西安邮电大学自动---过程控制总复习.doc

第一章1、过程控制的定义，组成及各部分的作用？答：定义：控制过程系统指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、控制执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。组成作用：被控过程：被控制的生产设备和装置 传感变送器：对被控过程的输出值进行自动检测已获得可靠的控制信息的装置 控制器：根据给定值和当前值的差来进行控制操作 执行器：将电动或气动量转换成被控过程或控制阀的信号模式 控制阀：终端部件 相关的报警：保护及连锁部件。2、过程控制的分类？答：（1）按系统结构特点分：反馈控制系统：根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的 前馈控制系统：以不变性原理为理论基础，直接根据扰动量的大小进行工作，扰动都是控制的依据 前馈-反馈控制系统复合式控制系统，充分利用两者优点，在反馈控制系统中引入前馈控制，提高控制质量（2）按给定信号分：定制控制系统：系统被控量的给定值保持在规定值不变 程序控制系统：被控量的给定值按预定的时间程序变化工作 随动控制系统：被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。第二章 数学模型1、建模的方法及其建模的目的？答：方法：机理分析法建模：根据过程的内部机理，运用一些已知的定理、原理建立过程的数学模型 试验法建模：在实际的生产过程中，根据过程输入、输出的实验数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。目的：设计控制方案 调试控制系统、确定控制极其参数 制定优化控制方案 确定新型控制策略及控制算法 建立计算机仿真过程培训系统 设计过程的故障检测与诊断系统 2、 有自衡和无自衡的定义，以及传递函数的表达形式？答;有自衡定义：过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，无需人或仪器的干预，依靠过程自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态，这种特性称为自平衡能力。无自衡定义：被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人或仪器的干预，依靠过程自身能力，最后不能恢复其平衡状态，这种特性称为无自平衡能力。传递函数：自衡单容Wo（s）=H（s）/Q1（s）=R2/（R2Cs+1）=Ko/ToS+1：T时间常数 自衡多容 自衡单容滞后Wo（s）=H（s）/Q1（s）=Ko/（ToS+1) 无自衡单容Wo（s）=1/TaS 无自衡多容Wo（s）= H2（s）/Q1（s）=1/TaS(TS+1) 无自衡多容滞后Wo（s）=1/TaS(TS+1)n:Ta积分时间常数3、最小二乘法的定义，基本原理，两点法建立数学模型的基本步骤？答：采用离散模型来描述，对输入输出进行采样，得到输入输出序列u(k) 和y（k） ,用差分方程描述，根据实验数据来推算结构模型中的参数，是一种过程离散时间模型的建模方法。原理：估计原理 从式Y(N)=X(N)*(N)+(N)所示的一类模型中找出过程参数向量的估计值，能使模型误差尽可能小的模型。即估计出来的参数能使方程组误差平方和最小.两点法步骤：设有自平衡能力一阶滞后过程W（s）=Ke-ts/(Ts+1) 确定增益K：K=y（）-y（0）/K 标么化（转换成无量纲形式）： 把y(t)转换成它的无量纲形式y*(t)，即：y*(t)y(t)/y() 建立方程求解 校验：如果实际值与上述计算值相差较大，说明误差较大，应选用二阶环节来近似。第三章 执行器1、热电偶保持冷端温度恒定的一些方法？答：导线补偿法 冰浴法 补偿电桥法 计算法2、 热电偶的工作原理？答：利用导体或半导体的热电效应，将温度的变化转换成电动势的变化。即：当两种不同材料的导体或半导体A、B连接成一个闭合回路时，只要两连接点温度不同，回路中就会产生热电动势，并产生电流。3、 执行器的组成、分类？答：组成：由执行机构和调节机构组成分类：根据能源不同可分为气动执行器、电动执行器和液动执行器。4、 常用的压力检测仪表有哪些，分类方式有哪些？答：液柱式压力计：单管压力计、U型管压力计、斜管压力计 弹性式压力计：膜片压力表，波纹管压力表，弹簧管式压力表 电气式压力计：应变片式压力机、霍尔片式压力计、热电式真空计 活塞式压力计5、 调节阀的理想流量特性及其方程？答：调节阀的理想流量特性指在阀前后压差为一定的情况下（P=常量）得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。方程：(1) 直线流量特性 ：调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。表达式 ，特点：a.放大系数是常数，b. Q 流量相对变化值 。(2) 对数流量特性：单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。表达式 ，特点：a. Q 放大系数，b. 流量相对变化值是常数。6、 力平衡式压力传感器的工作原理，温度变送器的基本工作原理?答：力平衡式压力传感器是根据力平衡原理，将各种物理量转换成统一的标准信号。温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。温度变送器的功能【热电偶冷端温度补偿、零点调整、零点迁移、量程调节以及线性化】7、液位检测【静压式液位计、电容式液位计（利用测量点容量的变化来测量液位高低）】第四章 PID1、PID理想的传递函数表达形式及P，PI,PD,PID具体的物理意义？答：传递函数物理意义：比例作用 (P作用)动态方程式： 传递函数为： 特点为：（1）无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确, 在控制系统中是促使控制过程稳定的因素；（2）有差作用2）.积分作用(I作用) 动态方程式：传递函数为： 特点为：（1）控制过程结束时,被调量与其给定值之间没有稳态偏差 (无差调节)；（2）积分作用在控制系统中是使控制过程振荡的因素,很少单独使用3.）