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過程控制系統(tǒng)課后習題解答（不完全版注：紅色為未作答題目）1.1過程控制系統(tǒng)中有哪些類型的被控量？答：被控量在工業(yè)生產過程中體現(xiàn)的物流性質和操作條件的信息。如：溫度、壓力、流量、物位、液位、物性、成分。1.2過程控制系統(tǒng)有哪些基本單元組成？與運動控制系統(tǒng)有無區(qū)別？答：被控過程或對象、用于生產過程參數(shù)檢測的檢測儀表和變送儀表、控制器、執(zhí)行機構、報警保護盒連鎖等其他部件構成。過程控制系統(tǒng)中的被控對象是多樣的，而運動控制系統(tǒng)是某個對象的具體控制。1.3簡述計算機過程控制系統(tǒng)的特點與發(fā)展。答：特點：被控過程的多樣性，控制方案的多樣性，慢過程，參數(shù)控制以及定值控制是過程控制系統(tǒng)的主要特點。發(fā)展：二十世紀六十年代中期，直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC），計算機監(jiān)控系統(tǒng)（SCC）；二十世紀七十年代中期，標準信號為420mA的DDZ型儀表、DCS、PLC；八十年代以來，DCS成為流行的過程控制系統(tǒng)。1.4衰減比和衰減率可以表征過程控制系統(tǒng)的什么性能？答：二者是衡量震蕩過程控制系統(tǒng)的過程衰減程度的指標。1.5最大動態(tài)偏差與超調量有何異同之處？答：最大動態(tài)偏差是指在階躍響應中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，一般表現(xiàn)在過渡過程開始的第一個波峰，最大動態(tài)偏差站被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比稱為超調量，二者均可作為過程控制系統(tǒng)動態(tài)準確性的衡量指標。2.2通常描述對象動態(tài)特性的方法有哪些？答：測定動態(tài)特性的時域方法；測定動態(tài)特性的頻域方法；測定動態(tài)特性的統(tǒng)計相關方法。2.4單容對象的放大系數(shù)K和時間常數(shù)T各與哪些因素有關，試從物理概念上加以說明，并解釋K，T的大小對動態(tài)特性的影響？答：T反應對象響應速度的快慢，T越大，對象響應速度越慢，動態(tài)特性越差。K是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標，K越大，系統(tǒng)的靈敏度越高，動態(tài)特性越好。2.5對象的純滯后時間產生的原因是什么？答：由于擾動發(fā)生的地點與測定被控參數(shù)位置有一段距離，產生純滯后時間。附：常見的過程動態(tài)特性類型有哪幾種？各可通過什么傳遞函數(shù)來表示？答：（1）單容對象動態(tài)特性（有自平衡能力），用一階慣性環(huán)節(jié)表示傳遞函數(shù)；（2）無自平衡能力單容對象的動態(tài)特性，傳遞函數(shù)用一個積分換屆表示；（3）具有純延遲的單容對象特性，多了一個延遲因子表示傳遞函數(shù)；（4）多容對象的動態(tài)特性（具有自平衡能力），傳遞函數(shù)其中為n個相互獨立的多容對象的時間常數(shù)，總放大系數(shù)為K；（5）無自平衡能力的雙容對象，傳遞函數(shù)為一個積分環(huán)節(jié)與一個一階慣性環(huán)節(jié)之積，對于多容對象，若有純延遲則類似于單容對象，傳遞函數(shù)多一個延遲因子；（6）相互作用的雙容對象，3.1簡述流量檢測的基本原理，流量的測量與哪些因素有關？答：在管道中流動的流體具有動能和位能，并在一定條件下這兩種形式的能量可以互相轉換，但參加轉換的能量總和是不變的，利用節(jié)流元件進行流量檢測是基于此原理；流量的測量與流量系數(shù)、可膨脹系數(shù)、節(jié)流裝置開孔截面積，流體流經節(jié)流元件前的密度、節(jié)流元件前后壓力差有關。3.2簡述流量調節(jié)中調節(jié)閥的幾種理想特性。答：當調節(jié)閥兩端壓差不變時，閥的可調比稱為理想可調比，其中Qmax是調節(jié)閥可控的上限值，Qmin是調節(jié)閥可控的下限值，R是理想可調比，理想可調比是調節(jié)閥的一個重要特性。