过程控制系统第章简单系统习题与解答
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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”ד执行器”ד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：
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”ד执行器”ד控制器”=“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
e k p p ?=
式中p k ——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。
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
?=edt k p 1
式中1k ——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：
()
?+=edt k e k p p 1
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及 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
dt
de T p D
= 式中丁D T ——微分时间。
在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出户与输 入e 的关系为：
??? ?
?
+=dt de T e K p D P
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1T 它对系统过渡过程有什么影响 解答：
积分时间1T 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
制作用越强，数值上1
11
K T =
，式中1K 是积分比例系数。 积分时间1T 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，提高系统的静态准确度。
3-14．什么是微分时间D T 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D T 越大，表示微分控
制作用越强。
增加微分时间
T，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高
D
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
3-16、控制阀的流量特性是什么 解答：
控制阀的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
??
?
??=L l f Q Q max 式中相对流量
m ax
Q Q
是控制阀某一开度时的流量Q 与全开时的流量max
Q 之比。相对开度L
l
是控制阀某一开度时的阀杆行程了与阀杆总行程Ｌ之比。
3-17、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ss 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0~10mA DC 或4~20mA DC，但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为
20~100kPa。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δ、积分时间T
I ；、微分时间T
D
），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δ，和临
界周期T
K
，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δ
S 和衰减周期T
S
（或上升时间T
升
），然后根据经验总结出来的关
系求出控制器各参数值。
这种方法比较简便，整定质量高，整定过程安全可靠，应用广泛，但对于干扰频繁，记录曲线不规则的系统难于应用。
3-23.试简述经验凑试法及其特点
解答：
经验凑试法是根据经验先将控制器参数置于一定数值上，然后通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制器参数值为止。
这种方法很简单，应用广泛，特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。但这种方法主要是凭经验，有一定的主观性，整定过程较为费时，整定质量因人而异。
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”ד执行器”ד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
