过程控制复习资料

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）

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。

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。

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。

衰减比η和衰减率Ψ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。

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。

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。

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。

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(s)1

K G s τ=

+；（2）无自平衡能力单容对象的动态特性，传递函数用一个积分换届表示11(s)G Ta s

=；（3）具有纯延迟的单容对象特性，多了一个延迟因子0s e τ-表示传递函数0(s)1s K G e Ts τ-=+；（4）多容对象的动态特性（具有自平衡能力），传递函数()()()()()1234(s)1111...1n K G T s T s T s T s T s =+++++其中123,,,...n T T T T 为n 个相互独立的多容对象的时间常数，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，11(s)1a G Ts T s

=+，对于多容对象，若有纯延迟则类似于单容对象，传递函数多一个延迟因子

0s e τ-；（6）相互作用的双容对象，211221122211(s)()s 1

G R C R C s R C R C R C =++++

简述流量检测的基本原理，流量的测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。

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max min

Q R Q =，其中Qmax 是调节阀可控的上限值，Qmin

是调节阀可控的下限值，R 是理想可调比，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r

r dQ K dL =，对数流量特性r r r

dQ KQ dL =，抛物线流

量特性r

r dQ dL =()(1)r r r r dQ f L K L dL ==-。附1被控变量与控制变

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

控制规律各有何特点其中，哪些是有差调节，哪些是无差调节为了提高系统的稳定性，消除控制系统的误差，应选用哪些调节规律答：P 控制是有差调节，作用速度快，但最终平衡，达到稳定状态；I 控制是无差调节，超调量大，不如P 控制稳定；D 控制是有差调节，有余差，只与偏差变化速度有关。应选用PI 调节规律或PID 调节规律以清除控制系统的误差和提高系统稳定性。

试总结调节器P 、PI 、PD 动作规律对系统控制的影响。

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。 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δ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：11t o I u e edt T δ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰PD 下：1D de u e T dt δ⎛

⎫=+ ⎪⎝⎭

δ增大可得到相同的系统稳定性。

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。

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

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℃变化到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：()()max min max min /(160140)/(200100)100%100%500%/(73)/(1000)

e e e u u u δ---=⨯=⨯=---。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：

[]0(k)K (k)(j)(k)(k 1)k D P j I T T u e e e e T T =⎧⎫=++

--⎨⎬⎩⎭

∑ 增量式PID 控制算法：()()()()()()()()()11212P I D u k u k u k K e k e k K e k K e k e k e k =--=--++----⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦

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