过程控制 习题与答案

矩形脉冲法是当对象处于稳定状态时，在时间t0突然加一幅度为A的阶跃扰动，到t1时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线，称为矩形脉冲特性曲线。矩形脉冲信号可以视为两个方向相反、幅值相等、相位为t0—t1的阶跃信号的叠加。可根据矩形脉冲特性曲线，用叠加法作图求出完整的阶跃响应曲线，然后就可以按照阶跃响应曲线进行数据处理，最后得到对象的数学模型。采用矩形脉冲法求取对象特性，由于加在对象上的扰动经过一段时间后即被除去。因此，扰动的幅值可以取得较大，提高了实验的精度。同时，对象的输出又不会长时间偏离设定值，因而对正常工艺生产影响较小。

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： 作用方向环节 控制器 执行器 被控对象 变送器 正作用方向（+） 输出随被控变量增加而增加 气开阀 当调节阀开打时，被控变量增加 反作用方向（-） 输出随被控变量增加而减少 气闭阀 当调节阀开打时，被控变量减少 如实反映被控变量大小，只有正作用 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

p?kp?e

式中kp——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

p?k1?edt

式中k1——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：

p?kpe?k1?edt

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

??p?TDde dt式中丁TD——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：

de??p?KP?e?TD?

dt?? 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T1?它对系统过渡过程有什么影响? 解答：

积分时间T1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T1?1，式中K1是积分比例系数。 K1 积分时间T1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TD?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TD越大，表示微分控 制作用越强。

增加微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。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？ 类型 直通单座控制阀 直通双座控制阀 角形控制阀 特点 结构简单、泄露量小、易于保证关闭、 不平衡力小、泄露量较大 流路简单，阻力较小 主要使用场合 小口径、低压差 最为常用 现场管道要求直角连接、高压差、介质黏度大、含有少量悬浮物和颗粒状固体 配比控制或旁路控制 三通控制阀 隔膜控制阀 有三个出入口与工艺管道连接，可组成分流与合流两种形式 结构简单、流阻小、流通能力大、耐腐蚀性强 结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小、泄露量大 阀芯与阀体都呈球形体 密闭性好、重量轻、体积小、安装方便 可调范围大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换强酸、强碱、强腐蚀性、高黏度、含悬浮颗粒状的介质 大口径、大流量、低压差、含有少量纤维或悬浮颗粒状介质 流体的黏度大、污秽、双位控制 介质黏度高、含悬浮物颗粒 压差大、要求噪音小的场合。对高温、高黏度及含固体蝶阀 球阀 凸轮挠曲阀 笼式阀