第七章 過程控制系統(tǒng)習(xí)題及答案

第七章過程控制控制系統(tǒng)習(xí)題及答案一、填空1.單回路控制系統(tǒng)由傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象組成。2.一個(gè)包含伺服放大器的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)際上是一個(gè)以調(diào)節(jié)器送來的信號為給定值、閥門位置信號為被控參數(shù)的單回路控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)所采用的調(diào)節(jié)規(guī)律是位式調(diào)節(jié)規(guī)律。3.單回路控制器常見的五種控制規(guī)律是位式控制規(guī)律、比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律、比例微分控制規(guī)律及比例積分微分控制規(guī)律。4.當(dāng)對象調(diào)節(jié)通道和測量元件的時(shí)間常數(shù)T0較大，純滯后τ很小，即τ/T0很小時(shí)，應(yīng)用微分作用可以獲得相當(dāng)良好的效果。5.當(dāng)對象調(diào)節(jié)通道時(shí)間常數(shù)T0較小，系統(tǒng)負(fù)荷變化較大時(shí)，為了消除干擾引起的余差，除了比例作用外還應(yīng)采用積分作用。6.串級控制系統(tǒng)有兩個(gè)控制回路。7.串級控制系統(tǒng)的內(nèi)回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其給定值為外回路中的主調(diào)節(jié)器輸出。8.串級控制系統(tǒng)主要用于控制通道時(shí)間常數(shù)太大的被控系統(tǒng)。9.串級控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器一般選擇比例調(diào)節(jié)規(guī)律，最好不采用積分調(diào)節(jié)作用，他會(huì)犧牲副回路的快速性，徹底消除偏差也不是副回路的職責(zé)，微分調(diào)節(jié)作用也是不能采用的，否則一旦主調(diào)節(jié)器的輸出稍有變化就會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度動(dòng)作，加大其磨損。10.串級控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器最好包含積分控制作用，以保證干擾被徹底克服。11.某個(gè)干擾能否用前饋控制系統(tǒng)來克服的前提條件是該干擾信號可測量。12.單純的前饋控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)良好控制效果的前提是能獲得相應(yīng)干擾通道精確的數(shù)學(xué)模型。二、選擇1.串級控制系統(tǒng)的副回路一般采用的調(diào)節(jié)規(guī)律是（A）。（A）比例調(diào)節(jié)規(guī)律（B）比例積分微分（C）比例微分（D）比例積分2.對串級控制系統(tǒng)副回路的要求是（B）。（A）消除穩(wěn)態(tài)誤差（B）快速克服主要干擾（C）消除所有干擾（D）消除主干擾3.單回路控制系統(tǒng)由（A）組成。（A）控制器、執(zhí)行器、變送器和被控對象（B）控制器、執(zhí)行器和變送器（C）輸入、反饋、控制器和執(zhí)行器（D）PID調(diào)節(jié)器、變送器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥三、判斷1.串級控制系統(tǒng)有內(nèi)外兩個(gè)控制回路，主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器、兩個(gè)執(zhí)行器和兩個(gè)被控對象。（×）只有一個(gè)執(zhí)行器，一個(gè)被控對象被分為了主對象和副對象。2.采用一步整定法對串級控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定是考慮到對副變量控制的要求不高，允許它在一定范圍內(nèi)變化這一前提，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副調(diào)節(jié)器一次放好，不再變動(dòng)，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。（√）3.由于串級控制系統(tǒng)副回路具有快速性的特點(diǎn)，所以應(yīng)將所有干擾包含在副回路中，以使干擾被快速克服。（×）如果要將副回路包含所有的干擾，則副回路必然變得冗長而失去其快速性的優(yōu)點(diǎn)，違背了串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則。4.串級控制系統(tǒng)中，副回路的控制目的就是穩(wěn)定副變量。（×）串級控制系統(tǒng)中副回路目的是快速克服進(jìn)入副回路的干擾，穩(wěn)定副變量不是其目的。5.比值控制系統(tǒng)是比例控制系統(tǒng)的另一種說法。（×）比值控制是指對兩種以上物料進(jìn)行流量控制，使之保持一定的比例關(guān)系，而比例控制特指調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)規(guī)律的閉環(huán)控制系統(tǒng)。6.不存在適于所有系統(tǒng)的通用前饋調(diào)節(jié)器。（√）7.本質(zhì)上前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。（√）8.一個(gè)前饋控制系統(tǒng)只能克服一個(gè)干擾。（√）9.前饋控制系統(tǒng)可以用PID調(diào)節(jié)器經(jīng)過整定后得到良好的效果。（×）前饋控制器的數(shù)學(xué)模型與被控系統(tǒng)的干擾通道的數(shù)學(xué)模型有關(guān)，很難用簡單的PID規(guī)律來實(shí)現(xiàn)，更談不上有良好的控制效果。10.均勻控制系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)兩種物料的平均問題。