控制系统例题和解答

例 题 和 解 答

【例l】选择题（选择正确的答案，将相应的字母添入题内的括号中。）

1．串级控制系统的特点是两个（ ）控制一个控制阀。其中（ ）的输出作为( )的外给定（ A ） （A）控制器 主控制器 副控制器 （B）控制器 副变送器 副控制器 （C）控制器 主变送器 副变送器 （D）变送器 主控制器 副控制器

2．一分程控制系统调节阀的分程特性如图12-28，试确定两个调节阀的开关形式（ D ） （A）A阀气开式 B阀气关式 （B）A阀气开式 B阀气开式 （C）A阀气关式 B阀气关式 （D）A阀气关式 B阀气开式

3．氨冷器中要求保证冷却器出口温度恒定，防止冷却器中液氨液位过高，使气氨中不夹带液氨进入冷冻机，确保冷冻机安全。设计了如图12-29选择性控制系统，若选低选器、气关式调节阀，试确定两个调节器的正、反作用。（ A ） （A）TC调节器正作用、LC调节器反作用 （B）TC调节器正作用、LC调节器正作用 （C）TC调节器反作用、LC调节器反作用 （D）TC调节器反作用、LC调节器正作用

4．对于选择性控制系统，下列说法哪一个不正确（ B ） （A）选择性控制系统是对生产过程进行安全软限控制。

（B）在生产过程程要发生危险时选择性控制系统可以采取联锁动作，使生产硬性停车。

（C）选择性控制系统可以有两个控制回路，其中一个控制回路工作，另一个控制回路处于开环状态。 （D）选择性控制系统用选择器进行控制。

【例2】什么是分程控制系统?主要应用在什么场合?

答：分程控制系统就是一个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的某段信号范围内工作。 分程控制系统的应用场合主要有：

(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，以满足工艺生产的要求， (3)用作生产安全的防护措施。

【例3】串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定主要有哪两种方法?

答：有两步整定法和一步整定法两种。

按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。

根据经验直接确定副控制器的参数，只需按简单控制系统参数整定的方法来整定主控制器参数的方法称一步整定法。

【例4】某干燥器的流程图如图12-30所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速度，应有较高的干燥温度θ，但θ过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度θ进行严格控制。

（1）如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制阀的气开、气关形式与控制器的正、反作用。 （2）如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制器的正、反作用和控制阀的气开、气关形式。 （3）如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定控制器的正、反作用。

解：（1）应采用干燥温度与蒸汽流量的串级控制系统如图12-31，这时选择蒸汽流量作为副变量。一旦蒸汽压力有所波动，引起蒸汽流量变化，马上由副回路可以及时得到克服，以减少或消除蒸汽压力波动对主变量θ的影响，提高控制质量。 控制阀应选择气开式，这样一旦气源中断，马上关闭蒸汽阀门，以防止干燥器内温度θ过高。

由于蒸汽流量（副被控变量）和干燥温度（主被控变量）升高时，都需要关小控制阀，所以主控制器TC应选“反”作用。 由于副对象特性为“+”（蒸汽流量因阀开大而增加），阀特性也为“+”，故副控制器（蒸汽流量控制器）应为“反”作用。

（2）如果冷水流量波动是主要干扰，应采用干燥温度与冷水流量的串级控制系统。这时选择冷水流量作为副变量，以及时克服冷水流量波动对干燥温度的影响。

控制阀应选择气关式，这样一旦气源中断时，控制阀打开，冷水流量加大，以防止干燥温度过高。

由于冷水流量（副被控变量）增加时，需要关小控制阀；而干燥温度增加时，需要打开控制阀。主、副被控变量增加时，对控制阀的动作方向不一致，所以主控制器TC应选“正”作用。

由于副对象为“+”，阀特性是“－”，故副控制器（冷水流量控制器）应选“正”作用。

（3）如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，由于它们都会影响加热器的热水出口温度，所以这时可选用干燥温度与热水温度的串级控制系统，以干燥温度为主变量，热水温度为副变量。在这个系统中，蒸汽流量与冷水流量都可选作为操纵变量，考虑到蒸汽流量的变化对热水温度影响较大，即静态放大系数较大，所以这里选择蒸汽流量作为操纵变量，构成如图12-31所示的串级控制系统。

