险，试确定控制阀的气开、气关型式和控制器的正、反作用。 答.控制阀为气开型、控制器应为反作用式。

第八章

1.什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。

答:串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对主变量的定值控制。

串级控制系统的典型方块图如图8-1所示。

2.串级控制系统有哪些恃点?主要使用在哪些场合? 答:串级控制系统的主要特点为:

(1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统; (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量;

(3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响;

(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。

串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合.

4．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?

答：串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值。而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。

6.如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用?

答：副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为一个负反馈系统的原则来确定的。

主控制器作用方向的选择可按下述方法进行:当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的;反之，则应选“正”作用的。

从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全

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无关。这种情况可以这样来理解:如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，其方块图可以简化为图8-2所示。由图可见，这时副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向;反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。

8.均匀控制系统的目的和特点是什么?

答：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互相兼顾和协调操作。

均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样。不是为了使被控变量保持不变，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。

9．简述均匀控制系统的控制方案。

答：以液位与流量的均匀控制为例，其控制方案有简单均匀控制与串级均匀控制两种。 从结构上来讲，简单均匀控制与一般的液位控制系统一样，串级均匀控制与一般的液位-流量串级控制系统一样。其区别在于均匀控制与一般的控制系统目的不一样。之所以能够使两个变量间的关系得到协调，是通过控制器参数整定来实现的。均匀控制系统中的控制器一般都采用纯比例作用，且比例度很大，必要时才引入少量的积分作用。

10．什么叫比值控制系统?

答：实现两个或两个以上的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系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。

15．什么是前馈控制系统?它有什么特点?

答：按扰动变化大小进行控制的系统称为前馈控制系统。 前馈控制系统的主要特点有:

(1)前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效; (2)前馈控制是属于“开环”控制系统;

(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置; (4)一种前馈作用只能克服一种干扰。

16.前馈控制的主要形式有哪几种?

答：前馈控制的主要形式有单纯的前馈控制(又称简单前馈)和前馈-反馈控制两种。根据对干扰补偿形式的特点，又分静态前馈控制和动态前馈控制。

1.某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度

波动较大，故设置控制系统如图8-6所示。

(1)这是什么类型的控制系统?试画出其方块图，说明其主变量和副变量是什么? (2)选择控制阀的气开、气关型式。 (3)选择控制器的正、反作用。

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(4)如主要干扰是冷却水的温度波动.试简述其控制过程。 (5)如主要干扰是冷却水压力波动，试简述其控制过程，并说明这时可如何改进控制方案，以提高控制质量。

解(1)这是串级控制系统.主变量是釜内温度?1, ,副变量是夹套内温度?2。其方块图如图8-7所示

(2)为了在气源中断时保证冷却水继续供应。以防止釜温过高，故控制阀应采用气关型，为“一”方向。

(3)主控制器T1C的作用方向可以这样来确定:由于主、副变量(?1、?2。)增加时，都要求冷却水的控制阀开大，因此主控制器应为“反”作用。

副控制器T2C的作用方向可按简单(单回路)控制系统的原则来确定。由于冷却水流量增加时，夹套温度?2是下降的，即副对象为“一”方向。已知控制阀为气关型，“一”方向，故副控制器T2C应为“反”作用。

(4)如主要干扰是冷却水的温度波动，整个串级控制系统的工作过程是这样的:设冷却水的温度升高，则夹套内的温度?2升高，由于T2C为反作用，故其输出降低，因而气关型的阀门开大，冷却水流量增加以及时克服冷却水温度变化对夹套温度?2的影响，因而减少以致消除冷却水温度波动对釜内温度?1的影响，提高了控制质量

如这时釜内温度?1由于某些次要干扰(例进料流量、温度的波动)的影响而波动，该系统也能加以克服。设?1升高，则反作用的T1C输出降低，因而使T2C的给定值降低，其输出也降低，于是控制阀开大，冷却水流量增加以使釜内温度?1降低，起到负反馈的控制作用。 （5）如主要干扰是冷却水压力波动，整个串级控制系统的工作过程是这样的:设冷却水压力增加，则流量增加，使夹套温度?2下降，T2C的输出增加，控制阀关小，减少冷却水流量以克服冷却水压力增加对?2的影响。这时为了及时克服冷却水压力波动对其流量的影响，不要等到?2变化才开始控制，可改进原方案，采用釜内温度?1与冷却水流量F的串级控制系统，以进一步提高控制质量.