（×）均勻控制系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)兩種物料的平衡、匹配。四、簡答簡述單回路控制系統(tǒng)的基本組成，并繪制其結(jié)構(gòu)框圖。單回路控制系統(tǒng)是由一個(gè)變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)控制器和一個(gè)控制對象構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。繪制單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖并簡述其工作原理。單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，以定值控制系統(tǒng)說明其工作原理。首先系統(tǒng)將給定值同由傳感器、變送器檢測的的被控參數(shù)值（稱為反饋）進(jìn)行比較，獲得偏差。該偏差被送到調(diào)節(jié)器并根據(jù)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)控制輸出，再送到執(zhí)行器，執(zhí)行器根據(jù)控制信號的大小產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作（如調(diào)節(jié)閥閥芯的運(yùn)動(dòng)），時(shí)被控參數(shù)發(fā)生變化。被控參數(shù)發(fā)生變化后系統(tǒng)的偏差就會(huì)發(fā)生變化，控制輸出就會(huì)發(fā)生變化，從而引發(fā)新一輪的被控參數(shù)變化。一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)采用的均是負(fù)反饋，因此，最終偏差會(huì)越來越小，被控參數(shù)會(huì)越來越接近給定值而實(shí)現(xiàn)定值控制。簡述單回路控制器常見的四種調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)。單回路控制系統(tǒng)可采用五種調(diào)節(jié)規(guī)律，即位式、比例、比例積分、比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律。位式調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出為開關(guān)量，通過執(zhí)行器的工作與不工作實(shí)現(xiàn)對象參數(shù)的控制，如由伺服放大器構(gòu)成的閥門位置控制系統(tǒng)采用的就是位式調(diào)節(jié)規(guī)律，通過電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閥門位置的控制。比例調(diào)節(jié)規(guī)律簡單易于實(shí)現(xiàn)，但由比例調(diào)節(jié)規(guī)律構(gòu)成的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合了比例的快速性和積分的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)快速、無穩(wěn)態(tài)誤差，但作用導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，超調(diào)增加振蕩加劇。比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律不僅加強(qiáng)了調(diào)節(jié)系統(tǒng)克服干擾的能力，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也顯著提高。引人微分作用不僅可以把比例度相應(yīng)減小，而且還可以把積分時(shí)間縮短，能夠使系統(tǒng)應(yīng)用縮小的比例度不致產(chǎn)生振蕩，采用較強(qiáng)的積分作用而不會(huì)造成穩(wěn)定性的降低。簡述串級控制系統(tǒng)的組成，并繪制其結(jié)構(gòu)框圖。串級控制系統(tǒng)由主、副反饋（變送器），主、副調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器和主、副對象構(gòu)成，構(gòu)成兩個(gè)小閉環(huán)。其結(jié)構(gòu)框圖為：給定給定副對象主反饋+-主參數(shù)執(zhí)行器副反饋主對象主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器+-副擾動(dòng)主擾動(dòng)簡述串級控制系統(tǒng)的工作原理。串級控制系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路構(gòu)成，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器根據(jù)給定值和主參數(shù)（被控參數(shù)）間的偏差和自身的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，該信號不是直接送給執(zhí)行器，而是送個(gè)副回路作為副回路的給定值。副回路根據(jù)主調(diào)節(jié)器送來的控制輸出信號與副反饋的偏差和自身的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，去控制執(zhí)行器的動(dòng)作，快速克服進(jìn)入副回路的主要干擾，使整個(gè)系統(tǒng)對主要干擾的消除速度得以加快。串級控制系統(tǒng)的副回路是什么控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它跟隨主控制器的輸出。串級控制系統(tǒng)主要用于解決什么問題？主要用于解決控制通道時(shí)間常數(shù)大的問題。簡述串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。（1）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對主變量的定值控制。