第一章思考题与习题分析.docx
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第一章思考题与习题分析
第一章思考题与习题
1.1典型的计算机控制系统与常规控制系统之间有哪些区别？
答：
控制的首要任务就是设计控制器，并使之能实现。
即控制器是控制系统中的核心部件，它从质和量两个方面决定了控制系统的性能和应用范围。
常规控制系统的控制器由硬件模拟电路来实现控制器，方法、潜力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。
由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。
计算机具有精度高、速度快、存储量大等特点，并且能够进行逻辑判断，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。
计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机,简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统。
使之完成对被控制量的控制作用。
显然，要改变控制规律，只要改变计算机的程序就可以了。
从本质上看，计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四个方面：
（1）实时数据采集：
对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；
（2）实时控制决策：
对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。
（3）实时控制输出：
根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
（4）信息管理。
随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统之中。
上述测、算、控、管的过程不断重复，使整个系统能按一定的动态（过渡过程）指标进行工作，且可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理，这就是计算机控制系统最基本的功能。
1.采用计算机控制具有下述优点：
（1）可以消除常规模拟调节器的许多难以克服的缺点，如不存在模拟调节器的漂移问题，参数整定范围宽，比例、积分和微分系数可以单独调节，而且可以在整个控制范围内实行多参数调节。
当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰
（2）使用灵活，便于实现特殊的控制规律，如修改部分程序就能改变调节规律，而无需改变硬件设备，甚至可以在线改变控制方案。
因而可以在不增加硬件设备的情况下逐步提高控制水平。
（3）具有增加控制回路而不会显著地增加费用的特点，还可实现打印、制表、报警、显示等附加功能。
从控制理论上看，模拟控制系统是连续控制系统，数学模型用微分方程描述，而计算机控制系统是以分时方式对控制对象进行控制的，它以定时采样和阶段控制来代替常规调节装置的连续检测和连续控制，所以它是离散系统，数学模型用差分方程描述。
从表面上看用的理论基础不一样，但离散系统是在连续系统的基础上发展起来的。
2.计算机控制系统的特点：
计算机控制系统与常规模拟系统相比，在工作方式上有如下特点：
（1）由程序实现的灵活控制作用。
控制规律灵活、多样，改动方便，可实现复杂的控制规律，提高控制质量，增加产品数量。
常规的模拟调节器只能实现比例―积分―微分调节规律，计算机机控制不仅具有比例―积分―微分调节功能，而且能够实现复杂的控制规律，例如纯滞后补偿控制、多变量解耦控制、最优控制等。
（2）采样控制方式。
能有效地克服随机扰动。
系统运行过程中，多数扰动是难以预知的，因此模拟调节器很难保证控制质量。
计算机参与控制后，可根据实时检测到的数据，用自动校正算法估计过程状态，进而自动调整控制信号，保证在扰动出现时仍能达到满意的控制效。
（3）数字信号处理。
在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。
因此，计算机控制系统大都具有数字—模拟混合式的结构。
（4）综合处理与控制。
在传统控制系统中，一个控制回路配备一个控制器，而在计算机控制系统中，由于计算机所具有的能力，可实现多回路、多对象多工况综合处理和控制；且控制与管理结合，自动化程度进一步提高。
现代化生产中，计算机不仅担负着生产过程的控制任务，而且也肩负着工厂、企业的管理任务。
特别是计算机通信技术的发展，从收集商品信息、情报资料、制定生产计划、产品销售到生产调度、仓库管理都实现微机化，使得工厂的自动化程度进一步提高。
（5）在线系统与实时系统。
在线方式和离线方式：
生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。
实时系统：
工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性，超过了允许的时间，就失去了控制时机，控制也就失去了意义。
“实时”不等于“同时”
实时性包括4个内容：
实时时机采集、实时决策运算、实时控制、实时报警
2个要素：
其一：
根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；
其二：
该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应，
一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。
计算机控制系统与常规模拟系统相比，在性能上有如下特点：
（1）精度高；
（2）稳定性好；（3）可靠性高；（4）灵活性好；（5）（6）存储能力强；（7）逻辑运算能力强；（8）具有自诊断的功能；（9）便于扩充；（10）抗干扰能力强；（11）多功能等。
1.2典型计算机控制系统有哪些主要组成部分？
试用框图表示系统的硬件结构。
答：
计算机控制系统由硬件、软件、网络、被控对象、检测传感器、执行机构等部分构成
计算机控制系统的硬件一般是由计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如图所示。
硬件组成
（1）主机（微型计算机）：
包括CPU和内存储器（RAM和ROM）通过系统总线连接而成，是整个系统的核心。
（2）外部设备：
输入设备、输出设备、外存储器和网络通信设备。
（3）输入输出通道（过程通道）:
是计算机与工业生产过程交换信息的通道，是计算机控制系统按特殊要求设置的部分，包括：
模拟量、数字量、开关量输入输出通道和接口
（4）人—机联系设备（操作台）
软件组成
软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。
它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。
软件通常分为两大类：
一类是系统软件，另一类是应用软件。
1.3计算机控制系统结构有哪些分类?
