2023年过程控制系统习题答案

千里之行，始于足下让知识带有温度。第第2页/共2页精品文档推荐过程控制系统习题答案什么是过程控制系统？其基本分类办法有哪几种？

过程控制系统通常是指延续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。基本分类办法有：根据设定值的形式不同【定值，随动，程序】；根据系统的结构特点【反馈，前馈，前馈-反馈复合】。

热电偶测量的基本定律是什么？常用的冷端补偿方式有哪些

均质材料定律：由一种匀称介质或半导体介质组成的闭合回路中，不论截面和长度如何以及沿长度方向上的温度分布如何，都不能产生热电动势，因此热电偶必需采纳两种不同的导体或半导体组成，其截面和长度大小不影响电动势大小，但须材质匀称；

中间导体定律：在热电偶回路接入中间导体后，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响；

中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t、t0时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t、ta和ta、t0时的热电势之代数和。只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端随意温度时的热电势,即

因为冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为某一定值，因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端实行补偿措施，使其温度恒定。冷端温度补偿办法有冷端恒温法、冷端补偿器法、冷端温度校正法和补偿导线法。

为什么热电阻常用三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。

电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电

桥输出带来较大误差，必需用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。

对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答：

变送器具有哪些主要功能？

变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。

什么是变送器零点、零点迁移调节和量程调节？

热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调节。

大幅度的零点调节叫零点迁移。有用价值是：有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在500～1000度之间

变化。假如仪表测量范围在0～1000度之间，则500℃以下测量区域属于铺张。由于变送器的输出范围是一定的。可通过零点迁移，协作量程调节，使仪表的测量范围在500～1000℃之间，可提高测量精度。

热电偶冷端温度补偿电路起什么作用？

热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必需使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0度为依据，否则会产生误差。

5、电容式差压传感器和应变式压力传感器原理

当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。

电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，再将电容量转换成标准电流输出。

应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。R=ρL/S，当应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、S变小，其阻值增强；当应变片产生纵向压缩变形时，S变大、L变小，其阻值

减小。应变片电阻的变化可用电桥测出。

6、差压式流量计原理？

差压式（也称节流式）流量计是基于流体流淌的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。通常是由能将被测流量转化为差压信号的节流器和能将此差压转化为电信号的差压计两部分组成。

7、什么是调整阀的流量特性？什么是调整阀的固有流量特性和工作流量特性？如何按照详细状况挑选调解阀？

在调整阀前后压差固定的状况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫抱负流量特性，彻低取决于发行的外形。最常见调整阀的流量特性有直线、等百分比（对数）、快开三种；调整阀的工作哟流量特性值得是固有流量特性发生畸变，与调整阀级结构和配管状况有关系。

8、建立被控过程的数学模型：

什么是机理分析法建模？

通过分析生产过程的内部机理，找出变量之间的关系。如物料平衡方程、能量平衡方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而导出对象的数学模型。

什么是试验法建模？

试验法建模是按照实际生产过程中发生的变化机理，写出相关的平衡方程，得到数学模型。

从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程有何特点？

从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程的特点是被控量的变化往往是不震荡的、单调的、有滞后和惯性的。

写出具有纯滞后的自衡单容过程和双容过程的传递函数。

双容（不考）：

9、什么是自衡过程和非自衡过程？写出纯滞后自衡单容过程和双容过程的传递函数，绘出自衡单容过程和双容过程的阶跃响应曲线，并把特性参数标在图上。

自衡过程是指系统中存在着对所关注的变量的变化有一种固有的、自然形式的负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。具有自平衡能力的过程称为自衡过程。反之，不存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程，称为非自衡过程。在浮现扰动后，过程能靠自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自衡特性。

纯滞后自衡单容过程：

【双容不考】纯滞后自衡双容过程：

10、在单回路过程控制系统设计中其控制系统设计包括哪些内容？基本步骤是什么？挑选被控变量的普通原则是什么？控制变量挑选的普通原则是什么?

