過程控制習題與答案

1、第1章 緒論 思考題與習題1-1 過程控制有哪些主要特點？為什么說過程控制多屬慢過程參數控制？解答：1控制對象復雜、控制要求多樣 2. 控制方案豐富3控制多屬慢過程參數控制4定值控制是過程控制的一種主要控制形式5過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的過程檢測控制儀表組成1-2 什么是過程控制系統(tǒng)？典型過程控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？解答：過程控制系統(tǒng)：一般是指工業(yè)生產過程中自動控制系統(tǒng)的變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統(tǒng)。 組成：控制器，被控對象，執(zhí)行機構，檢測變送裝置。1-3簡述被控對象、被控變量、操縱變量、擾動（干擾）量、設定（給定）值和偏差的含義？解答：被控對象 自動控制系統(tǒng)中，工藝參數

2、需要控制的生產過程、設備或機器等。被控變量 被控對象內要求保持設定數值的工藝參數。操縱變量 受控制器操縱的，用以克服擾動的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量。擾動量 除操縱變量外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。設定值 被控變量的預定值。偏差 被控變量的設定值與實際值之差。1-4按照設定值的不同形式, 過程控制系統(tǒng)可分為哪幾類？解答：按照設定值的不同形式又可分為:1定值控制系統(tǒng) 定值控制系統(tǒng)是指設定值恒定不變的控制系統(tǒng).定值控制系統(tǒng)的作用是克服擾動對被控變量的影響,使被控變量最終回到設定值或其附近.以后無特殊說明控制系統(tǒng)均指定值控制系統(tǒng)而言.2.隨動控制系統(tǒng) 隨動控制系統(tǒng)的設定值

3、是不斷變化的.隨動控制系統(tǒng)的作用是使被控變量能夠盡快地,準確無誤地跟蹤設定值的變化而變化3.程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)的設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即設定值按一定的時間程序變化。1-5 什么是定值控制系統(tǒng)?解答：在定值控制系統(tǒng)中設定值是恒定不變的，引起系統(tǒng)被控參數變化的就是擾動信號。1-6 什么是被控對象的靜態(tài)特性？什么是被控對象的動態(tài)特性？為什么說研究控制系統(tǒng)的動態(tài)比其靜態(tài)更有意義？解答：被控對象的靜態(tài)特性：穩(wěn)態(tài)時控制過程被控參數與控制變量之間的關系稱為靜態(tài)特性。被控對象的動態(tài)特性：。系統(tǒng)在動態(tài)過程中，被控參數與控制變量之間的關系即為控制過程的動態(tài)特性。在自動化工作中，了解、

4、研究控制系統(tǒng)動態(tài)比其靜態(tài)更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的。在擾動引起系統(tǒng)變動后，就需要通過控制裝置不斷地施加控制作用去消除干擾作用的影響，使被控變量保持在工藝生產所規(guī)定的技術指標上，以滿足過程控制的要求。一個正常工作的自動控制系統(tǒng)，時時刻刻都受到擾動的頻繁作用，總是處在一種頻繁的、不間斷的動態(tài)過程中。因此說研究控制系統(tǒng)的動態(tài)比其靜態(tài)更有意義。1-7 評價控制系統(tǒng)動態(tài)性能的常用單項指標有哪些？各自的定義是什么？解答：單項性能指標主要有：衰減比、超調量與最大動態(tài)偏差、靜差、調節(jié)時間、振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比n；過渡過程的最大動態(tài)

5、偏差：對于定值控制系統(tǒng)，是指被控參數偏離設定值的最大值A；超調量：第一個波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y（）之比的百分數；殘余偏差C： 過渡過程結束后，被控參數所達到的新穩(wěn)態(tài)值y（）與設定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；調節(jié)時間：從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間；振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率；峰值時間：過渡過程開始至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。1-8 圖1-2所示，是某溫度記錄儀上面畫出的曲線圖，試寫出最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期，如果工藝上要求控制溫度為（40±2 0C），哪么該控制系統(tǒng)能否滿足要求？

6、圖1-2 擾動下的溫度響應曲線解答：最大偏差：e max= 4540 = 5 0C 衰減比：n = B / B= 4 / 1 . 余差：C = 4140 = 10C 振蕩周期:T= 18 5 = 13 min 終值在410C,誤差± 1 0C,符合要求.過程控制系統(tǒng)第二章（對象特性） 習題2-1什么是被控過程的數學模型？2-1解答：被控過程的數學模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態(tài)和輸出（被控參數）變化的數學表達式。2-2建立被控過程數學模型的目的是什么？過程控制對數學模型有什么要求？2-2解答：1）目的： 設計過程控制系統(tǒng)及整定控制參數； 指導生產工藝及其設

