过程控制系统课后习题解答（不完全版注：红色为未作答题目）1.1过程控制系统中有哪些类型的被控量？答：被控量在工业生产过程中体现的物流性质和操作条件的信息。

如：温度、压力、流量、物位、液位、物性、成分。

1.2过程控制系统有哪些基本单元组成？与运动控制系统有无区别？答：被控过程或对象、用于生产过程参数检测的检测仪表和变送仪表、控制器、执行机构、报警保护盒连锁等其他部件构成。

过程控制系统中的被控对象是多样的，而运动控制系统是某个对象的具体控制。

1.3简述计算机过程控制系统的特点与发展。

答：特点：被控过程的多样性，控制方案的多样性，慢过程，参数控制以及定值控制是过程控制系统的主要特点。

发展：二十世纪六十年代中期，直接数字控制系统（DDC ），计算机监控系统（SCC ）；二十世纪七十年代中期，标准信号为4~20mA 的DDZ Ⅲ型仪表、DCS 、PLC ；八十年代以来，DCS 成为流行的过程控制系统。

1.4衰减比η和衰减率Ψ可以表征过程控制系统的什么性能？答：二者是衡量震荡过程控制系统的过程衰减程度的指标。

1.5最大动态偏差与超调量有何异同之处？答：最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，一般表现在过渡过程开始的第一个波峰，最大动态偏差站被控量稳态值的百分比称为超调量，二者均可作为过程控制系统动态准确性的衡量指标。

2.2通常描述对象动态特性的方法有哪些？答：测定动态特性的时域方法；测定动态特性的频域方法；测定动态特性的统计相关方法。

2.4单容对象的放大系数K 和时间常数T 各与哪些因素有关，试从物理概念上加以说明，并解释K ，T 的大小对动态特性的影响？答：T 反应对象响应速度的快慢，T 越大，对象响应速度越慢，动态特性越差。

K 是系统的稳态指标，K 越大，系统的灵敏度越高，动态特性越好。

2.5对象的纯滞后时间产生的原因是什么？答：由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一段距离，产生纯滞后时间。

附：常见的过程动态特性类型有哪几种？各可通过什么传递函数来表示？答：（1）单容对象动态特性（有自平衡能力），用一阶惯性环节表示传递函数(s)1K G s τ=+；（2）无自平衡能力单容对象的动态特性，传递函数用一个积分换届表示11(s)G Ta s=；（3）具有纯延迟的单容对象特性，多了一个延迟因子0s e τ-表示传递函数0(s)1s K G e Ts τ-=+；（4）多容对象的动态特性（具有自平衡能力），传递函数()()()()()1234(s)1111...1n K G T s T s T s T s T s =+++++其中123,,,...n T T T T 为n 个相互独立的多容对象的时间常数，总放大系数为K ；（5）无自平衡能力的双容对象，传递函数为一个积分环节与一个一阶惯性环节之积，11(s)1a G Ts T s =+g ，对于多容对象，若有纯延迟则类似于单容对象，传递函数多一个延迟因子0s e τ-；（6）相互作用的双容对象，211221122211(s)()s 1G R C R C s R C R C R C =++++3.1简述流量检测的基本原理，流量的测量与哪些因素有关？答：在管道中流动的流体具有动能和位能，并在一定条件下这两种形式的能量可以互相转换，但参加转换的能量总和是不变的，利用节流元件进行流量检测是基于此原理；流量的测量与流量系数、可膨胀系数、节流装置开孔截面积，流体流经节流元件前的密度、节流元件前后压力差有关。

3.2简述流量调节中调节阀的几种理想特性。

答：①当调节阀两端压差不变时，阀的可调比称为理想可调比max minQ R Q =，其中Qmax 是调节阀可控的上限值，Qmin 是调节阀可控的下限值，R 是理想可调比，理想可调比是调节阀的一个重要特性。

②理想流量特性是阀前后压差保持不变的特性，主要有直线、对数、抛物线、快开等。

直线流量特性rrdQ K dL =，对数流量特性r r r dQ KQ dL =，抛物线流量特性r r dQ dL =()(1)r r r r dQ f L K L dL ==-。

附1被控变量与控制变量选择的原则有哪些？答：原则如下①选择对控制目标起重要影响的输出变量作为被控变量②选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量③在以上前提下，选择与控制（或操作）变量之间的传递函数比较简单，利用动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量④有些系统存在控制目标不可测的情况，则可选择其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量作为辅助被控变量。

附2调节阀理想流量特性有哪几种，各有什么特点？4.1P.I.D 控制规律各有何特点？其中，哪些是有差调节，哪些是无差调节？为了提高系统的稳定性，消除控制系统的误差，应选用哪些调节规律？答：P 控制是有差调节，作用速度快，但最终平衡，达到稳定状态；I 控制是无差调节，超调量大，不如P 控制稳定；D 控制是有差调节，有余差，只与偏差变化速度有关。

