过程控制与自动化仪表(第3版) 第6章 思考题与习题

第第 6 章章 思考题与习题思考题与习题 1基本练习题基本练习题 （1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？ 答： 串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路， 其中一个称为副回路，一个称为主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的 改善。 （2） 前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈反馈控制系统能改善控制 品质？ 答： 前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。 反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数 稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。 采用前馈反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控 制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响； 另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定 值上，从而保证系统有较高的控制质量。 （3）前馈控制系统有哪些典型结构形式？什么是静态前馈和动态前馈？ 答：静态前馈：是指前馈补偿器的静态特性，是由干扰通道的静态放大系数和控制通 道的静态放大系数的比值所决定的， 它的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于零， 而 不考虑其动态偏差。 动态前馈： 必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性加以确定， 鉴于动态补偿器 的结构复杂，只有当工艺要求控制质量特别高时才需要采用动态前馈补偿控制方案。 （4）单纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用？ 答： 因为前馈控制做不到对干扰的完全补偿： 1）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。对不可测的干扰则无法 实现前馈控制；2）在实际生产过程中，影响被控参数变化的干扰因素是很多的，不可能 对每一个干扰设计和应用一套前馈补偿器；3）前馈补偿器的数学模型是由过程的动特性 ( ) F Gs和 0( ) G s决定的，而( ) F Gs和 0( ) G s的精确模型是很难得到的；即使能够精确得到，由其确 定的补偿器在物理上有时也是很难实现的。 （5）简述前馈控制系统的选用原则和前馈控制系统的设计。 答： 1）前馈控制系统的选用原则为： 第 6 章 常用高性能过程控制系统 198 a）当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰、反馈控制又难以克服 其影响、工艺生产对被控参数的要求又十分严格时，为了改善和提高系统的控制品质，可 以考虑引入前馈控制。 b）当过程控制通道的时间常数大于干扰通道的时间常数、反馈控制不及时而导致控 制质量较差时，可以考虑引入前馈控制，以提高控制质量。 c）当主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或者副回路滞后过大时，串级控制 系统克服干扰的能力较差时，可以考虑引人前馈控制以改善控制性能。 d）由于动态前馈补偿器的投资通常要高于静态前馈补偿器。所以，若静态前馈补偿 能够达到工艺要求时，则尽可能采用静态前馈补偿而不采用动态前馈补偿。 2）前馈控制系统的设计： 前馈控制又称干扰补偿控制。 它与反馈控制不同， 它是依据引起被控参数变化的干扰 大小进行调节的。在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出时，前馈调节器（亦称 前馈补偿器） 便发出调节信号使调节参数作相应的变化， 使调节作用与干扰作用及时抵消 于被控参数产生偏差之前。 （6）试分析大纯滞后过程对系统控制品质的不利影响。 答： 由于测量信号提供不及时而产生的纯滞后， 会导致调节器发出的调节作用不及时， 影 响调节质量， 还会导致执行器的调节动作不能及时影响调节效果。 纯滞后的存在使系统的 开环相频特性的相角滞后随频率增大而增大， 导致闭环系统的稳定裕量下降。 若要保证其 稳定裕量不变，只能减少调节器的放大系数，同样导致调节质量的下降。 （7）Smith 预估控制方案能否改善或消除过程大纯滞后对系统品质的不利影响？为 什么？ 答： 可以改善。 因为经过 Smith 预估控制的闭环特征方程式中已经没有 0s e 项， 换句话说， 该系统与大滞后过程控制系统相比已经消除了纯滞后对系统稳定性的影响。 （8）能否将串级控制系统中的副回路视为放大系数为“正”的环节？为什么？ 答： 1）可以将串级控制系统中的副回路视为放大系数为“正”的环节。 2）副回路所起的作用是使副变量根据主调节器输出进行控制，是一随动系统。因此 整个副回路可视为一放大倍数为正的环节来看。 （9）串级控制系统主调节器正、反作用的确定是否只取决于主被控过程放大系数的 符号而与其他环节无关？为什么？ 答: 1）不对。 