過程控制系統(tǒng)第3章簡單系統(tǒng)習(xí)題與解答

1、第 3 章 習(xí)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(shù)值并將其轉(zhuǎn)換為一種特定輸出信號。控制器的作用是接受檢測裝置送來的信號，與給定值相比較得出偏差，并按某種運算規(guī)律算出結(jié)果送往執(zhí)行器。執(zhí)行器能自動地根據(jù)控制器送來的控制信號來改變操縱變量的數(shù)值，以達(dá)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(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。3-2.什么叫直接參數(shù)和間接參數(shù)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(biāo)，則稱為直接參數(shù) ；如果被控變量本身不是需要控制的工藝指標(biāo)，但與其有

2、一定的間接對應(yīng)關(guān)系時，稱為間接參數(shù) 。在控制系統(tǒng)設(shè)計時，盡量采用直接參數(shù) 控制，只有當(dāng)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(shù) 控制。3-3.被控變量的選擇應(yīng)遵循哪些原則解答：被控變量的正確選擇是關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)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(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或是反映工藝操作狀態(tài)重要變量；（ 2）被控變量應(yīng)是工藝生產(chǎn)過程中經(jīng)常變化，因而需要頻繁加以控制的變量；（ 3）被控變量應(yīng)盡可能選擇工藝生產(chǎn)過程的直接控制指標(biāo)，當(dāng)無法獲得直接控制指標(biāo)信號，或其測量或傳送滯后很大時，可選擇與直接控制指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接控制指標(biāo)；

3、（ 4）被控變量應(yīng)是能測量的，并具有較大靈敏度的變量；（ 5）被控變量應(yīng)是獨立可控的；（ 6）應(yīng)考慮工藝的合理性與經(jīng)濟性。3-4.操縱變量的選擇應(yīng)遵循哪些原則解答：（ 1）操縱變量應(yīng)是工藝上允許加以控制的可控變量；（ 2）操縱變量應(yīng)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(shù)要大一些，時間常數(shù)要小一些，純滯后時間要盡量?。唬?3）操縱變量的選擇還應(yīng)考慮工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟性。3-5.簡述選擇調(diào)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(fù)反饋作用。一般步驟，首先由操縱變量對被控變量的影響方向來確定對象的作用方向，然后由

4、工藝安全條件來確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)型式，最后由對象、執(zhí)行器、控制器（調(diào)節(jié)器）三個環(huán)節(jié)組合后為“負(fù)”來確定控制器的正、反作用。（變送器總為正作用）“對象” X “執(zhí)行器” X “控制器”=“負(fù)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(dāng)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(guān)型式來確定。氣開閥為“正”方向；氣關(guān)閥為“反”方向。如果將控制器的輸入偏差信號定義為測量值減去給定值，那么當(dāng)偏差增加時，其輸出也增加的

5、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(dāng)調(diào)節(jié)閥開打時，被控變量增加當(dāng)調(diào)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(shù)控制系統(tǒng)中，控制器的正反作用應(yīng)怎樣解答：（1）根據(jù)生產(chǎn)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(jù)“對象” x “執(zhí)行器” x “ 控制器”=“負(fù)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

6、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(guān)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(jù)輸入偏差的正負(fù)，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(shè)定值上下作等幅振蕩， 無法穩(wěn)定在設(shè)定值上。這是由于雙位控制器只有兩個特定的輸出值， 相應(yīng)的控制 閥也只有兩個極限位置，總是過量調(diào)節(jié)所致。3）優(yōu)點：偏差在中間區(qū)內(nèi)時，控制機構(gòu)不動作，可以降低控制機構(gòu)開關(guān)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)

7、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(guān)系，即p kp?e式中 k p 比例放大系數(shù)。比例控制的優(yōu)點是反應(yīng)快、控制及時，其缺點是當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷改變時，控制結(jié)果有余差存在。 余差的產(chǎn)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(yīng)關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷改變后，需要產(chǎn)生一定的控制作用戶，與之對應(yīng)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

8、戶與輸入偏差e 的積分成正比，即pk1 edt式中k1 積分比例系數(shù)。在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上積分控制作用，便構(gòu)成比例積分控制規(guī)律，其輸出戶與輸入 P 的關(guān)系為：p k p e k1 edt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PTdde dt式中丁 Td微分時間。在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上微分控制作用，便構(gòu)成比例微分控制規(guī)律，其輸出戶與輸入e的關(guān)系為：P K p e Td - dt微分控制規(guī)律的特點是有一定的超前

