第一章思考题与习题

第一章思考题与习题答：控制的首要任务就是设计控制器，并使之能实现。即控制器是控制系统中的核心部件，它从质和量两个方面决定了控制系统的性能和应用范围。足如此高的性能要求。制算法，获得快速精密的控制效果。计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机,简称工控机)来实现生产过程自。从本质上看，计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四个方面：(1)实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；行为。(3)实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。且可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理，这就是计算机控制系统最基本的功能。(1)可以消除常规模拟调节器的许多难以克服的缺点，如不存在模拟调节器的漂移问题，参的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰(2)使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变(3)具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，它以定时采样和阶段控制来代替常规看用的理论基础不一样，但离散系统是在连续系统的基础上发展起来的。计算机控制系统与常规模拟系统相比，在工作方式上有如下特点：(1)由程序实现的灵活控制作用。控制规律灵活、多样，改动方便，可实现复杂的控制规律，后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制等。(2)采样控制方式。能有效地克服随机扰动。系统运行过程中，多数扰动是难以预知的，因正算法估计过程状态，进而自动调整控制信号，保证在扰动出现时仍能达到满意的控制效。(3)数字信号处理。在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混合式的结构。(4)综合处理与控制。在传统控制系统中，一个控制回路配备一个控制器，而在计算机控制系统中，由于计算机所具有的能力，可实现多回路、多对象多工况综合处理和控制；且控制化程度进一步提高。实时系统。联机方式，反之称为离线方式。实时系统：工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性，超过了允许的时间，就失去了控制时机，控制也就失去了意义。“实时”不等于“同时”实时性包括4个内容：实时时机采集、实时决策运算、实时控制、实时报警2个要素：其一：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。计算机控制系统与常规模拟系统相比，在性能上有如下特点：(1)精度高；(2)稳定性好；(3)可靠性高；(4)灵活性好；(5)(6)存储能力强；(7)1.2典型计算机控制系统有哪些主要组成部分？试用框图表示系统的硬件结构。部分构成软件变送器传感器接口A\D多路开关显示终端口口执行机构D\口口执行机构磁盘驱动器磁盘驱动器接口开关量输出打印机台通用外部设备主机及操作台接口外部通道检测及变送通用外部设备主机及操作台硬件组成(1)主机(微型计算机)：包括CPU和内存储器(RAM和ROM)通过系统总线连接而成，统的核心。(2)外部设备：输入设备、输出设备、外存储器和网络通信设备。(3)输入输出通道(过程通道):是计算机与工业生产过程交换信息的通道，是计算机控制系统按特殊要求设置的部分，包括：模拟量、数字量、开关量输入输出通道和接口 (4)人—机联系设备(操作台)软件组成系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。软件通常分为两大类：一类是系统软件，用软件。1.3计算机控制系统结构有哪些分类?并指出主要的应用场合。答：根据计算机在计算机控制系统中的功能和目的分为：1)数据采集和监视系统及对大量数据进行积累和实时分析。等特点，故在过程参数的测量和处理器具有运算、逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的集中、加工和处理，进中，作为资料保存和供分析使用该控制系统属于开环控制结构。3)直接数字控制系统(DirectDigitalControl,简称DDC)计算机直接参加闭环控制过程。计算机通过测量元件对一个或多个系统参数进行巡回检测和采样，对开关量信号直接采集输入，对模拟信号经A/D转换变成数字量输入，然后按一定的控制规律计算处理，发出控制信号，经过D/A转换器变成模拟信号，去驱动执行机构动作，或者由开关量通道直接进行控制，使各被控量达到预定的要求。该控制系统的特点是实时性好、可靠性高和适应性强。实现集中控制，代替常规控制仪表控制算法,单回路及常用复杂控制系统,由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及。SupervisoryComputerControl，简称SCC)计算机按照被控的生产最后由DDC计算机或模拟调节器来控制生产过程，使生产过程始终处于最佳工况。分利用原有的模拟调节器。模拟调节器中的SCC一样，用来计算最佳给定值，它与DDC之间通过接口进行信息联系。它显然提高了控制系统的可靠性。与SCC＋模拟调节器系统相比，其控制规律可以改变，此系统要达到理想的最优化控制是不容易的。5)分级控制系统(HCC)现代微机、通信技术和CRT显示技术的巨大进展，使得微机控制产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。分级控制系统的理论基础是大系统理论。智能控制机器人可以看作是一个大系统，智能控制的结构之一就是分级控制。不同的任务，既能进行控制又能实现管理。7)现场总线控制系统成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在统一国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构8)工业过程计算机集成制造系统制系统(DirectDigitalControl,简称DDC)、监督计算机控制系统(SupervisoryComputer数据采集和监视系统，在有的书中认为不是严格意义的计算机控制系统。