单回路控制

一、单回路控制系统

1一个简单控制系统由那几部分组成？各有什么作用？

2什么是简单控制系统？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。

简单控制系统的典型方块图如下图所示。

题2 方块图

3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。下图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。

题3 图丙烯冷却器

（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：

题3 方块图

4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？

题4图反应器温度控制系统

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：

题4方块图

5 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。

题5图乙炔发生器

答：乙炔发生器温度控制系统方块图如下图所示（图中T、T O分别为乙炔发生器温度及其设定值）。

题5 方块图

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。

题6图

（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）控制系统方块图如下图所示。

题6方块图

（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。

7. 画出图示系统的方框图：

8. 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？

9. 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。

10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？

11. 已知广义对象的传递函数为1)

S (T e K P S

τP 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？

1. 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。

2. 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？

3. 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？

4. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。

5. 对图示控制系统采用线性控制阀。当负荷G 1增加后，系统的响应趋于非周期函数，而G 1减少时，系统响应震荡加剧，试分析其原因，并设法解决之。

6. 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，（2）主要扰动为G1时，（3）设定值变化时，选择控制阀的流量特性。

1. 试确定习题7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

2 图中，还是反作用方式？

(a) (b)

(c) (d)

题2图 答： (a)――正作用；(b) ――反作用；(c) ――正作用；(d) ――反作用；

3 图中的液面调节回路，工艺要求故障情况下送出的气体中也不许带有液体。试选取调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用，再简单说明这一调节回路的工作过程。

答：因工艺要求故障情况下送出的气体不许带液，故当气源压力为零时，阀门应打开，所以调节阀是气关式。当液位升高时，要求调节阀开度增大，由于所选取的是气关调节阀，故要求调节阀输出减少，调节器是反作用。

其工作过程如下：液位↑→液位变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↑→液体输出↑→液位↓。

题3图

4图示为加热炉温度控制系统。根据工艺要求，出现故障时炉子应当熄火。试说明调节阀的气开、气关型式，调节器的正、反作用方式，并简述控制系统的动作过程。

题4图

答：故障情况下气源压力为零，应切断燃料，以确保炉子熄火。故要求调节阀为气开式，气源中断时关闭。

当炉温增高时，要求燃料量减少，即减小调节阀开度。由于是气开阀，所以要求调节器输出减小，应选用反作用调节器。

控制系统的动作过程为：

进料↓→温度↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料量↓→炉温↓。反之，由于各种原因引起炉温↓→调节器输出↑→调节阀开度↑→燃料量↑→炉温↑。

5请判定图示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。

题5图

（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；

（2）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；

（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；

（4）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化水时。

答：（1）气关调节阀，正作用调节器；

（2）气开调节阀，反作用调节器；

（3）气开调节阀，正作用调节器；

（4）气关调节阀，反作用调节器。

6图为一蒸汽加热器，它的主要作用是对工艺介质加热，要求此介质出口温度恒定。

（1）选择被控变量和控制变量，组成调节回路，并画出方块图。

（2）决定调节阀的气开、气关型式和调节器的正反作用。

（3）当被加热的流体为热敏介质时，应选择怎样的调节方案为好？

题6图

答：（1）被控变量：流体出口温度，控制变量（操纵变量）：蒸汽流量。方块图：

（2）对于非热敏介质或易结晶介质，调节阀应选气关式，调节器的作用方向应是正作用。（3）对于热敏介质，为防止局部过热而气化，调节参数不宜为蒸汽而选冷凝水为好。即将调节阀装于冷凝水管线上。

7图为一液体储槽，需要对液位加以自动控制。为安全起见，储槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的气开、气关型式及调节器的正、反作用。

题7图

（1）选择流入量Qi为操纵变量；

（2）选择流出量Qo为操纵变量。

答：(1)当选择流入量Qi为操纵变量时，调节阀安装在流入管线上，这时，为了防止液体溢出，在调节阀膜头上气源突然中断时，调节阀应处于关闭状态，所以应选用气开型式调节阀，调节器应选择反作用方向；

(2)当选择流出量Qo为操纵变量时，调节阀安装在流出管线上，这时，为了防止液体溢出，在调节阀膜头上气源突然中断时，调节阀应处于全开状态，所以应选用气关型式调节阀，反作用方向的调节器。

8 有一冷却器，以冷却水作为冷剂来冷却物料温度，现选择冷却水流量为操纵变量，物料出口温度被控变量。试确定在下述3种情况下的调节阀气开、气关型式和调节器的正、反作用。（1）被冷却物料温度不能太高，否则对后续生产不利；

（2）被冷却物料温度不能太低，否则易凝结；

（3）冷却器置于室外，而该地区冬季温度最低达0℃以下。

答：(1)应选气关型调节阀、反作用式调节器；

(2)应选气开型调节阀、正作用式调节器；

(3)应选气关型调节阀、反作用式调节器；

整定

1调节器参数整定的任务是什么？工程上常用的调节器参数整定有哪几种方法？

答：调节器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定调节器的最佳参数值（包括比例度δ、积分时间Ti、微分时间Td），以便使系统能获得好的调节质量。

调节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。

属于调节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。

2什么是临界比例度法？有何特点？

答：临界比例度法是在纯比例运行下通过试验，得到临界比例度δk和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系，求出调节器各参数值。

这种方法比较简单，易于掌握和判断，适用于一般的控制系统。但是不适用于临界比例度小的系统和不允许产生等幅振荡的系统，否则易影响生产的正常进行或造成事故。

3什么是衰减曲线法？有何特点？

答：衰减曲线法是在纯比例运行下，通过使系统产生衰减振荡，得到衰减比例度δs和衰减周期Ts（或上升时间T升），然后根据经验总结出来的关系求出调节器各参数值。

这种方法比较简便，整定质量高，整定过程安全可靠，应用广泛，但对于干扰频繁、记录曲线不规则的系统难于应用。

4选择。

某控制系统采用比例积分作用调节器。某人用先比例后加积分的凑试法来整定调节器的参数。若比例带的数值已基本合适，在加入积分作用的过程中，则（）。

A.应适当减小比例带；

B.应适当增加比例带；

C.无需改变比例带。

答：B。

因为随着积分作用的增强，系统过渡过程的振荡将加剧，所以为了使系统得到与用纯比例作用相同的衰减比或达到同样的调节质量，应适当增加调节器的比例带。这就相当于减少了放大倍数。对二阶系统将会使衰减系数增大。

5. 一个纯比例简单控制系统，增加积分作用后，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？

6. 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？

7. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K PτP/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 PτP/T P×100%，即比例度增加，为什么？

8. 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？

9. 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。

10. 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。

11. 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。