1、第二章思考題及習題2.1 與單回路系統相比，串級控制系統有些什么特點?答：串級控制方案具有單回路控制系統的全部功能，而且還具有許多單回路控制系統所沒有的優點。因此，串級控制系統的控制質量一般都比單回路控制系統好。(1) 串級控制系統具有更高的工作頻率；(2) 串級控制系統具有較強的抗干擾能力；(3) 串級控制系統具有一定的自適應能力2.2 為什么說串級控制系統主控制器的正、反作用只取決于主對象放大倍數的符號，而與其他環節無關?答：主控制器的正、反作用要根據主環所包括的各個環節的情況來確定。主環內包括有主控制器、副回路、主對象和主變送器。控制器正、反作用設置正確的副回路可將它視為一放大倍數為“正

2、”的環節來看待。這樣，只要根據主對象與主變送器放大倍數的符號及整個主環開環放大倍數的符號為“負”的要求。即SignG01(s)SignG02(s)SignGm1(s)SignGc1(s)=-1就可以確定主控制器的正、反作用。實際上主變送器放大倍數符號一般情況下都是“正”的，再考慮副回路視為一放大倍數為“正”的環節，因此主控制器的正、反作用實際上只取決于主對象放大倍數的符號。當主對象放大倍數符號為“正”時，主控制器應選“負”作用；反之，當主對象放大倍數符號為“負”時，主控制器應選正作用。2.3 串級控制系統的一步整定法依據是什么?答：一步整定法的依據是：在串級控制系統中一般來說，主變量是工藝的主

3、要操作指標，直接關系到產品的質量，因此對它要求比較嚴格。而副變量的設立主要是為了提高主變量的控制質量，對副變量本身沒有很高的要求，允許它在一定范圍內變化，因此在整定時不必將過多的精力放在副環上，只要主變量達到規定的質量指標要求即可。此外對于一個具體的串級控制系統來說，在一定范圍內主、副控制器的放大倍數是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍數Kc1與Kc1的乘積等于Ks(Ks為主變量呈4：1衰減振蕩時的控制器比例放大倍數)，系統就能產生4：1衰減過程(下面的分析中可以進一步證明)。雖然按照經驗一次放上的副控制器參數不一定合適，但可通過調整主控制器放大倍數來進行補償，結果仍然可使主變量呈4：1

4、衰減。2.4 試證明串級控制系統中，當干擾作用在副環時，只要主、副控制器其中之一有積分作用就能保證主變量無余差。而當干擾作用于主環時，只有主控制器有積分作用時才能保證主變量無余差。答：從串級控制系統結構圖中可以看出：1. 當干擾作用在副環時，副環在干擾下的輸出可如下計算：令并假定f(t)為單位階躍干擾，則F(s)=1/s，運用終值定理可得：如果GC2(s)=Kc2(Tis+1)/ Tis，即含有積分環節，則在上式分子上出現Tis項，y2()=0，即干擾作用下主環也無余差。如果GC2(s) =Kc2，則副環余差為y2()=1/KVKm2Kc2，此余差進入主環，此時將副環等效成一個環節，G02(s

5、) =1/Km2，用與上述副環余差計算一樣的方法計算主環余差，如果主環控制器具有積分作用，y1()=0，反之y1()0。當干擾作用在主環時，副環等效成一個環節，G02(s) =1/Km2，用與上述副環余差計算一樣的方法計算主環余差，如果主環控制器具有積分作用，y1()=0，反之y1()0。2.5 試說明為什么整個副環可視為一放大倍數為正的環節來看待?答：對于副環來說，如果是負反饋系統，其等效環節等效傳遞函數為：當控制器放大倍數遠遠大于1時，則有| Gc2 Gv G02 Gm|>>1，又因為通常各個環節都是無量綱化的，此時Gm =1。則有式(2-1)近似等于+1。2.6 試說明在串級

6、控制系統中主、副控制器之一的正、反作用選錯會造成怎樣的危害?答：串級控制系統屬于反饋控制系統，只有在負反饋的情況下，系統才是穩定的，當系統受到干擾時，其過渡過程將會是衰減的；反之，如果系統是正反饋，那么系統將是不穩定的，一旦遇到干擾作用，過渡過程將會發散。系統不穩定當然是不希望發生的，因此，對于反饋控制系統來說，要使系統能夠穩定地工作，必須要構成負反饋。2.7 圖2.21所示的反應釜內進行的是放熱化學反應，而釜內溫度過高會發生事故，因此采用夾套通冷卻水來進行冷卻，以帶走反應過程中所產生的熱量。由于工藝對該反應過程溫度控制精度要求很高，單回路控制滿足不了要求，需用串級控制。 當冷卻水壓力波動是主