并指出主要的应用场合。
答：
根据计算机在计算机控制系统中的功能和目的分为：
1）数据采集和监视系统
一个微机控制系统离不开数据的采集和处理。
计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的过程参数进行定时巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。
在这种应用方式中，计算机虽然不直接参与生产过程的控制，对生产过程不直接产生影响，但其作用还是很明显的。
首先，由于计算机具有速度快等特点，故在过程参数的测量和记录中可以代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。
同时，由于微处理器具有运算、逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的集中、加工和处理，进行参数的越限报警等工作，或者按要求定时制表、打印或将数据处理的结果记录在外存储器中，作为资料保存和供分析使用
2）操作指导控制系统（OperationalInformationSystem简称OIS）
该控制系统属于开环控制结构。
系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。
缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
3）直接数字控制系统（DirectDigitalControl,简称DDC）计算机直接参加闭环控制过程。
计算机通过测量元件对一个或多个系统参数进行巡回检测和采样，对开关量信号直接采集输入，对模拟信号经A/D转换变成数字量输入，然后按一定的控制规律计算处理，发出控制信号，经过D/A转换器变成模拟信号，去驱动执行机构动作，或者由开关量通道直接进行控制，使各被控量达到预定的要求。
该控制系统的特点是实时性好、可靠性高和适应性强。
实现集中控制，代替常规控制仪表控制算法,单回路及常用复杂控制系统,由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低,未能普及。
4）监督计算机控制系统（SupervisoryComputerControl，简称SCC）计算机按照被控的生产过程工况和数学模型，计算出最佳给定值或最优控制量，提供给DDC计算机或模拟调节器，最后由DDC计算机或模拟调节器来控制生产过程，使生产过程始终处于最佳工况。
（1）SCC+模拟调节器。
在该系统中，微机的作用是对各物理量进行巡回检测并接收管理命令，然后，按照一定的数学模型计算后，输出给定值到模拟调节器。
此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。
这样，系统就可以根据生产情况的变化，不断地改变给定值，以达到实现最优控制的目的。
一般的模拟系统是不能随意改变给定值的。
因此，这种系统特别适合老企业的技术改造工程，以便能够充分利用原有的模拟调节器。
（2）SCC+DDC系统。
该系统为两级微机控制系统，一级为监督级SCC，二级为DDC。
SCC的作用与SCC+模拟调节器中的SCC一样，用来计算最佳给定值，它与DDC之间通过接口进行信息联系。
直接数字控制器DDC用来把给定值与测量值（数字量）进行比较，其偏差由DDC进行数字计算，并实现对各个执行机构的调节控制作用。
当DDC级计算机出现故障时，可由SCC计算机完成DDC的控制功能。
它显然提高了控制系统的可靠性。
与SCC＋模拟调节器系统相比，其控制规律可以改变，使用更加灵活。
总之，SCC系统比DDC系统有更大的优越性，可以接近于生产的实际情况。
当系统中模拟调节器或DDC控制器出现故障时，可用SCC系统代替调节器进行调节，因此大大提高了系统的可靠性。
但是，由于生产过程很复杂，其数学模型建立比较困难，所以此系统要达到理想的最优化控制是不容易的。
5）分级控制系统（HCC）现代微机、通信技术和CRT显示技术的巨大进展，使得微机控制系统不但包含控制的功能，而且还包含生产管理和指挥调度的功能。
除了直接数字控制和监督控制以外，还包含了工厂级集中监督微机和企业级经营管理微机。
在企业经营管理中，除了管理生产过程的控制，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度、产品订货和运输等功能。
分级控制系统是工程大系统，它所要解决的不是局部最优化问题，而是一个工厂、一个公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题，即综合自动化问题。
最优化的目标函数包括产量最高、质量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、环境污染最小等指标，它反映了技术、经济、环境等多方面的综合性要求。
分级控制系统的理论基础是大系统理论。
智能控制机器人可以看作是一个大系统，智能控制的结构之一就是分级控制。
6）分布式控制系统（DistributedControlSystem,简称DCS）
该系统有代替集中控制系统的趋势，其特点是将控制任务分散，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。
采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。
7）现场总线控制系统
现场总线控制系统（FieldbusControlSystem简称FCS）
结构模式为：
“工作站一现场总线智能仪表”二层结构，完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，并且在统一国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构
8）工业过程计算机集成制造系统
按照本书分为：
