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DDZIII 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n和衰减率中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G（s）=旦;（2）无自平衡能力单容对TS + 1象的动态特性，传递函数用一个积分换届表示G（s）=，1；（3）具有纯延迟的Ta s单容对象特性，多了一个延迟因子e飞表示传递函数G（s）= J.；（4）多容0Ts +1 0对象的动态特性（具有自平衡能力），传递函数/ 、/ 、/ K、/ 、其中T TT T为口个相互独立的多容G (s) =对回s + 1）（T s + 1）（Ts + 1）（T s +1）…（T s +1）/2，3”..n12 3 4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，G (s)二，J ，对于多容对象， Ts +1 Ts 若有纯延迟则类似于单容对象，传递函数多一个延迟因子--T . ； (6)相互作 e 0 3.1 简述流量检测的基本原锂，流量的2则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R 二黑，其中Qmax 是调节阀可控的上限值， QQmin 是调节阀可控的下限值，R 是1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。

直线流量特性驾二K ，对数流量特性吗二KQ ，抛 dL dL rr r 物线流量特性吗二K M ，快开流量特性吗;f (L )二K (1-L )。

附1被控变量与 dL r dL r r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 八、、3.3 试总结调节器P 、PI 、PD 动作规律对系统控制的影响。

3.4 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。

3.5 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 用的双容对象，G (s)二RCRC s 2 + (RC + R C + R C )s +1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5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：3( T o)5 < D dtI5增大可得到相同的系统稳定性。

3.6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。

3.7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3.8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℃变化至U 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：5 - e / 9 mr e mR X100% =(160-140)/(200-100) *100% - 500%。

u /(u -u )(7-3)/(100-0)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：u(k) = K < e(k) +—i e(j) + -B- [e(k) -e(k- 1)]>一尸「丁…T J ..增量式'PID 控制算法：V u (k )= u (k )-u (k-1)= K [ e (k )-e (k-1)] + Ke (k)+ K [ e (k )-2e (k -1)-e (k - 2 )]4.15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T 4。

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G(s)-上e<s则做实验得对Ts +1象参数K、T、T,再根据Z-N调节器参数整定公式求取PID参数。

②稳定边界PD 下：u二U e 十1的法。

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5和临界振荡周期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T到最大值（T二8），微分时间T二0，比例带8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§，计算两波峰时间T。

利用按照稳定边界法给出的计算公式，求取调节器客整定参数8, 丁T 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试举例说明审级控制系统1 一次干扰一次干扰克服干扰的工作过程。

答：以运温度串例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:嚓统只攵到来自博压力波动的干扰，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。

②当只存在一次干扰，系统只受到来自窑车速度干扰，例如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度T1的降低，对于主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反” 作用，它的输出必然增大，副控制器的设定值增大了。

等效于副控制器设定值不变，而测量值减小，控制器“反”作用，其输出将增大，“气开”式控制阀增大，使窑内烧成带温度回升为设定值。

对于一次、二次干扰同时存在，主副控制器共同调节。

5.3串级控制系统与单回路控制系统相比有什么特点答：（1）由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时。

（2）提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了。