过场控制课后习题

控制器是根据输入偏差和一定的控制算法来计算操纵量的单元；

1-3 某化工液体产品，当原料进入某反应器时，工艺上要求其温度为40℃±5℃，定值单闭环控制系统在阶跃信号作用下，获得温度的响应过程曲线如图，确定：稳态误差、衰减比和衰减率、超调量以及调节时间

y4稳态误差 e(?)?r?y(?)?40?41??1(?C)，衰减比n?1??4

y31衰减率 ??超调量??y1?y34?1?100%=?100%=75% y14y14??9.76%，调节时间ts?23min(2%) y(?)412-6什么是绝对压力、大气压力、表压和真空度？其关系如何？

介质承受的实际压力即为绝对压力，大气压是弥漫着空气的压力，表压是高于大气压的绝对压力与大气压力之差，真空度是负压，即大气压与低于大气压的绝对压力之差。

若绝对压力与大气压之差大于零，则差值为表压，若小于零，则差值的数值为真空度。

压力P绝1P大负压表压差压P绝2

3-1 比例控制有何特点？为什么会产生稳态误差？ 一是比例控制具有响应迅速的特点；二是比例控制有稳态误差，并且随着比例增益的增大（比例带的减小），稳态误差变小。但增益过大，系统不稳定。

对于比例控制，只有偏差不为零时，控制器才输出，一旦为零，控制器输出也为零，控制作用消失。从控制理论角度讲，被控对象通常为一阶惯性或二阶惯性加滞后，纯比例控制必然存在偏差。

3-3 为什么通常不单独使用微分控制，而是要与比例或比例积分结合使用？ 如果控制器采用单纯的微分控制，当系统的被控量出现缓慢变化时，控制器的输入信号偏差e需要等到这种缓慢变化积累到一定程度（或者说要突破不灵敏区），才能有校正行为出现。所以，微分控制往往与其他控制规律结合使用，即发挥微分控制超前控制的优点，又克服其对微小变化量不作为的不足。

3-4 在PID控制器中，比例带、积分时间和微分时间分别有什么含义？当它们增大或减小时，对系统的被控量会产生什么影响？

在PID控制器中，比例带δ表示调节阀开度改变100%时，所需要的系统被控量的变化范围。当被控量处在该范围时，调节阀的开度才与偏差成比例。比例带减小时，控制作用加强，系统响应加快，但过小系统不稳定；积分时间反映积分作用的强弱，它越大，积分作用越弱，它越小，积分作用越强，但过小系统不稳定；微分时间的大小，反映微分作用的强弱，但微分时间过大会使阀门在两个极端位置振荡。

3-6 DDZ-Ⅲ型控制器的硬手动操作与软手动操作有何区别？分别用于什么情况？ 所谓软手动操作是指控制器的输出与手动输入之间呈积分关系，而硬手动操作指控制器的输出与手动输入之间呈比例关系。

0 通常情况下，都是用软手动操作扳键进行手动操作的，这样控制比较平稳精细；只有当需要给出恒定不变的操作信号(例如阀的开度要求长时间不变)或者在紧急时要一下子就控制到安全开度(例如要使阀立即打开)等情况下，才使用硬手动操作。

3-7 与模拟控制仪表相比，数字控制仪表有哪些显著特点？

⑴ 控制器的功能依赖软件，程序编制一般采用专用语言；⑵ 具有通信功能，可与上位机和操作站通信，实现集中监视、操作和管理；⑶ 内部采用功能化模块，实现软件组态，可实现多种控制算法，通用性强；⑷ 精度高，性能稳定，可靠性强。

4-1 根据使用能源的不同，调节阀分为哪几种？各有什么优缺点？

电动调节阀：电源配备方便，信号传输快、损失小，可远距离传输；但推力较小。 气动调节阀：结构简单，可靠，维护方便，防火防爆；但气源配备不方便。 液压调节阀：用液压传递动力，推力最大；但安装、维护麻烦，使用不多。 工业中使用最多的是气动执行器和电动执行器。

