過(guò)程控制系統(tǒng)第6章-思考題與習(xí)題

第6章思考題與習(xí)題1．基本練習(xí)題（1）與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有什么結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？答：串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)測(cè)量變送器和一個(gè)調(diào)節(jié)器，形成了兩個(gè)閉合回路，其中一個(gè)稱為副回路，一個(gè)稱為主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了顯著的改善。（2）前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？為什么采用前饋-反饋控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)？答：前饋控制的特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制、比反饋控制及時(shí)、可以作為專用調(diào)節(jié)器。反饋控制的特點(diǎn)：屬于閉環(huán)控制、可以抑制干擾對(duì)被控對(duì)象的影響、能夠使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上保證系統(tǒng)的較高控制質(zhì)量。采用前饋－反饋控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)是因?yàn)樵搹?fù)合控制系統(tǒng)一方面利用前饋控制制及時(shí)有效的減少干擾對(duì)被控參數(shù)的影響；另一方面則利用反饋控制使參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而保證系統(tǒng)有較高的控制質(zhì)量。（3）前饋控制系統(tǒng)有哪些典型結(jié)構(gòu)形式？什么是靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋？答：靜態(tài)前饋：是指前饋補(bǔ)償器的靜態(tài)特性，是由干擾通道的靜態(tài)放大系數(shù)和控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)的比值所決定的，它的作用是使被控參數(shù)的靜態(tài)偏差接近或等于零，而不考慮其動(dòng)態(tài)偏差。動(dòng)態(tài)前饋：必須根據(jù)過(guò)程干擾通道和控制通道的動(dòng)態(tài)特性加以確定，鑒于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只有當(dāng)工藝要求控制質(zhì)量特別高時(shí)才需要采用動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償控制方案。（4）單純前饋控制在生產(chǎn)過(guò)程控制中為什么很少采用？答：因?yàn)榍梆伩刂谱霾坏綄?duì)干擾的完全補(bǔ)償：1）前饋控制只能抑制可測(cè)不可控的干擾對(duì)被控參數(shù)的影響。對(duì)不可測(cè)的干擾則無(wú)法實(shí)現(xiàn)前饋控制；2）在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，影響被控參數(shù)變化的干擾因素是很多的，不可能對(duì)每一個(gè)干擾設(shè)計(jì)和應(yīng)用一套前饋補(bǔ)償器；3）前饋補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型是由過(guò)程的動(dòng)特性和決定的，而和的精確模型是很難得到的；即使能夠精確得到，由其確定的補(bǔ)償器在物理上有時(shí)也是很難實(shí)現(xiàn)的。（5）簡(jiǎn)述前饋控制系統(tǒng)的選用原則和前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。答：1）前饋控制系統(tǒng)的選用原則為：a）當(dāng)系統(tǒng)中存在變化頻率高、幅值大、可測(cè)而不可控的干擾、反饋控制又難以克服其影響、工藝生產(chǎn)對(duì)被控參數(shù)的要求又十分嚴(yán)格時(shí)，為了改善和提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，可以考慮引入前饋控制。b）當(dāng)過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)大于干擾通道的時(shí)間常數(shù)、反饋控制不及時(shí)而導(dǎo)致控制質(zhì)量較差時(shí)，可以考慮引入前饋控制，以提高控制質(zhì)量。c）當(dāng)主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或者副回路滯后過(guò)大時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)克服干擾的能力較差時(shí)，可以考慮引人前饋控制以改善控制性能。d）由于動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器的投資通常要高于靜態(tài)前饋補(bǔ)償器。所以，若靜態(tài)前饋補(bǔ)償能夠達(dá)到工藝要求時(shí)，則盡可能采用靜態(tài)前饋補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。2）前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：前饋控制又稱干擾補(bǔ)償控制。它與反饋控制不同，它是依據(jù)引起被控參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這種控制系統(tǒng)中，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)而又能測(cè)出時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器（亦稱前饋補(bǔ)償器）便發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)參數(shù)作相應(yīng)的變化，使調(diào)節(jié)作用與干擾作用及時(shí)抵消于被控參數(shù)產(chǎn)生偏差之前。