7、要干擾時，應怎樣組成串級?畫出系統結構圖。選擇釜內溫度為主對象，冷卻水流量為副對象，組成串級控制，結構圖如下 當冷卻水入口溫度波動是主要干擾時，應怎樣組成串級?畫出系統結構圖。選擇釜內溫度為主對象，冷卻水入口溫度為副對象，組成串級控制，結構圖如下 對上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開、閉形式及主、副控制器正、反作用。答：從安全角度出發，上述兩種方案均應選擇氣閉式控制閥。副控制器：第一種方案下，當冷卻水流量超過給定值時，其輸入為正值，此時要求閥的開度減小，即控制器輸出增大，所以選正作用。第二種方案下，當入口溫度超過給定值時，其輸入為正值，此時要求閥的開度增加，即控制器輸出減小，所以選負作用。主環

8、控制器：兩種方案下，當冷卻水流量增加時，釜內溫度降低，因此K01為負，應選擇正作用。2.8 圖2.22為一管式爐原油出口溫度與爐膛溫度串級控制系統。要求： 選擇控制閥的開、閉形式。答：根據安全要求，控制閥應選擇氣開式。 確定主、副控制器的正、反作用。副控制器：當爐膛溫度超過給定值時，其輸入為正值，此時要求閥的開度減小，即控制器輸出減小，所以選負作用。主環控制器：當燃料氣流量增加時，釜內溫度升高，因此K01為正，應選擇負作用。 在系統穩定的情況下，如果燃料氣壓力突然升高，結合控制閥開、閉形式及控制器的正、反作用，分析該串級控制系統的工作過程。答：在系統穩定的情況下，如果燃料氣壓力突然升高，此時控

9、制閥的開度還沒有變化，所以燃料氣流量增加，爐膛溫度升高，測量變送的輸出增加，副控制器的輸入為正，副控制器為負作用，輸出減小，控制閥為氣開式，所以開度減小，使燃料氣流量下降。燃料氣流量增加，爐膛溫度升高最終會使原油出口溫度增加，測量變送的輸出增加，主控制器的輸入為正，主控制器為負作用，輸出減小，副控制器的給定值減小，促使副環控制器對燃料氣流量進一步調整。一直到原油出口溫度回到給定值為止，控制閥處在一個新開度上。2.9 某干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來干燥物料。干燥溫度過高會使物料的物性發生變化，這是不允許的，因此要求對干燥溫度進行嚴格控制。夾套通入的是經列管式加熱器加熱后的熱水，而加熱

10、器采用的是飽和蒸汽，流程如圖2.23所示。要求： 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?答：應采用干燥器干燥溫度與冷水流量串級控制系統，因為要將主要干擾冷水流量包圍在副環內。 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?答：應采用干燥器干燥溫度與蒸汽壓力串級控制系統，因為要將主要干擾蒸汽壓力包圍在副環內。 如果冷水流量和蒸汽壓力都經常波動，應采用何種控制方案?為什么?答：應采用干燥器干燥溫度與加熱器出口熱水溫度串級控制系統，副控制器的輸出控制蒸汽、冷水控制閥，副控制器為負作用，蒸汽控制閥為氣開式，冷水控制閥為氣閉式，主控制器為負作用。2.10 某串級控制系統采用兩

11、步法進行整定，測得4：1衰減過程的參數為：1s=8%，2s=42%，T1s =120 s，T2s =8s。若該串級控制系統中主控制器采用PID規律，副控制器采用P規律。試求主、副控制器的參數值應是多少?答：1、副控制器參數：2 =2s =42%2、主控制器參數：1=0.81s=0.8×8%=0.64% T1=0.3 T1s=0.3×120=36s Ti=0.3 T1s=0.1×120=12s第三章思考題及習題3.1比值與比值系數的含義有什么不同?它們之間有什么關系?答：比值K是工藝要求的流量比，定義為從動流量F2與主動流量F1之比，即：K=從動流量/主動流量= F

12、2/ F1比值系數K'是儀表有效信號之比，定義為從動流量F2的有效信號與主動流量F1的有效信號之比。如果用I來表示儀表的測量信號，則有：流量比K與比值系數K'是兩個不同的概念，不能混淆。 比值系數K'的大小與流量比K的值有關，也與變送器的量程有關，與負荷大小無關。 流量與測量信號之間有無非線性關系對計算式有直接影響。線性關系時K'=K(F1max/ F2max)；非線性關系(平方根關系)時K'=K2(F1max/ F2max)2。3.2用除法器進行比值運算時，對輸入信號的安排有什么要求?為什么?答：對于采用除法器實施的比值控制系統，由于除法器的結構，必須

