过控思考题及习题全

第一章 思考题及习题

1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响?

答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。

控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示

1.2如何选择控制变量?

答：① 所选控制变量必须是可控的。

② 所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。

③ 所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。

④ 所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。

⑤ 所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。

⑥ 在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量

1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响? 答：当Gc(s)=Kc时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。

Kc增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。 1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?

答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间Ti放在最大，微分时间Td放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期Ts。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。

1.5 图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： ① 影响物料出口温度的主要因素有哪些?

答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。

② 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数?为什么?

答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。

③ 如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用?

答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。

1.6 图1.42为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用：

① 被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。 ② 被加热物料在温度过低时会发生凝结。 答：控制阀气开式，控制器的正作用。

③ 如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。

1.7单回路系统方块图如图1.43所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化?为什么?

答：当KC、KV、K0增加时，系统的余差减小，但系统稳定性下降。T0增加时， 系统的工作频率降低，控制速度变慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的控制质量会越差。τ

使系0增加时，

统控制不及时，使动态偏差增大，而且还会使系统的稳定性降低。Kf增加时，系统的余差也变大，即控制静态质量变差。Tf增加时，控制过程的品质会提高。τ时，质量没有影响。

1.8有一如图1.44所示的加热器，其正常操作温度为200℃，温度控制器得测量范围是150~250℃，当控制器输出变化

1%时，蒸汽量将改变3%，而蒸汽量增加1%，槽内温度将上升0.2℃。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%，槽内温度将会下降l℃。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为100%，试求当设定值由200℃提高到220℃时，待系统稳定后，槽内温度是多少摄氏度？

答：当设定值由200℃提高到220℃时，控制器输出变化 20/200=10%，蒸汽量增加30%，液体流量不变，槽内温度将上升0.2×30℃=6℃，所以待系统稳定后，槽内温度是206℃。

1.9在Δu=50阶跃干扰作用下，测得某温度对象控制通道得响应数据如下： 根据上述数据用反应曲线法计算PI控制器参数。

答：从响应数据得干扰起作用点为0.6min，227℃，即τ=0.6min，拐点为1.0min，280℃，即T0=2.0min-0.6min=1.4 min，设采用Ⅲ型仪表，测量范围为100～250℃，所以， K0=Δu=/ΔP

f增加

=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=1.98 min

第二章思考题及习题

2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?

答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1) 串级控制系统具有更高的工作频率；(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力

2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?

答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即Sign{G01(s)}Sign{G02’(s)}Sign{Gm1(s)}Sign{Gc1(s)}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。

2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?

答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此对它要求比较严格。而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数Kc1与Kc1的乘积等于Ks(Ks为主变量呈4：1衰减振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。虽然按照经验一次放上的副控制器参数不一定合适，但可通过调整主控制器放大倍数来进行补偿，结果仍然可使主变量呈4：1衰减。

2.4 试证明串级控制系统中，当干扰作用在副环时，只要主、副控制器其中之一有积分作用就能保证主变量无余差。而当干扰作用于主环时，只有主控制器有积分作用时才能保证主变量无余差。

答：从串级控制系统结构图中可以看出：

1. 当干扰作用在副环时，副环在干扰下的输出可如下计算： 令

GV(S) KV； G02(S)

K02

； Gm2(S) Km2

(1 T02s)

并假定f(t)为单位阶跃干扰，则F(s)=1/s，运用终值定理可得：

y( ) limSF(S) lim

s 0

s

K02

1K02(1 T02S)S limS1 G(s)02vm2s 01 K02KvKm2Gc2(s)

c2

(1 T02S)

如果GC2(s)=Kc2(Tis+1)/ Tis，即含有积分环节，则在上式分子上出现Tis项，y2(∞)=0，即干扰作用下主环也无余差。如果GC2(s) =Kc2，则副环余差为y2(∞)=1/KVKm2Kc2，此余差进入主环，此时将副环等效成一个环节，G’02(s) =1/Km2，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1(∞)=0，反之y1(∞)≠0。

当干扰作用在主环时，副环等效成一个环节，G’02(s) =1/Km2，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1(∞)=0，反之y1(∞)≠0。

2.5 试说明为什么整个副环可视为一放大倍数为正的环节来看待? 答：对于副环来说，如果是负反馈系统，其等效环节等效传递函数为：

'G02

Gc2GvG02

（2－1）

1 Gc2GvG02Gm

当控制器放大倍数远远大于1时，则有| Gc2 Gv G02 Gm|>>1，又因为通常各个环节都是无量纲化的，此时Gm =1。则有式(2-1)近似等于+1。

2.6 试说明在串级控制系统中主、副控制器之一的正、反作用选错会造成怎样的危害?

