过程控制系统习题答案

什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪几种？过程控制系统通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。

基本分类方法有：按照设定值的形式不同【定值，随动，程序】；按照系统的结构特点【反馈，前馈，前馈-反馈复合】。

热电偶测量的基本定律是什么？常用的冷端补偿方式有哪些均质材料定律：由一种均匀介质或半导体介质组成的闭合回路中，不论截面和长度如何以及沿长度方向上的温度分布如何，都不能产生热电动势，因此热电偶必须采用两种不同的导体或半导体组成，其截面和长度大小不影响电动势大小，但须材质均匀；中间导体定律：在热电偶回路接入中间导体后，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响；中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、t0时的热电势之代数和。

只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端任意温度时的热电势,即由于冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为某一定值，因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端采取补偿措施，使其温度恒定。

冷端温度补偿方法有冷端恒温法、冷端补偿器法、冷端温度校正法和补偿导线法。

为什么热电阻常用三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。

电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。

对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答：变送器具有哪些主要功能？变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。

什么是变送器零点、零点迁移调整和量程调整？热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。

电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。

大幅度的零点调整叫零点迁移。

实用价值是：有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在500～1000度之间变化。

如果仪表测量范围在0 ～1000度之间，则500℃以下测量区域属于浪费。

因为变送器的输出范围是一定的。

可通过零点迁移，配合量程调整，使仪表的测量范围在500～1000℃之间，可提高测量精度。

热电偶冷端温度补偿电路起什么作用？热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0度为依据，否则会产生误差。

5、电容式差压传感器和应变式压力传感器原理当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。

电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，再将电容量转换成标准电流输出。

应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。

电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。

R=ρL/S，当应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、S变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S 变大、L变小，其阻值减小。

应变片电阻的变化可用电桥测出。

6、差压式流量计原理？差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。

通常是由能将被测流量转化为差压信号的节流器和能将此差压转化为电信号的差压计两部分组成。

7、什么是调节阀的流量特性？什么是调节阀的固有流量特性和工作流量特性？如何根据具体情况选择调解阀？在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性，也叫理想流量特性，完全取决于发行的形状。

最常见调节阀的流量特性有直线、等百分比（对数）、快开三种；调节阀的工作哟流量特性值得是固有流量特性发生畸变，与调节阀级结构和配管情况有关系。

8、建立被控过程的数学模型：什么是机理分析法建模？通过分析生产过程的内部机理，找出变量之间的关系。

如物料平衡方程、能量平衡方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而导出对象的数学模型。

什么是实验法建模？实验法建模是根据实际生产过程中发生的变化机理，写出相关的平衡方程，得到数学模型。

从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程有何特点？从阶跃响应曲线来看，大多数被控过程的特点是被控量的变化往往是不震荡的、单调的、有滞后和惯性的。

写出具有纯滞后的自衡单容过程和双容过程的传递函数。

双容（不考）：9、什么是自衡过程和非自衡过程？写出纯滞后自衡单容过程和双容过程的传递函数，绘出自衡单容过程和双容过程的阶跃响应曲线，并把特性参数标在图上。

自衡过程是指系统中存在着对所关注的变量的变化有一种固有的、自然形式的负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。

具有自平衡能力的过程称为自衡过程。

反之，不存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程，称为非自衡过程。

在出现扰动后，过程能靠自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自衡特性。

纯滞后自衡单容过程：【双容不考】纯滞后自衡双容过程：10、在单回路过程控制系统设计中其控制系统设计包括哪些内容？基本步骤是什么？选择被控变量的一般原则是什么？控制变量选择的一般原则是什么?1、熟悉和理解生产对控制的技术要求与性能指标；2、建立被控过程的数学模型；3、确定控制方案；4、控制设备选型；5、实验（或仿真）验证。

选择被控变量的基本原则有以下几点：(1)若直接参数信号能够获得，而且其测量和变送信号滞后与被控过程的滞后相比较小时，应尽量选择直接参数作为被控变量;(2)若无法获取直接参数信号，或义测量和变送信号滞后较大时，可选择与直接参数有单位函数关系的间接参数作为被控变量;(3)作为被控变色必须是可测的，并有足够大的测量灵敏度;可选择与直接参数有(4)选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和可供选用的仪表产品现状;(5)被控变量应是独立、可控的。

