化工仪表及自动化期末复习

5．什么是前馈控制系统？它有什么特点？主要应用于什么场合？ 按扰动变化大小进行控制的系统称前馈控制系统，其主要形式有单 纯前馈和前馈-反馈两种。根据对干扰补偿形式的特点又分为静态前 馈和动态前馈控制。 前馈控制系统的主要特点有：（1）前馈控制比反馈控制及时，并 且不受系统滞后大小的限制；（2）前馈控制属于开环控制；（3） 前馈控制规律与对象特性密切相关；（4）一种前馈作用只能克服 一种干扰。 前馈控制系统应用场合：（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影 响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象；（2）主要干扰是可 测而不可控的变量。所谓可测，是指干扰量可以用检测变送装置将 其在线转化为标准的电信号。所谓不可控，主要是指这些干扰难以 通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中是 经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量， 例负荷量等；（3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时， 控制质量差时，可采用前馈或前馈—反馈控制系统，提高控制质量。
第五章 执行器
一、基本要求：
• （1）掌握流量特性的意义,了解串联管道中阻力比s和并 联管道中分流比x对流量特性的影响。
• （2）初步掌握气动薄膜控制阀的基本结构、主要类型及 使用场合。
• （3）理解气动执行器的气开、气关型式及其选择原则。 • （4）了解电动执行器的基本原理。 二、问题解答 1．气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？
6．什么是分程控制系统？主要应用于什么场合？ 分程控制系统就是一台控制器的输出信号被送往两个或两个以 上的控制阀，每个控制阀都只在控制器按的某段信号内工作。 分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现。 分程控制系统主要应用场合有：（1）用于扩大控制阀的可调范 围，改善控制品质； （2）用于控制两种不同的介质流量，以满足工艺生产要求； （3）用于生产安全的防护措施。 7．什么是多冲量控制系统？主要应用于什么场合？ 所谓多冲量控制系统，是指控制系统中，有多个变量信号，经 过一定运算后，共同控制一个执行器，以使某个被控的工艺变 量有较高的控制质量，多冲量控制系统主要在锅炉的给水系统 中应用广泛。
3．均匀控制系统的目的和特点是什么？ 均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变 量之间能够相互兼顾和协调操作。均匀控制系统的特点是：（1） 不同于常规的定值控制系统，而对被控变量与操纵变量都有平稳 的要求；（2）为解决被控变量与操纵变量都希望平稳这一对矛盾， 只能要求被控变量与操纵变量都渐变。均匀控制通常要求在最大 干扰下，被控变量在上下限内波动，而操纵变量应在一定范围内 平缓渐变。（3）均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。因 为就系统的结构来看，有时象简单控制系统，有时象串级控制系 统。所以要识别控制方案是否起均匀控制作用，应从控制的目的 进行确定。
（2）如果工艺规定冷凝液贮罐中的液位不能过低，以免气态丙 烯由凝液管排出，危及后续设备，则应采用何种控制方案？试画 出其方块图，并确定控制阀的气开、气关型式，控制器的正、反 作用，简述系统的控制过程。
三、例题分析
解：（1）设计一温度与流量的串级控制系统，气丙烯流量（压 力）的波动通过副回路及时得到克服。如塔釜温度升高，则TC输 出减小，FC的输出增加，控制器阀关小，减少丙烯流量，使温度 下降，起到负反馈作用。
二、问题解答
1．什么叫串级控制系统？它有何特点？主要使用在哪些场合？ 利用两个或两个以上控制器串联在一起进行控制，以更好地稳定一 个被控参数的控制系统叫串级控制系统。 串级控制系统具有克服干扰快控制精度高的特点，即：1) 从系统结 构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制 器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。在串级控制系 统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。(2) 在 串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或 生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等 于工艺规定的给定值。(3) 从系统特性来看，串级控制系统由于副 回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制 的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。 应用场合：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、 负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串 级控制系统。 即：（1）时间常数大的对象；（2）滞后较大的对象； （3）干扰变化大的对象；（4）非线性对象；（5）关联参数的对 象。
积分饱和的后果：当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小 的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围，它在某个时刻重新被选 择器选中，取代另一个控制器对系统进行控制时，由于它的输出已到达饱和区， 不在执行器的有效输入范围之内，所以它并不能立即发挥作用，使得控制作用不 及时。
防止积分饱和的方法：(1)限幅法 这种方法是通过一些专门的技术措施对积分 反馈信号加以限制，从而使控制器输出信号被限制在工作信号范围之内。(2)积分 切除法 这种方法是当控制器处于开环工作状态时，将控制器的积分作用切除掉， 这样就不会使控制器输出一直增大到最大值或一直减小到最小值，不会产生积分 饱和。
