因為原油的流量是對主被控變量――溫度有顯著影響的干擾量，是完全不受控制作用約束的獨(dú)立變量。第六章思考題及習(xí)題6.1在選擇性控制系統(tǒng)中，選擇器的類型是如何確定的?答：選擇器的類型可以根據(jù)生產(chǎn)處于非正常情況下控制器的輸出信號高、低來確定。如果在這種情況下它的輸出為高信號，則應(yīng)選高選器；如果在這種情況下它的輸出為低信號，則應(yīng)選低選器。6.2何謂積分飽和?它有什么危害性?答：一個具有積分作用的控制器，當(dāng)其處于開環(huán)工作狀態(tài)時，如果偏差輸入信號一直存在，那么，由于積分作用的結(jié)果，將使控制器的輸出不斷增加(當(dāng)控制器為正作用且偏差為正時)或不斷減小(當(dāng)偏差為負(fù)時)，一直達(dá)到輸出的極限值為止，這種現(xiàn)象稱之為“積分飽和”。由于積分飽和的影響，造成了控制閥的工作“死區(qū)”，使控制閥不能及時地發(fā)揮控制作用，因而導(dǎo)致控制品質(zhì)的惡化，甚至還會導(dǎo)致發(fā)生事故。6.5圖6.15所示為一鍋爐燃燒系統(tǒng)的產(chǎn)氣量與燃料管線壓力選擇性控制系統(tǒng)。其中燃料壓力控制是為了防止壓力過高產(chǎn)生“脫火”事故而設(shè)置的，蒸汽流量控制則是根據(jù)用戶所需蒸汽量而設(shè)置的。假設(shè)系統(tǒng)中所選控制閥為氣閉閥，試分析確定各控制器的正、反作用及選擇器的類型。并簡要說明該系統(tǒng)的工作原理。答：所選控制閥為氣閉閥，蒸汽流量增加時，F(xiàn)C輸入增加，此時要求控制閥開度加大，即FC輸出減小，所以FC為正作用；當(dāng)燃料壓力超過設(shè)定值時，PC輸入為正，要求PC通過選擇器使控制閥開度減小，即PC的輸出為高信號，所以PC選擇正作用，選擇器為高選器。在正常情況下，燃料氣壓力低于產(chǎn)生脫火的壓力(即低于給定值)，PC感受到的是負(fù)偏差，它的輸出呈現(xiàn)為低信號(因為PC為正作用、窄比例控制器)，與此同時FC的輸出信號相對來說則呈現(xiàn)為高信號。這樣，高選選器HS將選中PC的輸出送往控制閥，構(gòu)成蒸汽流量控制系統(tǒng)。當(dāng)燃料氣壓力上升到超過PC的給定值(脫火壓力)時，PC感受到的是正偏差，由于它是正作用、窄比例，因此PC的輸出一下升為高信號，于是高選器HS就改選PC的輸出送往控制閥，構(gòu)成燃料氣壓力控制系統(tǒng)，從而防止燃料氣壓力的上升，達(dá)到防止產(chǎn)生脫火的目的。待燃料氣壓力下降到低于給定值時，PC輸出又迅速降為低信號，而蒸汽壓力控制器FC輸出相對而言又成為高信號，被高選器重新選中送往控制閥，重新構(gòu)成蒸汽壓力控制系統(tǒng)。第七章思考題及習(xí)題7.3在分程控制系統(tǒng)中，什么情況下需選用同向動作控制閥，什么情況下需選用反向動作的控制閥?答：當(dāng)分程控制系統(tǒng)用于擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善系統(tǒng)品質(zhì)時，需選用同向動作控制閥。當(dāng)分程控制系統(tǒng)用于滿足某些工藝操作的特殊需要時，需選用同反動作控制閥。7.7圖7.23為某管式加熱爐原油出口溫度分程控制系統(tǒng)。兩分程閥分別設(shè)置在瓦斯氣和燃料油管線上。工藝要求優(yōu)先使用瓦斯氣供熱，只有當(dāng)瓦斯氣量不足以提供所需熱量時，才打開燃料油控制閥作為補(bǔ)充。根據(jù)上述要求試確定：①A、B兩控制閥的開閉形式及每個閥的工作信號段(假定分程點(diǎn)為0.06MPa)。答：根據(jù)安全要求，A、B兩個閥門應(yīng)選擇氣開式；(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06×200=12，所以A閥工作信號段為4～12mA，B閥工作信號段為12～20mA。②確定控制器的正、反作用。A閥為氣開式，其符號為“+”，A閥開度加大即瓦斯氣流量增大，溫度升高，對象符號為“+”；所以控制器為反作用。③畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并簡述該系統(tǒng)的工作原理。答：系統(tǒng)的方塊圖如下。工作原理：當(dāng)瓦斯氣量足以提供所需熱量時，溫度由于某種原因低于設(shè)定值，則TC的輸入下降，由于TC為反作用，所以輸出增加，但不會超過12mA，A閥開度加大，增加瓦斯氣供應(yīng)量，使溫度回升。當(dāng)瓦斯氣供應(yīng)不足以維持出口溫度時，TC的輸入為負(fù)，輸出增加超過12mA，此時A閥全開，B閥由全閉開始打開，提供燃料油，使溫度回升到設(shè)定值。7.7圖7.8某生產(chǎn)工藝有一個脫水工序，用95%濃度的酒精按卡拉膠與酒精之比為1：6的比例加入到卡拉膠中，以脫除卡拉膠中所含的一部分水分，工藝流程如圖7.24所示。酒精來源有兩個：一為酒精回收工序所得；一為新鮮酒精。工藝要求盡量使用回收酒精，只有在回收酒精量不足時，才允許添加新鮮酒精給予補(bǔ)充。根據(jù)上述情況應(yīng)采用何種控制方式為好?畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與方塊圖。選擇系統(tǒng)中控制閥的開、閉形式，控制閥的工作信號及控制器的正、反作用。答：酒精與卡拉膠之間的流量采用比值控制系統(tǒng)，酒精流量采用分程控制系統(tǒng)，用A控制閥控制回收酒精流量，B控制閥控制新鮮酒精流量。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與方塊圖如下所示：A、B兩閥均選擇氣開式，A閥工作信號段為4～12mA，B閥工作信號段為12～20mA。A閥為氣開式，其符號為“+”，A閥開度加大即回收酒精流量增大，總流量增加，對象符號為“+”；所以控制器為反作用。7.9圖7.25所示為甲烷化反應(yīng)器(DC-301)入口溫度分程控制系統(tǒng)。它利用反應(yīng)生成物經(jīng)換熱器EA-302對進(jìn)反應(yīng)器的物料進(jìn)行預(yù)熱，如入口溫度仍達(dá)不到要求，則進(jìn)一步通過蒸汽換熱器EA-301進(jìn)一步預(yù)熱。兩分程閥分別設(shè)置在換熱器EA-302的旁路和蒸汽管線上，如圖7.25所示。試確定各控制閥的開閉形式、工作信號段(設(shè)分程點(diǎn)為0.06MPa)及控制器的正、反作用。答：B閥選擇氣閉式，A閥選擇氣開式。(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06×200=12，所以A閥工作信號段為12～20mA，B閥工作信號段為4～12mA。B閥為氣閉式，其符號為“-”，B閥開度加大即旁路流量增加，入口溫度下降，所以對象符號為“-”，所以控制器選擇反作用。7.10圖7.26為一燃料氣混合罐(EA-703)壓力分程控制系統(tǒng)。正常時調(diào)出界區(qū)的甲烷流量控制閥A，當(dāng)罐內(nèi)壓力降低到A閥全關(guān)仍不能使其回升時，則開大來自燃料氣發(fā)生罐(EA-704)的出口管線控制閥B。試分析該系統(tǒng)中各控制閥的開閉形式、閥上的信號段以及控制器的正、反作用。答：A、B兩閥均選擇氣開式，A閥工作信號段為4～12mA，B閥工作信號段為12～20mA。A閥為氣開式，其符號為“+”，A閥開度加大即出界區(qū)的甲烷流量增大，罐內(nèi)壓力下降，對象符號為“-”；所以控制器為正作用。7.11某反應(yīng)過程要求反應(yīng)物入口溫度必須預(yù)熱到所要求的溫度，因此在反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器之前經(jīng)蒸汽換熱器與蒸汽進(jìn)行換熱，其工藝流程圖如圖7.27所示。假定該反應(yīng)過程對入口溫度要求很嚴(yán)，而蒸汽換熱由于時間常數(shù)比較大，控制很不及時，那么你認(rèn)為應(yīng)該設(shè)計何種控制方案為好?畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與方塊圖，選擇控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用，并說明該系統(tǒng)的工作原理。答：采用分程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與方塊圖如下圖所示：從安全角度出發(fā)，A閥應(yīng)選氣開式，B閥應(yīng)選氣閉式。B閥氣閉式，其符號為“-”，B閥開度加大，入口溫度降低，其對象符號為“-”，TC選擇反作用，其符號為“-”，A閥氣開式，其符號為“+”，A閥開度加大，入口溫度升高，其對象符號為“+”，VPC選擇正作用。系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，被控變量等于主控制器的設(shè)定值R，控制閥VA處于某一開度，控制閥VB處于閥位控制器VPC所設(shè)置的小開度。當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾使入口溫度上升時，溫度控制器的輸出將減小，這一減小的信號送往兩處：其一去VB；其二去VPC。送往VB的信號將使VB開度增大，這會將原油出口溫度拉下來；送往VPC的信號是作為后者的測量值，在r不變的情況下，測量值減小，VPC的輸出將減小，VA的開度將減小，燃料量則隨之減少，入口溫度也將因此而下降。這樣VA、VB兩只控制閥動作的結(jié)果都將會使溫度上升的趨勢減低。隨著入口溫度上升趨勢的下降，TC輸出逐漸增加，于是閥VB的開度逐漸減小，閥VA的開度逐漸加大。這一過程一直進(jìn)行到溫度控制器TC及閥位控制器VPC的偏差都等于零時為止。溫度控制器偏差等于零，意味著入口溫度等于給定值，閥位控制器偏差等于零，意味著控制閥VB的閥壓與閥位控制器VPC的設(shè)定值r相等，而VB的開度與閥壓是有著一一對應(yīng)的關(guān)系的，也就是說閥VB最終會回到設(shè)定值r所對應(yīng)的開度。7.12某放熱化學(xué)反應(yīng)器溫度閥位控制系統(tǒng)如圖7.28所示。為了控制反應(yīng)溫度，必須及時移走反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量。圖中采用兩項措施：其一是在夾套通以冷卻水；其二是將反應(yīng)物從釜中抽出，與冷凍鹽水換熱后再送回釜中。顯然，第二項措施反應(yīng)較快，滯后較小，有良好的動態(tài)性能，但是用冷凍鹽水代價太高，不經(jīng)濟(jì)。因此，正常情況鹽水控制閥只打開一個很小的開度(由設(shè)置值r決定)。要求：①確定兩控制閥的開、閉形式。答：從安全角度出發(fā)A、B閥應(yīng)選閉開式。②確定各控制器的正、反作用。答：A閥氣閉式，其符號為“-”，A閥開度加大，釜內(nèi)溫度降低，其對象符號為“-”，TC選擇反作用，其符號為“-”，B閥氣閉式，其符號為“-”，B閥開度加大，釜內(nèi)溫度降低，其對象符號為“-”，VPC選擇正作用。③分析一下該系統(tǒng)的工作過程。系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，被控變量等于主控制器的設(shè)定值R，控制閥VB處于某一開度，控制閥VA處于閥位控制器VPC所設(shè)置的小開度。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾使釜內(nèi)溫度上升時，溫度控制器的輸出將減小，這一減小的信號送往兩處：其一去VA；其二去VPC。送往VA的信號將使VA開度增大，這會將釜內(nèi)溫度拉下來；送往VPC的信號是作為后者的測量值，在r不變的情況下，測量值減小，VPC的輸出將減小，VB的開度將增大，冷水量則隨之增加，釜內(nèi)溫度也將因此而下降。這樣VA、VB兩只控制閥動作的結(jié)果都將會使溫度上升的趨勢減低。