7、備的設計與操作； 對被控過程進行仿真研究； 培訓運行操作人員； 工業(yè)過程的故障檢測與診斷。2）要求：總的原則一是盡量簡單，二是正確可靠。階次一般不高于三階，大量采用具有純滯后的一階和二階模型，最常用的是帶純滯后的一階形式。 2-2簡述建立對象的數學模型兩種主要方法。2-2解答： 一是機理分析法。機理分析法是通過對對象內部運動機理的分析，根據對象中物理或化學變化的規(guī)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處理后推導出的對象特性方程。通過這種方法得到的數學模型稱之為機理模型，它們的表現形式往往是微分方程或代數方程。 二是實驗測取法。實驗測取法是在所要研究的對象上，人為施加一定的輸

8、入作用，然后，用儀器測取并記錄表征對象特性的物理量隨時間變化的規(guī)律，即得到一系列實驗數據或實驗曲線。然后對這些數據或曲線進行必要的數據處理，求取對象的特性參數，進而得到對象的數學模型。5-12 何為測試法建模？它有什么特點？2-3解答：1）是根據工業(yè)過程輸入、輸出的實測數據進行某種數學處理后得到數學模型。2）可以在不十分清楚內部機理的情況下，把被研究的對象視為一個黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。2-3描述簡單對象特性的參數有哪些?各有何物理意義?2-3解答：描述對象特性的參數分別是放大系數K、時間常數T、滯后時間。 放大系數K放大系數K在數值上等于對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸出的變化量與輸入的

9、變化量之比，即 由于放大系數K反映的是對象處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出和輸入之間的關系，所以放大系數是描述對象靜態(tài)特性的參數。 時間常數T時間常數是指當對象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變化，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時間?；虍攲ο笫艿诫A躍輸入作用后，被控變量達到新的穩(wěn)態(tài)值的632所需時間。 時間常數T是反映被控變量變化快慢的參數，因此它是對象的一個重要的動態(tài)參數。 滯后時間滯后時間是純滯后時間和容量滯后的總和。 輸出變量的變化落后于輸入變量變化的時間稱為純滯后時間，純滯后的產生一般是由于介質的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。容量滯后一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。 滯

10、后時間也是反映對象動態(tài)特性的重要參數。5-6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控過程的系統(tǒng)框圖有什么特點？2-3解答：1）在擾動作用破壞其平衡工況后，被控過程在沒有外部干預的情況下自動恢復平衡的特性，稱為自衡特性。2）被控過程輸出對擾動存在負反饋。5-7 什么是單容過程和多容過程？2-3解答：1）單容：只有一個儲蓄容量。2）多容：有一個以上儲蓄容量。2-4什么是控制通道和擾動通道(干擾通道)?對于不同的通道，對象的特性參數(K、T、)對控制有什么不同的影響?2-4解答：對于一個被控對象來說，輸入量是擾動量和操縱變量，而輸出是被控變量。由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯系稱為通道。操縱變量至被控變

11、量的信號聯系稱為控制通道；擾動量至被控變量的信號聯系稱為擾動通道。 一般來說，對于不同的通道，對象的特性參數(K、T、)對控制作用的影響是不同的。 對于控制通道： 放大系數K大，操縱變量的變化對被控變量的影響就大，即控制作用對擾動的補償能力強，余差也?。环糯笙禂礙小，控制作用的影響不顯著，被控變量的變化緩慢。但K太大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。 在相同的控制作用下，時間常數T大，則被控變量的變化比較緩慢，此時對象比較平穩(wěn)，容易進行控制，但過渡過程時間較長；若時間常數T小，則被控變量變化速度快，不易控制。時間常數太大或太小，在控制上都將存在一定困難，因此，需根據實際情

