化工过程控制工程复习提纲 东北石油大学控制工程考研复试

化工过程控制工程复习提纲
过程：将原料接收过来，利用能源进行诸如加热冷却等处理，使其发生化学或物理变化，最终生产出所需的物质或能源的系统
过程控制：为了按所希望的效率，质量和产量生产出产品，将过程内各部分的变量控制在所希望的值，即完成对温度，压力，流量液位等参数量的生产过程的自动调节
单回路
1.单回路控制系统一般包含哪几个基本环节？控制系统中的受控对象是指什么？
控制器、控制阀、测量变送器、受控对象
受控对象（受控过程）：在控制系统中反映操纵变量、扰动与受控变量之间关系的环节，所有影响上述变量之间关系的因素均属对象的范围。

2.评价控制系统的性能指标主要有哪两大类？各有什么特点？
①以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标
衰减比：表示衰减程度的指标。

=曲线中前后两个相邻波峰值之比
1:1等幅；＜1:1发散；＞1:1衰减
一般取4:1~10:1
最大偏差（或超调量）：指受控变量第一个波峰值与设定值的差
回复时间：系统感受扰动后，受控变量从过渡过程恢复到新的平衡状态的最短时间
余差：过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。

②偏差积分性能指标对整个过渡过程的形状作出评价
偏差平方值积分ISE：具有较快的响应速度和较大的振荡性，相对稳定性差。

着重于抑制过渡过程中的最大偏差的出现
偏差绝对值积分IAE：有适当的阻尼和良好的瞬态响应，缺点是当系统参数的选择不同时在性能指标上的反应不明显。

对小偏差的抑制能力比较强
偏差绝对值与时间乘积的积分ITAE:瞬态响应的振荡性小，且对参数具有良好的选择性。

缺点是用分析法计算很困难。

使调节时间较短；能够较好的抑制长时间存在的误差
3.偏差平方值积分（ISE）指标作控制器参数的最佳整定与偏差绝对值积分(IAE)指标相比，哪个最大偏差大？
反向响应：初始情况与最终情况方向相反，是两种相互作用的结果
-1-
整个过程可以分解为两个相反方向的响应，不同时刻其作用的大小不同
5.受控变量的选择原则？检测点的选取时应注意什么？
尽可能选取独立变量，少用间接被控变量
尽量选择质量指标参数，若不能，则选一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。

所选的间接指标参数应当具有足够大的灵敏度，以便反应产品质量的变化。

应考虑到工艺的合理性和国内外仪表的现状，
要有代表性，独立可控，灵敏度高，工艺成本低
6.单容过程与多容过程的阶跃响应曲线形状有何质的差别？
多容过程响应极为缓慢，时间长
7.什么叫自衡过程？什么叫非自衡过程？
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为非自衡过程。

8.什么叫系统的开环传递函数？什么叫开环传递函数的动态部分？
开环系统（没有反馈的系统），他是开环系统中系统输出的拉氏变换与系统输入的拉氏变换之比，即C(S)/R(s) 9.已知系统开环频率特性KG(jω)，如何求得系统的临界振荡条件？
|KG(jω)|=1，且＜KG(jω)=-180°时Wg为相穿频率
|KG(jω)|＜1系统稳定
|KG(jω)|＞1，不稳定
10.什么叫临界频率ωc？什么叫临界开环增益K m？临界控制增益K cm与纯比例调节时的合适的控制增益K c有何
关系？
临界频率ωc系统开环传函G(jω)H(jω)与单位圆的交点对应频率
系统开环传函G(jω)H(jω)根轨迹和虚轴交点对应系统处于临界稳定状态下的增益K，由G(j 临界开环增益K m
：
ω)H(jω)实部虚部为0求得。

11.广义对象各环节静态增益的大小与系统质量有何关系？
12.影响控制系统性能的因素有哪些：
增益的影响、时间常数、时滞、扰动进入系统位置的影响、时间常数匹配的影响、被控变量与操作变量的选择13.主要扰动的选择原则？
-2-
对对象影响最大最明显包含干扰最多的扰动
14.操纵变量的选择办法
当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量
操纵变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏，应合理选择操纵变量，使得控制通道的放大倍数适当大，时间常数适当小（但不宜过小，容易引起振荡）、纯滞后时间应尽量小。

