过程装备控制技术及应用-习题.ppt

1、过程设备控制技术和应用，控制系统的基本概念P11-12思考问题和练习1什么是生产过程自动化？生产过程自动化的主要内容是什么？答：生产过程自动化系统是一种使用自动化设备管理生产过程的方法。生产过程自动化包括以下四个部分：自动检测系统、信号联锁系统、自动操作系统和自动控制系统。2.自动控制系统主要由哪些环节组成？自动控制系统中常用的术语是什么？答：自动控制系统主要由被控对象、测量元件、变送器、调节器、执行器等环节组成。自动控制系统中常用的术语包括：受控变量、给定值、测量值、操纵变量、干扰、偏差信号和控制信号。自动控制系统的框图是什么？它与流程图有什么不同？答：自动控制系统框图是系统中各元件功能和信

2、号流向的图形表示，用于表示控制系统的组成和功能，清楚地显示控制系统各部分之间的相互影响和信息联系。它的特点是：每个组件都被称为“链接”；信号流的单向性；有一条加法器。它与工艺流程的区别在于，工艺流程图代表了系统物质流动方向的组成。在自动控制系统中，它是什么？什么是控制？这两者之间是什么关系？答：干扰是指除操纵变量外的各种因素引起的受控变量与给定值的偏差；控制功能是通过测量受控变量获得测量值，并将其与给定值进行比较以获得偏差信号。根据某种规则，从该信号计算控制信号，以改变操纵变量并克服干扰。二者之间的关系是控制功能的一部分，即减少或消除干扰对被控变量的影响。什么是开环控制？为什么定值控制系统必须

3、是闭环负反馈系统？答：闭环控制是将控制系统的输出信号返回到输入端，从而影响被操纵变量，进而影响输出信号的控制方式。开环控制意味着控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制器。定值控制系统是一个定值控制系统。定值控制系统的功能是克服扰动对被控变量的影响。当输出信号变大时，反馈影响操纵变量以减少输出信号，反之亦然，它影响操纵变量以增加输出信号。因此，定值控制系统满足闭环负反馈系统的要求。在图1-13所示的换热器出口温度控制系统中，该过程要求热物料的出口温度保持在一定的设定值。尝试绘制控制系统的框图；框图中每个环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入和输出信号是什么？当系统遇到干扰(如冷料流量突

4、然增加)时，系统如何实现自动控制？6，各环节组成的框图见附图。整个系统的输入信号是热料的设定温度，输出信号是热料的实际温度。当系统遇到干扰时，受控可变热材料的温度会发生变化。在将测量信号与设定信号进行比较之后，获得偏差信号，该偏差信号被发送到温度调节器Tc以获得控制信号，控制阀门开度，调节蒸汽消耗，作用于受控过程，并调节热材料的温度以使其保持在给定位置附近。图1-14显示了储罐液位控制系统。该过程要求液位保持在一定值。试着画出系统的框图。系统中的受控对象、受控变量、操纵变量和干扰是什么？框图如图所示；在液位控制系统中，一个被控对象储液罐；受控可变液位解决了由m控制的液体流量干扰qv1的变化自动

5、控制系统的过渡过程是什么，在阶跃干扰作用下的基本形式是什么？有些能满足自动控制的要求，哪些不能？为什么？对于任何一个自动控制系统，从被控对象受到干扰，使被控变量偏离设定值开始，调节器开始发挥作用，使被控变量回到给定值附近的过程称为系统的过渡过程。过渡过程中受控变量的变化与干扰形式有关。在阶跃扰动的作用下，过渡曲线有以下几种形式。发散阻塞过程；非振荡发散过程；恒幅振荡过程；衰减振荡过程；无振荡衰减过程，其中无振荡衰减过程和衰减振荡过程都是稳定过程，基本能满足控制要求。然而，由于在衰减过程中受控变量达到新的稳态值的缓慢过程，受控变量长时间偏离给定位置，因此通常不使用它。只有当生产过程不允许受控变量

6、振荡时，才应考虑这种形式的过渡过程。恒幅振荡过程可用于控制品质要求较低的二位置控制，但无振荡发散过程和发散振荡过程受阶跃扰动后无法稳定，不符合自动控制的要求。9当衰减率为n1、n1、n1和n时，尝试返回过渡过程曲线。10表示阻尼振荡过程的控制指标是什么？答：衰减振荡过程的控制指标主要包括：最大偏差A、衰减比N、恢复时间c5、剩余误差和振荡周期T。含义如下。最大偏差：指受控变量在转换过程中偏离未确定值的最大值。最大偏差描述受控变量偏离设定值的程度。最大偏差越大，被控变量偏离设定值越远，这对工艺条件要求高的生产过程非常不利。衰减比n:指过渡过程曲线上同方向两个相邻峰的比值。对于阻尼振荡，n总是大于