理想流量特性是閥前后壓差保持不變的特性，主要有直線、對數(shù)、拋物線、快開等。直線流量特性，對數(shù)流量特性，拋物線流量特性，快開流量特性。附1被控變量與控制變量選擇的原則有哪些？答：原則如下選擇對控制目標起重要影響的輸出變量作為被控變量選擇可直接控制目標質量的輸出變量作為被控變量在以上前提下，選擇與控制（或操作）變量之間的傳遞函數(shù)比較簡單，利用動態(tài)和靜態(tài)特性較好的輸出變量作為被控變量有些系統(tǒng)存在控制目標不可測的情況，則可選擇其他能夠可靠測量，且與控制目標有一定關系的輸出變量作為輔助被控變量。附2調節(jié)閥理想流量特性有哪幾種，各有什么特點？4.1P.I.D控制規(guī)律各有何特點？其中，哪些是有差調節(jié)，哪些是無差調節(jié)？為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除控制系統(tǒng)的誤差，應選用哪些調節(jié)規(guī)律？答：P控制是有差調節(jié)，作用速度快，但最終平衡，達到穩(wěn)定狀態(tài)；I控制是無差調節(jié)，超調量大，不如P控制穩(wěn)定；D控制是有差調節(jié)，有余差，只與偏差變化速度有關。應選用PI調節(jié)規(guī)律或PID調節(jié)規(guī)律以清除控制系統(tǒng)的誤差和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。4.2試總結調節(jié)器P、PI、PD動作規(guī)律對系統(tǒng)控制的影響。4.3什么是積分飽和？引起積分飽和的原因是什么？如何消除？答：具有積分作用的調節(jié)器，只要被調量與設定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化，當偏差始終保持一個方向時，調節(jié)器的輸出u將因積分作用的不斷累加而增大，從而使執(zhí)行機構達到極限位置Xmax，之后盡管u還在增大，但執(zhí)行機構已不再動作，這種現(xiàn)象稱為積分飽和，原因也在于此。消除積分飽和的常用方法有限制PI調節(jié)器的輸出在規(guī)定范圍積分分離法，即人為設定一個限值，在PI調節(jié)器的輸出超過某一限值時，改用純P控制遇限削弱積分法，即人為設一限定，當控制輸出大于該限定時，只累加負偏差，反之亦可。4.4一個控制系統(tǒng)，在比例控制的基礎上分別增加適當?shù)姆e分作用；適當?shù)奈⒎肿饔?。試問：?）這兩種情況對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、最大動態(tài)偏差、余差分別有何影響？（2）為了得到相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性，應如何調整調節(jié)器的比例帶？說明理由。答：（1）情況穩(wěn)定性下降，最大動態(tài)偏差增加，余差消除；情況穩(wěn)定性加強，最大動態(tài)偏差減小，余差減小。（2）PI下：PD下：增大可得到相同的系統(tǒng)穩(wěn)定性。4.5微分動作規(guī)律對克服被控對象的純延遲和容積延遲的效果如何？對克服外擾的效果又如何？答：微分動作規(guī)律對克服被控對象純延遲無效，對容積延遲效果較好，微分動作對外擾有放大作用，對于克服外擾的效果較差。4.6增大積分時間對控制系統(tǒng)的控制品質有什么影響？增大微分時間對控制系統(tǒng)的控制品質有什么影響？4.7某電動比例調節(jié)器的測量范圍為100200，其輸出為0100mA。當溫度從140變化到160時，測得調節(jié)器的輸出從3mA變化到7mA。試求出該調節(jié)器比例帶。解：。4.14什么是數(shù)字PID位置型控制算法和增量式控制算法？答：位置式PID控制算法：增量式PID控制算法：4.15為什么在計算機控制裝置中通常采用增量式控制算法？答：位置式PID控制算法帶來的問題對e(k)的累加增大了計算機的存儲量和運算的工作量,u(k)的直接輸出易造成執(zhí)行機構的大幅度動作,有些應用場合要求增量式u(k)。因此在計算機控制裝置中通常采用增量式控制算法。4.16簡述積分分離PID算法，它與基本PID算法的區(qū)別在哪里？答：控制偏差較大時，取消積分作用，以減小超調；控制偏差較小時，再恢復積分作用，以消除余差。