答：系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性以及稳态特性(精度)来表征，衡量系统优劣的指标通常用稳态裕量、动态指标、稳态指标和综合指标等。1.5列举一个计算机控制系统的应用实例，并给出该系统必要的说明。。设备调节阀过热蒸汽送负荷设备减温器墙过热器膛热空气燃料热空气送往炉膛热空气燃料燃烧嘴给水(由给水泵来)冷燃烧嘴烟气(经引风机送到烟囱)图11.1锅炉设备主要工艺流程图Ds度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽包水位给水量喷水量气温燃料量汽压送风量过量空气系数引风量炉膛负压图1汽包水位给水量喷水量气温燃料量汽压送风量过量空气系数引风量炉膛负压图11.2输入变量与输出变量关系图出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气(烟气含氧量)等。这些输入变量与输出变量之间相互关联。如果蒸汽负压发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对多变量对象可按自治的原则和协调对多变量对象可按自治的原则和协调锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。1.燃烧过程控制系统(1)燃烧过程控制任务锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要(常以蒸汽压力为被控变量)；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧(常以烟气成分为被控变量)，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。(2)燃烧过程控制系统设计方案对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响，风量——炉膛负压子系统。不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化，但并不是分解成多个单回路控制系统后，问题就全部解决。因为各回路之间往往还存在着联系和要求，必须在设计中加以考虑。用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联。量子系统间应满足以下两点:①锅炉燃烧过程中燃料量与空气(送风)量之间应保持一定比例，实际空气(送风)量大于燃料需要空气量，他们之间存在一个最佳空燃比(最佳过剩空气系数)α，即一般情况下，α＞1。②为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，V(实际送入空气量)=B(燃料需要空气量)111()1()22()高选器空燃比值器2统叉限制协调控制系统，如图11.3所示。其中，Wm1(s)和Wm2(s)是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是比例环节，则Wm1(s)=K1，Wm1(s)=K2。由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料量测量信号IV和IB之间的关系如下：VIKKI==V2=1VBIKKIB12B设K2=bK1则IKV=2=bIKB1的信号为IQ，当系统处于稳态时，则有：设定值设定值即r1=IQ=IV/β=IBr2=βIQ=βIB=IVIQ=IB；IV=βIBIB，所以，增大的IQ信号通过高选器，在乘以β后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节器将使u2增加，空气阀门开大，送风量增大，即IV增加。对于燃料量控制系统来说，反之，在负荷信号减少时，则通过低选器先减少燃料量，待IB减少后，空气量才开始随高选器的输出减小而减小，从而保证在动态时，满足上述第②点要求，始终保持完全燃烧。控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。在大型机组的送风系统中，调变送变送器送风控制系统是针对二次风控制而言的。送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。为保持最佳过剩空气系数α，必须同时改变风量和燃料量。α是由烟气含量如图11.4所示。它首先在内环快速保证最佳空燃比，至于给煤量测量不准，则可由烟气中量调节器设定，使送风调节器减少送风量，最终保证烟气中含氧量等于设定值。为设定值，以稳定燃烧，减少污染，保证安全。2.锅炉给水控制系统(1)锅炉给水控制系统设计任务(2)给水控制系统的基本结构单冲量控制系统以水位信号H为被控量、给水流量作为控制量组成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、整定方便，但克服给水自发性扰动，和负荷扰动的能力差，特别烈的上下波动，严重影响设备寿命和安全。单级三冲量控制系统该系统相当于将上述单冲变送器调节器控制机构汽包荷作为系统设定值，利用调节器控制机构汽包量给水控制系统，如图11.5所荷变化时，它早于水制，及时的改变给水流量，维持进出汽包控制机控制机构2变送器变送器流量调器流量调器包01图11.6串级三冲量给水控制系统的物质平衡，有效地减少假水位的影响，抑制水位的动态偏差；给水流量是局部反馈信号，变化的需要；汽包水位量是被控制量、主信号，稳定时，汽包水位等于设定值。显然，三冲量统。事实上，由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需要兼顾较多的因素，动态整定过程也较复杂，因此在现场很少再采用单级三冲量给水控制系统。串级三冲量控制系统串级三冲量给水控制系统的基本结构如图11.6所示。该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成，与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器串联工调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。蒸汽流量信号作为前馈信号，较高，是现场广泛采用的给水控制系统，也是组织给水全程控制的基础。3.蒸汽温度控制系统(1)蒸汽温度控制系统任务一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。(2)过热蒸汽温度控制系统双冲量气温控制系统。4.锅炉