過程控制系統(tǒng)第6章-思考題與習題

第6章思考題與習題1．基本練習題（1）與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)有什么結構特點？答：串級控制系統(tǒng)在結構上增加了一個測量變送器和一個調(diào)節(jié)器，形成了兩個閉合回路，其中一個稱為副回路，一個稱為主回路。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？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：開環(huán)控制、比反饋控制及時、可以作為專用調(diào)節(jié)器。反饋控制的特點：屬于閉環(huán)控制、可以抑制干擾對被控對象的影響、能夠使被控參數(shù)穩(wěn)定在設定值上保證系統(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)是因為該復合控制系統(tǒng)一方面利用前饋控制制及時有效的減少干擾對被控參數(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)有哪些典型結構形式？什么是靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋？答：靜態(tài)前饋：是指前饋補償器的靜態(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，而不考慮其動態(tài)偏差。動態(tài)前饋：必須根據(jù)過程干擾通道和控制通道的動態(tài)特性加以確定，鑒于動態(tài)補償器的結構復雜，只有當工藝要求控制質(zhì)量特別高時才需要采用動態(tài)前饋補償控制方案。（4）單純前饋控制在生產(chǎn)過程控制中為什么很少采用？答：因為前饋控制做不到對干擾的完全補償：1）前饋控制只能抑制可測不可控的干擾對被控參數(shù)的影響。對不可測的干擾則無法實現(xiàn)前饋控制；2）在實際生產(chǎn)過程中，影響被控參數(shù)變化的干擾因素是很多的，不可能對每一個干擾設計和應用一套前饋補償器；3）前饋補償器的數(shù)學模型是由過程的動特性和決定的，而和的精確模型是很難得到的；即使能夠精確得到，由其確定的補償器在物理上有時也是很難實現(xiàn)的。（5）簡述前饋控制系統(tǒng)的選用原則和前饋控制系統(tǒng)的設計。答：1）前饋控制系統(tǒng)的選用原則為：a）當系統(tǒng)中存在變化頻率高、幅值大、可測而不可控的干擾、反饋控制又難以克服其影響、工藝生產(chǎn)對被控參數(shù)的要求又十分嚴格時，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）當過程控制通道的時間常數(shù)大于干擾通道的時間常數(shù)、反饋控制不及時而導致控制質(zhì)量較差時，可以考慮引入前饋控制，以提高控制質(zhì)量。c）當主要干擾無法用串級控制使其包含于副回路或者副回路滯后過大時，串級控制系統(tǒng)克服干擾的能力較差時，可以考慮引人前饋控制以改善控制性能。d）由于動態(tài)前饋補償器的投資通常要高于靜態(tài)前饋補償器。所以，若靜態(tài)前饋補償能夠達到工藝要求時，則盡可能采用靜態(tài)前饋補償而不采用動態(tài)前饋補償。2）前饋控制系統(tǒng)的設計：前饋控制又稱干擾補償控制。它與反饋控制不同，它是依據(jù)引起被控參數(shù)變化的干擾大小進行調(diào)節(jié)的。在這種控制系統(tǒng)中，當干擾剛剛出現(xiàn)而又能測出時，前饋調(diào)節(jié)器（亦稱前饋補償器）便發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)參數(shù)作相應的變化，使調(diào)節(jié)作用與干擾作用及時抵消于被控參數(shù)產(chǎn)生偏差之前。（6）試分析大純滯后過程對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。答：由于測量信號提供不及時而產(chǎn)生的純滯后，會導致調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)作用不及時，影響調(diào)節(jié)質(zhì)量，還會導致執(zhí)行器的調(diào)節(jié)動作不能及時影響調(diào)節(jié)效果。純滯后的存在使系統(tǒng)的開環(huán)相頻特性的相角滯后隨頻率增大而增大，導致閉環(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)，同樣導致調(diào)節(jié)質(zhì)量的下降。（7）Smith預估控制方案能否改善或消除過程大純滯后對系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響？為什么？答：可以改善。因為經(jīng)過Smith預估控制的閉環(huán)特征方程式中已經(jīng)沒有項，換句話說，該系統(tǒng)與大滯后過程控制系統(tǒng)相比已經(jīng)消除了純滯后對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（8）能否將串級控制系統(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)器輸出進行控制，是一隨動系統(tǒng)。因此整個副回路可視為一放大倍數(shù)為正的環(huán)節(jié)來看。

（9）串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器正、反作用的確定是否只取決于主被控過程放大系數(shù)的符號而與其他環(huán)節(jié)無關？為什么？答:1）不對。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、氣關形式，并決定負調(diào)節(jié)器的正、反作用；然后根據(jù)主、副過程的正、反形式最終確定主調(diào)節(jié)器的正反作用形式。（10）試舉例說明在串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器的正、反作用選錯所造成的危害，副調(diào)節(jié)器的正、反作用選錯后又會如何？答：當主、副控制器有一個正反作用方式選錯時，就會造成系統(tǒng)的主回路或副回路按正反饋控制，當被控變量出現(xiàn)偏差時，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控制系統(tǒng)中，工藝要求一旦發(fā)生重大事故，應立即切斷燃料油的供應。要求：圖6-1加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)1）畫出控制系統(tǒng)的框圖；2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。答：1）串級系統(tǒng)方框圖如圖6-2所示：圖6-2加熱爐溫度串級控制系統(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)生重大事故時立即切斷燃料油的供應，從工藝的安全性考慮，調(diào)節(jié)閥選擇氣開式，保證無氣時調(diào)節(jié)閥關閉。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，所以過程為正。調(diào)節(jié)閥氣開式為正，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控制系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝要求一旦發(fā)生事故應立即停止蒸汽的供應。