13、使輸入的分母信號大于分子信號。通常把主流量作為分母項，此時K'的范圍是0<K'<1，因此在選擇流量測量儀表量程時，也需滿足F2maxK max F1max 。同時，用除法器作比值計算時，應注意比值系數K'不能在1附近。若比值系數等于1，則比值給定已達最大信號I出=20mA，除法器輸出I0必將等于20mA。在這種情況下，如果出現某種使Fl下降或F2增加的變化，因除法器輸出已飽和，雖然比值K= F2/FlFI增加了，但由于I0不變化，相當于系統的反饋信號不變，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統?它有哪幾種?畫出它們的結構原理圖。答：實現兩

14、個或兩個以上參數符合一定比例關系的控制系統，稱為比值控制系統。比值控制系統類型：（1）開環比值控制系統（2）單閉環比值控制系統（3）雙閉環比值控制系統（4）變比值控制系統（5）串級和比值控制組合的系統3.4用除法器組成比值系統與用乘法器組成比值系統有什么不同之處?答：如果乘法器組成比值系統使用常規儀表實現，可采用比值器、配比器、乘法器、分流器等。至于使用可編程調節器或其他計算機控制來實現，采用乘法運算即可。如果比值K為常數，上述儀表均可應用；若為變數(變比值控制)時，則必須采用乘法器，此時只需將比值設定信號改成第三參數就行了。相除方案無論什么類型的儀表，均采用除法器來實現。而對于使用可編程調節

15、器或其他計算機控制來實現的方案，只要對兩個流量測量信號進行除法運算即可。由于除法器(或除法運算結果)輸出直接代表了兩流量信號的比值，所以可直接對它進行比值指示和報警。這種方案比值很直觀，且比值可直接由控制器進行設定，操作方便。若將比值給定信號改作第三參數，便可實現變比值控制。3.5在用除法器構成的比值控制系統中，除法器的非線性對比值控制有什么影響?答：除法器的放大系數是隨著負荷的減少而增大的，這與采用差壓法測量流量而又不經開方運算時情況正好相反。所以，在一般情況下(過程的特性是基本線性的)，比值系統由于除法器非線性的引入，在小負荷時，系統不易穩定。當然，也有特殊的例外，如過程的特性本身是非線性

16、的(放大系數隨負荷增大而增大)，此時采用除法器組成比值控制系統，除法器的非線性不僅對系統的控制質量無害，反而能起到對過程非線性的補償作用。3.6為什么4：1整定方法不適用于比值控制系統的整定?答：單閉環比值控制系統、雙閉環的副流量回路、變比值回路均為隨動控制系統。對于隨動系統，希望物料能迅速正確地跟隨主物料變化，且不宜有過調，也就是說，要使隨動控制系統達到振蕩與不振蕩的臨界過程，所以4：1整定方法不適用于比值控制系統的整定3.7當比值控制系統通過計算求得比值系數K>1時，能否仍用乘法器組成比值控制?為什么?能否改變一下系統結構，仍用乘法器構成比值控制?答：比值系數K>1時，不能用乘

17、法器組成比值控制，因為對于420mA信號，根據比值控制要求，比值系數K'為：同樣，對于010mA信號儀表則有：K' =10/ I0當I0為最大值20mA、10mA時，上面2式式的最大為1，即K>1時I0將大于20mA或10mA，這是不可能的?？稍诟绷髁炕芈分写胍粋€比例系數為0.5的比值器。作為一個例子，現有一生產工藝要求A、B兩物料比值維持在0.4。已知FAmax=3200kg/h，FBmax=800kg/h，流量采用孔板配差壓變送器進行測量，并在變送器后加了開方器。試分析可否采用乘法器組成比值控制方案?如果一定要用乘法器，在系統結構上應作何處理?答：在變送器后加了開方

18、器，流量與測量信號成線性關系所以不能采用乘法器組成比值控制方案，副流量回路中串入一個比例系數為0.5的比值器，這樣K=0.8<1，可以采用乘法器組成比值控制方案。3.8一比值控制系統用DDZ-型乘法器來進行比值運算(乘法器輸出I，其中I0與I1分別為乘法器的兩個輸入信號)，流量用孔板配差壓變送器來測量，但沒有加開方器，如圖3.24所示。己知F1max=3600kg/h，F2max=2000kg/h，要求：(1) 畫出該比值控制系統方塊圖。答：比值控制系統方塊圖如下(2 )如果要求F1：F2=2：1，應如何設置乘法器的設置值I0?答：沒有加開方器，流量與測量信號成非線性關系，所以K'

19、;=K2(F1max/ F2max)2=0.52×（3600/2000）2=0.81I0=16K'+4=16×0.81+4=16.96mA3.9某化學反應過程要求參與反應的A、B兩物料保持FA：FB=4：2.5的比例，兩物料的最大流量FAmax=625m3/h，FBmax=290m3/h。通過觀察發現A、B兩物料流量因管線壓力波動而經常變化。根據上述情況，要求：設計一個比較合適的比值控制系統。答：采用雙閉環比值控制系統，使主副流量保持穩定，克服因管線壓力波動而經常變化帶來的干擾，并保持比值關系，如下圖所示。計算該比值系統的比值系數K。答：設流量與測量信號成線性關系K

