过程控制系统简单系统习题与解答

1、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

2、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

3、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

4、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” X “ 执行器” X “ 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

5、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:作用方向环节、正作用方向（+）反作用方向（-）控制器输岀随被控变量增加而增加输岀随被控变量增加而减少执行器气开阀气闭阀被控对象当调节阀开打时，被控变量增加当调节阀开打时，被控变量减少变送器如实反映被控变量大小，只有正作用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” x “执行器” x “ 控制

6、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

7、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p kp ?e式中 kp 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

8、。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p k1 edt式中 k1 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：p k p e k1 edt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Tdde dt式中丁 Td微分时间。在比例控制的基础上，再加

9、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：p K p e Td - dt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 ？它对系统过渡过程有什么影响？解答：积分时间Ti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1制作用越强，数值上Ti，式中Ki是积分比例系数。K1积分时间T1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

10、，提高系统的静态准确度。3-14 什么是微分时间TD?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Td越大，表示微分控制作用越强。增加微分时间Td，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。3-15.控制阀的结构形式主要有哪些？各有什么特点？主要使用在什么场合?类型特点主要使用场合直通单座控制阀结构简单、泄露量小、易于保证关闭、小口径、低压差直通双座控制阀不平衡力小、泄露量较大最为常用角形控制阀流路简单，阻力较小现场管道要求直角连接、高压差、介质黏度大、含有少量悬浮物和颗粒状固体三通控制

11、阀有三个出入口与工艺管道 连接，可组成分流与合流两种 形式配比控制或旁路控制隔膜控制阀结构简单、流阻小、流通能力大、耐腐蚀性强强酸、强碱、强腐蚀性、高黏度、含悬浮颗粒状的介质蝶阀结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小、泄露量大大口径、大流量、低压差、 含有少量纤维或悬浮颗粒状 介质球阀阀芯与阀体都呈球形体流体的黏度大、污秽、双位 控制凸轮挠曲阀密闭性好、重量轻、体积小、 安装方便介质黏度高、含悬浮物颗粒笼式阀可调范围大、振动小、不平 衡力小、结构简单、套筒互换 性好、汽蚀小、噪音小压差大、要求噪音小的场 合。对咼温、咼黏度及含固体 颗粒的介质不适用3-16、控制阀的流量特性是什么？解答：控制阀的

12、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Qmax式中相对流量 一乞是控制阀某一开度时的流量 Q 与全开时的流量 Qmax之比。相对开Qmax度丄是控制阀某一开度时的阀杆行程了与阀杆总行程L之比。L3-17、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

13、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

14、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010mA DC或 420mA DC但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为20100kPa。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

15、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3、积分时间 T;、微分时间 Td），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3,和临界周期Tk,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3s和衰减周期Ts （或上升时间 T升），然后根