無積分分離算法的輸出曲線有較大的超調量，而積分分離PID算法輸出曲線超調量較小。4.17數(shù)字PID控制中采樣周期的選擇要考慮哪些因素？答：給定值的變化頻率，被控對象的特性，執(zhí)行機構的類型，控制的回路數(shù)。附1PID參數(shù)整定方法有哪些？各自有何特點？過程是什么？答：動態(tài)特性參數(shù)法：這是一種以被控對象控制通道的階躍響應為依據(jù)，通過一些經驗公式求取調節(jié)器最佳參數(shù)整定值的開環(huán)整定方法。使用方法的前提是，廣義被控對象的階躍響應可用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似則做實驗得對象參數(shù)K、T、，再根據(jù)ZN調節(jié)器參數(shù)整定公式求取PID參數(shù)。穩(wěn)定邊界法?；诩儽壤刂葡到y(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)，即臨界比例帶和臨界振蕩周期，利用一些經驗公式，求取調節(jié)器最佳參數(shù)值。過程如下：置調節(jié)器積分時間到最大值（），微分時間，比例帶置較大值，使控制系統(tǒng)投入運行。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即所謂臨界振蕩過程，記下此時比例帶，計算兩波峰時間。利用按照穩(wěn)定邊界法給出的計算公式，求取調節(jié)器各整定參數(shù)，。衰減曲線法：也是閉環(huán)整定方法，整定的依據(jù)同穩(wěn)定邊界法，也是純比例調節(jié)下的試驗數(shù)據(jù)，不同的只是這里的試驗數(shù)據(jù)來自系統(tǒng)的衰減振蕩，且衰減比特定(通常為4:1或10:1)，之后就與穩(wěn)定邊界法一樣，也是利用一些經驗公式，求取調節(jié)器相應的整定參數(shù)。經驗整定法：根據(jù)經驗先選一組控制器參數(shù)，將系統(tǒng)投入運行根據(jù)運行情況，依經驗調整PID參數(shù)。5.1什么是串級控制系統(tǒng)？請畫出串級控制系統(tǒng)的原理方框圖。答：所謂的串級控制系統(tǒng)，就是采用兩個控制器傳亮工作，主控制器的輸出作為副控制器的設定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主控變量具有更好的控制效果。5.2試舉例說明串級控制系統(tǒng) 克服干擾的工作過程。答：以隔焰隧道窯溫度溫度串級控制系統(tǒng)為例說 明如下：控制閥選擇“氣開”方式。兩個控制器都選擇“反”作用方式。 當只存在二次干擾時，系統(tǒng)只收到來自燃料壓力波動的干擾，例如燃料壓力 波動的干擾，例如燃料壓力升高，這時盡管控制閥門開度沒變，但是燃料的 流量增大了，引起燃燒室溫度T2升高，經副溫度檢測變送后，副控制器接 受的測量值增大。根據(jù)副控制器的“反”作用，其輸出將減小，“氣開”式 的控制閥門將被關小，燃料流量被調節(jié)回穩(wěn)定狀態(tài)。當只存在一次干擾， 系統(tǒng)只受到來自窯車速度干擾，例如窯車的速度加快，必然導致窯道中燒成 帶溫度T1的降低，對于主控制器來說，其測量值減小，由于主控制器的“反” 作用，它的輸出必然增大，副控制器的設定值增大了。等效于副控制器設定 值不變，而測量值減小，控制器“反”作用，其輸出將增大，“氣開”式控制 閥增大，使窯內燒成帶溫度回開為設定值。對于一次、二次干擾同時存在，主副控制器共同調節(jié)。5.3串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比有什么特點？答：（1）由于副回路的存在，減小了對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及時。（2）提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期減小，調節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的快速性增強了。（3）對二次干擾具有很強的克服能力，對克服一次干擾的能力也有一定的提高。（4）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適應能力。5.4串級控制系統(tǒng)的副變量選擇原則有哪些？