20、'=K(F1max/ F2max)=(2.5/4)×(625/290)=1.35該比值系統中，比值系數應設置于何處?設置值應該是多少(假定采用DDZ-型儀表)?答：該比值系統中，比值系數應設置于135%。設置值應該是1.35選擇該比值控制系統控制閥的開閉形式及控制器的正、反作用。答：選擇兩個控制閥為氣開式，當流量增加時，測量值增加，控制器輸入為正，此時要求閥的開度減小，即控制器輸出下降，所以兩個控制器為反作用。3.10在硝酸生產過程中有一氧化工序，其任務是將氨氧化生成一氧化氮。為了提高氧化率，要求維持氨與氧的比例為2：1。該比值控制系統采用如圖3.25所示的結構形式。已知：F

21、氨max=12000Nm3/h，F氧max=5000Nm3/h。試求比值系數K'=?如果上述比值控制用DDZ-型儀表來實現，比值系數的設置值p0應該是多少?答：流量與測量信號成線性關系K'=K(F1max/ F2max)=(1/2)×(12000/5000)=1.2用DDZ-型儀表來實現，信號為010mA， I0=10K' =10×1.2=12 mA，所以，應在副流量回路中串入一個比例系數為0.5的比值器。3.11有一個比值控制系統如圖3.26所示。圖中K為一系數。若已知K=2，FAmax=300kg/h，FBmax=1000kg/h，試求K'

22、;=？K=?。答：該系統為用比值器組成的方案， K為一系數且K=2，即在副流量上串入了一個放大倍數為2的比值器，副流量信號被放大了2倍，從圖中可以看出此系統為流量比為2的比值控制系統，即K=2 K'=K(F1max/ F2max)=2×(300/1000)=0.6所以K=2、K'=0.63.12一個雙閉環比值控制系統如圖3.27所示。其比值用DDZ-型乘法器來實現。已知F1max=7000kg/h，F2max=4000kg/h。要求：畫出該系統方塊圖。若已知I0=18mA求該比值系統的比值K=?比值系數K=?待該比值系統穩定時，測I1=l0mA，試計算此時I2？答：方

23、框圖如下I0=16K'+4 18=16K'+4K'=0.875K'=K(F1max/ F2max)= K×(7000/4000)=0.875K=0.5比值系統穩定時，測I1=l0mA，由公式得：K'=( I2-4)/(10-4)，I2=l.25mA3.13圖3.28所示為一個用電動儀表來實現的比值控制系統。乘法器的輸入/輸出信號為直流15V，其運算公式為已知：G1max=3600 kg/h，G2max=2000 kg/h。當系統穩定時，測得v1=4V，v2=3V，試計算該比值控制系統的比值系數K'=?，K=? v0=?答：K'=

24、（v2-1）/（v1-1）=2/3=0.67設流量與測量信號成線性關系K'=K(F1max/ F2max)= K (3600/ 2000) =(2/3)K= 0.37根據比值控制要求，乘法器的v1與v1之間應具有下面的關系：v1-1=K'(v0-1)再根據可得：K'=(v0-1)/4v0=4 K'+1=4×0.67+1=3.68 V第四章 思考題及習題4.1均勻控制系統設置的目的是什么?答：均勻控制系統的名稱來自系統所能完成的特殊控制任務，它使前后設備在物料供求上相互均勻、協調，統籌兼顧。4.2均勻控制系統有些什么特點?答：(1) 結構上無特殊性均勻控

25、制是指控制目的而言，而不是由控制系統的結構來決定的。均勻控制系統在結構上元任何特殊性，它可以是一個單回路控制系統，也可以是一個串級控制系統的結構形式，或者是一個雙沖量控制系統的結構形式。(2) 參數應變化，而且應是緩慢地變化因為均勻控制是前后設備物料供求之間的均勻，所以表征這兩個物料的參數都不應為某一固定的數值,兩個參數都變化，且變化比較緩慢。那種試圖把兩個參數都穩定不變的想法是不能實現的。 (3) 參數應限定在允許范圍內變化4.3為什么均勻控制系統的核心問題是控制器參數的整定問題?答：從下圖液位控制系統控制作用不同時液位與流量的響應可看出，同樣一個單回路液位控制系統，由于控制作用強弱不一，它可以是一個單回路液位定值控制系統，如(a)；也可以是一個簡單均勻控制系統，如(b)。因此，均勻控制是指控制目的而言，而不是由控制系統的結構來決定的。均勻控制系統在