《过程控制系统》习题解答

《过程控制系统》习题解答

1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？

过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。

一、连续生产过程的自动控制

连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的（如采用控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。

二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。

三、被控过程是多种多样的、非电量的

现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些过程的机理（如发酵等）复杂，很难用目前过程辨识方法建立过程的精确数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。

四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制

因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制。

五、过程控制方案十分丰富

过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。

过程特性：多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。

单变量控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统。

六、定值控制是过程控制的一种常用方式

过程控制的目的：消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。

1-3 什么是过程控制系统，其基本分类方法有哪些？

过程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。

1、按过程控制系统的结构特点分

1）反馈控制系统：是根据系统被控量的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。

2）前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。

3、前馈—反馈控制系统（复合控制系统）：充分结合两者的有点，大大提高控制质量。

2、按给定值信号的特点来分类

定值控制系统：是指系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。

2、程序控制系统：是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作，目的是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。加热升温或逐次降温等。

3、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统，主要作用是克服一切扰动，使控量快速跟随给定值而变化。空气量与燃料量的关系。

1-5 试说明图1-2b供氧量控制系统框图中被控“过程”包含哪些管道设备以及图中各符号的含义。

过程：节流装置到氧气流量调节阀之间的管道设备。

x(t)代表设定值;e(t)表示偏差信号;u(t)表示控制器控制作用信号;q(t)表示调节阀的流量信号;f(t)表示过程受到的干扰信号;y(t)表示过程的输出信号;z(t)表示测量信号。

1-6 在过程控制中，为什么要由系统控制流程图画出其框图。

为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，这样也便于其他人的理解。

2-1 何为被控过程及其数学模型，模型一般可分为哪几类，它与过程控制有何关系？

被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。

被控过程的数学模型是指过程在各输入量作用下，其相应的输出量变化函数关系的数学表达式。

过程数学模型的两种描述形式：

非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系统的设计和综合不方便）。参量形式：即用数学方程来表示（方便，描述形式有：微分方程、传递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程等）。

2-2 什么是过程通道？什么是过程的控制通道和扰动通道？它们的数学模型是否相同？为什么？

过程通道: 输入量与输出量间的信号联系。

扰动通道: 扰动作用与被控量间的信号联系。

控制通道：控制作用与被控量间的信号联系。

不同，因为同一个系统，通道不同，输入输出关系不同，其数学模型亦不一样。

2-3 从阶跃响应曲线看，大多数被控过程有何特点？

绝大部分工业过程的动态特性具有自衡能力，因此其模型可以近似为以下几类：近似地以一阶、二阶、一阶加滞后、二阶加滞后特性之一来描述。

2-4 试述研究过程建模的主要目的及其建模方法？

1.设计过程控制系统和整定调节器参数。

2.进行仿真试验研究。

3.指导生产工艺设备的设计。

4.培训运行操作人员。

机理法：又称数学分析法或者理论建模法，根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡等关系用数学推导的方法求取过程的数学模型。

试验法：在实际的生产过程中，根据过程的输入、输出的实验数据来获得过程的数学模型。

2-5 什么是机理分析法建模？该方法有何特点？它一般可应用在何种场合？什么是自衡过程和非自衡过程？什么是单容过程和多容过程？

机理建模：是根据过程的内部机理(运动规律)，运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。特点：机理分析法建模的最大特点是当生产设备还处于设计阶段就能建立其数学模型。另外，对于不允许进行试验的场合，该方法是唯一可取的。

应用场合:简单的被控过程建模。

具有自衡平衡力的过程称为自衡过程。反之，不存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程称为非自衡过程。

所谓自衡单容过程，是指只有一个贮量的又具有自平衡能力的过程。在工业生产中，被控过程往往由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。

2-6图示液位控制过程的输入量为q1,流出量为q2、q3 ，液位h 为被控变量，C 为容量系数，并设R 1、R 2、R3均为线性液阻。要求： 1) 列出液位过程的微分方程组； 2) 画出液位控制过程框图； 3) 求取液位过程的传递函数。

q1

12 3 d q d h q q C

t --=，123d d h

q q q C t

??-?-?=2

2h q R ??=，33h q R ??=

Q 123

()1

11

()H s Q s Cs R R =

++

2-13 已知某液位过程的阶跃相应数值

t/s 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 h/mm 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6 当其阶跃扰动量为20%时要求： 画出液位过程的阶跃响应曲线； 用一阶加滞后环节近似描述