答：串级控制系统属于反馈控制系统，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时，其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈。

2.7 图2.21所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。

① 当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。 选择釜内温度为主对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下

② 当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。 选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下

③ 对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。 答：从安全角度出发，上述两种方案均应选择气闭式控制阀。

副控制器：第一种方案下，当冷却水流量超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出增大，所以选正作用。第二种方案下，当入口温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度增加，即控制器输出减小，所以选负作用。

主环控制器：两种方案下，当冷却水流量增加时，釜内温度降低，因此K01为负，应选择正作用。 2.8 图2.22为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求： ① 选择控制阀的开、闭形式。

答：根据安全要求，控制阀应选择气开式。 ② 确定主、副控制器的正、反作用。

副控制器：当炉膛温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：当燃料气流量增加时，釜内温度升高，因此K01为正，应选择负作用。

③ 在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用，分析该串级控制系统的工作过程。

答：在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，此时控制阀的开度还没有变化，所以燃料气流量增加，炉膛温度升高，测量变送的输出增加，副控制器的输入为正，副控制器为负作用，输出减小，控制阀为气开式，所以开度减小，使燃料气流量下降。燃料气流量增加，炉膛温度升高最终会使原油出口温度增加，测量变送的输出增加，主控制器的输入为正，主控制器为负作用，输出减小，副控制器的给定值减小，促使副环控制器对燃料气流量进一步调整。一直到原油出口温度回到给定值为止，控制阀处在一个新开度上。

2.9 某干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。夹套通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽，流程如图2.23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?

答：应采用干燥器干燥温度与冷水流量串级控制系统，因为要将主要干扰冷水流量包围在副环内。 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?

答：应采用干燥器干燥温度与蒸汽压力串级控制系统，因为要将主要干扰蒸汽压力包围在副环内。 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?

答：应采用干燥器干燥温度与加热器出口热水温度串级控制系统，副控制器的输出控制蒸汽、冷水控制阀，副控制器为负作用，蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气闭式，主控制器为负作用。

2.10 某串级控制系统采用两步法进行整定，测得4：1衰减过程的参数为：δδ2s=42%，T1s =120 1s=8%，

s，T2s =8s。若该串级控制系统中主控制器采用PID规律，副控制器采用P规律。试求主、副控制器的参数值应是多少?

答：

1、副控制器参数：δ2 =δ

2s =42%

1s=0.8×8%=0.64%

2、主控制器参数：δ1=0.8δ

T1=0.3 T1s=0.3×120=36s Ti=0.3 T1s=0.1×120=12s

第三章思考题及习题

3.1比值与比值系数的含义有什么不同?它们之间有什么关系?

答：比值K是工艺要求的流量比，定义为从动流量F2与主动流量F1之比，即：

K=从动流量/主动流量= F2/ F1

比值系数K'是仪表有效信号之比，定义为从动流量F2的有效信号与主动流量F1的有效信号之比。如果用I来表示仪表的测量信号，则有：

流量比K与比值系数K'是两个不同的概念，不能混淆。 比值系数K'的大小与流量比K的值有关，也与变送器的量程有关，与负荷大小无关。 流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响。线性关系时K'=K(F1max/ F2max)；非线性关系(平方根关系)时K'=K2(F1max/ F2max)2。

3.2用除法器进行比值运算时，对输入信号的安排有什么要求?为什么?