（6）試分析大純滯后過(guò)程對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。答：由于測(cè)量信號(hào)提供不及時(shí)而產(chǎn)生的純滯后，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)作用不及時(shí)，影響調(diào)節(jié)質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器的調(diào)節(jié)動(dòng)作不能及時(shí)影響調(diào)節(jié)效果。純滯后的存在使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)相頻特性的相角滯后隨頻率增大而增大，導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量下降。若要保證其穩(wěn)定裕量不變，只能減少調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，同樣導(dǎo)致調(diào)節(jié)質(zhì)量的下降。（7）Smith預(yù)估控制方案能否改善或消除過(guò)程大純滯后對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響？為什么？答：可以改善。因?yàn)榻?jīng)過(guò)Smith預(yù)估控制的閉環(huán)特征方程式中已經(jīng)沒(méi)有項(xiàng)，換句話說(shuō)，該系統(tǒng)與大滯后過(guò)程控制系統(tǒng)相比已經(jīng)消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（8）能否將串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路視為放大系數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)？為什么？答：1）可以將串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路視為放大系數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)。2）副回路所起的作用是使副變量根據(jù)主調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行控制，是一隨動(dòng)系統(tǒng)。因此整個(gè)副回路可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來(lái)看。

（9）串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器正、反作用的確定是否只取決于主被控過(guò)程放大系數(shù)的符號(hào)而與其他環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)？為什么？答:1）不對(duì)。2）主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方式選擇的方法是：首先根據(jù)工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式，并決定負(fù)調(diào)節(jié)器的正、反作用；然后根據(jù)主、副過(guò)程的正、反形式最終確定主調(diào)節(jié)器的正反作用形式。（10）試舉例說(shuō)明在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器的正、反作用選錯(cuò)所造成的危害，副調(diào)節(jié)器的正、反作用選錯(cuò)后又會(huì)如何？答：當(dāng)主、副控制器有一個(gè)正反作用方式選錯(cuò)時(shí)，就會(huì)造成系統(tǒng)的主回路或副回路按正反饋控制，當(dāng)被控變量出現(xiàn)偏差時(shí)，系統(tǒng)不僅不向著消除偏差的方向校正，反而使被控變量遠(yuǎn)離給定值。（11）在圖6-1所示加熱爐原油出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，工藝要求一旦發(fā)生重大事故，應(yīng)立即切斷燃料油的供應(yīng)。要求：圖6-1加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)1）畫出控制系統(tǒng)的框圖；2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。答：1）串級(jí)系統(tǒng)方框圖如圖6-2所示：圖6-2加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖副回路選擇加熱爐爐膛溫度控制，消除F1（S）干擾。2）由于發(fā)生重大事故時(shí)立即切斷燃料油的供應(yīng)，從工藝的安全性考慮，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)式，保證無(wú)氣時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。3）主調(diào)節(jié)器選擇PI（或PID）控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。由于燃料增加加熱爐溫度必然增加，所以過(guò)程為正。調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)式為正，主副調(diào)節(jié)器都選擇反作用方式。（12）圖6-3所示為精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝要求一旦發(fā)生事故應(yīng)立即停止蒸汽的供應(yīng)。