12、況適中考慮。 滯后時間的存在，使得控制作用總是落后于被控變量的變化，造成被控變量的最大偏差增大，控制質量下降。因此，應盡量減小滯后時間。 對于擾動通道： 放大系數K大對控制不利，因為，當擾動頻繁出現且幅度較大時，被控變量的波動就會很大，使得最大偏差增大；而放大系數K小，既使擾動較大，對被控變量仍然不會產生多大影響。 時間常數T大，擾動作用比較平緩，被控變量變化較平穩(wěn)，對象較易控制。 純滯后的存在，相當于將擾動推遲時間才進入系統(tǒng)，并不影響控制系統(tǒng)的品質；而容量滯后的存在，則將使階躍擾動的影響趨于緩和，被控變量的變化相應也緩和些，因此，對系統(tǒng)是有利的。 2-5實驗測取對象特性常用的方法有哪些?各自

13、有什么特點?2-5解答：實驗測取對象特性常用的方法有階躍響應曲線法、矩形脈沖法。階躍響應曲線法是當對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在對象的輸入端施加一個幅值已知的階躍擾動，然后測量和記錄輸出變量的數值，就可以畫出輸出變量隨時間變化的曲線。根據這一響應曲線，再經過一定的處理，就可以得到描述對象特征的幾個參數。階躍響應曲線法是一種比較簡單的方法。如果輸入量是流量，只需將閥門的開度作突然的改變，便可認為施加了一個階躍擾動，同時還可以利用原設備上的儀表把輸出量的變化記錄下來，既不需要增加儀器設備，測試工作也不大。但由于一般的被控對象較為復雜，擾動因素較多，因此，在測試過程中，不可避免地會受到許多其他擾動因素的影響

14、而使測試精度不高。為了提高精度就必須加大輸入量的幅度，這往往又是工藝上不允許的。因此，階躍響應曲線法是一種簡易但精度不高的對象特性測定方法。矩形脈沖法是當對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在時間突然加一幅度為A的階躍擾動，到時突然除去，這時測得輸出變量隨時間變化的曲線，稱為矩形脈沖特性曲線。矩形脈沖信號可以視為兩個方向相反、幅值相等、相位為的階躍信號的疊加?？筛鶕匦蚊}沖特性曲線，用疊加法作圖求出完整的階躍響應曲線，然后就可以按照階躍響應曲線進行數據處理，最后得到對象的數學模型。采用矩形脈沖法求取對象特性，由于加在對象上的擾動經過一段時間后即被除去。因此，擾動的幅值可以取得較大，提高了實驗的精度。同時，對象

15、的輸出又不會長時間偏離設定值，因而對正常工藝生產影響較小。第3章 習題與思考題3-1.簡單控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？ 解答：簡單控制系統(tǒng)由檢測變送裝置、控制器、執(zhí)行器及被控對象組成。檢測變送裝置的作用是檢測被控變量的數值并將其轉換為一種特定輸出信號?？刂破鞯淖饔檬墙邮軝z測裝置送來的信號，與給定值相比較得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結果送往執(zhí)行器。執(zhí)行器能自動地根據控制器送來的控制信號來改變操縱變量的數值，以達到控制被控變量的目的。被控對象是指需要控制其工藝參數的生產設備或裝置。3-2.什么叫直接參數和間接參數？各使用在什么場合？ 解答：如果被控變量本身就是需要控制的工藝指標，

16、則稱為直接參數；如果被控變量本身不是需要控制的工藝指標，但與其有一定的間接對應關系時，稱為間接參數。在控制系統(tǒng)設計時，盡量采用直接參數控制，只有當被控變量無法直接檢測，或雖能檢測，但信號很微弱或滯后很大，才考慮采用間接參數控制。3-3.被控變量的選擇應遵循哪些原則？ 解答：被控變量的正確選擇是關系到系統(tǒng)能否達到預期控制效果的重要因素，它選擇的一般原則是：（1）被控變量應能代表一定的工藝操作指標或是反映工藝操作狀態(tài)重要變量；（2）被控變量應是工藝生產過程中經常變化，因而需要頻繁加以控制的變量；（3）被控變量應盡可能選擇工藝生產過程的直接控制指標，當無法獲得直接控制指標信號，或其測量或傳送滯后很大

17、時，可選擇與直接控制指標有單值對應關系的間接控制指標；（4）被控變量應是能測量的，并具有較大靈敏度的變量；（5）被控變量應是獨立可控的；（6）應考慮工藝的合理性與經濟性。3-4.操縱變量的選擇應遵循哪些原則？ 解答：（1）操縱變量應是工藝上允許加以控制的可控變量；（2）操縱變量應是對被控變量影響諸因素中比較靈敏的變量，即控制通道的放大系數要大一些，時間常數要小一些，純滯后時間要盡量小；（3）操縱變量的選擇還應考慮工藝的合理性和生產的經濟性。3-5.簡述選擇調節(jié)器正、反作用的目的，如何選擇? 解答：其目的是使控制器、執(zhí)行器、對象三個環(huán)節(jié)組合起來，能在控制系統(tǒng)中起負反饋作用。一般步驟，首先由操縱變