答：对于采用除法器实施的比值控制系统，由于除法器的结构，必须使输入的分母信号大于分子信号。通常把主流量作为分母项，此时K'的范围是0<K'<1，因此在选择流量测量仪表量程时，也需满足F2max≥K

max F1max

I2 I20

从动流量的测量信号I2max I20

K' ＝ (3-2)

主动流量的测量信号110I1max I10

。同时，用除法器作比值计算时，应注意比值系数K'不能在1附近。若比值系数等于1，则比值

给定已达最大信号I出=20mA，除法器输出I0必将等于20mA。在这种情况下，如果出现某种使Fl下降或F2增加的变化，因除法器输出已饱和，虽然比值K= F2/FlFI增加了，但由于I0不变化，相当于系统的反馈信号不变，失去控制作用，故只好任其比值增加。

3.3什么是比值控制系统?它有哪几种?画出它们的结构原理图。

答：实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。 比值控制系统类型： （1）开环比值控制系统

（2）单闭环比值控制系统

（3）双闭环比值控制系统

（4）变比值控制系统

（5）串级和比值控制组合的系统

3.4用除法器组成比值系统与用乘法器组成比值系统有什么不同之处?

答：如果乘法器组成比值系统使用常规仪表实现，可采用比值器、配比器、乘法器、分流器等。至于使用可编程调节器或其他计算机控制来实现，采用乘法运算即可。如果比值K为常数，上述仪表均可应用；若为变数(变比值控制)时，则必须采用乘法器，此时只需将比值设定信号改成第三参数就行了。相除方案无论什么类型的仪表，均采用除法器来实现。而对于使用可编程调节器或其他计算机控制来实现的方案，只要对两个流量测量信号进行除法运算即可。由于除法器(或除法运算结果)输出直接代表了两流量信号的比值，所以可直接对它进行比值指示和报警。这种方案比值很直观，且比值可直接由控制器进行设定，操作方便。若将比值给定信号改作第三参数，便可实现变比值控制。

3.5在用除法器构成的比值控制系统中，除法器的非线性对比值控制有什么影响?

答：除法器的放大系数是随着负荷的减少而增大的，这与采用差压法测量流量而又不经开方运算时情况正好相反。所以，在一般情况下(过程的特性是基本线性的)

，比值系统由于除法器非线性的引入，在小

负荷时，系统不易稳定。当然，也有特殊的例外，如过程的特性本身是非线性的(放大系数随负荷增大而增大)，此时采用除法器组成比值控制系统，除法器的非线性不仅对系统的控制质量无害，反而能起到对过程非线性的补偿作用。

3.6为什么4：1整定方法不适用于比值控制系统的整定?

答：单闭环比值控制系统、双闭环的副流量回路、变比值回路均为随动控制系统。对于随动系统，希望物料能迅速正确地跟随主物料变化，且不宜有过调，也就是说，要使随动控制系统达到振荡与不振荡的临界过程，所以4：1整定方法不适用于比值控制系统的整定

3.7当比值控制系统通过计算求得比值系数K’>1时，能否仍用乘法器组成比值控制?为什么?能否改变一下系统结构，仍用乘法器构成比值控制?

答：比值系数K’>1时，不能用乘法器组成比值控制，因为对于4~20mA信号，根据比值控制要求，比值系数K'为：

K'

I0 4

16

同样，对于0~10mA信号仪表则有：K' =10/ I0

当I0为最大值20mA、10mA时，上面2式式的最大为1，即K’>1时I0将大于20mA或10mA，这是不可能的。可在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器。

作为一个例子，现有一生产工艺要求A、B两物料比值维持在0.4。已知FAmax=3200kg/h，FBmax=800kg/h，流量采用孔板配差压变送器进行测量，并在变送器后加了开方器。试分析可否采用乘法器组成比值控制方案?如果一定要用乘法器，在系统结构上应作何处理?