1、认识和理解生产对控制的技术要求与性能指标；

2、建立被控过程的数学模型；

3、确定控制计划；

4、控制设备选型；

5、试验（或仿真）验证。

挑选被控变量的基本原则有以下几点：

(1)若直接参数信号能够获得，而且其测量和变送信号滞后与被控过程的滞后相比较小时，应尽量挑选直接参数作为被控变量;

(2)若无法猎取直接参数信号，或义测量和变送信号滞后较大时，可挑选与直接参数有单位函数关系的间接参数作为被控变量;

(3)作为被控变色必需是可测的，并有足够大的测量敏捷度;可挑选与直接参数有

(4)挑选被控变量时，必需考虑工艺合理性和可供选用的仪表产品现状;

(5)被控变量应是自立、可控的。

在生产过程中，影响正常运行的因素无数，但并非全部的影响因素都需要加以自动控制。被控变量的正确挑选对稳定生产过程、提高劳动生产率、改善生产条件等具有打算性的意义。控制变量的挑选原则是：单一变量原则。只转变一个量，控制其他量和外界环境不变，即可。

11、对于单回路过程控制系统设计，试回答如下问题：

单回路系统控制计划设计包括哪些内容？

1、挑选被控变量；

2、找出影响被控变量的因素，挑选其中之一举行控制，并将其余作为干扰；

3、确定被控变量后，确定执行器镇反作用（调整阀，气开气关）；

4、挑选调整器的正反作用；

5、按照工业要求挑选控制逻辑；

6、举行PID参数整定；

挑选控制参数时，为什么选过程控制通道的放大系数K0要适当大一些，时光常数T0要适当小一些，而扰动通道的Kf应尽可能小，Tf要大？

过程控制通道的放大系数K0要适当大一些是由于静态放大系数K0越大，系统的静态偏差值就越小，控制作用越敏捷，克服扰动的能力越强，控制效果越好；

时光常数T0要适当小一些是由于控制通道时光常数大小反映了控制变量克服干扰对被控参数影响的快慢程度，若控制通道时光常数太大，控制变量的控制影响缓慢，对被控参数的偏差校正不准时，动态偏差大，系统过渡时光长，控制品质差。因此，在控制系统设计时，要求控制通道时光常数小一些，使被控参数对控制变量的反应敏捷，控制准时，从而获得良好的控制品质；

扰动通道的Kf应尽可能小是由于干扰通道的静态放大系数越大，外部扰动对被控参数的影响越大，所以Kf越小越好;

Tf要大是由于f(t)产生最大动态偏差随着Tf的增大而削减，系统控制品质提高。

执行器（调整阀）挑选应包括哪些内容？

1、调整阀的工作区间的挑选

2、调整大的流量特性挑选

3、调整阀的气开气关作用方式挑选

12、举出调整器参数几种试验整定办法，和基本步骤，并比较几种办法的优缺点及适用场合，分析响应曲线法怎么整定参数实例。

稳定边界法（临界比例度法）：

属于闭环整定办法，按照纯比例控制系统临界振荡实验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按阅历公式求出调整器的整定参数。

（1）置调整器Ti→∞，Td=0，比例度P→较大值，将系统投入运行。

（2）逐渐减小P，加干扰观看，直到浮现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。按照Pm和Tm，按阅历公式计算出控制器的参数整定值。

优缺点：（1）临界比例度过小时，调整阀简单游移于全开或全关位置，对生产工艺不利或不容许。例如，一个用燃料油加热的炉子，假如阀门发生全关状态就要熄火。

（2）工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的平安。

衰减曲线法：

也属于闭环整定办法，但不需要寻觅等幅振荡状态，只需寻觅最佳衰减振荡状态即可。

（1）把调整器设成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。

（2）在稳定状态下，阶跃转变给定值（通常以5%左右为宜），观看调整过程曲线。

（3）适当转变比例度，重复上述试验，到浮现惬意的衰减曲线为止。

（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各种调整逻辑时的整定参数。

优缺点：这种办法不需要系统达到临界振荡状态，步骤容易，比较平安。缺点是不易精确     定衰减程度，从而较难得到参数，尤其是一些扰动比较频繁，过程变化较快的控制系统。

