第七章 过程控制系统习题及答案

第七章过程控制控制系统习题及答案一、填空1.单回路控制系统由传感器、调节器、执行器和被控对象组成。2.一个包含伺服放大器的电动调节阀，实际上是一个以调节器送来的信号为给定值、阀门位置信号为被控参数的单回路控制系统，该系统所采用的调节规律是位式调节规律。3.单回路控制器常见的五种控制规律是位式控制规律、比例控制规律、比例积分控制规律、比例微分控制规律及比例积分微分控制规律。4.当对象调节通道和测量元件的时间常数T0较大，纯滞后τ很小，即τ/T0很小时，应用微分作用可以获得相当良好的效果。5.当对象调节通道时间常数T0较小，系统负荷变化较大时，为了消除干扰引起的余差，除了比例作用外还应采用积分作用。6.串级控制系统有两个控制回路。7.串级控制系统的内回路是一个随动控制系统，其给定值为外回路中的主调节器输出。8.串级控制系统主要用于控制通道时间常数太大的被控系统。9.串级控制系统副调节器一般选择比例调节规律，最好不采用积分调节作用，他会牺牲副回路的快速性，彻底消除偏差也不是副回路的职责，微分调节作用也是不能采用的，否则一旦主调节器的输出稍有变化就会引起执行机构的大幅度动作，加大其磨损。10.串级控制系统的主调节器最好包含积分控制作用，以保证干扰被彻底克服。11.某个干扰能否用前馈控制系统来克服的前提条件是该干扰信号可测量。12.单纯的前馈控制系统能实现良好控制效果的前提是能获得相应干扰通道精确的数学模型。二、选择1.串级控制系统的副回路一般采用的调节规律是（A）。（A）比例调节规律（B）比例积分微分（C）比例微分（D）比例积分2.对串级控制系统副回路的要求是（B）。（A）消除稳态误差（B）快速克服主要干扰（C）消除所有干扰（D）消除主干扰3.单回路控制系统由（A）组成。（A）控制器、执行器、变送器和被控对象（B）控制器、执行器和变送器（C）输入、反馈、控制器和执行器（D）PID调节器、变送器和电动调节阀三、判断1.串级控制系统有内外两个控制回路，主副两个调节器、两个执行器和两个被控对象。（×）只有一个执行器，一个被控对象被分为了主对象和副对象。2.采用一步整定法对串级控制系统进行参数整定是考虑到对副变量控制的要求不高，允许它在一定范围内变化这一前提，根据经验先将副调节器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。（√）3.由于串级控制系统副回路具有快速性的特点，所以应将所有干扰包含在副回路中，以使干扰被快速克服。（×）如果要将副回路包含所有的干扰，则副回路必然变得冗长而失去其快速性的优点，违背了串级控制系统设计的原则。4.串级控制系统中，副回路的控制目的就是稳定副变量。（×）串级控制系统中副回路目的是快速克服进入副回路的干扰，稳定副变量不是其目的。5.比值控制系统是比例控制系统的另一种说法。（×）比值控制是指对两种以上物料进行流量控制，使之保持一定的比例关系，而比例控制特指调节器为比例调节规律的闭环控制系统。6.不存在适于所有系统的通用前馈调节器。（√）7.本质上前馈控制属于开环控制系统。（√）8.一个前馈控制系统只能克服一个干扰。（√）9.前馈控制系统可以用PID调节器经过整定后得到良好的效果。（×）前馈控制器的数学模型与被控系统的干扰通道的数学模型有关，很难用简单的PID规律来实现，更谈不上有良好的控制效果。10.均匀控制系统的作用是实现两种物料的平均问题。（×）均匀控制系统的作用是实现两种物料的平衡、匹配。四、简答简述单回路控制系统的基本组成，并绘制其结构框图。单回路控制系统是由一个变送器、一个调节器、一个控制器和一个控制对象构成的闭环控制系统。其结构框图如图所示。绘制单回路控制系统的结构框图并简述其工作原理。单回路控制系统的结构框图如图所示，以定值控制系统说明其工作原理。首先系统将给定值同由传感器、变送器检测的的被控参数值（称为反馈）进行比较，获得偏差。该偏差被送到调节器并根据调节器的调节规律产生相应控制输出，再送到执行器，执行器根据控制信号的大小产生相应的动作（如调节阀阀芯的运动），时被控参数发生变化。被控参数发生变化后系统的偏差就会发生变化，控制输出就会发生变化，从而引发新一轮的被控参数变化。一个稳定的控制系统采用的均是负反馈，因此，最终偏差会越来越小，被控参数会越来越接近给定值而实现定值控制。简述单回路控制器常见的四种调节规律及其特点。单回路控制系统可采用五种调节规律，即位式、比例、比例积分、比例积分微分调节规律。位式调节规律的输出为开关量，通过执行器的工作与不工作实现对象参数的控制，如由伺服放大器构成的阀门位置控制系统采用的就是位式调节规律，通过电机的正传、反转和停转实现阀门位置的控制。比例调节规律简单易于实现，但由比例调节规律构成的系统是一个有差系统，系统存在稳态误差。比例积分调节规律结合了比例的快速性和积分的准确性，系统快速、无稳态误差，但作用导致系统的稳定性变差，超调增加振荡加剧。比例积分微分调节规律不仅加强了调节系统克服干扰的能力，而且系统的稳定性也显著提高。引人微分作用不仅可以把比例度相应减小，而且还可以把积分时间缩短，能够使系统应用缩小的比例度不致产生振荡，采用较强的积分作用而不会造成稳定性的降低。简述串级控制系统的组成，并绘制其结构框图。串级控制系统由主、副反馈（变送器），主、副调节器，执行器和主、副对象构成，构成两个小闭环。