过程控制 习题与答案

第1章绪论思考题与习题

1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？

解答：

1．控制对象复杂、控制要求多样

2. 控制方案丰富

3．控制多属慢过程参数控制

4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式

5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成

1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？

解答：

过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。

组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。

1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？

解答：

被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。

被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。

操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

设定值被控变量的预定值。

偏差被控变量的设定值与实际值之差。

1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？

解答：

按照设定值的不同形式又可分为:

1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.

2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化

3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。

1-5 什么是定值控制系统?

解答：

在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。

1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？

解答：

被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。

被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。

在自动化工作中，了解、研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过程控制的要求。一个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的频繁作用，总是处在一种频

繁的、不间断的动态过程中。因此说研究控制系统的动态比其静态更有意义。

1-7 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？

解答：

单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。

衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ；

过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A ； 超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数σ； 1100%()

y y σ=?∞ 残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差；

调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；

振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率；

峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。

1-8 图1-2所示，是某温度记录仪上面画出的曲线图，试写出最大偏差、衰减比、余差、振荡周期，如果工艺上要求控制温度为（40±2 0C），哪么该控制系统能否满足要求？

图1-2 扰动下的温度响应曲线

解答：

最大偏差：e max = 45－40 = 5 0C

衰减比：n = B / B ’= 4 / 1 .

余差：C = 41－40 = 10C

振荡周期:T= 18 －5 = 13 min

终值在410C,误差± 1 0C,符合要求.

过程控制系统第二章（对象特性） 习题

2-1．什么是被控过程的数学模型？

2-1解答：

被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。

2-2．建立被控过程数学模型的目的是什么？过程控制对数学模型有什么要求？

2-2解答：

1）目的：○

1 设计过程控制系统及整定控制参数； ○

2 指导生产工艺及其设备的设计与操作； ○

3 对被控过程进行仿真研究； ○

4 培训运行操作人员； ○

5 工业过程的故障检测与诊断。 2）要求：总的原则一是尽量简单，二是正确可靠。阶次一般不高于三阶，大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式。

2-2．简述建立对象的数学模型两种主要方法。

2-2解答：

一是机理分析法。机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。

二是实验测取法。实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。

5-12 何为测试法建模？它有什么特点？

2-3解答：

1）是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数学模型。

2）可以在不十分清楚内部机理的情况下，把被研究的对象视为一个黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性。

2-3．描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?

2-3解答：

描述对象特性的参数分别是放大系数K 、时间常数T 、滞后时间τ。

放大系数K 放大系数K 在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变 化量之比，即 输入的变化量

输出的变化量=K 由于放大系数K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

时间常数T 时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变 化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63．2％所需时间。

时间常数T 是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。 滞后时间τ滞后时间τ是纯滞后时间0τ和容量滞后c τ的总和。

输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。

滞后时间τ也是反映对象动态特性的重要参数。

5-6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点？

2-3解答：

1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。

2）被控过程输出对扰动存在负反馈。

5-7 什么是单容过程和多容过程？

2-3解答：

1）单容：只有一个储蓄容量。

2）多容：有一个以上储蓄容量。

2-4．什么是控制通道和扰动通道(干扰通道)?对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、τ

)

对控制有什么不同的影响?

2-4解答：

对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。

一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、τ)对控制作用的影响是不同的。

对于控制通道：

放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。

在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间τ。

对于扰动通道：

放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟

τ时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。

2-5．实验测取对象特性常用的方法有哪些?各自有什么特点?

2-5解答：

实验测取对象特性常用的方法有阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。

阶跃响应曲线法是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。根据这一响应曲线，再经过一定的处理，就可以得到描述对象特征的几个参数。阶跃响应曲线法是一种比较简单的方法。如果输入量是流量，只需将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了一个阶跃扰动，同时还可以利用原设备上的仪表把输出量的变化记录下来，既不需要增加仪器设备，测试工作也不大。但由于一般的被控对象较为复杂，扰动因素较多，因此，在测试过程中，不可避免地会受到许多其他扰动因素的影响而使测试精度不高。为了提高精度就必须加大输入量的幅度，这往往又是工艺上不允许的。因此，阶跃响应曲线法是一种简易但精度不高的对象特性测定方法。

矩形脉冲法是当对象处于稳定状态时，在时间0t 突然加一幅度为A 的阶跃扰动，到1t 时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线，称为矩形脉冲特性曲线。矩形脉冲信号可以视为两个方向相反、幅值相等、相位为0t —1t 的阶跃信号的叠加。可根据矩形脉冲特性曲线，用叠加法作图求出完整的阶跃响应曲线，然后就可以按照阶跃响应曲线进行数据处理，最后得到对象的数学模型。采用矩形脉冲法求取对象特性，由于加在对象上的扰动经过一段时间后即被除去。因此，扰动的幅值可以取得较大，提高了实验的精度。同时，对象的输出又不会长时间偏离设定值，因而对正常工艺生产影响较小。

第3章 习题与思考题

3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

解答：

简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。 控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。

被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？

解答：

如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。

在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。

3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？

解答：

被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：

（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；

（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；

（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；

（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；

（5）被控变量应是独立可控的；

（6）应考虑工艺的合理性与经济性。

3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？

解答：

（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；

（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；

（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?

