《化工自動化及儀表》（本科）階段練習(xí)三答案

1、化工自動化及儀表（本科）階段練習(xí)三答案（第九章）一、簡答題 串級控制系統(tǒng)主要由其結(jié)構(gòu)上的特征而得名。它由主、副兩個控制器串連工作，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出作為執(zhí)行器的輸入并操縱它，以實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。其典型的方框圖如圖1所示:圖1 串級控制系統(tǒng)典型方框圖與簡單控制系統(tǒng)相比，串級控制有如下特點(diǎn)：（1）分級控制 這里將一個控制通道較長的對象分為兩級，把許多擾動在第一級副環(huán)就基本克服掉。剩余的影響及其他方面擾動的綜合影響再由主環(huán)克服。（2）與簡單控制系統(tǒng)組成不同串級控制系統(tǒng)有兩個對象：主、副對象；兩個控制器：主、副控制器；兩個測量變送器：主、副測量變送器；一個執(zhí)行器。

2、而簡單控制系統(tǒng)只有一個控制器、一個對象、一個測量變送環(huán)節(jié)和一個執(zhí)行器。(3)系統(tǒng)工作方式 副環(huán)工作既是隨動又是定值，對于主控制器輸出其設(shè)定值是不確定的，隨時(shí)變化，是隨動系統(tǒng)，而對于進(jìn)入副環(huán)的干擾則是定值控制。主環(huán)工作于定值控制方式，如果把副環(huán)看作一個整體方框，主環(huán)就相當(dāng)于一個簡單控制系統(tǒng)。由于主環(huán)工作在定值控制方式，因此串級控制系統(tǒng)也可認(rèn)為是定值控制系統(tǒng)。4）控制性能 由于引入副環(huán)構(gòu)成了串級控制，與簡單控制系統(tǒng)相比，系統(tǒng)對于擾動反應(yīng)更及時(shí)，克服擾動的速度更快，能有效地克服系統(tǒng)滯后，改善控制精度和提高控制質(zhì)量。3、副被控變量的選擇必須保證它是操縱變量到主被控變量這個控制通道中的一個適當(dāng)?shù)闹虚g變量

3、。這是串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。此外，還需考慮如下幾點(diǎn)：（1） 使主要擾動作用在副環(huán)上，這樣才能充分發(fā)揮副環(huán)響應(yīng)快速的特性，更快更好地克服擾動。（2）使副對象包含適當(dāng)多的干擾這實(shí)際上是副被控變量的選擇問題。副被控變量越靠近主被控變量，它包含的擾動越多，但通道變長，滯后增加；副被控變量越靠近操縱變量，所包含干擾越少，通道越短。因此，要選擇適當(dāng)位置，使副對象在包含主要擾動的同時(shí)，能包含適當(dāng)多的擾動，從而使副環(huán)的控制作用得以更好地發(fā)揮。（3）主、副對象時(shí)間常數(shù)不能太接近4、（1）本系統(tǒng)是串級控制系統(tǒng)，其方框圖如圖2所示。圖2 串級控制系統(tǒng)方框圖（2）因?yàn)榉磻?yīng)器溫度不能過高，控制閥在氣源中斷時(shí)應(yīng)該是全開

4、的，因此選用氣關(guān)閥。（3）先確定副控制器。因?yàn)楦睂ο笫钦饔?，控制閥是反作用，為了保證副環(huán)是負(fù)反饋，副控制器選用正作用。 再確定主控制器，把整個副環(huán)看作是一個正作用環(huán)節(jié)，主對象為反作用，為了保證主環(huán)為負(fù)反饋，主控制器采用正作用。（4）從副環(huán)來看，當(dāng)冷卻水壓力升高時(shí)，冷卻水的流量增加，由于副控制器是正作用，其輸出增加；又由于控制閥是氣關(guān)閥，故其開度減小，因此冷卻水流量減小，從而及時(shí)克服由于壓力升高引起的流量增加，使冷卻水壓力的波動幾乎不影響到反應(yīng)器溫度。從主環(huán)來看，若副環(huán)對冷卻水壓力的波動不能完全克服，而使反應(yīng)器溫度有微小降低。這時(shí)，由于主控制器是正作用控制器，其輸出減小，即副控制器的設(shè)定值減小

5、，相當(dāng)于副控制器的測量值增加，所以其輸出增加，控制閥開度減小，冷卻水流量減小，使反應(yīng)器溫度升高，這樣，主環(huán)和副環(huán)同時(shí)作用，很及時(shí)地克服了壓力波動的影響。5、均勻控制系統(tǒng)的目的是為了解決前后工序供求矛盾，從而使得兩個變量之間能夠互相兼顧并協(xié)調(diào)操作。均勻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是使前后互相矛盾的兩個變量都在允許的范圍內(nèi)緩慢地變化，而不像氣體控制系統(tǒng)那樣要求被控變量保持不變。6、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)無主對象、主控制器。并且從動量不會影響主動量。串級控制系統(tǒng)中，副變量是操縱變量到被控變量之間總對象的一個中間變量，該變量是主對象的輸入，通過改變副被控變量來調(diào)節(jié)主被控變量。串級控制的

6、副環(huán)與比值控制系統(tǒng)的從動量控制子系統(tǒng)都是隨動控制系統(tǒng)。圖3 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖7、分程控制的應(yīng)用場合包括：提高控制閥的可調(diào)比交替使用不同的控制方式的場合滿足生產(chǎn)過程不同階段的需要8、選擇性控制系統(tǒng)包括：（1）開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng)這類選擇性控制系統(tǒng)的控制閥在從正常工況向非正常工況切換時(shí)不是全開就是全關(guān)。因此其應(yīng)用受到限制（2）連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng) 這類選擇性控制系統(tǒng)的控制閥在從正常工況向非正常工況切換時(shí)開度是連續(xù)變化的。（3）混合型選擇性控制系統(tǒng) 這類選擇性控制系統(tǒng)具有前兩種選擇性控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，適用范圍廣。9、所謂生產(chǎn)過程軟保護(hù)措施，就是當(dāng)生產(chǎn)短期處于不正常情況時(shí)，無須像硬保護(hù)措施那樣硬

7、性使設(shè)備停車，而是經(jīng)過一個特定設(shè)計(jì)的自動選擇性控制系統(tǒng)，以適當(dāng)改變控制方式來達(dá)到自動保護(hù)生產(chǎn)的目的。這樣就可以減少由于停車造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。10、軟測量的基本思想是把自動控制理論與過程知識有機(jī)結(jié)合起來，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對于難于測量的重要變量（主導(dǎo)變量），選擇另外一些容易測量的變量（輔助變量），通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷和估計(jì)，以代替硬件測量分析儀表的功能。這類方法具有響應(yīng)迅速、連續(xù)給出主導(dǎo)變量、投資低等特點(diǎn)。軟測量結(jié)構(gòu)如圖4所示。軟測量技術(shù)包括輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集和處理、軟測量建模和在線校正等。 圖4 軟測量結(jié)構(gòu)圖11、通常的PID控制，是根據(jù)過程當(dāng)前的和過去的輸出測量值和設(shè)定值的偏差來確定當(dāng)前的控制輸入，而預(yù)測控制不但利用當(dāng)前的和過去的偏差值，而且還利用預(yù)測模型來預(yù)估過程未來的偏差值，以滾動優(yōu)化確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略，因此，從基本思想上說預(yù)