个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，因此有时也称为单回路控制系统。

简单控制系统的典型方块图如图7-1所示。

5.试述自动控制系统中常用的控制规律及其特点和应用场合。

答:控制系统中常用的控制规律有比例(P)、比例积分(PI )、比例积分微分(PID)控 制规律。

比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号(给定值与测量值的偏差)成比例。它的特点是控制及时，克服干扰能力强，但在系统负荷变化后，控制结果有余差。这种控制规律适用于对象控制通道滞后较小、负荷变化不大、对控制要求不高的场合。

比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例，而且与输人信号对时间的积分成比例。它的特点是能够消除余差，但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时。这种控制规律适用于对象滞后较小、负荷变化不大、控制结果不允许有余差存在的系统。

比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用，微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。这种控制规律适用于对象容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。

6.为什么要考虑控制器的正、反作用?如何选择?

答:在控制系统中，要正确选择控制器的作用方向.即“正”、“反”作用。选择控制器的正、反作用的目的是使系统中控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在系统中起负反馈的作用。

选择控制器正、反作用的一般步骤是首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器三个环节作用方向组合后为“负”来选择执行器的正、反作用。

7.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的?

答:被控对象的正、反作用方向规定为:当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的;反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。

执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。气开阀为“正”方向;气关阀为“反”方向。

如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器;反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为反作用”控制器。

8.控制器参数整定的任务是什么?工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法?

答:控制器参数整定的任务是:根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数值(包括比例度?、积分时间T1、微分时间TD)，以便使系统能获得好的控制质量。

控制器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。 属于控制器参数的工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。

1.图7-2所示为一蒸汽加热器温度控制系统。

21

(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、被控对象各是什么? (2)该系统可能的干扰有哪些?

(3)该系统的控制通道是指什么? (4)试画出该系统的方块图.

(5)如果被加热物料过热易分解时，试确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 (6)试分析当冷物料的流量突然增加时，系统的控制过程及各信号的变化情况。

解:(1)该系统的被控对象是蒸汽加热器，被控变量是被加热物料的出口温度，操纵变量是加热蒸汽的流量。

(2)该系统可能的干扰有加热蒸汽压力;冷物料的流量及温度;加热器内的传热状况(例结垢状况);环境温度变化等。

(3)该系统的控制通道是指由加热蒸汽流量变化到热物料的温度变化的通道。 (4)方块图如图7-3所示。

(5)由于被加热物料过热易分解，为避免过热，当控制阀上气源中断时，应使阀处于关闭状态，所以控制阀应选气开型式。

由于加热蒸汽流里增加时，被加热物料出口温度是增加的.故该系统中的对象是属于“+”作用方向的。阀是气开型式，也属于“+”作用方向。为使系统具有负反馈作用，控制器应选“一”作用的，即反作用方向的。

(6)当冷物料流量突然增大时，会使物料出口温度T 下降。这时由于温度控制器TC是反作用的，故当侧量值z下降时，控制器的输出信号u上升，即控制阀膜头上的压力上升。由于阀是气开型式的，故阀的开度增加，通过阀的蒸汽流量也相应增加，于是会使物料出口温度上升，起到因物料流量增加而使温度下降相反的作用，故为负反馈作用。所以该系统由于控制作用的结果，能自动克服干扰对被控变量的影响，使被控变量维持在恒定的数值上。

3.试确定图7-5所示系统中控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用(图7-5为一冷却器出口物料温度控制系统，要求物料温度不能太低，否则容易结晶)。

解：由于被冷却物料温度不能太低，当控制阀膜头上气源突然中断时，应使冷剂阀处于关闭状态，以避免大量冷剂流入冷却器，所以应选择气开阀型式。

当冷剂流量增大时，被冷却物料出口温度是下降的。故该对象为“一”作用方向的，而

22

气开阀是“+”作用方向的，为使整个系统能起负反馈作用，故该系统中控制器应选“十”作用的。当出口温度增加时，控制器的输出增加，使控制阀开大，增加冷剂流量，从而自动地使出口温度下降，起到负反馈的作用。

4.图7-6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。 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，所以应选用气开型式控制阀，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“十”作用方向。 由于控制阀与对象都是“十”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用方向。

(2).当选择流出量Q。为操纵变量时，控制阀安装在流出管线上，这时，为防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时。控制阀应处于全开状态，所以应选用气关型式控制阀。为“一”作用方向。

这时，操纵变量即流出量Q。增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“一”作用方向。

以上这两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关型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。

由于选择流次量Q。为操纵变量时，对象与控制阀都是“一”作用方向，为使整个系统具有负反馈作用，应选择反作用方向的控制器。

5.图7-7是锅炉的压力和液位控制系统的示意图。试分别确定两个控制系统中控制阀的 气开、气关型式及控制器的正、反作用。

解：在液位控制系统中，如果从锅炉本身安全角度出发，主要是要保证锅炉水位不能太低，则控制阀应选择气关型，以便当气源中断时，能保证继续供水，防止锅炉烧坏;如果从后续设备〔例汽轮机)安全角度出发。主要是要保证蒸汽的质量，汽中不能带液，那么就要选择气开阀，以便气源中断时，不再供水，以免水位太高。本题假定是属于前者的情况，控制阀选择为气关型，为“一”方向;当供水流量增加时.液位是升高的，对象为“+”方向，故在这种情况下，液位控制器LC应为正作用方向。当控制阀因需要选为气开型时，则液位控制器应选为反作用方向。

在蒸汽压力控制系统中，一般情况下，为了保证气源中断时，能停止燃料供给，以防止烧坏锅炉，故控制阀应选择气开型，为“十”方向;当燃料量增加时，蒸汽压力是增加的，故对象为“+”方向。所以在这种情况下，压力控制器PC应选为反作用方向。

23

6.图7-8为一离心泵出口流量控制系统，试指出该系统中的被控变量、操纵变量、对象各是什么?并说明流量控制器FC正、反作用的选择方法。

解:该系统中的被控对象实质上只是由控制阀到流量检测元件间的一段管道。操纵变量是指流过控制阀的液体流量，被控变量是指由流量检测元件所测量的流量，实际上这时操纵变量与被控变量都是泵的出口流量，因此在这种情况下，对象的作用方向总是“+”的。

由于对象的作用方向为“十”，故流量控制器FC的作用方向就取决于控制阀的气开、气关型式的选择。当控制阀选为气开型时，FC应选为反作用方向;

当控制阀选为气关型时，FC应选为正作用方向。

控制阀的气开、气关型式的选择主要由工艺情况来决定。如果没有特殊要求，那么选择气开或气关阀都可以;如果工艺上有要求，例如后续设备若不允许有停料情况发生，则控制阀应选为气关型。

1.图7一13为一加热炉的温度控制器.原料油在炉中被加热。试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量以及可能出现的干扰是什么?并画出系统的方块图。

答：被控对象为加热炉;被控变量为原料油出口温度;操纵变量为燃料油流量;可能出现的干扰有原料油流量、入口温度、燃料油压力、热值、炉内通风、燃烧状况等。

方块图如图7-17所示。

2.上题中，如原料油不允许过热。试确定控制阀的气关、气开型式的控制器的正、反作用。 答：控制阀为气开型·控制器应为反作用式

3.图7-14为一精馏塔塔釜液位控制系统，如工艺上不允许塔釜液体被抽空，试确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。

答：控制阀为气开型、控制器应为正作用式。

4。图7-15为一反应器温度控制系统示意图。反应器内物料需要加热，但如温度过高，会有爆炸危

24