7、1。如果n接近1，则控制系统的过渡过程曲线接近恒幅振荡过程；如果n小于1，这是一个发散振荡过程；n越大，系统越稳定。当n趋于无穷大时，系统接近非振荡衰减过程。根据实际操作经验，通常采用n4-10作为申报。10，恢复时间：指受控变量从过渡状态返回到新平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程中经过的时间。在实际应用中，它被定义为只要受控变量以新的稳态值进入土壤5(或土壤2)的范围并且不再超过它所经过的时间。响应时间短表明系统响应稳定快速，即使干扰频繁发生，系统也能适应。人们普遍希望回复时间越短越好。振荡周期：跃迁过程的第一个峰与同方向相邻的第二个峰之间的时间间隔称为振荡周期，倒数称为振荡频率。在相同的衰

8、减比下，振荡周期与恢复时间成正比。通常希望振荡周期更短。过程设备控制技术与应用练习2、过程设备控制基础P57思维问题与练习1、受控对象的特征是什么？表征受控对象特性的参数是什么？它们的物理意义是什么？受控对象的特性是指受控对象的输出变量随输入变量变化的规律。当输入变量逐步变化时，被控对象的特性可以用输出变量随时间的变化规律来表示。表征受控对象特性的参数包括放大系数k、时间常数t和滞后时间。放大系数k是指当被控对象达到平衡时，输出变化与输入变化之比为什么说放大系数是物体的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？答：由于放大系数表示被控对象在干扰下达到平衡状态的性能，而时间常数和滞后时间反映了整

9、个动态过程的长度和被控变量的滞后时间，它们与时间变化有关，所以放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性。3受控对象的控制通道是什么？什么是干扰信道？受控对象的控制通道是指操纵变量和受控变量之间的联系，干扰通道是指干扰效应和受控变量之间的联系。在控制系统中，物体的放大系数、时间常数和滞后时间对控制有什么影响？放大系数k:控制通道，如果放大系数大，调节器的输出变化不大，对被控对象的影响会很大，控制将非常灵敏；相反，当k很小时，受控变量的变化将很慢。干扰信道k小，即使干扰幅度大，也不会对被控变量产生很大影响；如果k大，当干扰大且频繁时，系统很难稳定。时间常数t:控制通道。如果时间常数

10、t较大，受控变量的变化相对适中。一般来说，这种对象比较稳定，容易控制，但缺点是控制太慢；如果时间常数t很小，受控变量变化很快，很难控制。对于干扰信道，大时间常数具有明显的优势。这时，阶跃干扰系统的影响将变得更加温和，被控变量将平稳变化，对象将易于控制。滞后时间对控制信道的影响，滞后的存在不利于控制，这将使控制不及时，干扰发生后无法快速调整，严重影响控制质量；在干扰信道中，纯滞后仅延迟干扰时间，因此对控制质量没有影响，而容量滞后可以减轻干扰对被控变量的影响，因此有利于控制系统。5试着从图2-67中的物体反应曲线显示物体的放大系数、时间常数和滞后时间。解决方案：放大系数khqv1时间常数在反应曲线

11、上找到输出变化到最终值63.2时的坐标点，相应时间与输出开始变化的时间t0之间的差值即为时间常数；滞后时间为0。监管者的控制法则是什么？监管者的基本控制法则是什么？调节器的调节规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律。调节器的基本控制规律如下：位置调节、比例调节、积分调节和微分调节。7什么是双位控制、比例控制、积分控制和微分控制？他们的特点是什么？答：双位置控制意味着调节器的输出只有两个极端位置：最大值和最小值。本发明结构简单，成本低廉，使用方便，对配套控制阀没有特殊要求。一般来说，它有一个带有上限和下限信号装置的检测仪器；缺点是被控变量总是波动的，控制质量不高。当被控对象的纯滞后较大时，