应选用PI 调节规律或PID 调节规律以清除控制系统的误差和提高系统稳定性。

4.2试总结调节器P 、PI 、PD 动作规律对系统控制的影响。

4.3什么是积分饱和？引起积分饱和的原因是什么？如何消除？答：具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化，当偏差始终保持一个方向时，调节器的输出u 将因积分作用的不断累加而增大，从而使执行机构达到极限位置Xmax ，之后尽管u 还在增大，但执行机构已不再动作，这种现象称为积分饱和，原因也在于此。

消除积分饱和的常用方法有①限制PI 调节器的输出在规定范围②积分分离法，即人为设定一个限值，在PI 调节器的输出超过某一限值时，改用纯P 控制③遇限削弱积分法，即人为设一限定，当控制输出大于该限定时，只累加负偏差，反之亦可。

4.4一个控制系统，在比例控制的基础上分别增加①适当的积分作用；②适当的微分作用。

试问：（1）这两种情况对系统的稳定性、最大动态偏差、余差分别有何影响？（2）为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例带δ？说明理由。

答：（1）情况①稳定性下降，最大动态偏差增加，余差消除；情况②稳定性加强，最大动态偏差减小，余差减小。

（2）PI 下：11t o I u e edt T δ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰PD 下：1D de u e T dt δ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭δ增大可得到相同的系统稳定性。

4.5微分动作规律对克服被控对象的纯延迟和容积延迟的效果如何？对克服外扰的效果又如何？答：微分动作规律对克服被控对象纯延迟无效，对容积延迟效果较好，微分动作对外扰有放大作用，对于克服外扰的效果较差。

4.6增大积分时间对控制系统的控制品质有什么影响？增大微分时间对控制系统的控制品质有什么影响？4.7某电动比例调节器的测量范围为100~200℃，其输出为0~100mA 。

当温度从140℃变化到160℃时，测得调节器的输出从3mA 变化到7mA 。

试求出该调节器比例带。

解：()()max min max min /(160140)/(200100)100%100%500%/(73)/(1000)e e e u u u δ---=⨯=⨯=---。

4.14什么是数字PID 位置型控制算法和增量式控制算法？答：位置式PID 控制算法：[]0(k)K (k)(j)(k)(k 1)k D P j I T Tu e e e e T T =⎧⎫=++--⎨⎬⎩⎭∑ 增量式PID 控制算法：()()()()()()()()()11212P I D u k u k u k K e k e k K e k K e k e k e k =--=--++----⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦V4.15为什么在计算机控制装置中通常采用增量式控制算法？答：位置式PID 控制算法带来的问题对e(k)的累加增大了计算机的存储量和运算的工作量,u(k)的直接输出易造成执行机构的大幅度动作,有些应用场合要求增量式u(k)。

因此在计算机控制装置中通常采用增量式控制算法。

4.16简述积分分离PID 算法，它与基本PID 算法的区别在哪里？答：控制偏差较大时，取消积分作用，以减小超调；控制偏差较小时，再恢复积分作用，以消除余差。

无积分分离算法的输出曲线有较大的超调量，而积分分离PID 算法输出曲线超调量较小。

4.17数字PID 控制中采样周期的选择要考虑哪些因素？答：给定值的变化频率，被控对象的特性，执行机构的类型，控制的回路数1nj j T T =≥∑。

附1PID 参数整定方法有哪些？各自有何特点？过程是什么？答：①动态特性参数法：这是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。

使用方法的前提是，广义被控对象的阶跃响应可用一阶惯性环节加纯延迟来近似()1s K G s e Ts τ-=+则做实验得对象参数K 、T 、τ，再根据Z —N 调节器参数整定公式求取PID 参数。

②稳定边界法。

基于纯比例控制系统临界振荡试验所得数据，即临界比例带pr δ和临界振荡周期pr T ，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数值。

过程如下：置调节器积分时间I T 到最大值（I T =∞），微分时间0D T =，比例带δ置较大值，使控制系统投入运行。

待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直至系统出现等幅振荡，即所谓临界振荡过程，记下此时比例带pr δ，计算两波峰时间pr T 。

利用按照稳定边界法给出的计算公式，求取调节器各整定参数δ，I T ，D T 。

③衰减曲线法：也是闭环整定方法，整定的依据同稳定边界法，也是纯比例调节下的试验数据，不同的只是这里的试验数据来自系统的衰减振荡，且衰减比特定(通常为4:1或10:1)，之后就与稳定边界法一样，也是利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。

④经验整定法：根据经验先选一组控制器参数，将系统投入运行根据运行情况，依经验调整PID参数。

5.1什么是串级控制系统？请画出串级控制系统的原理方框图。

答：所谓的串级控制系统，就是采用两个控制器传亮工作，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，从而对主控变量具有更好的控制效果。

5.2试举例说明串级控制系统克服干扰的工作过程。

答：以隔焰隧道窑温度——温度串级控制系统为例说明如下：控制阀选择“气开”方式。

两个控制器都选择“反”作用方式。

①当只存在二次干扰时，系统只收到来自燃料压力波动的干扰，例如燃料压力波动的干扰，例如燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，但是燃料的流量增大了，引起燃烧室温度T2升高，经副温度检测变送后，副控制器接受的测量值增大。

根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量被调节回稳定状态。