18、量對被控變量的影響方向來確定對象的作用方向，然后由工藝安全條件來確定執(zhí)行器（調節(jié)閥）的氣開、氣關型式，最后由對象、執(zhí)行器、控制器（調節(jié)器）三個環(huán)節(jié)組合后為“負”來確定控制器的正、反作用。（變送器總為正作用）“對象”ד 執(zhí)行器”ד 控制器”=“負反饋”3-6.被控對象、執(zhí)行器、控制器的正、反作用方向各是怎樣規(guī)定的？ 解答：3-6答：被控對象的正、反作用方向規(guī)定為：當操縱變量增加時，被控變量也增加的對象屬于“正作用”的；反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對象屬于“反作用”的。執(zhí)行器的作用方向由它的氣開、氣關型式來確定。氣開閥為“正”方向；氣關閥為“反”方向。如果將控制器

19、的輸入偏差信號定義為測量值減去給定值，那么當偏差增加時，其輸出也增加的控制器稱為“正作用”控制器；反之，控制器的輸出信號隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”控制器。也可參考下表：各環(huán)節(jié)作用方向如表： 作用方向環(huán)節(jié)正作用方向（+）反作用方向（-）控制器輸出隨被控變量增加而增加輸出隨被控變量增加而減少執(zhí)行器氣開閥氣閉閥被控對象當調節(jié)閥開打時，被控變量增加當調節(jié)閥開打時，被控變量減少變送器如實反映被控變量大小，只有正作用3-7.簡單參數控制系統(tǒng)中，控制器的正反作用應怎樣？ 解答：（1）根據生產工藝的安全性先確定執(zhí)行器的采用氣開閥（+），還是氣閉閥（-）。（2）在根據“對象”ד 執(zhí)行器”&#

20、215;“ 控制器”=“負反饋”來確定控制器的正、反作用。3-8 什么是控制器的控制規(guī)律？控制器有哪些基本控制規(guī)律？解答：1）控制規(guī)律：是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關系。2）基本控制規(guī)律：位式控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制。3-9 雙位控制規(guī)律是怎樣的？有何優(yōu)缺點？解答：1）雙位控制的輸出規(guī)律是根據輸入偏差的正負，控制器的輸出為最大或最小。2）缺點：在位式控制模式下，被控變量持續(xù)地在設定值上下作等幅振蕩，無法穩(wěn)定在設定值上。這是由于雙位控制器只有兩個特定的輸出值，相應的控制閥也只有兩個極限位置，總是過量調節(jié)所致。3）優(yōu)點：偏差在中間區(qū)內時，控制機構不動

21、作，可以降低控制機構開關的頻繁程度，延長控制器中運動部件的使用壽命。3-10什么是比例控制規(guī)律?它有什么特點？解答： 比例控制規(guī)律(P)是指控制器的輸出信號變化量戶與輸入偏差信號變化量e之間成比例關系，即式中比例放大系數。 比例控制的優(yōu)點是反應快、控制及時，其缺點是當系統(tǒng)的負荷改變時，控制結果有余差存在。余差的產生是由比例控制本身的特性所決定的。這是由于比例控制器的p與e成一一對應關系，當負荷改變后，需要產生一定的控制作用戶，與之對應必然要有一定的偏差e存在。 比例控制規(guī)律是一種基本的控制規(guī)律。但它有余差存在，故只在對被控變量要求不高的場合，才單獨使用比例控制作用。3-11什么是積分控制規(guī)律?