由于干燥温度（主变量）和热水温度（副变量）升高时，都要求关小蒸汽阀，所以主控制器（干燥温度控制器）应选用“反”作用。

由于蒸汽流量增加时，热水温度是升高的，副对象特性为“+”，控制阀为气开式，为“+”，故副控制器（热水温度控制器）应选“反”作用。

【例5】某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主被控制变量、气化压力为副被控制变量的温度与压力串级控制系统。现在采用一步整定法整定控制器参数，其整定步骤如下：

（1）本系统中，副被控制变量为压力，该参数反应快，滞后小，比例度可以选大一些，根据本例的情况，选取副控制器的比例度为40%。 （2）将副控制器的比例度 置于40%的刻度上，按4∶1衰减曲线法整定主控制器参数，得到 =30%，TI1=3min。 （3）按4∶1衰减曲线法的经验公式计算主控制器参数，即

副控制器的比例度

【例6】在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制系统，炉温为主被控变量，工艺要求较高，温度最大偏差范围为量为副被控变量，允许在一定范围内变化，要求不高。系统控制器参数采用两步整定法，其过程为

⑴ 在系统设计时，主控制器选用PI控制规律，副控制器选用P控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副控制器均置于纯比例作用，主控制器的比例度

置于100%上，用4：1衰曲线法整定副控制器参数，得

=32%，T

=15s 。

=50%，T

=7min 。

5℃，氨气流

=40%。

⑵ 将副控制器的比例度置于32%上，用相同的方法，将主控制器的比例度由大到小逐渐调节，求得主控制器的 ⑶ 根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式，计算主、副控制器的整定参数为 主控制器（温度控制器）： 比例度

=1.2×

=60% =3.5min

积分时间Ti = 0.5×T

副控制器（流量控制器）： 比例度

=

=32%

⑷ 把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下运行，经实际运行表明，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺要求。

【例7】某串级控制系统采用两步整定法整定控制器参数，测得4∶1衰减过程的参数为：δ1s=8%，T1s=100s；δ2s=40%，T2s=10s。若已知主控制器选用PID规律，副控制器选用P规律。试求主、副控制器的参数值为多少？

解：按简单控制系统中4∶1衰减曲线法整定参数的计算表可计算出主控制器的参数值为：δ1=0.8δ1s =6.4%； T11=0.3 T1s=30s； TD1=0.T1s=10s。

副控制器的参数值为：δ2=δ2s=40%。

思考题与习题

1．串级控制系统通常可用在哪些场合？

2．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统？ 3．串级控制系统中主、副被控变量应如何选择？

4．为什么说串级控制系统由于副回路的存在能提高了系统的控制质量？ 5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律？ 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用？

7．为什么说串级系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关？

8． 试说明串级系统中， 当干扰作用在副环时，只要主、副控制器其中之一有积分作用，就能保证主被控变量无余差。而当干扰作用于主环时，只有主控制器有积分作用时，才能保证主被控变量无余差。

9． 串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定主要有哪两种方法？

10．在设计某加热炉出口温度（主变量）与炉膛温度（副变量）的串级控制方案中，主控制器采用PID控制规律，副控制器采用P控制规律。为了使系统运行在最佳状态，采用两步整定法整定主、副控制器参数，按4∶1衰减曲线法测得：

试求主、副控制器的整定参数值。 11．什么叫比值控制系统？

12．在比值控制系统中，什么是主动物料，什么是从动物料，如何选择？ 13．试画出单闭环比值控制系统图，并说明与串级控制系统的本质区别。 14． 某比值控制系统，已知主动物料

,且

的量程。试求：

从动物料

的量程为

（1）若采用电动Ⅲ型乘法器实现比值关系，求比值系数K和IB之值。 （2）若工艺要求为F1/F2=0.6，则此方案能否实现？如何改进？并求IB之值。 （3）若F1/F2在0.6～2.0范围内变化，如何设计该比值控制系统？ 15．分程控制的目的是什么？分程控制阀的开、关类型有哪几种基本情况？

16． 什么是信号报警系统？何种情况下应设计信号报警系统？信号报警系统如何实施？ 17．何种情况下应设计联锁系统？

18．设置选择性控制系统的目的是什么？可能的选择性控制系统有那些种类？在控制方案中如何表示？

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