隨著釜內(nèi)溫度上升趨勢的下降，TC輸出逐漸增加，于是閥VA的開度逐漸減小，閥VB的開度逐漸加大。這一過程一直進(jìn)行到溫度控制器TC及閥位控制器VPC的偏差都等于零時為止。溫度控制器偏差等于零，意味著釜內(nèi)溫度等于給定值，閥位控制器偏差等于零，意味著控制閥VA的閥壓與閥位控制器VPC的設(shè)定值r相等，而VA的開度與閥壓是有著一一對應(yīng)的關(guān)系的，也就是說閥VA最終會回到設(shè)定值r所對應(yīng)的開度。第八章思考題及習(xí)題8.1什么是非線性控制系統(tǒng)?答：非線性控制系統(tǒng)的控制規(guī)律不是線性的，可以分為兩類：一類過程是線性的(或近似按線性處理)，為了滿足控制系統(tǒng)的某種要求或改善控制系統(tǒng)質(zhì)量而引入非線性的控制規(guī)律；另一類過程本身是非線性的，引入非線性的補(bǔ)償元件或控制規(guī)律，以達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的控制指標(biāo)。8.4列出幾種與PID控制器結(jié)合提高非線性控制能力的人工智能方法，它們是如何與常規(guī)PID控制器相結(jié)合的?答：(1)模糊PID控制模糊PID控制是利用當(dāng)前的控制偏差和偏差，結(jié)合被控過程動態(tài)特性的變化，以及針對具體過程的實際經(jīng)驗，根據(jù)一定的控制要求或目標(biāo)函數(shù)，通過模糊規(guī)則推理，對PID控制器的三個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。(2)專家PID控制專家系統(tǒng)是一個具有大量專門知識和經(jīng)驗的計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有某個領(lǐng)域中大量專家水平的專門知識、經(jīng)驗和技巧，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領(lǐng)域的問題。專家PID控制采用規(guī)則PID控制形式，通過對系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)輸出的識別，了解被控對象過程動態(tài)特性的變化，在線調(diào)整PID的三個參數(shù)，直到過程的響應(yīng)曲線為某種最佳響應(yīng)曲線。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應(yīng)技術(shù)，其目的就是為了應(yīng)付過程中出現(xiàn)的不確定性。(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，又稱人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就是將人工神經(jīng)元按某種方式聯(lián)結(jié)組成的網(wǎng)絡(luò)，用于模擬人腦神經(jīng)元活動的過程，實現(xiàn)對信息的加工、處理、存儲等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有前向網(wǎng)絡(luò)(前饋網(wǎng)絡(luò))、反饋網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制即可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來整定PID的參數(shù)，也可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接作為控制器，通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)間接地調(diào)整PID參數(shù)。第九章思考題及習(xí)題第十章思考題及習(xí)題10.1何謂系統(tǒng)關(guān)聯(lián)?