响应曲线法：

属于开环整定办法。以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过阅历公式求取调整器的最佳参数整定值。

（1）首先使系统处于开环状态

（2）像调整阀输入阶跃信号，通过检测仪表记录被控参数的响应曲线——广义对象阶跃响应曲线

（3）按照广义对象阶跃响应曲线，通过近似处理，在响应曲线的拐点处做切线，并把广义对象当做有纯滞后的一阶惯性环节找出广义对象的特性参数K0、T0、τ0，用阅历公式求整定参数。

优缺点：此办法在不加控制作用的状态下举行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。

阅历法：凭阅历凑试。其关键是“看曲线，调参数”。

在闭环的控制系统中，凭阅历先将控制器参数放在一个数值上，通过转变给定值施加干扰，在记录仪上观看过渡过程曲线，按照P、TI、TD对过渡过程的影响为指导，对照例度P、积分时光TI和微分时光TD逐个整定，直到获得惬意的曲线为止。

（1）调比例：P由大到小，到惬意曲线

（2）调PI,比例度放大10-20%,积分时光↓衰减率4：1

（3）调PID，比例度缩小，积分时光缩小，微分时光↑

优缺点：阅历法的办法容易，但必需清晰控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。在缺乏实际阅历或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。

13、试说明稳定边界法的整定步骤。在比例控制基础上分离增强适当的积分和微分作用，对系统有什么影响？

整定步骤见上题。

在比例控制的基础上增强适当的积分作用，降低了系统的稳定性，增大了最大动态偏差，动态性能指标变差，消退了余差；在比例控制的基础上增强了适当的微分作用，提高了系统的稳定性，降低了最大动态偏差，动态性能指标变好，余差有所减小但是不为零。

14、画出串级控制系统的框图（框图中文字用中文）。串级控制系统有哪些主要特点？在串级控制系统整定办法中，何谓两步整定法和逐步靠近法？

当对象的滞后较大，干扰比较强烈、频繁时，采纳容易控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采纳串级控制系统。系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量；主、副调整器是串联工作的，主调整器的输出作为副调整器的给定值。串级系统特点总结：

①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；

②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；

③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。

1．逐步靠近法：依次整定副回路、主回路。并循环举行，逐步临近主、副回路最佳控制状态。

2．两步整定法：系统处于串级工作状态，第一步按单回路办法整定副调整器参数；其次步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调整器举行参数整定。

3．一步整定法：按照阅历，先将副调整器参数一次调好，不再变动，然后按普通单回路控制系统的整定办法直接整定主调整器参数。

15、前馈控制有什么特点？

当对象的滞后较大，干扰比较强烈、频繁时，采纳容易控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采纳串级控制系统。结构特点：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量；主、副调整器是串联工作的，主调整器的输出作为副调整器的给定值。

写出前馈控制器的传递函数？

前馈控制系统的参数整定包括哪些内容？

静态前馈系数整定和时光常数的整定。

前馈反馈复合控制系统的原理和特点

系统中既有针对主要扰动信号举行补偿的前馈控制，又存在对被调量采纳反馈控制以克服其他的干扰信号，这样的系统就是前馈—反馈复合控制系统。

前馈控制系统的作用是对主要的干扰信号举行补偿，可以针对主要干扰信号，设置相应的前馈控制器；引入反馈控制，是为了是系统能够克服全部的干扰信号对被调量产生的影响，除了已知的干扰信号以外，系统中还存在其他的干扰信号，这些扰动信号对系统的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们肯本就考虑不到或是无法测量，都通过反馈控制来克服。

复合控制系统与按偏差控制的单回路系统的特征方程是一样的，不影响闭环系统的稳定性。在反馈控制的基础上，针对主要干扰举行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。②反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。③在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对冲突。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈——反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。

传递函数，并用系统方框图表示并解释此预估补偿系统如何实现？

补偿器模型，得史密斯预估补偿器传递函数为

17、什么叫分程控制系统？怎样实现分程控制？在分程控制中，为使调整阀总的

流量特性比较平滑，普通应实行什么措施？

在分程控制系统中，一个控制器的输出信号被分割成几个行程段，每一段行程各控制一个调整阀，故取名为分程控制系统。例如，一个控制器的输出信号分程控制两个调整阀A和B，A和B的输入信号各占一半行程。

