单回路控制系统详解

一、单回路控制系统1. 画出图示系统的方框图：2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？3. 试确定习题1中控制器的正反作用。

若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。

5. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，若P P T τ的比值一定时，T P 大小对控制质量有什么影响？为什么？6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。

7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。

8. 对图示控制系统采用线性控制阀。

当负荷G 增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 减少时，系统响应震9. 一个简单控制系统中，控制阀口径变化后，对系统质量有何影响？10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。

（1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。

（2）主要扰动为G 1时，量特性。

（3特性。

11.作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例度δ要增加，为什么？12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。

13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即比例度增加，为什么？15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK (临界比例度)，为什么？16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为)1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进行控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知广义对象的传递函数为1)S (T e K P SτP P +-，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。

问：(1)T K /τP 在什么数值范围内(即上、下界)，τP /T P 增加时，这一比值是上升还是下降？(2)K CK 在什么数值范围内(即上、下界)，τP /T P 增加时，K CK 是上升还是下降？18. 一个过程控制系统的对象有较大的容量滞后，而另一系统由于测量点位置造成纯滞后。

若对两个系统均采用微分控制，试问效果如何？19. 某一温度控制系统，采用4:1衰减曲线法进行整定，测得系统的衰减比例度δs=25%，衰减振荡周期Ts=10min ，当控制器采用P 和PI 控制作用时，试求其整定参数值。

20. 有一个过程控制系统(采用DDZ-Ⅲ型仪表)，当广义对象的输入电流（即控制器的输出电流）为14mA 时，其被控温度的测量值为70℃。

当输入电流突然从14mA 增至15mA ，并待被控温度达到稳定时，其测量值为74℃。

设测温仪表的量程为50-100℃。

同时由实验测得广义对象的时间常数T P =3min ，滞后时间τP =1.2min ，试求衰减比为4:1时PI 控制器的整定参数值。

21. 某一个过程控制系统，利用临界比例度法进行控制器的参数整定。

当比例度为12%时，系统出现等幅振荡，其临界振荡周期为180s ，试求采用PID 控制器时的整定参数值。

22. 已知控制系统方块图如下：求：(1)X 作单位跃阶变化时，随动控制系统的余差。

(2)F作单位跃阶变化时，定值控制系统的余差。

（题22图）1一个简单控制系统由那几部分组成？各有什么作用？2举例说明一个简单控制系统，指出在该控制系统中的被控制系统的被控变量、操纵变量和扰动变量。

3常见的过程动态特性的类型有哪几种？可用什么传递函数来近似描述他们的动态特性？9增大过程的增益对控制系统的控制品质指标有什么影响？过程的时间常数是否越小越好？为什么？10某温度控制系统已经正常运行，由于原温度变送器（量程200`300℃）损坏，改用量程为0`500℃的同分度号的温度变送器，控制系统会出现什么现象？应如何解决？13增大积分时间对控制系统的控制品质有什么影响？增大微分时间对控制系统的控制品质有什么影响？14什么是积分饱和现象？举例说明如何防止积分饱和。

15纯比例控制时，比例度与临界比例度之间有什么近似关系？6.1说明一下名词术语的含义：被动对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值、偏差。

答：被控对象——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。

被控变量——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。

操纵变量——受控制器操作的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料或能量。

扰动量——除操作变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

设定值——被控变量的预定值。

偏差——被控变量的设定值与实际值之差。

6.3下列控制系统中，哪些是开环控制，哪些是闭环控制？A．定制控制B．随动控制C．前馈控制D．程序控制答：C——开环控制；A、B、D——闭环控制。

（程序控制的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。

）6.6在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定数值上。

图6-3是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。

被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±1.5）℃。

如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，杜塞管道。

图6-3（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？（２）试画出该控制系统的组成方块图。

答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操作变量为气态丙烯的流量。

（３）该系统的方块图如图6-4所示。

图6-46.7图6-5所示是以反应温度控制系统示意图。

Ａ、Ｂ两种物料进入反映，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。

图中ＴＴ表示温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。

试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？图6-5答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却水流量；干扰为Ａ、Ｂ物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速。