如何進(jìn)行表示?答：系統(tǒng)關(guān)聯(lián)就是系統(tǒng)之間彼此互相有影響。利用回路相對增益來表示。10.12在所有回路都開環(huán)時，某一過程的開環(huán)增益矩陣為試推導(dǎo)出相對增益矩陣A，并選出最好的控制回路。分析此過程是否需要解耦?答：由傳遞矩陣可知Y1(s)=0.58U1(s)-0.36U2(s)-0.36U3(s)Y2(s)=0.73U1(s)-0.61U2(s)Y3(s)=U1(s)+U2(s)+U3(s)當(dāng)除U1－Y1回路閉合，其它回路都開環(huán)時靜態(tài)增益為0.58其它回路都閉環(huán)，即Y2(s)、Y3(s)保持不變時，U2(s)=1.197U1(s)，U3(s)=-2.197U1(s)靜態(tài)增益為0.58-1.197×0.36+2.197×0.36＝0.94λ11=0.58/0.94＝0.62當(dāng)除U2－Y1回路閉合，其它回路都開環(huán)時靜態(tài)增益為-0.36其它回路都閉環(huán)，即Y2(s)、Y3(s)保持不變時，U1(s)=0.84U2(s)，U3(s)=-1.84U2(s)靜態(tài)增益為0.58×0.84-0.36+1.84×0.36＝0.79λ12=-0.368/0.79＝-0.46當(dāng)除U1－Y2回路閉合，其它回路都開環(huán)時靜態(tài)增益為-0.61其它回路都閉環(huán)，即Y2(s)、Y3(s)保持不變時，U1(s)=0，U3(s)=-0靜態(tài)增益為-0.619λ21=-0.61/-0.61=1同理λ22=1所以，增益矩陣為最好的控制回路有U1－Y2、U3－Y1、U3－Y3此過程不需要解耦第十五章思考題及習(xí)題15.1離心泵流量控制方案有哪幾種形式?答：離心泵流量控制方案有：直接節(jié)流法、改變泵的轉(zhuǎn)速n、改變旁路回流量15.4何謂離心式壓縮機(jī)的喘振?喘振產(chǎn)生的原因是什么?答：離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，當(dāng)負(fù)荷低于某一定值時，氣體的正常輸送遭到破壞，氣體的排出量時多時少，忽進(jìn)忽出，發(fā)生強(qiáng)烈振蕩，并發(fā)出如同哮喘病人“喘氣”的噪聲。此時可看到氣體出口壓力表、流量表的指示大幅度波動。隨之，機(jī)身也會劇烈振動，并帶動出口管道、廠房振動，壓縮機(jī)將會發(fā)出周期性間斷的吼響聲。如不及時采取措施，將使壓縮機(jī)遭到嚴(yán)重破壞，這種現(xiàn)象就是離心式壓縮機(jī)的喘振，或稱飛動。喘振是由離心式壓縮機(jī)的固有特性――特性曲線呈駝峰型而引起的。正由于特性曲線極值點(diǎn)的存在，一旦工藝負(fù)荷下降，使工作點(diǎn)移入極值點(diǎn)左側(cè)，成為不穩(wěn)定的工作點(diǎn)。此時，系統(tǒng)稍有擾動，就不能穩(wěn)定下來，出現(xiàn)氣體排量強(qiáng)烈振蕩而引起的喘振現(xiàn)象。引起離心式壓縮機(jī)喘振的直接原因是負(fù)荷的下降，使工作流量Q1小于極限流量QP，從而工作點(diǎn)進(jìn)入到喘振區(qū)內(nèi)。除此以外，還有一些工藝上的原因，也容易使工作點(diǎn)靠近或進(jìn)入喘振區(qū)，引起壓縮機(jī)的喘振，如壓縮機(jī)氣體的吸入狀態(tài)的變化，使特性曲線發(fā)生變化，從而工作點(diǎn)有可能靠近或進(jìn)入喘振區(qū)；管網(wǎng)阻力的變化使管路特性發(fā)生變化，工作點(diǎn)也有可能進(jìn)入喘振區(qū)。15.5防喘振控制方案有哪些?常用的控制方案有固定極限流量法和可變極限流量法兩種。第十六章思考題及習(xí)題16.1對傳熱設(shè)備來說，它是通過對傳熱量的調(diào)節(jié)來達(dá)到控制溫度的目的。那么，調(diào)節(jié)傳熱量究竟有哪些途徑?答：從傳熱定理可知，熱流體向冷流