第7章思考题与习题 7-1 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？ 解答：P212—7.1.2 7-2 分析串级系统的工作原理，说明为什么副回路的存在会使系统抑制扰动的能力增强。 解答：P208—7.1.1 7-5 在串级控制系统中当主回路为定值（设定值）控制时，副回路也是定值控制吗？为什么？ 解答：P212 不是，副回路是随动控制。 7-8 在某生产过程中，通过加热炉对冷物料加热，根据工艺要求，需对热物料出口温度进行严格控制。对系统分析发现，主要扰动为燃料压力波动。故设计如图7-43所示的控制系统。要求： （1）画出控制系统框图； （2）为保证设备安全，炉温不能过高。确定调节阀的气开、气关形式。 （3）确定两个调节器的正反作用。 解答： （1）控制系统框图如图所示。 （2）气开式。 （3）副调节器：反作用； 主调节器：反作用。 7-9 简述前馈控制的工作原理，与反馈控制相比，它有什么优点和局限？ 解答： 1）当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改变控制量，以抵消扰动对被控参数的
影响。P221 2）优点：前馈控制器在扰动出现时立即进行控制，控制及时，对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。 局限：P224—1）、2） 7-10 为什么一般不单独采用前馈控制方案？ 解答： 由于前馈控制的局限性。 7-14 图7-44为一单回路水位控制系统。如果蒸气用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制系统，画出控制系统工艺流程图和框图，并对新增回路的功能进行简单说明。 解答： 1）控制系统工艺流程图如图所示。 控制系统框图如图所示。 2）新增回路功能说明： 7-19 物料比值K与控制系统比值系数K'有何不同？怎样将物料比值转换成控制系统比值系数K'？ 解答： 1）K是工艺规定的流量比；K'是仪表信号之间的比例系数。 2）用P234式（7-37）和P235式（7-38）进行转换。
过程控制系统 第一题 问：选择性控制有哪些类型？各有什么特点？简述几种主要的抗积分饱和的措施。 答：选择性控制系统主要有被控变量的选择性控制系统和被控变量测量值的选择性控制系统两种类型。 被控变量的选择新控制系统，当生产处于正常情况时，选择其选择正常控制器的输出信号送给执行器，实现对生产过程的自动控制，此时取代控制器处于开路状态。当生产过程处于非正常情况时，选择其选择取代控制器的输出信号送给执行器，取代控制器代替正常控制器对生产过程进行控制，此时正常控制器出去开路状态。当生产过程恢复正常时，通过选择器的自动切换，仍由原来的正常控制起来控制生产过程的进行。被控变量测量值得选择新控制系统，多个变送器共用一个控制器，选择器对变送器的输出信号进行选择。其主要用途有两个：一是选出几个测量变送信号的最高或最低信号用于控制；二是为了防止仪表故障造成事故，对同一检测点采用多个仪表测量，选出可靠的测量值。 抗积分饱和的措施主要有：限幅法、外反馈法和积分切除法。
● 限幅法:用高低值限幅器，使控制器的输出信号被限制工 作区间内，但这样有可能在正常操作中不能消除系统的 余差。 ● 外反馈法：采用外部信号作为控制器的积分反馈信号， 如此，当控制器处于开环状态时，由于积分反馈信号不 是输出信号本身，就不会形成对偏差的积分作用，从而 可以防止积分饱和现象的出现。 ● 积分切除法：当控制器被选中处于闭环状态时，具有比 例积分作用；若控制器未被选中处于开环状态时，将积 分作用自动切除，使之只有比例作用。这样既不会积分 饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差。 第二题 问：分程控制系统可以应用于那些场合？请分别举例说明其控制过程，如何整定参数和投运？ 答：分程控制系统可以应用于以下几种场合： 1. 用于扩大控制发的可调范围，以改善控制品质。 通常国产控制阀的可调比R 为30，在绝大部分场合下能满足生产要求。但有些场合要求可调范围很宽，此时一个控制法无法满足生产要求。这种情况下，可将两个口径不同的控制阀当做一个控制法使用，从而扩大可调范围。 如图，若m ax A C =4，100max B C ,且两阀的可调比相等，R=30，忽略大阀的泄漏量，当采用分程控制后，其最小流量为
7.3比值控制系统 生产过程中，经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值关系的控制系统，称为比值控制系统。 例如要实现两种物料的比例关系，则表示为： Q2=K Q1 其中：K—比值系数；Q 1—主流量；Q 2 —副流量。
7.3.1 比值控制系统的种类 1. 开环比值控制系统 如图Q 1是主流量，Q 2是副流量。流量变送器FT 检测主物料流量Q 1；由控制器FC 及安装在副物料管道上的阀门来控制副流量Q 2。 FC Q 1 Q 2此控制K 方案的优点： 结构简单、成本低。缺点 是无抗干扰能力，当副流 管线压力等改变时，不能 保证所要求的比值。 控制目标：Q 2＝K Q 1图8-14开环比值控制方块图 P
结构简单，只需一台纯比例控制器，其比例度可以根据比值要求来设定。主、副流量均开环； 这种比值控制方案对副流量Q 2本身无 抗干扰能力。所以这种系统只能适用于副流量较平稳且比值要求不高的场合。
2. 单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制的不足，在开环比值控制的基础上，增加对副流量的闭环控制。特点：? 对Q 2进行闭环控制，比值控制精度提高。 ? 控制目标：Q 2=K Q 1 ?对Q 1只测量、不控制。Q 1变化，Q 2跟着变化，总流量不稳定。 F 1T Q 1 Q 2 K F 2T F 2C
图8-16单闭环比值控制系统方块图 它能实现副流量随主流量的变化而变化即Q 2=KQ 1 ，还 可以克服副流量本身干扰对比值的影响。 结构简单，实施方便，尤其适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。 虽然能保持两物料量比值一定，但由于主流量是不受控制的，当主流量变化时，总的物料量就会跟着变化。 P PID