020

=

=1000.2

K , t=[0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600]; h=[0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6]; hstar=h/20;

spline(hstar(2:14),t(2:14),0.39) 得1128.9t = spline(hstar(2:14),t(2:14),0.63) 得2200.5t = 021=2()T t t -=143.2 12=2t t τ-=57.3 spline(t,hstar, 57.3) 得0.09 较小接近0；

当400.8171.9t T τ=+= spline(t,hstar,171.9) 得0.564 与0.55较接近； 当502343.7t T τ=+= spline(t,hstar,343.7) 得0.889 与0.865较接近；

该过程可用一阶加滞后环节近似描述。

3-3 请归纳一下过程控制系统设计的主要内容。

控制方案的设计：系统设计的核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。

工程设计：在方案设计的基础上进行，包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。

工程安装和仪表调校：系统正常运行的前提，安装完毕后要对每台仪表进行单校和对各个回路联校等。

调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。

3-4 通常过程控制系统设计步骤应包括哪些？结合控制原理请说明静态、动态特性分析计算时应包含哪些主要内容？

步骤:<1>建立被控过程的数学模型;<2>选择控制方案;<3>控制设备选型;<4>实验（和仿真）; 静态特性分析：扰动通道静态放大系数Kf;控制通道静态放大系数K0;调节参数Kc;注意K0和Kc 要远远大于Kf 。

动态特性分析：扰动通道时间常数Tf 、时延Cf 以及扰动作用点；控制通道的时间滞后Cf 以及时间常数分配的影响。

3-5什么叫单回路系统？其方案设计包括哪些主要内容？怎样理解方案设计是系统设计的核心？

只有一个闭环回路的简单控制系统叫单回路控制系统；过程控制系统设计包括系统的方案设计，工程设计，工程安装和仪表调校，调节器参数整定四个主要内容；控制方案是系统设计得核心，若控制方案不正确，则无论如何选用何种先进的过程控制仪表或计算机系统，无论其安装如何细心，都不可能是系统在工业生产过程中发挥良好的控制作用，甚至系统不能运行。

3-6 什么是直接参数与间接参数？这两者有何关系？选择被控参数应遵循哪些基本原则？ 直接参数:直接反应生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。

间接参数: 能间接反应产品质量和产量又与直接参数有单值对应关系的、易于测量的参数作为被控参数。

直接参数与间接参数有单值对应关系。

归纳起来：

1）选择对产品和质量、安全生产、经济运行等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数2）当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数

3）被控参数必须有足够的灵敏度

4）被控参数的选取考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。

3－7 选择控制参数时，为什么要从分析过程特性入手？为什么选过程控制通道的放大系数K0要适当大一些，时间常数T0要小一些，而扰动通道Kf要尽可能小一些，Tf要大？

问题一：在生产过程中往往有几个参数可作为控制参数，选择不同的控制参数，就相当于选择不同的过程特性，而过程的动态、静态特性直接影响着控制系统的稳态性能、动态性能和暂态性能。问题二：控制通道的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越显著。时间常数T0的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。若控制通道时间常数T0太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降，所以希望T0要小一些。扰动通道Kf越大则系统的稳态误差也越大，这表示在相同的阶跃扰动作用下，稳态下被控参数将偏离给定值越大，这样显著地降低控制质量，所以选择Kf要尽可能小一些。时间常数Tf的增大，扰动作用于控制回路的过渡时间加长，但是由于过渡过程乘上一个1/Tf

的数值，使整个过渡过程的幅值减小Tf倍，从而使其超调量随着Tf的增大而减小，因而Tf 要大。

3-8 为什么选择控制参数时，对于几个一阶环节组成的过程尽量设法把几个时间常数错开？如果不错开又会怎样？

减小过程中最大的时间常数T1，反而引起控制质量下降；相反增大最大时间常数T1，有助于提高控制指标；而减小T2或T3都能提高控制性能指标，若同时减小T2、T3，则提高性能指标的效果更好；减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量

3－14一个自动控制系统，在比例控制的基础上分别增加：１适当的积分作用；２适当的微分作用。试问：（１）这两种情况对系统的稳定性，最大动态偏差、余差分别有何影响？（２）为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例度delta，并说明理由。