微分作用(D作用)动态方程式：传递函数为：特点为：（1）微分作用具有超前调节的特点 （2）能提高控制过程的稳定性 （3）不能单独使用比例(P)调节器:迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定.适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，控制要求不高有一定余差的场合。比例积分(PI)调节器:消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡。适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，被控参数不高，不允许余差的场合。比例微分(PD)调节器:减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统动态特性,适应于时间常数较大或多容过程的调节控制比例积分微分(PID)调节器:PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。2、 位置型和增量型的推导过程以及这俩种的优缺点？答：（1）位置型PID算法的模拟表达式: 连续的时间离散化: 用累加求和近似积分: 微分用一阶向后差分近似得由得离散的PID表达式: 令积分系数，微分系数位置位置表达式：（2）增量型优缺点：位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的积累误差。而增量式只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。 对于位置式算法，控制从手动切换到自动时，必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于算式中不出现u0，易于实现手动到自动的无冲击切换。此外，在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。3、 PID的改进？ 实验做过答：遇限削弱积分法 基本思想：在计算u（k）时，将判断上一时刻的控制量u（k-1）是否已超出限制范围，如果已超出，那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。 积分分离法：当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用（PD算法），以使积分项不至过大；当偏差较小(被控量和给定值接近)时，再加入积分作用（PID算法），以消除静差。第五章 性能指标1、机械性能指标，包括偏差积分性能指标，它的定义及其物理意义？答：性能指标是衡量控制系统性能优良度的一种尺度。阶跃响应性能指标：余差C,衰减率，最大偏差A,过渡过程时间定义：系统在单位阶跃输入作用下来衡量系统的性能指标。偏差积分性能指标：IAE（偏差绝对值积分）、ITAE（偏差绝对值与时间乘积的积分）、ISE（偏差平方值积分）、ITSE（时间乘偏差平方积分）。定义：根据输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分来衡量。2、控制参数的选择一般原则？答：控制通道放大系数K0要适当大一些，时间常数T0要适当小一些，纯滞后0 越小越好 扰动通道放大系数Kf要尽可能小，时间常数Tf要大一些,扰动作用点位置要远离被控量的检测点 过程本身存在多个时间常数时，应尽量设法使他们越错开越好 控制量应具有可控性，工艺操作合理性，经济性。2、 控制器参数的整定方法？答：（1）理论计算：在已知过程数学模型基础上，依据控制理论计算求取最佳参数。(根轨迹、频特性等)（2） 工程整定：直接在过程控制系统中进行整定，其实用性强。可分为以下几种方法： 动态特性参数法（响应曲线法）动态特性参数法（响应曲线法） 阻尼振荡法（衰减曲线法） 现场经验凑试法：先比例、后积分、最后微分的顺序 极限环自整定法 模式识别法第六章 串级控制系统1、会画串级控制系统的结构框图并说明其工作原理？答：串级控制系统工作原理：采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 特点:改善了过程的动态特性，提高了系统的工作频率 对二次干扰有很强的客服能力；提高了对一次扰动的客服能力和对回路参数变化的适应能力2、主控制回路的工作特点及其作用，怎么避免主控回路控制效应？（有问题）答：主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。 副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。 3、大滞后预估补偿的工作原理，从理论上推导原理，并且画出框图？答：Smith预估补偿控制是克服纯滞后的一个有效的控制方法。其基本原理是与控制器Wc(s)并联接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器。其传递函数为推导：对于单回路大滞后系统：单回路系统闭环传递函数为：（1）Smith预估器原理图：输出给定值的闭环传递函数：由此可见，经预估补偿，其特征方程已消去，及消除了纯滞后对系统控制品质的不利影响。2）Smith预估补偿环节： （3）Smith等效图： 4、 分程与选择的特点？答：分程控制特点：将两个调节阀当作一个调节阀使用，可扩大其调节范围，改善其特性，提高控制质量。选择性控制系统的特点：采用了选择器，可适应不同生产过程的需要。 5、 前馈工作的特点，对于复杂的被控系统，要求会写前馈控制器？答：特点前馈控制器是基于扰动来消除对被控量的影响 对抑制量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效 前馈控制属于开环控制 只适用于克服可测不可控的扰动，而对系统中的其它扰动无抑制作用 前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。 Wm(s):前馈控制器 Wf(s):扰动通道传递函数Wo(s):控制通道传递函数 F(s):扰动由图可得：Y(s)=Wf(s)F(s)+Wm(s)Wo(s)F(s)故Y(s) / F(s)=Wf(s)+Wm(s)Wo(s)要使Y(s) /