分程控制系统工作原理：如某一间歇式生产的化学反应过程中，每次投料完毕后，需要先对其加热引发化学反应。一旦反应开头举行，就会持续产生大量的反应热，假如不准时降温，物料温度会越来越高，有发生爆炸的危急。因此，必需降温。为此，可设计以反应器内温度为被控参数、以热水流量和冷却水流量为控制变量的分程控制系统，调整阀A、B分离控制冷却水和热水。为保证平安，热水阀采纳气开式，冷水阀采纳气关式，则温度调整器设为反作用。

假如调整阀是对数流量特性，其总流量特性连接处必有突变点。可以通过两个调整阀分程信号部分重迭的方法，使调整阀流量特性实现平滑过渡。即将两个阀的工作范围扩大，形成一段重迭区。

18、什么叫比值控制系统？画出双闭环比值控制的原理框图，并说明主流量回路和副流量回路的控制原理。

生产过程中，常常需要几种物料的流量保持一定的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。

定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。

19、什么是挑选控制，结合实例简述挑选控制的基本原理？

挑选性控制系统就是能按照生产状态自动挑选合适的控制计划的控制系统。系统设有有多个控制回路，由挑选器按照设计的规律关系选通某个控制回路。

例子：锅炉蒸汽压力的控制

工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路控制系统控制，则按照蒸汽出口压力控制燃气量。假如蒸汽用量大幅度变化，蒸汽压力控制系统会使燃气阀门开度大幅变化。但煤气压力过高会发生脱火。为防止产生脱火现象，增强一个燃气高压庇护控制回路。用P2T测燃气压力，P2C的设定值为燃气高压上限值，当燃气压力低于上限值时，P2C输出高值信号。用低选器自动地挑选两个控制信号中较低的一个，作为阀门的控制信号。P2C输出高值时，LS选中P1C作为输出。系统是以蒸汽压力为被控变量的容易控制系统。当煤气压力超过P2C给定值时，P2C输出低值，LS将改选P2C作为输出。系统处于燃气压力控制时，蒸汽出口压力控制回路被燃气压力平安庇护回路所取代。在蒸汽压力定值控制与燃气高压自动庇护的挑选控制过程中，还可能浮现另一种事故：假如因蒸汽负荷很低，导致燃气流量过低，会浮现熄火现象，也必需加以防止。

为防止浮现熄火现象，再增强一个燃气低压庇护控制回路—P3T、P3C。P3C的设定值为燃气压力下限值，当燃气压力低于下限值时，P3C输出高值信号，被HS选中。

当燃气压力高于下限值时，P3C输出低值信号，不会被HS选中。本系统的挑选器在控制器之后，是三选一系统。当系统处于燃气压力庇护控制期间，蒸汽出口压力不能保证符合工艺要求。

1.什么是过程控制系统？其基本分类办法有哪几种？

2.热电偶测量的基本定律是什么？常用的冷端补偿方式有哪些

3.为什么热电阻常用三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。

4.对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答：

1)变送器具有哪些主要功能？

2)什么是变送器零点、零点迁移调节和量程调节？

3)热电偶冷端温度补偿电路起什么作用？

5、电容式差压传感器和应变式压力传感器原理

6、差压式流量计原理？

7、什么是调整阀的流量特性？什么是调整阀的固有流量特性和工作流量特性？如何按照详细状况挑选调解阀？

8、建立被控过程的数学模型：

1)什么是机理分析法建模？

2)什么是实验法建模？

3)从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程有何特点？

4)写出具有纯滞后的自衡单容过程和双容过程的传递函数。

9、什么是自衡过程和非自衡过程？写出纯滞后自衡单容过程和双容过程的传递函数，绘出自衡单容过程和双容过程的阶跃响应曲线，并把特性参数标在图上。

10、在单回路过程控制系统设计中其控制系统设计包括哪些内容？基本步骤是什么？挑选被控变量的普通原则是什么？控制