22、什么是比例積分控制規(guī)律?它有什么特點?解答：積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變量戶與輸入偏差e的積分成正比，即式中積分比例系數。 在比例控制的基礎上，再加上積分控制作用，便構成比例積分控制規(guī)律，其輸出戶與輸入P的關系為： 積分控制規(guī)律的特點是控制緩慢，但能消除余差。比例積分控制規(guī)律的特點是控制既及時，又能消除余差。 3-12什么是微分控制與比例微分控制?它有什么特點7 解答：微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量戶與輸入偏差e的變化速度成正比，即式中丁微分時間。 在比例控制的基礎上，再加上微分控制作用，便構成比例微分控制規(guī)律，其輸出戶與輸入e的關系為： 微分控制規(guī)律的特點是有一定的超前控制作用，能抑制

23、系統(tǒng)振蕩，增加穩(wěn)定性(但微分作用不宜過強)。在控制系統(tǒng)中，一般不單獨使用微分作用，而是與比例作用同時使用。如果要消除余差，就得再加上積分控制作用，構成比例積分微分三作用控制規(guī)律(PID)。3-13什么是積分時間?它對系統(tǒng)過渡過程有什么影響?解答：積分時間是用來表示積分控制作用強弱的一個參數。積分時間越小，表示積分控 制作用越強，數值上，式中是積分比例系數。 積分時間的減小，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動態(tài)性能變差，但能加快消除余差的速度，提高系統(tǒng)的靜態(tài)準確度。3-14什么是微分時間?它對系統(tǒng)過渡過程有什么影響?解答：微分時間是用來表示微分控制作用強弱的一個參數。微分時間越大，表示微分控制作用越強。

24、增加微分時間，能克服對象的滯后，改善系統(tǒng)的控制質量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分時間不能太大，否則有可能引起系統(tǒng)的高頻振蕩。3-15.控制閥的結構形式主要有哪些？各有什么特點？主要使用在什么場合？類型特點主要使用場合直通單座控制閥結構簡單、泄露量小、易于保證關閉、小口徑、低壓差直通雙座控制閥不平衡力小、泄露量較大最為常用角形控制閥流路簡單，阻力較小現場管道要求直角連接、高壓差、介質黏度大、含有少量懸浮物和顆粒狀固體三通控制閥有三個出入口與工藝管道連接，可組成分流與合流兩種形式配比控制或旁路控制隔膜控制閥結構簡單、流阻小、流通能力大、耐腐蝕性強強酸、強堿、強腐蝕性、高黏度、含懸浮顆粒狀的介質蝶閥結構

25、簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小、泄露量大大口徑、大流量、低壓差、含有少量纖維或懸浮顆粒狀介質球閥閥芯與閥體都呈球形體流體的黏度大、污穢、雙位控制凸輪撓曲閥密閉性好、重量輕、體積小、安裝方便介質黏度高、含懸浮物顆粒籠式閥可調范圍大、振動小、不平衡力小、結構簡單、套筒互換性好、汽蝕小、噪音小壓差大、要求噪音小的場合。對高溫、高黏度及含固體顆粒的介質不適用3-16、控制閥的流量特性是什么？解答：控制閥的流量特性是指被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（或相對位移）之間的關系，即式中相對流量是控制閥某一開度時的流量Q與全開時的流量之比。相對開度是控制閥某一開度時的閥桿行程了與閥桿總行程之比。3

26、-17、何為控制閥的理想流量特性和工作流量特性？解答：閥前后壓差保持不變時的流量特性稱為理想流量特性；在實際使用過程中，閥前后的壓差會隨閥的開度的變化而變化，此時的流量特性稱為工作流量特性。3-18什么是串聯管道中的阻力比s？s值的減少為什么會使理想流量特性發(fā)生畸變？解答： s值表示控制閥全開時閥上壓力差與系統(tǒng)總壓差之比。當s=1時，說明系統(tǒng)總壓差全部降在控制閥上，所以控制閥在工作過程中，隨著閥開度的變化，閥兩端的壓差是不變的，故工作流量特性與理想流量特性是一致的。當s值小于1時，系統(tǒng)的總壓差一部分降在控制閥，另一部分降在與控制閥串聯的管道上。隨著閥的開度增大，流量也增加，降在串聯管道上的壓差增加，從而是使降在控制閥上的壓差減少，因而流過控制閥的流量也減少。所以隨著s值減少，會使理想流量特性發(fā)生畸變，閥的開度越大，使實際流量值離開理想值越大。具體來說，會使理想的直線流量特性畸變?yōu)榭扉_特性，使理想的等百分比流量特性畸變?yōu)橹本€特性。3-19試述電-氣轉換器及電-氣閥門定位器在控制系統(tǒng)中的作用。解答： 電-氣轉換器是將電信號轉換為相應的氣信號的一種裝置。在控制系統(tǒng)中，如果所使用的控制器是電動控制器，其輸出信號為010mA DC或420mA DC，但所選擇的執(zhí)行器為氣動執(zhí)行器，其輸入