操作指导控制系统（OperationalInformationSystem简称OIS）、直接数字控制系统（DirectDigitalControl,简称DDC）、监督计算机控制系统（SupervisoryComputerControl，简称SCC）、分布式控制系统（DistributedControlSystem,简称DCS）、现场总线控制系统（FieldbusControlSystem简称FCS）、工业过程计算机集成制造系统等
数据采集和监视系统，在有的书中认为不是严格意义的计算机控制系统。
1.4计算机控制系统有哪些性能指标？
答：
系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性以及稳态特性（精度）来表征，衡量系统优劣的指标通常用稳态裕量、动态指标、稳态指标和综合指标等。
1.5列举一个计算机控制系统的应用实例，并给出该系统必要的说明。
11.1工业锅炉计算机控制系统
11.1.1工业锅炉介绍
常见的锅炉设备的主要工艺流程如图11.1所示。
燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。
然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。
压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。
与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。
锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要的输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等，如图11.2所示。
主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。
这些输入变量与输出变量之间相互关联。
如果蒸汽负压发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；等等。
锅炉是一个典型的多变量对象，要进行自动控制，对多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则加以处理。
目前，锅炉控制系统大致可划分为三个控制系统：
锅炉燃烧控制系统、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。
11.1.2锅炉计算机控制系统组成
1.燃烧过程控制系统
（1）燃烧过程控制任务
锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。
（2）燃烧过程控制系统设计方案
在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都是等量的，也就是说，对于一个具体对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略。
根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大致分为三个单变量控制系统：
燃料量—汽压子系统、送风量—过量空气系数子系统以及引风量——炉膛负压子系统。
不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化，但并不是分解成多个单回路控制系统后，问题就全部解决。
因为各回路之间往往还存在着联系和要求，必须在设计中加以考虑。
协调跟踪的原则，就是在多个单回路基础上，建立回路之间相互协调和跟踪的关系，以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联。
此例中，锅炉燃烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联。
首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点:
①锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量之间应保持一定比例，实际空气（送风）量大于燃料需要空气量，他们之间存在一个最佳空燃比（最佳过剩空气系数）α，即
一般情况下，α＞1。
②为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当热负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若热负荷减少时，应先减少燃料量，再减少送风量。
为了满足上述两点要求，在这两个单回路的基础上，建立交叉限制协调控制系统，如图11.3所示。
其中，Wm1（s）和Wm2（s）是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是比例环节，则Wm1（s）=K1，Wm1（s）=K2。
由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料量测量信号IV和IB之间的关系如下：
设
则
假设机组所需负荷的信号为IQ，当系统处于稳态时，则有：
设定值r1=IQ=IV/β=IB
设定值r2=βIQ=βIB=IV
即IQ=IB；IV=βIB
表明系统的燃料量适合系统的要求，而且达到最佳空燃比。
当系统处于动态时，假如负荷突然增加，对于送风量控制系统而言，高选器的两个输入信号中，IQ突然增大，则IQ＞IB，所以，增大的IQ信号通过高选器，在乘以β后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节器将使u2增加，空气阀门开大，送风量增大，即IV增加。
对于燃料量控制系统来说，尽管IQ增大，但在此瞬间IV还来不及改变，所以低选器的输入信号IQ＞IV，低选器输出不变，r1=IV/β不变，此时燃料量B维持不变。
只有在送风量开始增加以后，即IV变大，低选器的输出才随着IV的增大而增加，即r1随之加大，这时燃料阀门才开大，燃料量加多。