过程控制系统第章简单系统习题与解答 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
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
简单控制系统 §5.1 简单控制系统设计原则 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。 一、被控变量的选择 被控变量选择方法 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。 选择被控变量的原则 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴满足工艺的合理性 ⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶测量变送装置的滞后小。 二、操纵变量的选择 选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 1. 对象静态特性对控制质量的影响 ＫＯ应适当大些。 扰动通道放大倍数K f越小越好。Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。 小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。 2. 对象动态特性的影响 对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。 设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。下面我们分别进行讨论。 ⑴对扰动通道特性的影响 Ｔf对控制质量的影响
1．闭环控制系统分为几种类型？每种代表什么含义？ 答：（1）定值控制系统，就是系统被控量的给定值保持在规定值不变或在小范围附近不变。 （2）程序控制系统，是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作。 （3）随动控制系统，是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统。 2.一个单回路控制系统主要由哪几个环节组成？作出简单控制系统的方框图。 答：一个单回路控制系统主要由测量元件、变送器、调节器、调节阀、和被控过程等环节组成。 3.什么是气开式调节阀？什么是气关式调节阀？其选择的原则是什么？ 答：气开式：执行器输入压力p>0.02mpa时，阀开始打开，也就是说有信号压力时阀打开，无信号压力时阀关。气关式则反之，有信号压力时阀关，无信号压力时阀开。 原则：主要是考虑在不同工艺条件下安全生产的需要。a、考虑事故状态时人身、工艺设备安全。b、考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。c、考虑介质的性质。 4.根据流量特性曲线，分别写出其对应的流量特性。 答：流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开四种 直线特性是指阀门的相对流量与相对开度成直线关系，即单位开度变化引起的流量变化时常数。 对数特性是指单位开度变化引起相对流量变化与该点的相对流量成正比，即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。 抛物线特性是指单位相对开度的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系。 快开流量特性是指在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，此后再增加开度，流量变化很小，故称快开特性。 隔膜阀的流量特性接近快开特性，蝶阀的流量特性接近等百分比特性，闸阀的流量特性为直线特性，球阀的流量特性在中启闭阶段为直线，在中间开度的时候为等百分比特性。 5.什么是积分饱和现象？防止积分饱和的措施都有哪些？ 所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u(k)达到极限位置。此后若控制器输出继续增大，u(k)也不会再增大，即系统输出超出正常运行
第七章过程控制控制系统习题及答案 一、填空 1. 单回路控制系统由传感器、调节器、执行器和被控对象组成。 2. 一个包含伺服放大器的电动调节阀，实际上是一个以调节器送来的信号为给定值、阀门位置信号为被控参数的单回路控制系统，该系统所采用的调节规律是位式调节规律。 3. 单回路控制器常见的五种控制规律是位式控制规律、比例控制规律、比例积分控制规律、比例微分控制规律及比例积分微分控制规律。 4. 当对象调节通道和测量元件的时间常数T 0较大，纯滞后τ很小，即τ/ T 很 小时，应用微分作用可以获得相当良好的效果。 5. 当对象调节通道时间常数T 较小，系统负荷变化较大时，为了消除干扰引起的余差，除了比例作用外还应采用积分作用。 6. 串级控制系统有两个控制回路。 7. 串级控制系统的内回路是一个随动控制系统，其给定值为外回路中的主调节器输出。 8. 串级控制系统主要用于控制通道时间常数太大的被控系统。 9. 串级控制系统副调节器一般选择比例调节规律，最好不采用积分调节作用，他会牺牲副回路的快速性，彻底消除偏差也不是副回路的职责，微分调节作用也是不能采用的，否则一旦主调节器的输出稍有变化就会引起执行机构的大幅度动作，加大其磨损。 10. 