例1：某乙烯精馏塔的流程图如图所示，该系统中采用2℃的气态 丙烯作为热剂，在再沸器内释放热后呈液态进入冷凝液贮罐，精 馏塔的塔底温度需要恒定。
（1）如果采用改变进入塔底再沸器的热剂流量来控制精馏塔的 塔底温度，试设计一温度控制系统，画出其控制方案图及方块图， 并确定控制阀的气开、气关型式，控制器的正、反作用，简述系 统的控制过程。
式，为“-”作用方向。 这时，操纵变量即流出量Q0增加时，被控变量液位是下降 的，故对象为“-”作用方向。由于控制阀与对象都是“-”作 用方向，为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用的， 即反作用方向的。
2.试比较控制器参数的工程整定的三种方法。
经验法
优点 简单、方便
较简单易掌握
临界比例度法 易判定整定质 量
衰减曲线法
整定质量较高
较准确可靠、 安全
缺点
整定质量不一定高， 花费时间多，对曲线 没有统一的标准，同 一种曲线是由多种因 素组成，不同的人看 法有差异。
对临界比例度小的系 统不适用，在寻找临 界状态时如不小心会 造成事故。
时间常数小的对象， 不易判断，干扰频繁 的系统不便使用。
应用 较广泛，特别是 在对于干扰频繁 的系统更合适。
（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济 性。
3．被控变量选择的原则是什么？ 被控变量的正确选择是关系到系统是否能达到预期控制效果的
重要因素，它的选择的一般原则是： （1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作 状态的重要变量； （2）被控变量应是工艺生产过程经常变化，因而需要频繁加以 控制的指标； （3）被控变量应尽可能选择直接控制指标，当无法获得直接控 制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制 指标有单值对应关系的间接控制指标； （4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量； （5）被控变量应是独立可控的； （6）应考虑工艺的合理性与经济性。
式，为“+”作用方向。 这时，操纵变量即流入量Qi增加时，被控变量液位是上升 的，故对象为“+”作用方向。由于控制阀与对象都是“+” 作用方向，为使系统具有负反馈作用，控制器应选“-”作用 的，即反作用方向的。 （2）当选择流出量Q0为操纵变量时，控制阀安装在流出管 线上，这时，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，所以控制阀选气关形
三、例题分析
1．如图为一液体贮槽，需要对液位加以自动控制。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，分别确定控 制阀的气开、气关形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Q0为操纵变量；
解：分两种情况： （1）当选择流入量Qi为操纵变量时，控制阀安装在流入管 线上，这时，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，所以控制阀选气开形
或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比
较危险的选气关式。
此外，阀门的选择还应考虑其流量特性和阀门的类型。
2．操纵变量选择的原则是什么？ （1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量； （2）操纵变量应对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量， 即控制通道的放大倍数要大一些，时间常数要小一些，纯滞 后要尽量小；
2．什么是控制器积分饱和现象？其产生的原因、危害及防止措施 有哪能？
当一个具有积分作用的控制器处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直 存在，由于积分作用的存在，控制器的输出不断增加或不断减小，一直达到输出 的极限值为止，这种现象称为“积分饱和”。
产生积分饱和的三个条件：一是控制器具有积分作用；二是控制器处于开环工 作状态，其输出没有被送往执行器；三是控制器的输入偏差信号长期存在。
控制阀为气关型。FC为“正”作用，TC为“反”作用。（若控 制阀装在气丙烯管道上，则控制阀为气开型、FC为“负”作用， TC为“反”作用）
方块图:
f2
f1
方案图:
（2）设计一个串级选择性控制系统。其方案图和方块图 如下图所示：
控制阀为气关型。FC为“正”作用，TC为“反”作用，LC为“负”作用。 （若控制阀选气开型。FC为“负”作用，TC为“反”作用，LC为“正”作 用)
4．什么叫比值控制系统？其控制方案有哪些？ 比值控制的目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能 安全、正常的进行。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系 的控制系统，称为比值控制系统。通常为流量比值控制。 其控制方案有：（1）开环比值控制系统：主、副流量均开环；由 于系统开环，该方案对副流量Q2无克服干扰的能力，只适用于副 流量较平稳且比值要求不高的场合。（2）单闭环比值控制系统： 副流量闭环控制，主流量开环控制，适用于主物料在工艺上不允 许进行控制的场合。（3）双闭环比值控制系统：主、副流量均闭 环控制；该系统既实现了比较精确的流量比值控制，又确保了两 物料总量的基本不变；主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允 许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。（4）变比 值控制系统：要求主、副流量的比值能跟随第三变量的需要而加 以调整；存在问题：Q2回路存在非线性，Q1流量减少时，回路增 益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。