反之，在负荷信号减少时，则通过低选器先减少燃料量，待IB减少后，空气量才开始随高选器的输出减小而减小，从而保证在动态时，满足上述第②点要求，始终保持完全燃烧。
进一步分析可知，燃料量控制子系统的任务在于，使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主压力为设定值。
为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力，燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。
保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。
在大型机组的送风系统中，一、二次风通常各采用两台风机分别供给，锅炉的总风量主要由二次风来控制，所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。
送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。
为保持最佳过剩空气系数α，必须同时改变风量和燃料量。
α是由烟气含氧量来反映的。
因此常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统，经过燃料量与送风量回路的交叉限制，组成串级比值的送风系统。
结构上是一个有前馈的串级控制系统，如图11.4所示。
它首先在内环快速保证最佳空燃比，至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正。
当烟气中含氧量高于设定值时，氧量校正调节器发出校正信号，修正送风量调节器设定，使送风调节器减少送风量，最终保证烟气中含氧量等于设定值。
炉膛负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度，以改变引风量；保持炉膛负压为设定值，以稳定燃烧，减少污染，保证安全。
2.锅炉给水控制系统
（1）锅炉给水控制系统设计任务
其任务是考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内，实现给水全程控制。
给水控制也称为汽包水位控制。
被控变量是汽包水位，操纵变量是给水量。
（2）给水控制系统的基本结构
单冲量控制系统
以水位信号H为被控量、给水流量作为控制量组成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。
这种系统结构简单、整定方便，但克服给水自发性扰动，和负荷扰动的能力差，特别是大中型锅炉负荷扰动时，严重的假水位现象将导致给水控制机构误动作，造成汽包水位激烈的上下波动，严重影响设备寿命和安全。
单级三冲量控制系统
该系统相当于将上述单冲量控制与比例控制相结合。
以负荷作为系统设定值，利用PI调节器调节流量，使给水量准确跟踪蒸汽流量，再将水位信号作为主参数负反馈，构成了单级三冲量给水控制系统，如图11.5所示。
所谓“三冲量”，是指控制器接受了三个测量信号：
汽包水位、蒸汽流量和给水流量。
蒸汽流量信号是前馈信号，当负荷变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，及时的改变给水流量，维持进出汽包的物质平衡，有效地减少假水位的影响，抑制水位的动态偏差；给水流量是局部反馈信号，动态中它能及时反映控制效果，使给水流量跟踪蒸汽流量变化而变化，蒸汽流量不变时，可及时消除给水侧自发扰动；稳态时使给水流量信号与蒸汽流量信号保持平衡，以满足负荷变化的需要；汽包水位量是被控制量、主信号，稳定时，汽包水位等于设定值。
显然，三冲量给水控制系统在克服干扰影响、维持水位稳定、提高给水控制方面都优于单冲量给水控制系统。
事实上，由于检测、变送设备的误差等因素的影响，蒸汽流量和给水流量这两个信号的测量值在稳态时难以做到完全相等，且单级三冲量控制系统一个调节器参数整定需要兼顾较多的因素，动态整定过程也较复杂，因此在现场很少再采用单级三冲量给水控制系统。
串级三冲量控制系统
串级三冲量给水控制系统的基本结构如图11.6所示。
该系统由主副两个PI调节器和三个冲量构成，与单级三冲量系统相比，该系统多采用了一个PI调节器，两个调节器串联工作，分工明确。
PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量设定值；PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差控制给水流量并接受前馈信号。
蒸汽流量信号作为前馈信号，用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈—串级控制系统。
该系统结构较复杂，但各调节器的任务比较单纯，系统参数整定相对单级三冲量系统要容易些，不要求稳态时给水流量蒸汽流量测量信号严格相等，即可保证稳态时汽包水位无静态偏差，其控制重量较高，是现场广泛采用的给水控制系统，也是组织给水全程控制的基础。
3.蒸汽温度控制系统
（1）蒸汽温度控制系统任务
维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。
被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。
（2）过热蒸汽温度控制系统
以过热蒸汽为主参数，选择二段过热器前的蒸汽温度为辅助信号，组成串级控制系统或双冲量气温控制系统。
4.锅炉计算机控制系统的实现
工业锅炉计算机控制系统结构框图如图11.7所示。
一次仪表测得的模拟信号经采用电路、滤波电路进入A/D转换电路，A/D转换电路将转换完的数字信号送入计算机，计算机对数据进行处理之后，便于控制和显示。
D/A转换将计算机输出的数字量转换成模拟量，并放大到0—10mA，分别控制水泵调节阀、鼓风机挡板、引风机挡板和炉排直流电动机。
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