解答：

其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。

一般步骤，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（调节阀）的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器（调节器）三个环节组合后为“负”来确定控制器的正、反作用。（变送器总为正作用）

“对象”ד执行器”ד控制器”=“负反馈”

3-6.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的？

解答：

3-6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。也可参考下表：

各环节作用方向如表：

3-7.简单参数控制系统中，控制器的正反作用应怎样？

解答：

（1）根据生产工艺的安全性先确定执行器的采用气开阀（+），还是气闭阀（-）。

（2）在根据“对象”ד执行器”ד控制器”=“负反馈”来确定控制器的正、反作用。

3-8 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？

解答：

1）控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。

2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。

3-9 双位控制规律是怎样的？有何优缺点？

解答：

1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。

2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。

3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。

3-10．什么是比例控制规律?它有什么特点？

解答：

比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量户与输入偏差信号变化量e 之间成

比例关系，即

e k p p ?=

式中p k ——比例放大系数。

比例控制的优点是反应快、控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差 存在。余差的产生是由比例控制本身的特性所决定的。这是由于比例控制器的p 与e 成一一 对应关系，当负荷改变后，需要产生一定的控制作用户，与之对应必然要有一定的偏差e 存在。

比例控制规律是一种基本的控制规律。但它有余差存在，故只在对被控变量要求不高的 场合，才单独使用比例控制作用。

3-11．什么是积分控制规律?什么是比例积分控制规律?它有什么特点?

解答：

积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e 的积分成正比，即

?=edt k p 1

式中1k ——积分比例系数。

在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律，其输出户与输 入P 的关系为：

()

?+=edt k e k p p 1

积分控制规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。比例积分控制规律的特点是控制既及 时，又能消除余差。

3-12．什么是微分控制与比例微分控制?它有什么特点7 ．

解答：

微分控制规律是指控制器的输出变化量户与输入偏差e 的变化速度成正比，即 dt

de T p D = 式中丁D T ——微分时间。

在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出户与输 入e 的关系为：

??? ?

?+=dt de T e K p D P 微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性(但微分 作用不宜过强)。在控制系统中，一般不单独使用微分作用，而是与比例作用同时使用。如果 要消除余差，就得再加上积分控制作用，构成比例积分微分三作用控制规律(PID)。

3-13．什么是积分时间1T ?它对系统过渡过程有什么影响?

解答：

积分时间1T 是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。积分时间越小，表示积分控

制作用越强，数值上1

11K T ，式中1K 是积分比例系数。 积分时间1T 的减小，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度。

3-14．什么是微分时间D T ?它对系统过渡过程有什么影响?

解答：

微分时间是用来表示微分控制作用强弱的一个参数。微分时间D T 越大，表示微分控

制作用越强。

增加微分时间D T ，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。但微 分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

解答：

控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系，即??? ??=L l f Q Q max 式中相对流量m ax Q Q 是控制阀某一开度时的流量Q 与全开时的流量max Q 之比。相对开度L

l 是控制阀某一开度时的阀杆行程了与阀杆总行程Ｌ之比。

3-17、何为控制阀的理想流量特性和工作流量特性？

解答：

阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度的变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。

3-18．什么是串联管道中的阻力比s ？s 值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？ 解答：

s 值表示控制阀全开时阀上压力差与系统总压差之比。当s=1时，说明系统总压差全部降在控制阀上，所以控制阀在工作过程中，随着阀开度的变化，阀两端的压差是不变的，故工作流量特性与理想流量特性是一致的。当s 值小于1时，系统的总压差一部分降在控制阀，另一部分降在与控制阀串联的管道上。随着阀的开度增大，流量也增加，降在串联管道上的压差增加，从而是使降在控制阀上的压差减少，因而流过控制阀的流量也减少。所以随着s 值减少，会使理想流量特性发生畸变，阀的开度越大，使实际流量值离开理想值越大。具体来说，会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线特性。

3-19．试述电-气转换器及电-气阀门定位器在控制系统中的作用。

解答：

电-气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，其输出信号为0~10mA DC 或4~20mA DC ，但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为20~100kPa 。这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应气信号，才能为气动执行器所接受。

电-气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输入信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同是还可以利用定位器来改变阀门的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中，利用定位器可以使阀门在不同的信号段范围内作全行程移动。

3-20.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？

解答：

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δ、积分时间T I ；、微分时间T D ），以便使系统能获得好的控制质量。

控制器参数整定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。 3-21.什么是临界比例度法？有何特点？

解答：

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δ，和临界周期T K，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。

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。3-22.什么是衰减曲线法？有何特点？

解答：

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T S（或上升时间T升），然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。

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。

3-23.试简述经验凑试法及其特点？

解答：

经验凑试法是根据经验先将控制器参数置于一定数值上，然后通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制器参数值为止。

这种方法很简单，应用广泛，特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但这种方法主要是凭经验，有一定的主观性，整定过程较为费时，整定质量因人而异。