第 6 章 常用高性能过程控制系统 199 2）主、副调节器的正反作用方式选择的方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气 开、气关形式，并决定负调节器的正、反作用；然后根据主、副过程的正、反形式最终确 定主调节器的正反作用形式。 （10）试举例说明在串级控制系统中，主调节器的正、反作用选错所造成的危害， 副调节器的正、反作用选错后又会如何？ 答： 当主、 副控制器有一个正反作用方式选错时， 就会造成系统的主回路或副回路按正反 馈控制，当被控变量出现偏差时，系统不仅不向着消除偏差的方向校正，反而使被控变量 远离给定值。 （11）在图 61 所示加热炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统中，工艺要求一旦 发生重大事故，应立即切断燃料油的供应。要求： 图 6-1 加热炉温度串级控制系统 1）画出控制系统的框图； 2）确定调节阀的气开、气关型式； 3）确定主、副调节器的正、反作用方式。 答： 1）串级系统方框图如图 62 所示： 图 6-2 加热炉温度串级控制系统方框图 副回路选择加热炉炉膛温度控制，消除 F1（S）干扰。 2）由于发生重大事故时立即切断燃料油的供应，从工艺的安全性考虑，调节阀选择 气开式，保证无气时调节阀关闭。 3）主调节器选择 PI（或 PID）控制规律，副调节器选择 P 调节规律。 由于燃料增加加热炉温度必然增加，所以过程为正。调节阀气开式为正，主副调节器 都选择反作用方式。 第 6 章 常用高性能过程控制系统 200 （12）图 63 所示为精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。生产工艺要求一旦 发生事故应立即停止蒸汽的供应。要求： 1）画出控制系统的框图； 2）确定调节阀的气开、气关型式； 3）确定主、副调节器的正、反作用方式。 图 6-3 温度、流量串级控制系统 1）控制系统的框图如图 64 所示： 图 6-4 温度、流量串级控制系统框图 2）调节阀：气开形式；这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须关闭，以 使切断整齐的供应，确保设备的安全。 （3）主调节器：反作用方式；负调节器：反作用方式。 （13）在设计某一个串级控制系统时，主调节器采用 PID 调节规律，副调节器采用 P 调节规律。按 4:1 衰减曲线法已经测得： %44 2 s ， sT s 20 2 ， %44 1 s ， min10 1 s T 请采用两步整定法求主、副调节器的整定参数。 答： 根据题意，运用第 5 章中 4:1 衰减曲线法计算公式，计算出主、副调节器的整定参数 为： 主调节器的比例度为 11 1.21.5 50% 60% s 积分时间为 11s T0.3 T3min 微分时间为 第 6 章 常用高性能过程控制系统 201 Ds T.Tmin 1 011 副调节器（流量调节器）的比例度为 22 44% s （14）已知某串级控制系统在 4:1 衰减比的条件下测得过程的参数为 1 8% s ， 2 42% s ， 1 120 s Ts， 2 8 s Ts，若该系统的主调节器采用PID调节规律，副调节器 采用P调节规律。请采用两步整定法求主、副调节器的整定参数。 答： 按41衰减比的条件下测得的数据，由衰减曲线法参数计算公式表得： 副调节器采用P调节规律，查表得： 2 = 2S =42% 主调节器采用PID调节规律，查表得： 1 =0.8 1S =64% ， I T=0.3 1S T=3min， D T=0.1 s T1=1min 2综合练习题综合练习题 （1）已知某一前馈反馈控制系统，其过程控制通道的传递函数为 s e sTsT K sG 0 ) 1)(1( )( 0201 0 0 干扰通道的传递函数为 s f f f f e sTsT K sG ) 1)(1( )( 02 试写出前馈调节器的传递函数，并讨论其实现的可行性。 答： 有已知的： 0 f b Gs Gs Gs （6-1） 要求 0f ，分子阶次不高于分母阶次，这样才能物理上实现。 （2）在Smith预估控制方案中存在的主要问题是什么？目前有哪些改进方案？ 答： 1）从史密斯预估控制的原理可知，预估器模型完全取决于被控过程的特性。如果被 控过程的特性不能精确得到则难以获得预期的控制效果。 2）目前改进方案有：增益自适应预估控制；动态参数自适应预估控制。 （3）一个带有Smith预估器的系统如图65所示，在干扰( )F s发生变化时，预估器 能否消除大纯滞后对系统的不利影响？为什么？ 第 6 章 常用高性能过程控制系统 202 图 6-5 史密斯预估控制实施框图 答： 1）可以。 2）因为史密斯预估控制的闭环特征方程式中已没有 s e 项。换句话说，该系统与原 系统相比已消除了纯滞后对系统稳定性的影响。 （4）在图 63 所示的温度流量串级控制系统中，如果进料流量F波动较大，试设计 一个前馈串级复合控制系统，已知系统中有关传递函数为： ) 1)(1( )( 0201 01 01 0 sTsT eK sG s 0202 )(KsG 1 )( sT eK sG f s f f f 试画出此复合控制系统的传递函数方框图， 并写出前馈调节器的传递函数， 讨论其实 现的可能性。 答： 复合控制系统的传递函数方框图如图 66 所示： 图 6-6 复合控制系统的传递函数方框图 前馈调节器的传递函数： 0 0 0201 01020102 0102 0102 ( ) 1111 11 f f f B v s s ff s fv fv Gs Gs Gs Gs Gs K eT sT sKT sT s e K KT sGsK K eT sGs （6-2） 实现的可能性： a）要求 f 0 第 6 章 常用高性能过程控制系统 203 b）分子阶次不高于分母阶次，这样才能物理上实现。 （5）已知系统被控过程的传递函数为 2 10 0 0 0 ) 15(1 )( s e sT eK sG ss 可以求得史密斯预估控制器的传递函数为 )1 ( ) 15( 1 )( 10 2 s s e s sG 试用MATLAB语言编写程序， 分别对PID控制系统和带有史密斯预估器的控制系统进 行仿真，画出其仿真波形，并比较它们的控制性能。 答： 主程序 clc clear G1 = tf(1,conv5 1,5 1); tau1 = 10; np,dp = pade(tau1,2); Gp = tf(np,dp); G = G1*Gp; K T tau = kttau(G); Gc4 Kp Ti Td = cc01(4,K T tau); Gcc4 = feedback(G*Gc4,1); set(GCC4,Td,tau1); step(Gcc4,g); hold on; y1 t = step(Gcc4); disp(显示PID控制系统的阶跃响应超调量sigma_1、峰值时间tp_1、调节时间ts_1); sigma_1,tp_1,ts_1 = perf(1,y1,t); Gcc5 = feedback(G1*Gc4,1); set(Gcc5,Td,tau1); step(Gcc5,b); legend(PID,SMITH PID); 显示结果仿真图如图67所示： 第 6 章 常用高性能过程控制系统 204 图 6-7 系统仿真结果图 讨论控制性能： 由仿真图可知， 带有史密斯预估计PID控制系统的阶跃响应曲线控制效果明显比单纯 的PID控制有明显的改善，超调越小，调节过程加速。 3设计题设计题 （1）已知 s e 的帕德一阶近似式和帕德二阶近似式分别为 1 2 1 2 s s e s 和 2 2 2 2 1 22 1 22 s ss e ss 试用上述二式分别讨论史密斯预估控制的实现方案。 答： 1）帕德一阶史密斯预估控制的实现方案 有已知得： 0 1 2 ( ) 1 2 s G s s （6-3） 由此可得预估器( ) s G s的传递函数式（64） 第 6 章 常用高性能过程控制系统 205 0 1 2 ( )( )(1)(1) 1 2 ss s s G sG see s （6-4） 史密斯预估控制系统的实施框图如图 68 所示。 图 6-8 史密斯预估控制系统的实施框图 2）帕德二阶史密斯预估控制的实现方案 有已知得： 2 2 0 2 2 1 22 ( ) 1 22 ss G s ss （6-5） 由此可得预估器 ( ) s G s 的传递函数为： 2 2 02 2 1 22 ( )( )(1)(1) 1 22 ss s ss G sG see ss （6-6） 史密斯预估控制系统的实施框图同帕德一阶史密斯预估控制框图。 （2）某加热器采用夹套式加热的方式来加热物料。物料温度要求严格加以控制。夹 套通入的是由加热器加热后的热水，而加热采用的是饱和蒸汽。工艺流程如图 69 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？ 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？ 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？ 图 6-9 加热物料工艺流程图 图 6-10 加热器串级控制系统 第 6 章 常用高性能过程控制系统 206 答： 1）如果冷水流量波动是主要干扰，采用前馈反馈控制；被控变量为物料出料温度， 控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。 2）如果蒸汽压力波动是主要干扰，采用串级控制；主被控变量为物料出料温度，副 被控变量为蒸汽流量或压力，控制变量蒸汽流量。 3）如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，采用前馈串级控制；主被控变量为物料出 料温度，副被控变量为蒸汽流量或压力，控制变量蒸汽流量，前馈信号为冷水流量。 （3）对于图610所示加热器串级控制系统，要求： 1）画出控制系统的方框图； 2）若工艺要求加热器的温度不能过高，试确定调节阀的气开、气关型式； 3）确定主、副调节器的正、反作用方式； 4）当蒸汽压力或冷物料流量突然增加时，分别简述控制系统的控制过程。 答： 1）控制系统的方框图如图611所示： TCFC FT 调节阀 蒸汽 管道 加热容器热物料 TT 图 6-11 控制系统的方框图 2）根据工艺要求：调节阀选用气开。 3）由工艺可知，当调节阀开度增大，则容器温度升高，故为 02 K 正；为保证副回路 为负反馈，则 2c K 应为正，即为反作用调节器；当容器温度升高，容器出口热物料温度也 随之升高，故 01 K 也为正；为保证主回路为负反馈，则 1c K 应为正，即为反作用调节器。 4）当蒸汽压力突然增加时：副回路控制器及时作用，调节副回路调节阀，使得阀开 度减小，从而保证容器出料口温度保持不变。 当冷物料流量突然增加时：主回路控制器输出变大，即副回路设定值增大，副回路及 时做出反应，使得副回路调节阀开度增大，使得容器出口物料温度得以恒定。 （4）图612所示为污水处理过程示意图，工艺要求清水池水位需稳定在某一高度。 其中污水流量经常波动，是诸多干扰中最主要干扰。试设计一个控制系统，要求： 1）画出控制系统流程图与方框图； 2）为了