答：（1）應使主要的和更多的干擾落入副回路中。（2）應使主副對象的時間常數(shù)匹配。（3）應考慮工藝上的合理性、可能性、經濟性。5.7串級控制系統(tǒng)多用于哪些場合？答：凡是由單回路控制系統(tǒng)能夠滿足過程控制要求時，就不必采用串級控制系統(tǒng)。在以下場合應用串級控制系統(tǒng)：克服變化劇烈和幅度大的干擾克服對象的純滯后克服對象的容量滯后克服對象的非線性自校正設定值。6.1比值控制系統(tǒng)的結構形式有哪幾種？對應的工藝流程圖和原理方框圖如何畫？工作過程各怎樣？答：（1）開環(huán)比值控制系統(tǒng)：工作過程：穩(wěn)態(tài)時，兩物料流量滿足Q2=KQ1的關系；當主動量Q1由于受到干擾而發(fā)生變化時，比值器根據(jù)Q1，對設定值的偏差情況，按比例去改變控制閥的開度，使從動量變化Q2，與變化后Q1保持原比例，但當Q2受外界干擾發(fā)生波動時，Q1，Q2比例遭到破壞。（2）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 工作過程：穩(wěn)態(tài)下，兩物料滿足Q2=KQ1的比值關系。當主動量不變時，比值控制器的輸出不變，此時從動量回路是一個定值控制系統(tǒng)；如果從動量Q2受到外界干擾發(fā)生變化時，經過從動量回路的控制作用，把變化了的Q2再調回到穩(wěn)態(tài)值，從而維持了Q1，Q2的比值關系；當主動量受到干擾發(fā)生變化時，比值器經過比例運算輸出也發(fā)生了變化。從動量回路是一個隨動控制系統(tǒng)，它將使從動量Q2隨主動量Q1的變化而變化，使Q1Q2仍維持原來的比值關系。（3）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工作過程：當主動量受到干擾發(fā)生波動時，主動量回路對其進行定值控制，從而使主動量始終穩(wěn)定在設定值附近 ，而從動量回路是一個隨動控制系統(tǒng)，主動量Q1變化時，通過比值器輸出使從動量控制器設定值改變，使Q2隨Q1變化而變化；當從動量Q2受到干擾，和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一樣經過從動量的調節(jié)，使從動量穩(wěn)定在比值器輸出值上。（4）變比值控制系統(tǒng)6.2主、從動量的選擇原則是什么？答：在實際生產中，如果一個流量是可控的，另一個流量是不可控的，可以組成單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，不可控的流量作為主動量Q1，可控的流量作為從動量Q2.如果二者均可控，可組成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。選擇原則如下：（1）分析兩物料的供應情況，將有可能供應不足的物料流量作為主動量，供應充足的物料流量作為從動量。（2）將對產生負荷起關鍵作用的物料作為主動量。（3）從安全角度出發(fā)，分析兩種物料流量分別在失控下，必須保持比值一定情況下的物料流量作為主動量。6.7設置均勻控制的目的是什么？均勻控制系統(tǒng)有哪些特點？答：目的：使兩個有關聯(lián)的被控變量在規(guī)定范圍內緩慢地，均勻地變化，使前后設備在物料的供求上相互兼顧，均勻協(xié)調。特點，兩個被控變量都應該是變化的兩個被控變量的調節(jié)過程都應該是緩慢的兩個被控變量應在工藝允許的操作范圍內。6.8如何對均勻控制系統(tǒng)進行參數(shù)整定？答：比例度要寬、積分時間要長，通過“看曲線”，“整參數(shù)”，使液位和流量達到均勻協(xié)調的最終目的 。主要原則是一個“慢”字。均勻控制系統(tǒng)要整定的控制器是一個，可按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法進行。6.9分程控制有哪些用途？如何解決兩個分程信號銜接處流量特性的折點現(xiàn)象？答：用途：分程控制用于擴大控制閥的可調比滿足工藝上的特殊要求。解決方法：為了使總流量特性達到平穩(wěn)過渡，可采取如下方法： （1）兩個線性流量特性的閥并聯(lián)分程使用本法是先根據(jù)單個分程閥的特性找尋組合后的總流量特性，再根據(jù)單個分程閥的特性與組合總流量特性的關系找出響應的分程點，確定各分程閥的分程信號。