要求：1）畫出控制系統(tǒng)的框圖；2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。圖6-3溫度、流量串級(jí)控制系統(tǒng)1）控制系統(tǒng)的框圖如圖6-4所示：圖6-4溫度、流量串級(jí)控制系統(tǒng)框圖2）調(diào)節(jié)閥：氣開(kāi)形式；這是因?yàn)楫?dāng)控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥必須關(guān)閉，以使切斷整齊的供應(yīng)，確保設(shè)備的安全。（3）主調(diào)節(jié)器：反作用方式；負(fù)調(diào)節(jié)器：反作用方式。（13）在設(shè)計(jì)某一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律。按4:1衰減曲線法已經(jīng)測(cè)得：，，，請(qǐng)采用兩步整定法求主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。答：根據(jù)題意，運(yùn)用第5章中4:1衰減曲線法計(jì)算公式，計(jì)算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器的比例度為 積分時(shí)間為 微分時(shí)間為副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）的比例度為 （14）已知某串級(jí)控制系統(tǒng)在4:1衰減比的條件下測(cè)得過(guò)程的參數(shù)為，，，，若該系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律。請(qǐng)采用兩步整定法求主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。答：按4∶1衰減比的條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)，由衰減曲線法參數(shù)計(jì)算公式表得：副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)規(guī)律，查表得：==42%主調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，查表得：=0.8=64%，=0.3=3min，=0.1=1min2．綜合練習(xí)題（1）已知某一前饋-反饋控制系統(tǒng)，其過(guò)程控制通道的傳遞函數(shù)為 干擾通道的傳遞函數(shù)為 試寫出前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，并討論其實(shí)現(xiàn)的可行性。答：有已知的：（6-1）要求，分子階次不高于分母階次，這樣才能物理上實(shí)現(xiàn)。（2）在Smith預(yù)估控制方案中存在的主要問(wèn)題是什么？目前有哪些改進(jìn)方案？答：1）從史密斯預(yù)估控制的原理可知，預(yù)估器模型完全取決于被控過(guò)程的特性。如果被控過(guò)程的特性不能精確得到則難以獲得預(yù)期的控制效果。2）目前改進(jìn)方案有：增益自適應(yīng)預(yù)估控制；動(dòng)態(tài)參數(shù)自適應(yīng)預(yù)估控制。（3）一個(gè)帶有Smith預(yù)估器的系統(tǒng)如圖6-5所示，在干擾發(fā)生變化時(shí)，預(yù)估器能否消除大純滯后對(duì)系統(tǒng)的不利影響？為什么？圖6-5史密斯預(yù)估控制實(shí)施框圖答：1）可以。2）因?yàn)槭访芩诡A(yù)估控制的閉環(huán)特征方程式中已沒(méi)有項(xiàng)。換句話說(shuō)，該系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比已消除了純滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（4）在圖6-3所示的溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，如果進(jìn)料流量波動(dòng)較大，試設(shè)計(jì)一個(gè)前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)，已知系統(tǒng)中有關(guān)傳遞函數(shù)為： 試畫出此復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖，并寫出前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，討論其實(shí)現(xiàn)的可能性。答：復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖如圖6-6所示：圖6-6復(fù)合控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：（6-2）實(shí)現(xiàn)的可能性：a）要求>b）分子階次不高于分母階次，這樣才能物理上實(shí)現(xiàn)。（5）已知系統(tǒng)被控過(guò)程的傳遞函數(shù)為 可以求得史密斯預(yù)估控制器的傳遞函數(shù)為 試用MATLAB語(yǔ)言編寫程序，分別對(duì)PID控制系統(tǒng)和帶有史密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，畫出其仿真波形，并比較它們的控制性能。答：主程序clcclearG1=tf(1,conv[51],[51]);tau1=10;[np,dp]=pade(tau1,2);Gp=tf(np,dp);G=G1*Gp;[KTtau]=kttau(G);[Gc4KpTiTd]=cc01(4,[KTtau]);Gcc4=feedback(G*Gc4,1);set(GCC4,'Td',tau1);step(Gcc4,'g');holdon;[y1t]=step(Gcc4);disp('顯示PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)超調(diào)量sigma_1、峰值時(shí)間tp_1、調(diào)節(jié)時(shí)間ts_1');[sigma_1,tp_1,ts_1]=perf(1,y1,t);Gcc5=feedback(G1*Gc4,1);set(Gcc5,'Td',tau1);step(Gcc5,'b');legend('PID','SMITHPID');顯示結(jié)果仿真圖如圖6-7所示：圖6-7系統(tǒng)仿真結(jié)果圖討論控制性能：由仿真圖可知，帶有史密斯預(yù)估計(jì)PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線控制效果明顯比單純的PID控制有明顯的改善，超調(diào)越小，調(diào)節(jié)過(guò)程加速。