答：在变送器后加了开方器，流量与测量信号成线性关系

K' K

F1max3200

0.4 1.6 1F2max800

所以不能采用乘法器组成比值控制方案，副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器，这样K’=0.8<1，可以采用乘法器组成比值控制方案。

（I1 4）（I0 4）

4

3.8一比值控制系统用DDZ-Ⅲ型乘法器来进行比值运算(乘法器输出I’＝ 16

，其中I0与I1分别为乘法器的两个输入信号)，流量用孔板配差压变送器来测量，但没有加开方器，

如图3.24所示。己知F1max=3600kg/h，F2max=2000kg/h，要求：

(1) 画出该比值控制系统方块图。 答：比值控制系统方块图如下

(2 )如果要求F1：F2=2：1，应如何设置乘法器的设置值I0? 答：没有加开方器，流量与测量信号成非线性关系，所以

K'=K2(F1max/ F2max)2=0.52×（3600/2000）2=0.81 I0=16K'+4=16×0.81+4=16.96mA

3.9某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持FA：FB=4：2.5的比例，两物料的最大流量FAmax=625m3/h，FBmax=290m3/h。通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化。根据上述情 况，要求：

①设计一个比较合适的比值控制系统。

答：采用双闭环比值控制系统，使主副流量保持稳定，克服因管线压力波动而经常变化带来的干扰，并保持比值关系，如下图所示。

②计算该比值系统的比值系数K’。 答：设流量与测量信号成线性关系 K'=K(F1max/ F2max)=(2.5/4)×(625/290)=1.35

③该比值系统中，比值系数应设置于何处?设置值应该是多少(假定采用DDZ-Ⅲ型仪表)? 答：该比值系统中，比值系数应设置于135%。设置值应该是

1.35

④选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用。

答：选择两个控制阀为气开式，当流量增加时，测量值增加，控制器输入为正，此时要求阀的开度减小，即控制器输出下降，所以两个控制器为反作用。

3.10在硝酸生产过程中有一氧化工序，其任务是将氨氧化生成一氧化氮。为了提高氧化率，要求维持氨与氧的比例为2：1。该比值控制系统采用如图3.25所示的结构形式。已知：F

3

试求比值系数max=5000Nm/h。

氨max

=12000Nm3/h，F

氧

K'=?如果上述比值控制用DDZ-Ⅱ型仪表来实现，比值系数的设置值p0应该

是多少?

答：流量与测量信号成线性关系

K'=K(F1max/ F2max)=(1/2)×(12000/5000)=1.2 用DDZ-Ⅱ型仪表来实现，信号为0~10mA，

I0=10K' =10×1.2=12 mA，所以，应在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器。

3.11有一个比值控制系统如图3.26所示。图中K为一系数。若已知K=2，FAmax=300kg/h，FBmax=1000kg/h，试求K'=？K=?。

答：该系统为用比值器组成的方案， K为一系数且K=2，即在副流量上串入了一个放大倍数为2的比值器，副流量信号被放大了2倍，从图中可以看出此系统为流量比为2的比值控制系统，即K=2

K'=K(F1max/ F2max)=2×(300/1000)=0.6 所以K=2、K'=0.6

3.12一个双闭环比值控制系统如图3.27所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器来实现。已知F1max=7000kg/h，F2max=4000kg/h。要求：

①画出该系统方块图。

②若已知I0=18mA求该比值系统的比值K=?比值系数K’=? ③待该比值系统稳定时，测I1=l0mA，试计算此时I2？

答：①方框图如下 ②

I0=16K'+4 18=16K'+4 K'=0.875

K'=K(F1max/ F2max)= K×(7000/4000)=0.875 K=0.5

③比值系统稳定时，测I1=l0mA， 由公式

得：K'=( I2-4)/(10-4)，I2=l.25mA

3.13图3.28所示为一个用电动仪表来实现的比值控制系统。乘法器的输入/输出信号为直流1~5V，其运算公式为

II2 I20I2max I20'

K I1 I10I1max I10

v

'

(v0 1)(v1 1)已知：G1max=3600 kg/h，G2max=2000 kg/h。当系统稳定时，测

1(V)，

4

得v1=4V，v2=3V，试计算该比值控制系统的比值系数K'=?，K=? v0=?