串级控制系统的主调节器最好包含积分控制作用，以保证干扰被彻底克服。 11. 某个干扰能否用前馈控制系统来克服的前提条件是该干扰信号可测量。 12. 单纯的前馈控制系统能实现良好控制效果的前提是能获得相应干扰通道精确的数学模型。 二、选择 1. 串级控制系统的副回路一般采用的调节规律是（A）。 （A）比例调节规律（B）比例积分微分（C）比例微分（D）比例积分2. 对串级控制系统副回路的要求是（B）。 （A）消除稳态误差（B）快速克服主要干扰（C）消除所有干扰（D）消除主干扰3. 单回路控制系统由（A）组成。 （A）控制器、执行器、变送器和被控对象（B）控制器、执行器和变送器（C）输入、反馈、控制器和执行器（D）PID调节器、变送器和电动调节阀 三、判断 1. 串级控制系统有内外两个控制回路，主副两个调节器、两个执行器和两个被控对象。（×） 只有一个执行器，一个被控对象被分为了主对象和副对象。 2. 采用一步整定法对串级控制系统进行参数整定是考虑到对副变量控制的要求不高，允许它在一定范围内变化这一前提，根据经验先将副调节器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。（√） 3. 由于串级控制系统副回路具有快速性的特点，所以应将所有干扰包含在副回路中，以使干扰被快速克服。（×） 如果要将副回路包含所有的干扰，则副回路必然变得冗长而失去其快速性的优点，违背了串级控制系统设计的原则。 4. 串级控制系统中，副回路的控制目的就是稳定副变量。（×）
实验内容：简单过程控制系统的实施与整定 【实验目的】 1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。 3、掌握单回路控制系统的投运和无扰动切换方法。 4、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。 【实验设备】 1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统 4套 2、A3000－CS上位控制系统 4套 【实验原理】 1、控制系统结构 单容水箱液位定值(随动)控制实验，定性分析P、PI和PID控制器特性。控制逻辑如图3-1所示： 图3-1 单容下水箱液位定值(随动)控制系统实验 水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变。被调量为水位H。使用P、PI 、PID控制，看控制效果，进行比较。 2、控制系统方框图 如图3-2所示： 图3-2 单容下水箱液位定值(随动)控制统方框图 3、控制系统接线表 表3－1 【实验内容与步骤】 1、系统连接 （1）在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板开度（可以稍微大一些），其余阀门关闭。 （2）在A3000-CS上，将液位差压变送器的输出连接到AI0，AO0端口，即连接到电动调节阀
上。 （3）打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。 （4）启动计算机组态软件，进入实验系统选择相应的实验。启动控制器，设置各项参数，将控制器的“手动－自动”切换开关置相应的位置。 2、控制器参数整定 用临界比例度法去整定PID调节器的参数是既方便又实用的。它的具体做法是：待系统稳定后，逐步减小控制器的比例度δ（即1/KC），并且每当减小一次比例度δ，待被控变量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被控变量变化的动态过程。若被控变量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现等幅振荡。 在如上图所示的系统中，当被控变量作等幅荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk 表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。 3、控制系统的投运及运行 （1）设置好控制器的正、反作用和P，I，D参数； （2）按无扰动切换的要求将控制器从“手动”入“自动”状态。 （3）控制器采用不同的控制算法，系统的运行情况： P控制算法 ①设置P参数（δ），I参数（Ti）设置到最大，D=0（即Td=0）。观察计算机显示屏上的曲线，待被控变量基本稳定于给定值后，可以开始加干扰实验。 ②待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。 ③减小δ重复步骤1，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 ④增大δ重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 ⑤选择合适的δ，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值（如设定值由50％变为60％），同样可以得到一条过渡过程曲线。 注意：每当做完一次实验后，必须待系统稳定后再做另一次实验。 PI控制算法 ①在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即把Ti由最大处设定到中间某一个值，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。 ②固定比例δ值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被控变量的输出波形， ③固定于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被控变量输出的动态波形，超调量