9、控制作用，能抑制系統(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(gòu)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Ti它對系統(tǒng)過渡過程有什么影響解答：積分時間Ti是用來表示積分控制作用強弱的一個參數(shù)。積分時間越小，表示積分控1 一, 、，一一制作用越強，數(shù)值上 Ti式中Ki是積分比例系數(shù)。Ki積分時間Ti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(zhǔn)確度。3-14 .什么是微分時間Td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

10、制作用強弱的一個參數(shù)。微分時間Td越大，表示微分控制作用越強。增加微分時間Td,能克服對象的滯后，改善系統(tǒng)的控制質(zhì)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(jié)構(gòu)形式主要有哪些各有什么特點主要使用在什么場合特點主要使用場合直通單座控制閥結(jié)構(gòu)簡單、泄露量小、易于保證關(guān)閉、小口徑、低壓差直通雙座控制閥小平衡力小、泄露量較大最為常用角形控制閥流路簡單，阻力較小現(xiàn)場管道要求直角連接、高壓差、介質(zhì)黏度大、含有少量懸浮物和顆粒狀固體三通控制閥有二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(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力大、耐腐蝕性強

11、強酸、強堿、強腐蝕性、高黏度、含懸浮顆粒狀的介質(zhì)蝶閥結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)黏度高、含懸浮物顆?；\式閥可調(diào)范圍大、振動小、小平 衡力小、結(jié)構(gòu)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。對圖溫、身黏度及含固體顆粒的介質(zhì)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(zhì)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(guān)系，即Qmax式中相對流量 _Q是控制閥某一開度時的流量 Q 與

12、全開時的流量 Qmax之比。相對開 Qmax度-是控制閥某一開度時的閥桿行程了與閥桿總行程L之比。L3-17、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(lián)管道中的阻力比 ss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(dāng)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(dāng)s值小于1時，系統(tǒng)的總壓差

13、一部分降在控制閥，另一部分降在與控制閥串聯(lián)的管道上。隨著閥的開度增大，流量也增加，降在串聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器是將電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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070mA DC或420mA DC,但所選擇的執(zhí)行器為氣動執(zhí)行器，其輸入信號

14、一般為 20100kPa。這時就需要采用電-氣轉(zhuǎn)換器，先將控制器的輸出 電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)氣信號，才能為氣動執(zhí)行器所接受。電-氣閥門定位器除了能將電信號轉(zhuǎn)換為氣信號外，還能夠使閥桿位移與送來的信號大 小保持線性關(guān)系，即實現(xiàn)控制器來的輸入信號與閥門位置之間關(guān)系的準(zhǔn)確定位，故取名為定位器。定位器可以使用在閥的不平衡力較大或閥桿移動摩擦力較大等場合，同是還可以利用定位器來改變閥門的流量特性，改變執(zhí)行器的正、 反作用。在分程控制中， 利用定位器可以使閥門在不同的信號段范圍內(nèi)作全行程移動。3-20.控制器參數(shù)整定的任務(wù)是什么工程上常用的控制器參數(shù)整定有哪幾種方法解答：控制器參數(shù)整定的任務(wù)是：根據(jù)已定的控制

15、方案，來確定控制器的最佳參數(shù)值（包括比例度8、積分時間Ti；、微分時間Td）,以便使系統(tǒng)能獲得好的控制質(zhì)量?？刂破鲄?shù)整定方法有理論計算和工程整定兩大類，其中常用的是工程整定法。屬于控制器參數(shù)工程整定法主要有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗湊試法等。3-21.什么是臨界比例度法有何特點解答：臨界比例度法是在純比例運行下通過試驗，得到臨界比例度8,和臨界周期 Tk,然后根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。這種方法比較簡單、易于掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。但是不適用于臨界比例度小的系統(tǒng)和不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)，否則易影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行或造成事故。3-22.什么是衰減曲線法有何特點解答：衰減曲線法是在純比例運行下通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩，得到衰減比例度 法和衰減周期Ts （或上升時間 T升），然后根據(jù)