答：K'=（v2-1）/（v1-1）=2/3=0.67 设流量与测量信号成线性关系

K'=K(F1max/ F2max)= K (3600/ 2000) =(2/3) K= 0.37

根据比值控制要求，乘法器的v1’与v1之间应具有下面的关系： v1’-1=K'(v0-1) 再根据

v'

(v0 1)(v1 1)

1(V)，

4

可得：K'=(v0-1)/4

v0=4 K'+1=4×0.67+1=3.68 V

第四章 思考题及习题

4.1均匀控制系统设置的目的是什么?

答：均匀控制系统的名称来自系统所能完成的特殊控制任务，它使前后设备在物料供求上相互均匀、协调，统筹兼顾。

4.2均匀控制系统有些什么特点? 答：(1) 结构上无特殊性

均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结构上元任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统的结构形式。

(2) 参数应变化，而且应是缓慢地变化

因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征这两个物料的参数都不应为某一固定的数值,两个参数都变化，且变化比较缓慢。那种试图把两个参数都稳定不变的想法是不能实现的。

(3) 参数应限定在允许范围内变化

4.3为什么均匀控制系统的核心问题是控制器参数的整定问题?

答：从下图――液位控制系统控制作用不同时液位与流量的响应可看出，同样一个单回路液位控制系统，由于控制作用强弱不一，它可以是一个单回路液位定值控制系统，如(a)；也可以是一个简单均匀控制系统，如(b)。因此，均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结构上元任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统的结构形式。所以，一个普通结构形式的控制系统，能否实现均匀控制的目的，主要在于系统控制器的参数整定如何。可以说，均匀控制是通过降低控制回路灵敏度来获得的，而不是靠结构变化得到的。

4.4可以采用解耦方法解决均匀问题吗?道理如何

?

答：均匀控制系统中的对象(控制通道)可视为单输入、双输出的对象。所谓单输入即控制作用量只有一个(即一个控制阀)，双输出指被控变量有两个，一个是液位，另一个是流量。该系统为本质关联对象，无法实现解耦控制，只能靠反馈构成一般关联控制系统。

4.5均匀控制系统能运用4：1衰减曲线法整定控制器参数吗?为什么?

答：不能。串级均匀控制中的流量副控制器参数整定与普通流量控制器整定差不多，而均匀控制系统的其他几种形式的控制器都需按均匀控制的要求来进行参数整定。整定的主要原则是一个“慢”字，即过渡过程不允许出现明显的振荡，可以采用凭经验整定，看曲线调参数的方法来进行。

4.6简单均匀控制系统与单回路反馈控制系统有些什么相同点与不同点?

答：简单均匀控制系统采用单回路控制系统的结构形式。从系统结构形式上看，它与单回路液位定值控制系统是一样的，但由于它们的控制目的不同，因此在控制器的参数整定上有所不同。通常均匀控制系统的控制器整定在较大的比例度和积分时间上，一般比例度要大于100%，以较弱的控制作用达到均匀控制的目的。

4.7图4.13为一水槽，其液位为L ，进水流量为F，试设计一入口流量与液位双冲量均匀控制系统。画出该系统的结构图，确定该系统中控制阀的开闭形式，控制器的正、反作用以及引入加法器时各信号所取的符号。

答：入口流量与液位双冲量均匀控制系统的结构图如下

IR

进入加法器的信号所取的符号为：IS为负值，IL、IF为正值。

选择控制阀为气开式，当流量或液位、流量和液位增加时，控制阀的开度要减小，此时I0增加，控制器的输入增大，其输出应减小，所以控制器选择反作用。

第五章思考题及习题

5.1前馈控制与反馈控制各有什么特点? 答：(1) 前馈控制克服干扰比反馈控制及时

前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时。基于这个特点，可把前馈控制与反馈控制作如下比较：

(2) 前馈控制属于“开环”控制系统

反馈控制系统是一个“闭环”控制系统，而前馈控制是一个“开环”控制系统。反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制的效果并不通过反馈加以检验，因此前馈控制对被控对象的特性掌握必须比反馈控制清楚，才能得到一个较合适的前馈控制作用。

(3) 前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，

一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的。

(4) 一种前馈控制作用只能克服一种干扰

由于前馈控制作用是按干扰进行工作的，而且整个系统是开环的，因此根据一种干扰设置的前馈控制只能克服这一干扰，而对于其他干扰，由于这个前馈控制器无法感受到，也就无能为力了。而反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰，所以说这一点也是前馈控制系统的一个弱点。

5.2纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用?