要求：1）畫出控制系統(tǒng)的框圖；2）確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關型式；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、流量串級控制系統(tǒng)框圖2）調(diào)節(jié)閥：氣開形式；這是因為當控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥必須關閉，以使切斷整齊的供應，確保設備的安全。（3）主調(diào)節(jié)器：反作用方式；負調(diào)節(jié)器：反作用方式。（13）在設計某一個串級控制系統(tǒng)時，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)測得：，，，請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，運用第5章中4:1衰減曲線法計算公式，計算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器的比例度為 積分時間為 微分時間為副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）的比例度為 （14）已知某串級控制系統(tǒng)在4:1衰減比的條件下測得過程的參數(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衰減比的條件下測得的數(shù)據(jù)，由衰減曲線法參數(shù)計算公式表得：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．綜合練習題（1）已知某一前饋-反饋控制系統(tǒng)，其過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，這樣才能物理上實現(xiàn)。（2）在Smith預估控制方案中存在的主要問題是什么？目前有哪些改進方案？答：1）從史密斯預估控制的原理可知，預估器模型完全取決于被控過程的特性。如果被控過程的特性不能精確得到則難以獲得預期的控制效果。2）目前改進方案有：增益自適應預估控制；動態(tài)參數(shù)自適應預估控制。（3）一個帶有Smith預估器的系統(tǒng)如圖6-5所示，在干擾發(fā)生變化時，預估器能否消除大純滯后對系統(tǒng)的不利影響？為什么？圖6-5史密斯預估控制實施框圖答：1）可以。2）因為史密斯預估控制的閉環(huán)特征方程式中已沒有項。換句話說，該系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比已消除了純滯后對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（4）在圖6-3所示的溫度-流量串級控制系統(tǒng)中，如果進料流量波動較大，試設計一個前饋-串級復合控制系統(tǒng)，已知系統(tǒng)中有關傳遞函數(shù)為： 試畫出此復合控制系統(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)，討論其實現(xiàn)的可能性。答：復合控制系統(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，這樣才能物理上實現(xiàn)。（5）已知系統(tǒng)被控過程的傳遞函數(shù)為 可以求得史密斯預估控制器的傳遞函數(shù)為 試用MATLAB語言編寫程序，分別對PID控制系統(tǒng)和帶有史密斯預估器的控制系統(tǒng)進行仿真，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)的階躍響應超調(diào)量sigma_1、峰值時間tp_1、調(diào)節(jié)時間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');顯示結果仿真圖如圖6-7所示：圖6-7系統(tǒng)仿真結果圖討論控制性能：由仿真圖可知，帶有史密斯預估計PID控制系統(tǒng)的階躍響應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)過程加速。3．設計題（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估控制的實現(xiàn)方案。答：1）帕德一階史密斯預估控制的實現(xiàn)方案有已知得：（6-3）由此可得預估器的傳遞函數(shù)式（6-4）（6-4）史密斯預估控制系統(tǒng)的實施框圖如圖6-8所示。圖6-8史密斯預估控制系統(tǒng)的實施框圖2）帕德二階史密斯預估控制的實現(xiàn)方案有已知得：（6-5）由此可得預估器的傳遞函數(shù)為：（6-6）史密斯預估控制系統(tǒng)的實施框圖同帕德一階史密斯預估控制框圖。（2）某加熱器采用夾套式加熱的方式來加熱物料。物料溫度要求嚴格加以控制。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）如果冷水流量波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？2）如果蒸汽壓力波動是主要干擾，應采用何種控制方案？為什么？3）如果冷水流量和蒸汽壓力都經(jīng)常波動，應采用何種控制方案；為什么？ 圖6-9加熱物料工藝流程圖 圖6-10加熱器串級控制系統(tǒng)答：1）如果冷水流量波動是主要干擾，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，前饋信號為冷水流量。2）如果蒸汽壓力波動是主要干擾，采用串級控制；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，采用前饋-串級控制；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，前饋信號為冷水流量。（3）對于圖6-10所示加熱器串級控制系統(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高，試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關型式；3）確定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式；4）當蒸汽壓力或冷物料流量突然增加時，分別簡述控制系統(tǒng)的控制過程。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。3）由工藝可知，當調(diào)節(jié)閥開度增大，則容器溫度升高，故為正；為保證副回路為負反饋，則應為正，即為反作用調(diào)節(jié)器；當容器溫度升高，容器出口熱物料溫度也隨之升高，故也為正；為保證主回路為負反饋，則應為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。4）當蒸汽壓力突然增加時：副回路控制器及時作用，調(diào)節(jié)副回路調(diào)節(jié)閥，使得閥開度減小，從而保證容器出料口溫度保持不變。當冷物料流量突然增加時：主回路控制器輸出變大，即副回路設定值增大，副回路及時做出反應，使得副回路調(diào)節(jié)閥開度增大，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，是諸多干擾中最主要干擾。試設計一個控制系統(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、氣關型式；3）確定各調(diào)節(jié)器的正、反作用。圖6-12污水處理過程示意圖答：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)閥選用氣關類型。3）由工藝可知，當調(diào)節(jié)閥開度增大，則清水池水位上升，故為正；為保證副回路為負反饋，則應為正，即為反作用調(diào)節(jié)器；當排放閥開度增大時，清水池水位隨之下降，故也為負；為保證主回路為負反饋，則應為負，即為正作