4-2、气动调节阀有哪几部分组成？各部分作用如何？

执行机构：是执行器的推动装置，按照输入信号的大小产生相应的力、力矩、角位移、直线位移等，推动调节机构的动做。

调节机构：是执行器的调节部分，主要形式是调节阀。阀芯的动作改变调节阀的节流面积，以达到调节介质流动的目的。

4-4 什么情况，需要使用电-气转换器？什么情况，需要使用阀门定位器？

电-气转换器：当采用气动调节阀时，需要将来自控制器的电信号（4～20 mA）转换为气动信号（0.02～0.1MPa），以驱动阀门的开闭；

阀门定位器：确保阀门位置按控制器输出信号准确定位，改善调节阀的动态性能。当对阀门定位要求高时，可考虑用此件。 4-5、安全栅的作是什么？通常有哪些类型？

作用：安全栅是一种防止电能沿控制信号线进入现场过程与仪表，并引发火灾和爆炸的安全措施，是安全场所系统与危险地点设备仪表之间的关联设备。

类型：电阻式、齐纳式、光电隔离式、变压器隔离式等。

5-1 为什么要研究过程的数学模型？研究过程数学模型的方法有哪些？ 过程建模的目的：

（1）为了选用合适的控制方案与控制算法。 （2）为了整定控制器参数、优化控制性能。 （3）为了进行仿真试验。

（4）为了培养和训练操作人员和技术人员。

机理法建模、测试法建模（也称实验法建模）以及混合法建模。 5-2 什么是被控过程的时延特性？时延有哪几种？产生的原因是什么？

当控制信号作用于被控过程后，输出并没有马上响应，而是等一段时间后才响应，或者输出响应缓慢，称被控过程这种品性为时延特性。时延有纯时延和容量时延之分。纯时延是由于信号、物料或能量在传输过程中引起的时间滞后，容量时延是多容过程受到扰动之后，响应量的变化速度开始很慢，需要经过一段时间才逐渐达到最大，称这段时间为容量时延。 5-4 某液位过程，液体以流量Q1从容器上端的阀门1进入，分别以流量Q2和Q3从容器下端两侧的阀门2和阀门3流出，设阀门1-3的液阻R1、R2、R3为线性液阻，容器横截面为C，液体高度为h，要求： （1）列出过程的微分方程组；（2）画出过程的方框图；（3）求出过程传递函数。

dΔhΔh（1）ΔQ1?ΔQ2?ΔQ3?C，ΔQ2?Δh，ΔQ3?

dtR3R2（2）

Q1(s)1CsH(s)Q3(s)Q2(s)1R21R3

习题5-4图A

（3）G(s)?H(s)K ?Q1(s)Ts?1R2R3R2R3，T?C

R2?R3R2?R3其中，K?6-1 单回路控制系统由哪几部分组成？其方案设计包括哪些主要内容？

单回路控制系统由控制器、调节阀、被控过程（对象）和检测器等组成。控制方案设计包括：被控量的选择与确定、操纵量的选择与确定、调节阀的选择与确定（包括口径大小、流量特性、气开或气闭形式等）、控制器的控制规律与正反作用方式，以及检测器的选择与确定等。

6-2 在选择操纵量时，为什么希望控制通道的放大系数要大、时间常数小、纯滞后时间越小越好？而干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大、干扰源离被量远？

控制通道的放大系数应大些，有利于减小稳态误差；时间常数应适当小些，过大易引起控制不及时，过小则振荡；纯滞后越小越好，利于系统稳定。 干扰通道的放大系数应尽量小，以减小干扰量对被控量的影响和稳态误差；干扰通道的时间常数应大，以减缓干扰对被控量的影响；干扰源应远离被控量，使其对被控量的影响较弱。

6-3 为什么串级控制系统能改善过程特性？能迅速克服进入副回路的干扰？能提高系统工作频率？

副回路改善了整个过程的部分特性，通常是减小了部分过程的时间常数和放大系数，这主要是副回路的闭环负反馈产生的；包含在副回路中的干扰首先被副回路中的检测器发现，并启动副回路的负反馈调节机制，使干扰被抑制，只有干扰幅度较大、副回路难以抑制时，才会由主回路来进一步克服；副回路的出现，使得该回路的过程对外呈现时间常数减小，从而提高了系统的工作频率。

6-5 热交换器用蒸汽将进入其中的冷水加热至一定温度，生产工艺要求热水温度保持定值（±1℃），试设计一个单回路控制系统？

选蒸汽流量为操纵量，交换器出口热水温度为被控量，调节阀的作用方式为气开式，控制器可选PI控制规律，为反作用方式。

热水TTTC蒸汽热交换器冷水

7-1 物料流量比值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?