第五章简单控制系统 教学要求：掌握简单控制系统的组成 掌握被控变量的选择方法及原则 掌握操纵变量的选择方法及原则，学会分析对象静态、动态特性对控制质量的 影响。 了解系统设计中的测量变送问题 掌握控制器控制规律的选择及控制器正反作用选择 了解简单控制系统的投运过程及参数整定方法 通过单回路控制系统的设计实例讲解，掌握单回路控制系统的设计重点：被控变量、操纵变量的选择 控制器正反作用选择 难点：操纵变量的选择 控制器正反作用选择 §5.1 简单控制系统设计原则 简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。 一、被控变量的选择 被控变量选择方法 方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。 方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。 选择被控变量的原则 1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。 2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。 ⑴满足工艺的合理性
⑵具有尽可能大的灵敏度且线形好 ⑶测量变送装置的滞后小。 二、操纵变量的选择 选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入参数，作为操纵变量，而其余未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 1. 对象静态特性对控制质量的影响 ＫＯ应适当大些。 扰动通道放大倍数K f越小越好。Ｋf小表示扰动对被控变量的影响小，系统可控性好。 小结：选择操纵变量构成控制系统时，从静态角度考虑，在工艺合理性的前提下，扰动通道的放大倍数Ｋf越小越好，控制通道放大倍数ＫＯ希望适当大些，以使控制通道灵敏些。 2. 对象动态特性的影响 对象的动态特性一般可由时间常数Ｔ和纯滞后τ来描述。 设扰动通道时间常数为Ｔf，纯滞后为τf；控制通道的时间常数为Ｔo，纯滞后为τo。下面我们分别进行讨论。 ⑴对扰动通道特性的影响 Ｔf对控制质量的影响 纯滞后τf对控制质量的影响 ⑵对控制通道的影响 在选择操纵变量构成控制系统时，应使对象控制通道中τ0适当小些，设法减小τ0。 3. 操纵变量的选择原则 ⑴要构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大系数，比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间。 ⑵系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数。 ⑶考虑工艺上的合理性。如生产负荷直接关系到产品的质量，就不宜选为操纵变量。 例：乳化物干燥塔操纵变量的选择 三、系统设计中的测量变送问题 1. 纯滞后 2. 测量滞后 3. 传送滞后 传送滞后------信号传送过程中引起的滞后。主要指的是气信号的传送，对于电信号这种传送滞后可以忽略不计。 四、控制器对控制规律及正反作用的选择 1. 控制器对控制规律的选择 复习基本控制规律对过渡过程的影响。 控制规律选择的原则是： 1. 对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器。象贮罐的液面，以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。 2. 对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器。例如流量、管道压力等控制系统往往采用ＰＩ控制器。
过程控制系统概念与简单控制方案 第一单元过程控制系统基本概念 ――系统工作过程（10％） 一、填空题。 1、过程控制系统一般由________、________、________和测量变送器组成。 2、对象为气体贮罐时应设置________控制系统，对象为加热炉时应设置_______控制系统。锅炉上应设置________和________控制系统。精馏塔上应设置________控制系统和________控制系统等。（填入被控变量） 3、被控对象的输入信号称为_________变量，输出信号称为_________变量。 4、控制器接受________和________两个输入量，按一定的控制规律对二者的_________值进行运算后，再将输出量送给________去执行。 5、过程控制系统的核心是_________，它有_________个输入量，_________个输出量，该输出量将驱动仪表_________。 6、气动仪表的标准统一信号是_________。
8、常规控制系统的_________用计算机替代后，系统就称为计算机控制系统。 9、过程控制系统中五大类参数（被控变量）指_________、_________、_________、_________和_________。（填写被控变量名称及字母） 二、判断题。 （）1、自动调节系统的给定值是根据生产要求人为设定的。 （）2、锅炉工作中最重要的参数是温度。 （）3、仪表的给定值就是它的测量值。 （）4、过程控制系统一般由控制器、执行器、被控对象和测量变送器组成。 三、选择题。 夹套式化学反应器的控制系统一般设置为（）系统。 （A）成分（B）液位（C）流量（D）温度 四、问答题。 1、什么是自动控制系统？什么是过程控制系统？ 2、过程控制系统主要有哪些环节组成？ 3、名词解释：被控对象、被控变量、操纵变量、测量值、给定值、比较机构、干扰、闭环和负反馈。 11、下列环节在控制系统工作时各起什么作用：控制器、执行器、被控对象和测量（元件）变送器。 12、绘制敞口贮槽、气罐、离心泵、加热炉、氨冷器、化学反应器、精馏塔、锅炉的工艺流程图，要求包含设备和必要的物料进出口管道，并标明物料