考虑工艺的合理性与生产的经济性
其通道纯滞后时间应越越好
尽量使干扰点远离被控变量，而靠近控制阀。

15.如何确定控制器的正反作用形式？
控制器当操纵变量增加时，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。

16.阀的流量特性？畸变系数
控制阀流量特性（固有流量特性）：理想流量特性是控制阀两端压降恒定时的流量特性
工作流量特性：在工作状况下（压降变化）控制阀的流量特性
控制阀出厂所提供的流量特性指理想流量特性，分为线性，等百分比（对数）、抛物线，双曲线，快开，平方根
畸变系数=控制阀全开时阀两端压差/系统恒定的总压差
17.阀的气开，气关特性及选择
气开：随输入气压的增高开度增加
气关：随输入气压的增高关闭
主要考虑失气时生产处于安全状态
从安全生产出发，即当气源供气中断，或控制器出故障无输出，或控制阀膜片破裂而漏气使控制阀无法正常工
发生事故
从保证产品质量出发，当控制阀处于无能艳状态恢复到初始状态时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态，防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量
从降低原料、成品、动力损耗来考虑
从介质的特点
18.用调节阀特性对整个系统特性作补偿的原理是什么？
-3-
-4-
通过合理选择调节阀的流量特性，实现广义对象增益的近似线性
19.P 、PI 、PID 控制规律的适用场合？
P 比例控制：克服干扰能力强，控制及时，过度时间短，在过渡过程终了存在余差。

适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺允许被控变量存在余差的场合
PI 比例积分：系统在过渡过程结束时无余差，系统的超调量振荡周期会相应增大，过度时间也相应增加。

适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺不允许被控变量存在余差的场合
PID 综合了比例，积分，微分控制规律的优点，适用于容量滞后较大，负荷变化大，控制要求高的场合
20.微分作用的使用应注意：去噪，对纯滞后无用，对滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作
用。

21.控制器参数的工程整定的方法？
经验法临界比例度法，衰减震荡法，响应曲线法
22.如何测取广义对象的阶跃响应？已知阶跃响应，如何求K 、T 、τ？
先使工作状况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化，在此时把被控变量的变化过程记录下来，得到义对象的阶跃响应曲线把对象作为具有时滞的一阶对象来处理s e T K s G τ-+=
1s 0)(干扰F(S)控制U(s)干扰作用与被控变量之间的信号联
系。

控制作用与被控变量之间的信号联系。

F(S)对Y(s)
U(s)对Y(s)放大倍数K K ↑，余差↑，控制质量越差K 与质量无关；K ↑，操纵变量对被控
变量的影响↑。

K 越大越好。

时间常数T T ↑,干扰进入系统的位置越远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量影响越小，质量越高T ↑,容量数↑，系统工作频率↓，控
制越不及时，过度时间↑，质量越低。

但不是T 越小越好
纯滞后τ
有无τ对质量无影响，有τ，干扰对被控变量的影响要向后推迟一个纯滞后时间τ有τ，严重降低控制质量。

系统控制不及时，动态偏差↑，稳定
性↓。

23.什么叫“积分饱和”？它有什么危害？如何防止？
对一个有积分功能的偏差，控制器的积分作用就会对偏差进行累积来改变控制器的输出，如果这时阀门已达到饱和（已经全开或全关），而无法继续进行调节，那么偏差将无法消除。

然而由于积分作用，控制器的输出仍在增加直到他到达某个极限值并停留在那里，这种情况为积分饱和。

危害：使系统不稳定，可能使产品质量不好，对操作人员的安全构成威胁
防止：当积分输出达到上限时撤去积分作用，保留比例作用P。

构成PI-P控制器。

这样在偏差减小时，控制器输出能更快脱离上限或下限值。

当积分输出达到上限值时使积分输出为零，则保持在上限值或下限值
基本方法：积分分离法，变速积分PID控制算法，超限削弱积分法，有效偏差法，抗积分饱和
24.不完全微分：
当信号突变时PID控制的微分项输出的控制量可能比较大，尤其是阶跃信号时，微分项急剧增加，容易引起调节过程的振荡，导致系统的动态品质下降。