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4.图8-10所示为一脱乙烷塔塔顶的气液分离器。由脱乙烷塔塔顶出来的气体经冷凝器进入分离器，由分离器出来的气体去加氢反应器。分离器内的压力需要比较稳定，因为它直接影响精馏塔的塔顶压力。为此通过控制出来的气相流量来稳定分离器内的压力，但出来的物料是去加氢反应器的，也需要平稳。所以设计如图8-10所示的压力一流量串级均匀控制系统。试画出该系统的方块图，说明它与一般串级控制系统的异同点。

解：方块图如图8-11所示。

由系统的方块图可以看出，该系统与一般的串级控制系统在结构上是相同的，都是由两个控制器串接工作的，都有两个变量(主变量与副变量)，构成两个闭环系统.

该系统与一般的串级控制系统的差别主要在于控制目的是不相同的。一般串级控制系统的目的是为了稳定主变量，而对副变量没有什么要求，但串级均匀控制系统的目的是为了使主变量和副变量都比较平稳，但不是不变的，只是在允许的范围内缓慢地变化。为了实现这一目的，串级均匀控制系统在控制器的参数整定上不能按4:1(或10： 1)衰减整定.而是:强调一个“慢”字，一般比例度的数值很大，如需要加积分作用时，一般积分时间也很大。

5.上题图8-10所示的串级均匀控制系统中，如已经确定控制阀为气关阀，试确定控制器的正、反作用并简述系统的工作过程。

解：由于主变量压力升高时需要开大控制阀，副变量流量增加时需要关小控制阀，所以主控制器PC应选“正”作用。由于控制阀为气关阀，特性为“一”，副对象特性为“十”(阀开大时流量增加)，所以副控制器FC应选“正”作用。

系统的工作过程是这样的:如果由于某种原因气相流出量增加，则FC的输出也增加(因为FC为正作用)，所以使气关阀开大，流量降低，起着快速稳定副变量的目的。如果由于某种原因使分离器内压力增加，则PC的输出也增加(因为PC是正作用的)。由于PC 的输出就是FC的给定，FC给定增加时，其输出是降低的(因为FC为正作用)，这样一来，控制阀就关小，气相流出量增加，使分离器内的压力下降，起着稳定压力的作用。由于在串级均匀控制系统

中，控制器的参数值整定得很大，控制作用很弱，所以当分离器内的压力波动时，不可能使输出流量有很大的变化来使压力很快回到给定值，而只能使流量缓慢地变化，因此压力也是缓慢变化的，这样就实现均匀控制的目的。

2．图8-32所示为聚合釜温度控制系统。冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问:

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(1)这是一个什么类型的控制系统?试画出它的方块图。

(2)如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开，气关型式。 (3)确定主、副控制器的正、反作用。

(4)简述当冷却水压力变化时的控制过程。

〔5)如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进?

(6)如果选择夹套内的温度作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反作用。

答：(1)是以聚合温度为主变量，冷却水流量为副变量的串级控制系统，方块图见图8-44

(2)气关型.

(3)TC为正作用，FC为正作用。 (4)略。

(5)应采用以聚合温度为主变量，夹套温度为副变量的串级控制系统。 (6)主控制器和副控制器均为“反”作用(方块图略)。

3.图8-33为一精馏塔的塔釜液位与流出流量的串级均匀控制系统。试画出它的方块图，并说明它与一般的串级控制系统的异同点。如果塔釜液体不允许被抽空，试确定控制阀的气开、气关型式及控制器的正、反作用。

答：方块图及异同点略。

控制阀应选气开型;FC为反作用;LC为\正”作用。

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