,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制系统组成及性能指标,答案：被控对象：压力罐。被控变量：储罐内的压力。操纵变量：进料流量。扰动变量：进料压力，出料流量，等。,题1,：如图所示是一压力自动控制系统。试指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量，画出该系统的方框图。,控制系统组成及性能指标答案：被控对象：压力罐。被控变量：储罐,1,题2,：对于如图所示的加热炉温度控制系统，试,(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量;,(2)画出该系统的方块图,控制系统组成及性能指标（续）,答案：被控对象：加热炉。被控变量：原料出口温度。操纵变量：燃料流量。扰动变量：进料流量、温度，燃料温度、压力、成分，等。,题2：对于如图所示的加热炉温度控制系统，试控制系统组成及性能,2,控制系统组成及性能指标（续）,A,B,被控对象：反映器。被控变量：反应器内的温度（反应温度）。操纵变量：冷却水流量。干扰：冷却水压力、温度变化，A、B物料的流量、温度变化，等。,若进料温度升高，反应器内的温度超过温度给定值时，即偏差小于0，TC要发挥控制作用使反应温度下降，即控制器输出使冷却水调节阀开度大些，使更多的冷却水进入夹套，从而移走多余热量使反应器内温度降下来。,题3,：如图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控变量影响的？,控制系统组成及性能指标（续）AB被控对象：反映器。被控变量：,3,过程动态特性及建模,题1,：如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2、Q3，液位h为被控参数，A为截面积，并设R1、R2、R3均为线性液阻。要求：,列写过程的微分方程组；,画出过程的方框图；,求过程的传递函数,Q,2,h,R,1,R,3,R,2,Q,3,Q,1,过程动态特性及建模 题1：如图所示液位过程的输入量为Q1，流,4,过程动态特性及建模（续）,题2,：,(1)列写过程微分方程组;,(2)画出方框图;,(3)求传递函数,过程动态特性及建模（续）题2：,5,过程动态特性及建模（续）,物料平衡方程:,将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程,过程动态特性及建模（续）物料平衡方程:将流量方程代入物料平衡,6,过程动态特性及建模（续）,由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.,过程动态特性及建模（续）由以上传递函数方程,可画出相应的方框,7,过程动态特性及建模（续）,过程动态特性及建模（续）,8,过程动态特性及建模（续）,利用方框图等效变换;,直接用传递函数计算公式;,通过求解传递函数方程组,.,过程动态特性及建模（续）利用方框图等效变换;,9,过程动态特性及建模（续）,题3,：有一水槽，其截面积F为0.5m,2,。流出侧阀门阻力实验结果为：当水位H变化20cm时，流出量变化为1000cm,3,/s。试求流出侧阀门阻力R，并计算该水槽的时间常数T。,答案：,过程动态特性及建模（续）题3：有一水槽，其截面积F为0.5m,10,过程动态特性及建模（续）,如图所示为蒸汽加热器控制系统，若被控对象控制通道的传递函数为,控制器TC,的传递函数为,调节阀的传递函数为,测量变送环节的传递函数为,因生产需要，出口物料的设定温度从80,提高到85,时，物料出口温度的稳态变化量,为多少？系统的余差为多少？,过程动态特性及建模（续）如图所示为蒸汽加热器控制系统，若被控,11,过程动态特性及建模（续）,解：系统的闭环函数为：,由此可知该系统为一阶滞后环节，静态放大系数为5/9,当输入变化量为5,时，其输出稳态变化量,。系统的余差约为,。,过程动态特性及建模（续）解：系统的闭环函数为：由此可知该系统,12,测量变送器和执行器与控制器 -,控制阀流量特性选择,热平衡方程:,控制通道静态增益:,主要扰动为T1时，如何选择控制阀流量特性；,主要扰动为G1时，如何选择阀的流量特性；,设定值变化时，如何选择阀的流量特性。（提示：首先应求取对象静态增益与主要扰动的关系）,且要求,若主要扰动为T1，因Kp为常数，所以Kv为常数，即应选择直线流量特性的阀。,若主要扰动为G1，因 ，所以 ，即应选择等百分比阀。,设定值变化时，因Kp为常数，所以Kv为常数，即应选择直线流量特性的阀。,测量变送器和执行器与控制器 -控制阀流量特性选择,13,测量变送器和执行器与控制器（续）,题1,：定值控制系统的过渡过程有几种形式？工程上一般要求为哪种过渡过程形式？随动系统一般要求为哪种过渡过程形式？,答：五种，分别是：非周期发散过程、非周期衰减过程、发散振荡过程、等幅振荡过程、衰减振荡过程等。,工程上一般要求为衰减振荡的过渡过程形式。随动系统一般要求为单调过程。,题2,：一生产过程，被控对象为一阶特性，控制器为纯比例控制器，控制中还是发生了衰减振荡过程？为什么？,答：这是因为系统中还有控制阀和变送环节，如果它们的时间常数不可忽略的话，系统为二阶系统，故控制中还是会发生衰减振荡过程。,测量变送器和执行器与控制器（续）题1：定值控制系统的过渡过程,14,测量变送器和执行器与控制器（续）,题3,：一个系统的对象有容量滞后，另一个系统由于测量点位置造成纯滞后，如分别采用微分作用克服滞后，效果如何？,答：微分作用的控制器，其输出的控制信号p与输入的偏差e的变化速度成正比，即，式中为微分时间。当对象具有容量滞后时，系统在外界扰动作用下，被控变量马上有变化，在给定值不变的情况下，控制器的输入偏差e就有一定的变化速度，因此控制器的输出就能马上变化，及时克服扰动对被控变量的影响。所以对于具有容量滞后的对象，增加微分作用能够克服滞后，提高控制质量。,对于由于测量点位置造成纯滞后的对象，在扰动作用下，尽管被控变量可能立即会变化，但由于测量点位置造成纯滞后，送往控制器的被控变量测量值不可能立即变化，必须等待一个纯滞后时间后，控制器的输入偏差信号才可能变化。