1 光伏发电系统的简介 1.1 光伏发电系统的背景 当今世界的能源支配中，以化石燃料为主。2011年我国的能源消费结构中化石能源占92%，非化石能源仅占8%.在国外国内双重压力下，能源调整不得不为之，“十二五”期间，国家出台了一系列的可再生能源产业政策。 太阳能是最丰富的可再生能源，光伏发电技术为太阳能的利用开辟了广阔的空间。同时，太阳能光伏发电具有安全可靠、无污染、就地发电等优点，使得该技术快速的发展。 1.2 光伏发电系统的简介 光伏发电系统是将太阳能直接转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应。光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。 独立的太阳能光伏发电系统示意图如下： 图1 独立的太阳能光伏发电系统示意图 并网的太阳能光伏发电系统示意图如下：
图2 并网的太阳能光伏发电系统示意图 太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统组成。 1.3太阳能光伏发电系统的现状 随着低碳生活的到来，各国对太阳能光伏发电的认可和重视度越来越高。1997年，美国宣布发起“百万太阳能屋顶计划”和最近的“太阳能先导计划”；1998年，德国宣布于1999年实施“十万太阳能屋顶计划”；日本和欧洲光伏应用市场也迅速增加。而中国2009年提出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》、2010年国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》以及“十二五”计划等政策支持光伏发电产业的发展。截至2011年底中国太阳能光伏发电累计装机量达300万千瓦。 随着科研资金的大力投入和产业的快速发展，太阳能光伏发电技术得到较大的发展。其中太阳能电池组件已有晶硅电池（单晶硅和多晶硅）、非晶硅薄膜电池，转化率越来越高，单价越来越便宜。近年来发展的太阳跟踪控制系统大大的提高太阳能电池组件的发电效率。 1.4 太阳能光伏发电系统的前景 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应 中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。
●简单控制系统的组成 四个基本组成部分：被控对象、检测与变送仪表、调节器（控制器）、执行机构。 简单控制系统的工作过程 变量、执行器、控制器类型的确定 ●串级控制系统的组成 四个基本组成部分：两个被控对象、两套检测与变送仪表、两个调节器（控制器）、执行机构。 系统主副控制器正、反作用方向的确定： 先副后主 特点：在系统结构上，它是由两个闭环回路，副回路起快速的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用，系统的鲁棒性好，副回路是一个随动控制系统，所以系统对负荷的改变有一定的自适应能力 ●均匀控制系统的特点 结构上无特殊性，区别在控制目的和参数的整定 工艺参数应在允许的范围内缓慢变化 ●比值控制系统使一中物料随另一种物料按一定的比例变化的控制系统 比值和比值系数的计算 ●前馈控制系统是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生 合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上
● 分程控制系统是一台调节器的输出仅操纵一个调节阀, 若一台调节器去控制两个以上 的调节阀, 并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门, 这种控制方式习惯上称为分程控制。 ● 选择控制系统是生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统 上去的一种组合控制方法。至操作极限时，通过选择器把一个用于控制不安全情况的备用控制系统取代正常工况下，待回到正常工况后又切回到正常工况下。 ● 图为锅炉汽包液位控制系统，生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。 1）指出该系统为什么样的系统； 2）指出被控参数和控制参数 3）确定调节阀应该选气开还是气关？并说明原因。 4）调节器的控制规律及其正、反作用方式？并说明原因 答；1）、单回路控制系统 （2）、被控参数为汽包液位、控制参数给水流量 （3）应选择气关式。因为在气源压力中断时，调节阀可以自动打开，以保证锅炉不被烧干 （ 4）调节阀应选择气关式，则液位控制器应为正作用，当检测到液位增加时，控制器应加大输出，则调节阀关小，使汽包液位稳定或当检测到液位增减小时，控制器应减小输出，则调节阀开大，使汽包液位稳定 ● 如下图所示的管式加热炉出口温度控制系统，主要扰动来自燃料流量的波动，试分析： （1）该系统是一个什么类型的控制系统？画出其方框图 （2）确定调节阀的气开气关形式，并说明原因 （3）确定两个调节器的正反作用。 LS TC TT LC LT
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：