3．設(shè)計(jì)題（1）已知的帕德一階近似式和帕德二階近似式分別為 和 試用上述二式分別討論史密斯預(yù)估控制的實(shí)現(xiàn)方案。答：1）帕德一階史密斯預(yù)估控制的實(shí)現(xiàn)方案有已知得：（6-3）由此可得預(yù)估器的傳遞函數(shù)式（6-4）（6-4）史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)的實(shí)施框圖如圖6-8所示。圖6-8史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)的實(shí)施框圖2）帕德二階史密斯預(yù)估控制的實(shí)現(xiàn)方案有已知得：（6-5）由此可得預(yù)估器的傳遞函數(shù)為：（6-6）史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)的實(shí)施框圖同帕德一階史密斯預(yù)估控制框圖。（2）某加熱器采用夾套式加熱的方式來(lái)加熱物料。物料溫度要求嚴(yán)格加以控制。夾套通入的是由加熱器加熱后的熱水，而加熱采用的是飽和蒸汽。工藝流程如圖6-9所示。要求：1）如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？2）如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？3）如果冷水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，應(yīng)采用何種控制方案；為什么？ 圖6-9加熱物料工藝流程圖 圖6-10加熱器串級(jí)控制系統(tǒng)答：1）如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾，采用前饋-反饋控制；被控變量為物料出料溫度，控制變量蒸汽流量，前饋信號(hào)為冷水流量。2）如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，采用串級(jí)控制；主被控變量為物料出料溫度，副被控變量為蒸汽流量或壓力，控制變量蒸汽流量。3）如果冷水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，采用前饋-串級(jí)控制；主被控變量為物料出料溫度，副被控變量為蒸汽流量或壓力，控制變量蒸汽流量，前饋信號(hào)為冷水流量。（3）對(duì)于圖6-10所示加熱器串級(jí)控制系統(tǒng)，要求：1）畫出控制系統(tǒng)的方框圖；2）若工藝要求加熱器的溫度不能過(guò)高，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式；4）當(dāng)蒸汽壓力或冷物料流量突然增加時(shí)，分別簡(jiǎn)述控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。答：1）控制系統(tǒng)的方框圖如圖6-11所示：圖6-11控制系統(tǒng)的方框圖2）根據(jù)工藝要求：調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)。3）由工藝可知，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，則容器溫度升高，故為正；為保證副回路為負(fù)反饋，則應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器；當(dāng)容器溫度升高，容器出口熱物料溫度也隨之升高，故也為正；為保證主回路為負(fù)反饋，則應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。4）當(dāng)蒸汽壓力突然增加時(shí)：副回路控制器及時(shí)作用，調(diào)節(jié)副回路調(diào)節(jié)閥，使得閥開(kāi)度減小，從而保證容器出料口溫度保持不變。當(dāng)冷物料流量突然增加時(shí)：主回路控制器輸出變大，即副回路設(shè)定值增大，副回路及時(shí)做出反應(yīng)，使得副回路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，使得容器出口物料溫度得以恒定。（4）圖6-12所示為污水處理過(guò)程示意圖，工藝要求清水池水位需穩(wěn)定在某一高度。其中污水流量經(jīng)常波動(dòng)，是諸多干擾中最主要干擾。試設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，要求：1）畫出控制系統(tǒng)流程圖與方框圖；2）為了保證清水的處理質(zhì)量，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式；3）確定各調(diào)節(jié)器的正、反作用。圖6-12污水處理過(guò)程示意圖答：1）控制系統(tǒng)流程圖如圖6-13所示：圖6-13控制系統(tǒng)流程圖控制系統(tǒng)方框圖如圖6-14所示：圖6-14控制系統(tǒng)方框圖2）為了保證清水的處理質(zhì)量，調(diào)節(jié)閥選用氣關(guān)類型。3）由工藝可知，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，則清水池水位上升，故為正；為保證副回路為負(fù)反饋，則應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器；當(dāng)排放閥開(kāi)度增大時(shí)，清水池水位隨之下降，故也為負(fù)；為保證主回路為負(fù)反饋，則應(yīng)為負(fù)，即為正作