不完全微分PID控制算法就是采用一个带惯性的微分环节来克服常规PID控制的这一缺点。

25.微分先行：
是只对输出量进行微分，而对给定指令不起微分作用，因此它适合给定指令频繁升降的场合可以避免指令的改变导致超调过大。

串级系统
1.复杂控制系统分哪两类？各包含哪些系统？
提高响应曲线性能指标的控制系统
按某些特定要求而开发的控制系统
串级控制系统，均匀控制系统，比值控制系统，分程控制系统，前馈控制系统，多冲量控制系统
2.串级系统的“鲁棒性”是指什么？
由于副回路的存在，他对副对象的特性变化不敏感
能自动的克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响系统的鲁棒性增强
注意：主回路对副回路反馈通道特性额变化没有鲁棒性
鲁棒性（强壮性）：不同的控制系统，其控制品质对特性变化的敏感程度是不一样的，用鲁棒性来描述这种敏感程度
系统品质对对象特征变化越不敏感，该系统鲁棒性越好。

3.什么叫串级控制系统？串级系统有什么特点（优点）？
一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的控制器为串级控制。

两个控制器都有自己的测量输入，只有主控制器有独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行器，这样组成的系统为串级控制系统
特点：
-5-
1.副回路（内环）具有快速调节作用，能有效克服二次扰动的影响
2.能自动的克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响（系统的鲁棒性增强）
3.改善了对象的动态特性，提高系统的工作频率，在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著增大
4.略述串级系统的设计原则（设计前提、副变量选择、主副控制器控制规律选取、主副控制器防积分饱和）。

设计前提：单回路控制系统不能满足控制精度
副变量选择：具有能够检测的复变量且主要干扰包含于副回路中
副对象选择：副对象之后不能太大，以保证副回路快速响应性能，将具有显著非线性或时变特性的部分归于副对象中。

主副控制器控制规律选取：主控制器采用PID控制器，流量作副变量时，采用比例积分PI型；温度作副变量时，系统副控制器采用微分先行控制器
主控制器防积分饱和采用主控制器自身输出信号Y2经副变量测量环节为Ym2作为积分反馈信号，
5.如何确定控制器的正、反作用？
要使系统成为负反馈系统
正作用：若将测量信号增加，控制器比例作用的输出也增加
副控制器：先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的正反作用方式，并按照使副控制回路成为负反馈系统的原则来确定
主控制器：当主、副变量在增加（或减小）时，由工艺分析得出，为使主、副变量减小（或增加）要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选反作用，反正选正作用
6.串级系统投运？（必须确保无扰动切换，并用先副后主的原则）
先副回路后主回路
A)将主、副控制器切换开关都置于手动位置，副控制器处于外给定（主控制器始终未内给定）
B)用副控制器拨盘操纵控制阀，使生产处于要求的工况（即主变量接近设定值，且工况平稳）。

这时可调整主控制器手动拨盘，使副控制器的偏差表头为零，接着可将副控制器切换到自动位置
C)假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量偏差已接近零，则可稍稍修正主控制器设定值，使偏差为零，并将主控制器切换到自动，然后逐渐改变设定值使其恢复到设定值
D)假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量存在较大偏差，手操主控制器输出拨盘，使偏差减小后在进行上述操纵。

前馈控制
1.什么叫前馈控制？为什么前馈控制又称“扰动控制”？
-6-
针对可测量干扰量采用合适的控制作用改变控制量以达到被控量不受干扰影响的控制规律，
是根据不变性原理对干扰进行补偿的开环控制系统
2.在讨论前馈控制时，所谓“不变性原理”是指什么？
通过前馈控制器的校正作用，消除扰动，达到控制系统的被控量不受扰动变量变化的影响，包括：绝对不变性，误差不变性，稳态不变性，选择不变性
3.前馈与反馈控制有哪些本质差异（从控制的结构、控制的质量、稳定性诸方面来分析）？
前馈控制反馈控制
扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测
超前调节，可实现系统输出的不变性按偏差控制，存在偏差才能调节
开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题
系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动
对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型
对时变系统与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性，鲁棒性强
4.为什么需要“前馈加反馈控制”？
前馈控制系统仍存在偏差
5.前馈控制适用在什么场合？
干扰幅值大而频繁，对被控量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象
主要干扰是可测而不可控的变量
当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时
大纯滞后控制
1.什么样的过程称为大纯滞后过程？
当过程的纯滞后时间与主导时间常数之比超过0.5时
2.Smith预估控制的思想是什么？
将纯滞后环节移至控制回路外，一方面由于控制回路不包括纯滞后环节，其控制频率可大幅度提高，控制性能也将显著改善；另一方面，由于新的控制回路的输出与实际对象的输出仅包括一个纯滞后环节，稳态特性完全相同，动态特性也相同。