在纯滞后这段时间内，微分作用的控制器是不可能有输出，亦即不起作用，所以微分作用对于克服纯滞后对控制质量的影响是无能为力的。,测量变送器和执行器与控制器（续）题3：一个系统的对象有容量滞,15,测量变送器和执行器与控制器（续）,题4,：PID控制器的时间域算式中有一偏置u0，而在复频域（即在传递函数形式）算式中却没有这一项，这是为什么？u0的物理含义是什么？u0的具体取值是怎样取得的？,答案：传递函数表达的是系统在稳定点附近变化时的情况，平衡点的情况不考虑。u0表示系统初始输出值。,题5,增大测量变送环节的时间常数Tm，对实际被控变量的控制质量有何影响？对指示记录曲线又有何影响？两者是否一致，为什么？,给控制质量带来不利的影响，变送环节的时间常数增加（控制器参数不变的情况下）使得控制器不能够及时的得到被控参数的实际值，造成实际参数波动过大。,从记录仪上的记录曲线来看，由于检测的响应速度慢，则曲线波动不大，表面的现象是控制效果还不错。实际不然，理由同上。,测量变送器和执行器与控制器（续）题4：PID控制器的时间域算,16,控制器的“正反作用”选择,问题:,如何选择控制阀的 “气开气关”？,如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？,答：控制阀为气开型，控制器应为反作用式,控制器的“正反作用”选择问题:答：控制阀为气开型，控制器应为,17,控制器的“正反作用”选择（续）,精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，,P,v,为调节阀阀前压力。,（1）,为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？,（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并,画出该系统完整的方框图（尽可能在图上表明相应的信号）。,控制器的“正反作用”选择（续）精馏塔提馏段温度控制系统如图所,18,控制器的“正反作用”选择（续）,如图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。,（1）选择流入量Qi为操纵变量；,（2）选择流出量Qo为操纵变量。,Q,i,Q,o,答：（1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开阀，为正作用方向。控制器应选择反作用方向。,（2）当选择流出量Qo为操纵变量时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关阀，为反作用方向。控制器应选择反作用方向,以上两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关形式的选择及对象的作用方向都与操纵变量的选择是有关的。,控制器的“正反作用”选择（续）如图为贮槽液位控制系统，为安全,19,串级控制系统,题1,在一个串级控制系统中，原来选用口径为20mm的气开阀，后来改为口径为32mm的气关阀。,问：主、副控制器的正反作用要否改变？为什么？,副控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？,主控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？,副控制器正反作用改变，主控制器的不变。,比例度适当变大，因为阀的增益变大了，系统稳定性变差了；积分时间要适当变大。,主控制器的比例度和积分时间适当变大，因为副回路等效环节的放大倍数增大；时间常数变小，为维持原系统的稳定性不变，要做上述修改。,把副回路看做等效为1：1的环节也可不做修改,串级控制系统题1 在一个串级控制系统中，原来选用口径为20,20,串级控制系统（续）,题2,在一个串级控制系统中，主变量是温度，温度变送器量程原为0200,，后改为80 120。,问：副控制器比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？,主控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？,副控制器可以不改变，因为副控制器的作用主要局限在副回路，对主回路的广义对象特性特性变化不敏感。,主控制器比例度和积分时间要改变。比例度变大、或积分时间变大。因为在维持稳定性不变的前提下，要保持控制器的增益和广义对象的增益乘积为恒定。也可以比例度不动，增大积分时间。,串级控制系统（续）题2 在一个串级控制系统中，主变量是温度，,21,串级控制系统（续）,题3,表示了两个动态过程方块图,为了改善闭环品质（F2扰动时），哪一个过程应该采用串级控制？为什么？,对应该采用串级控制的系统，试画出相应的方块图假设。,答案：应该选择（B）过程，因为在（A）图中主副变量特性接近，构成串级意义不大。,串级控制系统（续）题3 表示了两个动态过程方块图答案：应,22,串级控制系统（续）,串级系统图,串级控制系统（续）串级系统图,23,串级控制系统（续）,题4,如图所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。,（1）当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。,-,釜温变送器,反应釜,阀后水压变送器,1,阀后压力控制器,釜温控制器,控制阀,夹套,釜温设定值,-,串级控制系统（续）题4 如图所示的反应釜内进行的是放热化学反,24,串级控制系统（续）,（2）当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级？画出系统结构图。,釜温控制器,夹套水温控制器,控制阀,夹套,反应釜,夹套温度变送器,反应温度变送器,串级控制系统（续）（2）当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应,25,串级控制系统（续）,题5,简述串级控制与串级均匀控制的异同点。,答：相同点：结构形式一样。具有副回路，能迅速克服进入副回路的干扰。,不同点：控制目的不同。串级控制是提高被控变量的控制质量，使被控变量迅速回到给定值；而串级均匀控