在生产过程中，影响正常运行的因素很多，但并非所有的影响因素都需要加以自动控制。

被控变量的正确选择对稳定生产过程、提高劳动生产率、改善生产条件等具有决定性的意义。

控制变量的选择原则是：单一变量原则。

只改变一个量，控制其他量和外界环境不变，即可。

11、对于单回路过程控制系统设计，试回答如下问题：单回路系统控制方案设计包括哪些内容？1、选择被控变量；2、找出影响被控变量的因素，选择其中之一进行控制，并将其余作为干扰；3、确定被控变量后，确定执行器镇反作用（调节阀，气开气关）；4、选择调节器的正反作用；5、根据工业要求选择控制规律；6、进行PID参数整定；选择控制参数时，为什么选过程控制通道的放大系数K0要适当大一些，时间常数T0要适当小一些，而扰动通道的K f应尽可能小，T f要大？过程控制通道的放大系数K0要适当大一些是因为静态放大系数K0越大，系统的静态偏差值就越小，控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越好；时间常数T0要适当小一些是因为控制通道时间常数大小反映了控制变量克服干扰对被控参数影响的快慢程度，若控制通道时间常数太大，控制变量的控制影响缓慢，对被控参数的偏差校正不及时，动态偏差大，系统过渡时间长，控制品质差。

因此，在控制系统设计时，要求控制通道时间常数小一些，使被控参数对控制变量的反应灵敏，控制及时，从而获得良好的控制品质；扰动通道的K f应尽可能小是因为干扰通道的静态放大系数越大，外部扰动对被控参数的影响越大，所以K f越小越好;T f要大是因为f(t)产生最大动态偏差随着T f的增大而减少，系统控制品质提高。

执行器（调节阀）选择应包括哪些内容？1、调节阀的工作区间的选择2、调节大的流量特性选择3、调节阀的气开气关作用方式选择12、举出调节器参数几种实验整定方法，和基本步骤，并比较几种方法的优缺点及适用场合，分析响应曲线法怎么整定参数实例。

稳定边界法（临界比例度法）：属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。

（1）置调节器Ti→∞，Td=0，比例度P →较大值，将系统投入运行。

（2）逐渐减小P ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。

记录此时的临界值Pm和Tm。

根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。

优缺点：（1）临界比例度过小时，调节阀容易游移于全开或全关位置，对生产工艺不利或不容许。

例如，一个用燃料油加热的炉子，如果阀门发生全关状态就要熄火。

（2）工艺上的约束条件严格时，等幅振荡将影响生产的安全。

衰减曲线法：也属于闭环整定方法，但不需要寻找等幅振荡状态，只需寻找最佳衰减振荡状态即可。

（1）把调节器设成比例作用（Ti=∞，Td=0），置于较大比例度，投入自动运行。

（2）在稳定状态下，阶跃改变给定值（通常以5%左右为宜），观察调节过程曲线。

（3）适当改变比例度，重复上述实验，到出现满意的衰减曲线为止。

（4）按表6-2（n=4:1）或按表6-3（n=10:1）求得各种调节规律时的整定参数。

优缺点：这种方法不需要系统达到临界振荡状态，步骤简单，比较安全。

缺点是不易准确定衰减程度，从而较难得到参数，尤其是一些扰动比较频繁，过程变化较快的控制系统。

响应曲线法：属于开环整定方法。

以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过经验公式求取调节器的最佳参数整定值。

（1）首先使系统处于开环状态（2）像调节阀输入阶跃信号，通过检测仪表记录被控参数的响应曲线——广义对象阶跃响应曲线（3）根据广义对象阶跃响应曲线，通过近似处理，在响应曲线的拐点处做切线，并把广义对象当做有纯滞后的一阶惯性环节找出广义对象的特性参数K0、T0、τ0，用经验公式求整定参数。

优缺点：此方法在不加控制作用的状态下进行，对于不允许工艺失控的生产过程，不能使用。

经验法：凭经验凑试。

其关键是“看曲线，调参数”。

在闭环的控制系统中，凭经验先将控制器参数放在一个数值上，通过改变给定值施加干扰，在记录仪上观察过渡过程曲线，根据P、TI 、TD对过渡过程的影响为指导，对比例度P 、积分时间TI和微分时间TD逐个整定，直到获得满意的曲线为止。

（1）调比例：P由大到小，到满意曲线（2）调PI ,比例度放大10-20%, 积分时间↓衰减率4：1（3）调PID，比例度缩小，积分时间缩小，微分时间↑优缺点：经验法的方法简单，但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。

在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时，往往较为费时。

13、试说明稳定边界法的整定步骤。

在比例控制基础上分别增加适当的积分和微分作用，对系统有什么影响？整定步骤见上题。

在比例控制的基础上增加适当的积分作用，降低了系统的稳定性，增大了最大动态偏差，动态性能指标变差，消除了余差；在比例控制的基础上增加了适当的微分作用，提高了系统的稳定性，降低了最大动态偏差，动态性能指标变好，余差有所减小但是不为零。

14、画出串级控制系统的框图（框图中文字用中文）。

串级控制系统有哪些主要特点？在串级控制系统整定方法中，何谓两步整定法和逐步逼近法？当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。