1、物料流量比值K是一种工艺上的比，指两流体流量或重量之比，也称工艺比。

2、 控制系统比值系数K′是过程控制系统在工艺流程作业和管理时具体操作的电信号的比，也称仪表比。

3、 工艺比到仪表比的转换有两种情况：流量与测量值间为线性关系、流量与测量值间为非线性关系。

QI?4K??2?K1maxI1?4Q2max?Q?I?4xK??2?K2?1ma?I1?4?Q2ma?x

2

7-2 与定值控制参数整定相比，均匀控制的参数整定有何特点?

1、所有均匀控制系统都不应加入微分控制规律，这是因为微分将加快响应速度，这与均匀控制的要求不相符。

2、对于简单均匀控制系统来说，由于只有一个控制器，借鉴单回路控制系统的控制器整定方法，将比例度整定得大点即可。

3、若负荷变化，或工艺要求液位受扰后恢复至受扰前的值，可加入积分，但积分时间常数要大些，同时适当增大比例度。

7-3 为什么在分程点容易发生流量特性的突变?如何实现流量特性的平滑过渡

原因：分程点是两个调节阀切的交换点，通常是一个阀开，另一个阀闭。由于阀的流量特性的差异，阀门承受压力的不同，很容易导致流量特性的突变。 办法：实现流量特性的平稳过渡一般有两种常用的方法：一是要选择流量特性相同或相近的调节阀，二是采取切换区重叠的方法。

7-4 为什么要消除积分饱和现象?常用方法有哪些？

选择性控制系统运行中，总是有调节器处于开环待命状态。如果调节器使用了积分作用，当其处于开环待命状态时，偏差输入信号一直存在。 那么积分作用将使控制器的输出不断增加或减小，一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”。进入饱和的调节器由待命状态转入工作状态时，是无法立即工作的，这对控制是不利的。

常用方法有：积分外反馈、PI-P、限幅法

8-1 前馈控制和反馈控制各有何特点？前馈－反馈复合控制如何改善控制品质？ 前馈控制的基本特点：

①前馈控制器是按照干扰的大小进行控制的，称为“扰动补偿”。 ②前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步，速度快，

③前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由干扰和干扰控制通道决定的。 ④前馈控制只对特定的干扰有控制作用，一个控制器仅能抵御一个干扰。 反馈控制是一种定值或随动控制，它采用的是闭环负反馈控制形式。

依赖偏差工作，只有系统受到扰动、被控量偏离设定值并检测出以后，才有校正行为； 对包含在反馈回路中的所有干扰，都有抵御能力； 前馈－反馈控制具有以下优点：

①在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。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。

8-3 为什么大时延过程是一种难控制的过程？它对系统的控制品质产生什么影响? 从直观的角度来说：

大时延τ的存在，使得执行器接收到控制信号后，需要经过时间τ的等待，被控参数才有响应。等到控制器通过检测器发现这种状况，并力图改变这些时，为时已经很晚，控制总是不及时。

这很容易导致超调量增加、过渡过程时间延长，直至系统不稳定。

从控制原理角度说：随着τ的增大，最小相位系统的开环频率特性曲线接近并包围（-1，j0）点，从而导致不稳定。同时，时延 τ 的大小是由具体的生产设备确定，控制者难以改变。 大时延τ的存在，会导致系统不稳定。

8-6 已知静态时系统的操作量与被控量之间的关系为： y1=0.58u1-0.36u2 y2=0.73u1-0.62u2

试求相对增益矩阵，并判断是否需要解耦。 解得相对增益矩阵为：

K11K22?11??22?K11K22?K12K21

12=21=↑-K12.K21

因为是负矩阵，因此必需解耦。

?3.6?2.6???2.63.6???

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