12、被控变量的被动幅值较大，不适合控制要求高的场合。比例控制是指调节器的输出变化和输入变化之间的比例关系。比例控制系统能快速克服干扰的影响，使系统快速稳定。比例控制的优点是快速反应和及时控制。其缺点是当系统负载变化时，控制结果会有足够的差异。积分控制意味着调节器输出信号的变化与输入偏差的积分成比例。积分控制可以消除残余误差，但纯积分控制的输出变化总是滞后的，8还有什么区别？为什么纯比例控制不能消除残差，积分控制不能消除残差？答：残差是指被控变量的新稳态值与过渡过程结束时的设定值之间的差值，即。)y (.)a yj。对于一个简单的比例控制A”()xpf (f)，如果调节器有输出，它必须有盈余，也就是

13、说，f(f)是宽的，而如果比例控制是简单的，就必须有盈余。另一方面，积分调节器A M(2)KJc(2)d2的输出信号只有在残差等于零时才为零，即(f)o，因此积分控制可以消除残差。为什么积分控制律一般不单独使用？答：纯积分控制律的输出变化总是滞后于偏差变化，不能及时有效地克服扰动的影响。结果，受控变量的波动加剧，这使得系统难以稳定。因此，在工业过程控制中，积分控制律通常不是单独使用，而是与比例控制结合成比例积分控制。10比例、积分和微分控制分别用什么量来表示其控制功能的强弱？并分别说明了它们对控制质量的影响。答：比例、积分和微分控制使用比例带、积分时间t1和微分时间TD来表示它们对控制质量的影

14、响。比例带对控制质量的影响：比例越大，控制效果越弱；减小比例带会使系统的稳定性和动态性能变差，但可以相应地减小残余误差，提高系统的静态精度。integraTIon time ti对控制质量的影响减小，这将降低系统的稳定性和动态性能，但可以加快残余误差的消除，提高系统的静态精度。微分时间对控制质量的影响增大微分时间可以克服对象的滞后，提高系统的控制质量和稳定性，但微分时间不宜过大，否则会引起系统的高频振荡。11尝试绘制比例、比例积分和比例积分微分调节器在阶跃输入作用下的输出特性曲线。比例积分微分调节器有什么特点？一、比例控制反应快，控制及时，但仍有一些差异；积分控制速度慢，但可以消除残余误差；微

15、分控制具有一定的超前控制功能，可以抑制系统振荡，提高稳定性(但微分功能不应太强)。如果将这三个因素结合起来，选择合适的比例带、积分时间和微分时间，并将比例函数、积分函数和微分函数结合起来，就可以获得无残留误差、及时稳定的高质量控制。13比例积分微分调节器中可以调节哪些参数？尝试解释调整其中一个参数对调节器控制功能的影响。在PID调节器中有三个参数可以调节：比例带、积分时间和微分时间。调整比例带对控制创建的影响如下：比例带对残余误差的影响越大，放大倍数越小。因为AcxP*(f)，获得相同量的Ac变化所需的偏差越大，所以在相同的干扰下，当系统再次平衡时，剩余误差就越大。相反，比例带减小，系统的残余

16、误差也减小。比例带对最大偏差和振荡周期的影响在相同的扰动下，调节器的比例带越小，比例效应越强，调节器的输出越大，被控变量与给定值的偏差越小，被控变量被拉回给定值所需的时间越短。因此，比例带越小，最大偏差越小，振荡周期越短，工作频率越高。比例带对系统稳定性的影响越大，调节器输出的变化越小，被控变量的变化越慢，过渡过程越平稳。随着比例带的减小，系统的稳定性下降调节微分时间对控制动作的影响如下：当微分时间过小时，对系统质量指标影响不大，随着微分时间的增加，微分动作增加；当分化时间合适时，控制系统的质量指标将得到全面提高；但是如果差动作用太强，就会引起系统振荡。14调节器参数设置的目的是什么？工程中常

17、用的设置方法是什么？答：调节调节器参数的目的是根据给定的控制系统获得控制系统质量最好的调节器参数。工程中常用的设置方法有经验试差法、临界比例带法和衰减曲线法。15.选择调节器控制律的依据是什么？简单控制系统适用于控制负荷变化小的被控对象。如果负载变化很大，无论选择哪种调节规律，简单的控制系统都很难获得满意的控制品质。此时，应该设计和选择复杂的控制系统。在一般控制系统中，比例控制是必要的。当广义对象控制通道的时间常数小，负载变化小，工艺要求不高时，可以选择简单的比例调节规律。当广义对象控制通道的时间常数小，负载变化小，过程要求无残差时，可以采用比例积分调节规律。当广义对象控制通道的时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。如果加工工艺有足够的差异，可以选择比