（2）兩個對數(shù)流量特性的閥并聯(lián)分程使用如果使用兩個對數(shù)流量特性的閥進行并聯(lián)分程，效果要比兩個線性閥分程好得多。6.10設置選擇性控制的目的是什么？有哪些類型？答：目的：起自動保護作用，是一種“軟保護”措施。分類：根據(jù)選擇器在控制回路中的位置可分為兩類，一類是選擇器接在控制器與執(zhí)行器之間，另一類是選擇器接在變送器與控制器之間。根據(jù)選擇性控制系統(tǒng)中被選擇的變量性質，也可分為以下三類：1、對被控變量的選擇性控制系統(tǒng)2、對操縱變量的選擇性控制系統(tǒng)3、對測量信號的選擇。7.1前饋控制與反饋控制各有什么特點？在前饋控制中，如何達到全補償？靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋有什么聯(lián)系和區(qū)別？答：（1）反饋控制按被控量的偏差進行控制，即控制器的輸入是被控量的偏差。所以，反饋控制作用期間系統(tǒng)是偏離設定值的，即被控量是受擾動影響的。前饋控制按擾動量的變化進行控制，即控制器的輸入是擾動量?！扒梆仭钡囊馑迹焊鶕?jù)擾動量的大小（而非被控量反饋后得到的偏差）來直接改變控制量，以抵消或減小擾動對被控量的影響。（2）確定前饋控制器的控制規(guī)律。（3）靜態(tài)前饋的輸出是輸入信號的函數(shù)，而與時間無關，動態(tài)前饋可以很好地補償動態(tài)誤差，不僅保證了系統(tǒng)的靜態(tài)偏差等于或接近0，而且保證系統(tǒng)動態(tài)偏差等于或接近0.當被控對象的控制通道和干擾通道相同，動態(tài)前饋補償器的補償作用相當于一個靜態(tài)放大系統(tǒng)，靜態(tài)前饋控制只是動態(tài)前饋控制的特例。7.2前饋控制有哪些結構形式？在工業(yè)控制中為什么很少單獨使用前饋控制，而選用前饋-反饋控制系統(tǒng)？答：結構形式有靜態(tài)前饋控制；動態(tài)前饋控制；前饋-反饋控制；前饋-串級控制。單純的前饋控制只能對指定的擾動量進行補償；對指定的擾動量，由于環(huán)節(jié)或系統(tǒng)數(shù)學模型的簡化、工況的變化以及對象特性的漂移等，也很難實現(xiàn)完全補償。前饋反饋控制前饋控制器用來消除主要擾動量的影響；反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其它不可測干擾所產生的影響。8.1常用的解耦設計方法有哪幾種？試說明其優(yōu)缺點。答：前饋補償解耦法：經分析：若對擾動量能實現(xiàn)前饋補償全解耦，則參考輸入與對象輸出之間就不能實現(xiàn)解耦。因此，單獨采用前饋補償解耦一般不能同時實現(xiàn)對擾動量以及參考輸入對輸出的解耦。反饋解耦法：在反饋解耦系統(tǒng)中，解耦器通常配置在反饋通道上，而不是配置在系統(tǒng)的前向通道上。反饋解耦方式只采用P規(guī)范解耦結構，但被控對象可以使P規(guī)范結構或V規(guī)范結構，可以實現(xiàn)完全解耦。對角陣解耦法：對角陣解耦設計是一種常見的解耦方法。它要求被控對象特性矩陣與解耦環(huán)節(jié)矩陣的乘積等于對角陣。對于兩變量以上的耦合系統(tǒng)，經過類似的矩陣運算就能求出解耦器的數(shù)學模型。但變量越多，解耦器的模型越復雜，解耦器實現(xiàn)的難度越大。單位陣解耦法：單位陣解耦設計是對角陣解耦設計的一種特殊情況。它要求被控對象特性矩陣與解耦環(huán)節(jié)矩陣的乘積等于單位陣。除了能獲得優(yōu)良的解耦效果外，還能提高控制質量，減小動態(tài)偏差，加快響應速度，縮短調節(jié)時間。附1：常用減少、消除耦合的方法:1. 提高調節(jié)器增益2. 選用變量的最佳配對3. 采用解耦控制 9.3與9.4略 12.1集散控制系統(tǒng)產生的原因是什么？為什么集散控制系統(tǒng)能得到廣泛應用？答：控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史實際上經歷了一個由控制分散、管理分散，控制集中、管理集中到控制分散、管理集中的過程。集散控制系統(tǒng)的應用大幅度地提高了生產過程的安全性、經濟性、穩(wěn)定性和可靠性。它有很多優(yōu)點：1、適應性和擴展性好；2、控制能力強；3、人機聯(lián)系手段較為先進；4、 可靠性好；5、可維修性好；6、安裝費