3.*内模控制的结构形式？其控制器的设计方法？
-7-
适应性控制：适应控制系统能自动调整控制器的参数，以补偿过程特性或环境条件的变化
关联和解耦
1.什么叫相对增益？知道几个特殊相对增益值的含义。

用来描述多变量系统中各控制回路之间的关联大小的增益
=其他回路开环时的增益/其他回路闭环时的增益
2.相对增益阵的求取。

3.相对增益阵性质：行、列代数和均为1
4.什么叫正相关？
对于2*2系统，当Kij为正的个数是奇数时，所有的相对增益都在0—1之间
5.如何选择变量配对？
需要对该对象进行相对增益分析，若对象为典型的非线性系统，首先要在某稳态工作点附近进行线性化，再应用相对增益的概念对其进行关联分析，应该选择最接近1的变量配对
6.关联对系统稳定性的影响如何？如何减弱系统的耦合？
会影响整体系统的稳定性
7.关联系统控制器参数整定。

8.解耦：设置一个计算网络，用它去抵消本来就存在于过程中的关联，以便进行独立的单回路控制。

9.怎样用前馈法和矩阵法实现解耦控制？
动态线性前馈解耦，静态特性前馈解耦
比值控制
1.比值控制的目的是什么？
为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全正常的进行。

实质上是前馈控制的一种特例
2.各类比值控制的优缺点及适用场合是什么？
定比值控制系统
A）开环比值系统：结构简单，无法保证两流量的比值，适用于当副流量平稳且流量比值要求不高的场合B）闭环比值系统：两种物料流量的比值较为精确，实施也比较方便；进入的总流量不固定，可能使整个反应器的热平衡遭到破坏，甚至造成严重事故。

适用于非直接去化学反应器的场合
C）双闭环比值控制系统：既能实现两个流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平衡；所用仪表较多，投
-8-
资较高。

变比值控制系统：按照某一工艺指标自动修正流量比值，适用当系统中存在其他干扰时
3.比值控制的实现方案及计算（包括仪表量程选取）？
应用比值器、乘法器、除法器
4.比值控制的投运？
与单回路控制相同，是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态的过程
5.用乘法器实现的变比值控制系统，与采用加法器实现的前馈加反馈控制，在性能上有何区别？
6.用乘法器或除法器实现的比值控制，其流量比值的调整具体是改变什么参数？这些参数与流量比值的关系如
何？
均匀控制
1.什么叫均匀控制？特点？
均匀控制：完全不同与单纯的液位控制系统，要求液位与出料同时均匀的变化
特点：不同于常规的定值控制系统，而对被控变量与操纵变量都有平稳的要求
为解决被控变量与操纵变量都希望平稳这一对矛盾，只能要求被控变量与操纵变量都渐变，均匀控制要求在最大干扰下，液位在存储罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变
均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案
2.均匀控制与一般的定值控制有何不同？
不同于常规的定值控制系统，而对被控变量与操纵变量都有平稳的要求
3.均匀控制器的参数整定方法及原则？
原则：
A)先以保证液位不会超过允许波动范围的角度来放置控制器参数
B)修正控制器参数，使液位最大波动接近允许范围，其目的是充分利用储罐的缓冲作用，使输出流量尽量平稳
看曲线，整参数
分程和阀位控制
1.什么叫分程控制？目的？实现（包括阀形式和区间选择及调整）？
一台控制器按输出信号的不同区间去操纵不同阀门的控制方式
目的：扩大控制阀的可调范围，改善控制系统品质，满足工艺操作的特殊要求
-9-
实现：确定阀的气开气关特性，决定分程区间
2.阀位控制器的结构形式及参数整定？
3.分程和阀位控制的区别？
都是有多个控制变量和单个控制变量的过程，
分程控制要求各个控制变量接替工作
阀位控制要求被选作辅助变量的阀位在稳态时处于某个较小（较大）值上，以满足另外指标优化的要求
选择性控制
1.什么叫超驰控制？
又叫选择性控制或取代控制
一般来说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都称为选择性控制系统
2.生产上为什么要设置起软保护作用的超驰控制系统？
为能维持生产的持续运转，避免停车
3.选择性控制中为什么要考虑防积分饱和？“限幅法”是怎样起防积分饱和的？
因为选择性控制中往往有一个控制器具有积分功能，会产生积分饱和
限幅法：用高低值限幅器，使控制器积分反馈信号限制在某个区间
4.采用“外反馈法”实现防积分饱和的原理是什么？它在超驰控制系统中的应用有什么特点？
原理：控制器在开环情况下，不再使用他自身的信号作积分反馈，而是采用合适的外部信号作为积分反馈信号，从而切断了积分正反馈，防止了进一步偏差积分作用
5.应按什么原则去整定超驰控制中二个控制器（正常工作的控制器和超驰控制器）的参数？
应使控制作用较常规情况强烈
6.超驰控制的实现？
推断控制
利用模型由可测信息将不可测的被控输出变量推算出来以实现反馈控制，或是将不可测的扰动推算出来以实现反馈控制。