反应器的温度控制系统的方块图如图6-6所示。

图6-66.8乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气装置。

为了降低电石消耗量，提高乙炔的收率，确保生产安全，设计了如图6-7所示温度控制系统。

工艺要求发生器温度控制在（８０±１）℃。

试画出该温度控制系统的方块图，并指出图中的被控对被控变量、操作变量及可能存在的扰动。

图6-7答：乙炔发生器温度控制系统方块图如图6-8所示（图中T、T O分别为乙炔发生器温度及其设定值）。

图6-8被控对象：乙炔发生器；被控变量：乙炔发生器内温度；操纵变量：冷水流量；扰动量：冷水温度、压力；电石进料量、成分等。

6.9图6-9所示为一列管式换热器。

工艺要求出口物料温度保持恒定。

经分析如果保持物料入口流量和蒸汽流量基本恒定，则温度的波动将会减小到工艺允许的误差范围之内。

现分别设计了物料入口流量和蒸汽流量两个控制系统，以保持出口物料温度恒定。

图6-9（1）试画出对出口物料温度的控制系统方块图；（2）指出该系统是开环控制系统还是闭环控制系统，并说明理由。

答：（1）控制系统方块图如图6-10所示。

图6-10（2）控制系统为开环控制系统。

从方块图可以看出，对物料入口流量和蒸汽流量均为闭环控制系统；而对于出口物料温度，未经过测量变送环节反馈到系统输入端，没有形成闭环系统。

6.15 图6-14是一个典型的衰减振荡过程曲线，衰减振荡的品质指标有以下几个：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）。

请分别说明其含义。

图6-14答：（1）最大偏差――是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。

图中A表示最大偏差。

最大偏差描述了被控变量偏离设定值的程度，最大偏差愈大，被控变量偏离设定值就越远，这对于工艺条件要求较高的生产过程是十分不利的。

（2）衰减比――是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。

图中衰减比n＝B:B’。

对于衰减振荡而言，n总是大于1的。

若n接近1，控制系统的过渡过程曲线接近于等幅振荡过程；若n小于1，则为发散振荡过程；n越大，系统越稳定，当n 趋于无穷大时，系统接近非振荡衰减过程。

根据实际操作经验，通常取n＝4～10为宜。

（3）余差――是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。

图中C表示余差。

余差是一个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，一般希望它为0或在一预定的允许范围内。

（4）过渡时间――是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。

从理论上讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。

所以在实际应用时，规定只要被控变量进入新的稳态值的±5％(或±2％)的范围内，且不再越出时为止所经历的时间。

过渡时间短，说明系统恢复稳定快，即使干扰频繁出现，系统也能适应；反之，过渡时间长，说明系统稳定慢，在几个同向扰动作用下，被控变量就会大大偏离设定值而不能满足工艺生产的要求。

一般希望过渡时间愈短愈好。

（5）振荡周期（或频率）――振荡周期是指过渡过程同向波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。

在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比。

一般希望振荡周期短些好。

6.26填空。

（1）根据实践经验的总结发现，除少数无自衡的对象以外，大多数对象均可用_____、_____、_____、_____这4种典型的动态特性来加以近似描述。

（2）为了进一步简化，也可以将所有的对象的动态特性都减化为_____的形式，用传递函数可以表示为_____。

（3）在对象传递函数表达式W(s) 中，K表示对象的_____，T表示对象的_____，表示对象的_____。

答：（1）一阶；二阶；一阶加纯滞后；二阶加纯滞后。

（2）一阶加纯滞后；W（s）＝e-s(3)静态放大系数；时间常数；纯滞后时间。

6.41什么是简单控制系统？试画出简单控制系统的典型方块图。

答：所谓简单控制系统，通常是指由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个调节器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。