所以在串級控制系統(tǒng)中，主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路是個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。（2）在串級控制系統(tǒng)中，主變量就是最終的被控參數(shù)，其選擇原則與單回路控制系統(tǒng)相同。（3）在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引人，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)量。（4）由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。串級控制系統(tǒng)主、副回路的確定原則是什么？串級控制系統(tǒng)主、副回路可按如下原則來確定。（1）主、副變量間應(yīng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系，也就是說，在串級系統(tǒng)中，副變量的變化應(yīng)在很大程度上能影響主變量的變化。（2）要使系統(tǒng)的主要干擾被包圍在副回路內(nèi)，利用副回路快速性的特點(diǎn)，盡快將主要干擾克服掉。（3）在保證副變量和主變量間足夠距離的前提下，盡量使副回路包圍更多的干擾，這樣可以充分發(fā)揮副回路的快速抗干擾能力，以提高串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。（4）應(yīng)考慮到主、副對象時(shí)間常數(shù)的匹配。在選擇副變量時(shí)，應(yīng)注意使主、副對象的時(shí)間常數(shù)之比為3~10，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免“共振”。（5）應(yīng)使副回路盡量少包含純滯后，對于含有大純滯后的對象，宜采用串級控制系統(tǒng)，并通過合理選擇副變量將純滯后部分放到主對象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時(shí)克服干擾的影響，將其抑制在最小限度內(nèi)，從而可以使主變量的控制質(zhì)量得到提高。串級控制系統(tǒng)的副回路宜采用什么控制規(guī)律，不宜采用什么控制規(guī)律？為什么？串級控制系統(tǒng)的副回路宜采用比例控制規(guī)律，不宜采用微分控制規(guī)律。在串級控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變量并不是目的。在干擾作用下，為了維持主變量的不變，副變量就要變。所以，在控制過程中，對副變量的要求一般都不很嚴(yán)格，允許它有波動(dòng)。因此，副調(diào)節(jié)器一般采用比例控制規(guī)律。為了能夠快速跟蹤，最好不帶積分作用，因?yàn)榉e分作用會(huì)使跟蹤變得緩慢。副調(diào)節(jié)器的微分作用也是不需要的，因?yàn)楫?dāng)副調(diào)節(jié)器有微分作用時(shí)，一旦主調(diào)節(jié)器輸出稍有變化，就容易引起調(diào)節(jié)閥大幅度地變化，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定是不利的。列舉兩個(gè)比值控制的應(yīng)用場合。爐窯的燃燒控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)饣蛉加团c氧氣的比值控制，保證充分燃燒。調(diào)和油的生產(chǎn)控制，實(shí)現(xiàn)菜籽油、發(fā)生油等的比例控制。簡述開環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。開環(huán)比值控制系統(tǒng)能簡單實(shí)現(xiàn)兩種物料的配比，但如果副物料的流量受到外界干擾時(shí)，這種比例關(guān)系就會(huì)被破壞，因此，比例控制精度不高。簡述單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)主物料和副物料間精確的配比，但若干擾引起主物料的變化時(shí)，將引起系統(tǒng)總物料的變化。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的閉環(huán)部分是什么控制系統(tǒng)?隨動(dòng)控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)主要用來解決什么問題？前饋控制系統(tǒng)主要用于干擾通道較短、控制通道較長且干擾頻繁出現(xiàn)的系統(tǒng)，用于解決對頻繁出現(xiàn)的干擾控制不及時(shí)的問題。采用前饋控制系統(tǒng)的前提是被抑制的干擾必須是可測量的。單純的前饋控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)良好控制效果的前提是什么？有前饋通道準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)。單純的前饋控制系統(tǒng)和前饋-反饋控制系統(tǒng)比，哪個(gè)的控制效果會(huì)更好?為什么?后者更好，前饋控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，它對因其他干擾、前饋干擾通道傳遞函數(shù)的不準(zhǔn)確或變化等引起的輸出變化不具備修正能力。前饋-反饋控制系統(tǒng)引入的反饋，可以解決以上問題。均勻控制系統(tǒng)主要用來解決什么問題?物料的平衡問題。簡單的均勻控制系統(tǒng)一般選用什么控制規(guī)律?不可以用什么調(diào)節(jié)規(guī)律?2簡單的均勻控制系統(tǒng)一般選用比例控制控制規(guī)律，且將比例度選得較大。?不可以用微分調(diào)節(jié)規(guī)律，它不符合均勻控制的目的。五、應(yīng)用1.有一前饋控制系統(tǒng)，已知廣義對象傳遞函數(shù)為G(S)=G0(S)GR(S)=(S+1)/(S+2)(S+3)，其中G0(S)為控制通道的傳遞函數(shù)，GR(S)為控制閥的傳遞函數(shù)，干擾通道的傳遞函數(shù)為GD(S)=5/(S+2)，試求前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)GQ(S)，使其能克服干擾D對輸出的影響。2根據(jù)題述