典型单元控制：流体输送，传热，精馏，化学反应
流体输送设备
1.流体输送设备的控制有哪几个特点？
-10-
A)控制通道的对象时间常数小，只需采用PI调节器，无须引入微分作用
B)测量信号通常带有高频噪声，应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动
C)静态非线性。

应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性
2.如何确定出离心泵的工作点？对于各种控制方案，分析不同控制方法的优缺点？
泵的特性曲线与管路特性曲线的交点即离心泵的工作点
直接节流法：
改变泵的转速n
改变旁路回流量
3.容积泵的控制方案与离心泵的控制方案有何不同？
容积泵不能采用直接节流法，可采用旁路法或调速法
4.什么叫喘振？压缩机为什么要设置防喘振控制？
当压缩机负荷降低到一定程度时，气体的排送可能会出现强烈的振荡，并使压缩机机身也出现剧烈的振动喘振是离心式压缩机的固有特性，
由于喘振现象会严重损坏压缩机机体，这在实际生产过程中是不允许的，所以要设置。

5.防喘振控制有哪几种控制方案？固定极限流量法的原理，并说明它的缺点？
固定极限法防喘振控制
可变极限法防喘振控制
6.为什么防喘振控制必须注意控制器的防积分饱和？
传热设备
用以实现冷热两流体换热的设备
1.传热设备有哪些动态特点？对控制规律作如何考虑？
分布参数特性，纯滞后及滞后时间常数较大
2.传热设备几种控制方案的优缺点？
A)调节载流体热量：减小载热体一侧的传热阻力，使传热量增大
B)工艺介质部分旁路：反应及时，载热体流量只处于高负荷下，不经济
C)换热器出口温度控制
-11-
3.建立数学模型的意义？
A)作为干扰分析，操纵变量选择和确定控制方案的基础
B)求取放大参数，作为系统分析和控制器参数整定的参考
C)用于控制阀流量特性的选择
4.为什么大部分换热系统的温度控制需采用等百分比阀？
5.在加热炉控制中，比较各种控制方案的特点。

6.在加热炉应设置哪些安全联锁系统？
火焰检测器开关，工艺介质低流量联锁报警系统，燃料气流量过低联锁报警系统
7.大型锅炉一般需设置哪些控制系统（不包括联锁）？
锅炉气包水位的控制
锅炉燃烧系统的控制
过热蒸汽系统的控制
8.什么是虚假水位？采用差压变送器时是否会呈现假水位？为什么？在控制方案中应采取什么办法减少假水位
的影响？控制方案中的系数怎样设置？
在燃料不变的情况下，蒸汽用量突然增加，短时间内导致汽包压力下降，循环管内水的沸腾突然加剧，汽泡总体积突然增加，汽泡内水量突增，导致水位突然抬高形成虚假水位
9.三冲量控制在控制有那些特点？有几种连接方法？
10.略述燃烧过程空气～燃料逻辑提降量比值系统的原理（试述受干扰前初始状态信号关系及受干扰后的动态过
程）。

精馏塔
将混合液中的各组分进行分离，使之达到所规定的纯度。

反应器
进行化学反应的场所
-12-。