其结构框图为：给定给定副对象主反馈+-主参数执行器副反馈主对象主调节器副调节器+-副扰动主扰动简述串级控制系统的工作原理。串级控制系统由主、副两个回路构成，系统的主调节器根据给定值和主参数（被控参数）间的偏差和自身的调节规律产生输出信号，该信号不是直接送给执行器，而是送个副回路作为副回路的给定值。副回路根据主调节器送来的控制输出信号与副反馈的偏差和自身的调节规律产生输出信号，去控制执行器的动作，快速克服进入副回路的主要干扰，使整个系统对主要干扰的消除速度得以加快。串级控制系统的副回路是什么控制系统。串级控制系统的副回路是一个随动系统，它跟随主控制器的输出。串级控制系统主要用于解决什么问题？主要用于解决控制通道时间常数大的问题。简述串级控制系统的特点。（1）在系统结构上，串级控制系统中主、副调节器是串联工作的。主调节器的输出作为副调节器的给定值，系统通过副调节器的输出去操纵执行器动作，实现对主变量的定值控制。所以在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。（2）在串级控制系统中，主变量就是最终的被控参数，其选择原则与单回路控制系统相同。（3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引人，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。（4）由于增加了副回路作用，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。串级控制系统主、副回路的确定原则是什么？串级控制系统主、副回路可按如下原则来确定。（1）主、副变量间应有一定的内在联系，也就是说，在串级系统中，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化。（2）要使系统的主要干扰被包围在副回路内，利用副回路快速性的特点，尽快将主要干扰克服掉。（3）在保证副变量和主变量间足够距离的前提下，尽量使副回路包围更多的干扰，这样可以充分发挥副回路的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。（4）应考虑到主、副对象时间常数的匹配。在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为3~10，以减少主、副回路的动态联系，避免“共振”。（5）应使副回路尽量少包含纯滞后，对于含有大纯滞后的对象，宜采用串级控制系统，并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。串级控制系统的副回路宜采用什么控制规律，不宜采用什么控制规律？为什么？串级控制系统的副回路宜采用比例控制规律，不宜采用微分控制规律。在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的。在干扰作用下，为了维持主变量的不变，副变量就要变。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副调节器一般采用比例控制规律。为了能够快速跟踪，最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢。副调节器的微分作用也是不需要的，因为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器输出稍有变化，就容易引起调节阀大幅度地变化，这对系统的稳定是不利的。列举两个比值控制的应用场合。炉窑的燃烧控制系统，实现燃气或燃油与氧气的比值控制，保证充分燃烧。调和油的生产控制，实现菜籽油、发生油等的比例控制。简述开环比值控制系统的特点。开环比值控制系统能简单实现两种物料的配比，但如果副物料的流量受到外界干扰时，这种比例关系就会被破坏，因此，比例控制精度不高。简述单闭环比值控制系统的特点。单闭环比值控制系统能实现主物料和副物料间精确的配比，但若干扰引起主物料的变化时，将引起系统总物料的变化。单闭环比值控制系统的闭环部分是什么控制系统?随动控制系统。前馈控制系统主要用来解决什么问题？前馈控制系统主要用于干扰通道较短、控制通道较长且干扰频繁出现的系统，用于解决对频繁出现的干扰控制不及时的问题。采用前馈控制系统的前提是被抑制的干扰必须是可测量的。单纯的前馈控制系统能实现良好控制效果的前提是什么？有前馈通道准确的传递函数。单纯的前馈控制系统和前馈-反馈控制系统比，哪个的控制效果会更好?为什么?后者更好，前馈控制系统实质上是一个开环控制系统，它对因其他干扰、前馈干扰通道传递函数的不准确或变化等引起的输出变化不具备修正能力。前馈-反馈控制系统引入的反馈，可以解决以上问题。均匀控制系统主要用来解决什么问题?物料的平衡问题。简单的均匀控制系统一般选用什么控制规律?不可以用什么调节规律?2简单的均匀控制系统一般选用比例控制控制规律，且将比例度选得较大。?不可以用微分调节规律，它不符合均匀控制的目的。五、应用1.有一前馈控制系统，已知广义对象传递函数为G(S)=G0(S)GR(S)=(S+1)/(S+2)(S+3)，其中G0(S)为控制通道的传递函数，GR(S)为控制阀的传递函数，干扰通道的传递函数为GD(S)=5/(S+2)，试求前馈调节器的传递函数GQ(S)，使其能克服干扰D对输出的影响。2根据题述