问题一：在比例控制的基础上增加适当的积分作用，降低了系统的稳定性，增大了最大动态偏差，动态性能指标变差，消除了余差。在比例控制的基础上增加了适当的微分作用，提高了系统的稳定性，降低了最大动态偏差，动态性能指标变好，余差有所减小但是不为零。问题二：为了得到相同的系统稳定性，在增加了积分作用的情况下，delta的值要增大，以弥补积分作用引起的稳定性下降；在增加微分作用的情况下，delta的值要减小，因为微分作用的引入使得系统的稳定性变好。

4-1 什么叫串级控制系统？

串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为另一个控制器的设定值，

两个控制器有各自独立的测量输入，有一个控制器的给定由外部设定。 串级控制系统结构可用下图表示：

4-2 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？ 1、改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作效率 2、大大增强了二次扰动的克服能力 3、一次扰动有较好的克服能力

4、副路参数变化具有一定的自适应能力

4-3 与单回路相比，为什么说串级控制系统由于存在一个副回路而具有较强的抑制扰动的能力？

1、大大增强了对二次扰动的克服能力

212

2()()c c c D c

Q s K K Q s K =，12c c c K K K ?意味着串级副回路的存在能迅速克服进入副回路的二次扰动、

大大减小了二次扰动的影响，提高了控制质量。 2、对一次扰动有较好的克服能力

11022()1

()()()()

c D v m Q s Q s W s W s W s ≈，022()()()1v m W s W s W s <意味着串级控制系统的抗一次扰动的能力要比单回路控制系统略强一些。

4-4 串级控制系统在副参数的选择和副回路的设计中应遵循哪些主要原则？

①将主要干扰包括在副回路； ②副回路尽量包含多的干扰； ③为保证副回路的快速响应，副对象的滞后不能太长； ④为提高系统的鲁棒性，将具有非线性时变部分包含于副对象中； ⑤需要对流量实现精确的跟踪时，将流量选为副对象。

4-5 设计串级控制系统时，主、副过程时间常数之比(T01/T02)应在3~10范围内。试问当T01/T02<3及T01/T02>10时将会有何问题？

T01/T02<3时，虽副回路反应灵敏，控制作用快，但此时一般情况下回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就减小了；T01/T02>10时，此时副回路虽然对改善过程特性的效果较显著，但副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动。

4-8 串级控制系统通常可用在哪些场合？

1、用于克服对象较大的容量滞后

2、用于克服对象的纯滞后

3、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰

4、用于克服对象的非线性

4-11 前馈控制与反馈控制各有什么特点？

前馈控制与反馈控制的特点：检测：前馈控制测干扰，反馈控制测被控量；效果：克服干扰，前馈控制及时，理论上可实现完全补偿，“基于扰动消除扰动”；经济性：克服干扰，前馈控制只能一对一，不如反馈控制经济；稳定性：前馈为开环，不存在稳定性问题（只要每个环节都稳定）反馈则不同，稳定性与控制精度是矛盾的；控制规律：前馈控制器的控制规律取决于被控对象和扰动通道的特性，控制规律往往比较复杂。

4-12 在什么条件下前馈效果最好？

前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使系统得到良好的动态品质。

4-13 为什么一般不单独使用前馈控制方案？

因为：①前馈控制是基于扰动的控制，扰动不止一个，难于把握；②属于开环控制，易受其他扰动干扰而无法控制；③只适合用来克服可测不可控的扰动，对于系统中其他扰动无抑制作用。

4-25 什么叫比值控制系统？常用比值控制方案有哪些？并比较优缺点。

凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。

开环比值控制: 简单、成本低；只有当Q1变化时才起控制作用；Q2变化时Q1不会响应，比例关系被破坏。

单闭环比值控制: 能克服开环比值方案的不足。优点：不但能实现流量的副量跟随主量变化，而且能克服流量干扰等。缺点：主流量不受控。

双闭环比值控制：能克服单闭环主流量不受控的不足。升降负荷比较方便。

变比值控制：在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化。比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量Y(s)往往是产品质量指标。

4-27 设计比值控制系统时需解决哪些主要问题？

4-30 什么叫分程控制？怎样实现分程控制？

由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统。

分程控制是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的。