答：单纯的前馈往往不能很好地补偿干扰，存在着不少局限性，主要是单纯前馈不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。这样在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而做进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被控变量的影响，势必要设计多个前馈通道，这就增加了投资费用和维护工作量。此外前馈控制模型的精度也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生漂移，必将导致GPD(s)和GPC(s)的变化，因此，一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了解决这一局限性，可以将前馈与反馈结合起来使用，构成所谓前馈-反馈控制系统(FFC-FBC)。

5.3前馈-反馈控制具有哪些优点? 答：，前馈-反馈控制系统的优点在于：

① 由于增加了反馈控制回路，大大简化了原有前馈控制系统。只需对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。

② 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用型模型创造了条件.

③ 负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的自适应能力。

5.4为什么前馈控制器不能采用常规的控制器?

答：通过对前馈控制系统几种典型结构形式的分析可知，前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性。由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形式繁多，所以前馈控制器不能采用常规的控制器。

5.5什么是欠补偿?什么是过补偿?在前馈控制中，怎样的补偿才算合适?

答：Kf对控制过程的影响示于下图中。图中(a)为无前馈作用，(c)为补偿合适，即Kf值适当。如果整定值比此时的Kf值小，则造成欠补偿，如曲线(b)，过大则造成过补偿，如曲线(d)。

动态参数T1、T2值决定了动态补偿的程度，当T1过小或T2过大时，会产生欠补偿现象，未能有效地发挥前馈补偿的功能，控制过程曲线与上图 (b)静态欠补偿的情况是相似的；而当T1过大或T2过小时，则会产生过补偿现象，所得的控制过程甚至较纯粹的反馈控制系统品质还差，控制过程曲线与上图(d)静态补偿的情况是一样的。显然当T1、T2分别接近或等于对象控制通道和干扰通道的时间常数时，过程的控制品质最佳，此时补偿合适，其控制过程曲线类似上图(c)所示静态补偿合适的情况。

5.6如何用对象特性实验数据构成前馈控制器数学模型?

答：相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它，例如：

则

GPD(s)

K2K1

e 2s ，GPC(s) e 1s

T2s 1T1s 1

Gff(s)

GPD(s)Ts 1 fs

Kf1e

GPC(s)T2s 1

式中Kf=K2/K1，静态前馈放大系数。τf=τ2-τ1 上式为带有纯滞后的“超前-滞后”前馈控制模型。 其纯滞后环节按：

近似展开。 当τ

1和τ2差别不大时，为了简化前馈补偿装置，可采用如下简化形式：

e s

1

1 s

1 s2

Gff(s) Kf

T1s 1

T2s 1

此种“超前-滞后”前馈补偿模型已成为目前广泛应用的一种动态前馈补偿模式，在定型的DDZ-Ⅲ型仪表、组装仪表及微型控制机中都有相应的硬件模块。在DCS系统中，也有相应的控制算法。在没有定型仪表情况下，也可用一些常规仪表组合而成，例如用比值器、加法器和一阶惯性环节来实施。

5.7如何用反馈回路来整定前馈静态放大倍数Kf?

答：系统处于反馈系统运行状态。待系统运行稳定后，记下干扰量变送器的输出电流ID0(或风压)和反馈控制器的输出稳定值IC0。然后，对干扰D施加一增量ΔD ，等反馈系统在ΔD作用下被控变量重新回到给定值时，再记下干扰量变送器的输出ID (或风压)及反馈控制器的输出IC (或风压)。则前馈控制器的静态放大系数为：

Kf

IC IC0 IC

ID ID0 ID

5.8如何用前馈回路来整定前馈静态放大倍数Kf?

答：在前馈-反馈系统中将反馈回路断开，使系统处于单纯静态前馈状态下，施加干扰，Kf值由小逐步增大，直到被控变量回到给定值，此时对应的Kf值为最佳整定值。为了使Kf值整定结果准确，应力求工况稳定，减少其他干扰对被控变量的影响.

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