过程控制系统复习资料整理工信出版

1.1过程控制系统发展概述

1.仪表化与局部自动化系统特点：采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合，而多数是气动式仪表。其结构方案大多数是单输入—单输出的单回路定制系统。理论基础是频域法和根轨迹法为主体。

3.集散式控制系统 DCS：传递的信息以引起物质、能量的运动为最终目的。强调的是其可靠性、安全性、实时性、广泛的适用性。智能控制方法有以下几种：分级递阶智能控制、专家控制、人工神经网络控制、拟人智能控

制理论等。

1.2.1 过程控制系统的特点：（ 1）过程控制系统的多样性；（2）控制方案的多样性；（ 3）物理参数控制；（4）

定值控制。

1.2.2 过程控制主要针对六大参数，即温度、压力、流量、液位（物位）、成分、物性。

1.3.1 过程控制系统的组成：由控制器、执行器、被控对象、检测变送装置组成。将偏差送到控制器。

干扰

给定偏差 e(t)u(t)操作变量q(t)被控变量c(t)

控制器执行器被控对象

-

b(t)

检测变送

1.3.2过程控制的分类

1.按系统结构划分：（ 1）反馈控制系统，闭环（ 2）前馈控制系统（开环）（3）前馈 - 反馈复合控制系统。

2.按设定值划分：（1）定值控制系统（ 2）随动（伺服）控制系统（ 3）程序控制系统。

1.4过程控制性能指标：（1）系统必须是稳定的（最重要）（2）系统应能提供尽可能好的稳态调节（3）过渡过程

1.单项控制性能指标：（ 1）衰减比和衰减率：为了保证控制席永有一定的稳定裕度，一般要求衰减比为 4:1 ～10:1 ，相当于 75%-90%，稳态。（ 2）最大动态偏差和超调量；（ 3）残余偏差 e ss（ 4）调节时间 t s和振荡

频率（快速性指标）

2.1.2建立数学模型的方法

1.解析法：对被控过程的工作机理非常熟悉，被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换有密

切关系。 2. 测试法： 1）是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数学模型。2）可以

在不十分清楚内部机理的情况下，把被研究的对象视为一个黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性。

2.2.1解析法建模步骤：（1）根据建模过程和模型使用目的作出合理假设；（2）根据被控过程内在机理建立

数学模型；（3）简化

3-9 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？常用的补偿措施有哪些？答：热电偶只有在冷端温度保

持不变时，才能保证电动势与被测温度之间呈单值函数关系。另外，热电偶的分度通常是在冷端温度t 0=0℃

情况下测定的。因此，热电偶的冷端必须保持恒定以避免测量误差。常用措施： a. 冷端恒温法 b. 电桥补偿法c. 补偿导线法。

3-11 电容式差压变送器的工作原理是什么？有何特点？答：电容式差压变送器是先将差压（压力）转换为电容

量 s 的变化，再将电容量的变化转换为标准电流输出。特点：无机械传动和调整装置，因此结构紧凑、体积小、

重量轻、稳定性好、抗震性好、精度高。

3-16 电磁流量计的工作原理是什么？对被测介质有什么要求？答：根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场

中做切割磁力线运动时，在导体的两端即产生感生电动势，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的感应

强度、导体在磁场内的长度及导体的运动速度成正比。介质：主要用于测量导电液体体积流量，脏污介质，腐

蚀性介质及悬浊性液固两相流的流量，不能测量气体、蒸汽及含有气体的液体。

2.简述串级控制系统的设计原则。答：（1）副回路的选择必须包括主要扰动，而且应包括尽可能多的扰动；（2）主、副对象的时间常数应匹配；（3）应考虑工艺上的合理性和实现的可能性；（4）要注意生产上的经济性。

3. 简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：简单控制系统由一个被控对象，一个检测元件和

变送器，一个调节阀和一个调节器组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为

标准信号，输出到控制器。控制器用于将检测变送器的输出信号与设定值进行比较，得出偏差，并把偏差信

号按一定的控制规律运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于改变操

纵量，以克服干扰，达到控制的目的。

4. 前馈控制和反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？

答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据

是偏差 ;不及时 :精度高 ,实施方便 ,对所有干扰都有克服作用 .由于两种控制方式优缺点互补 , 所以前馈 -反馈复合系

统将能较大地改善系统的控制品质 .

1、电气阀门定位器有哪些作用？答：①改善阀的静态特性；②改善阀的动态特性；③改变阀的流量特性；④

用于分程控制；⑤用于阀门的反向动作

4.1.2过程控制仪表的分类

1.按能源分类：电动、气动、液动、机械式。

2.按信号类型分类：模拟式和数字式。模拟式的信号通常为连续变化的模拟量；数字式的信号以微处理器为

核心的断续变化的数字量、脉冲信号等。

3.按结构形式划分：单元组合、基地式、集中控制等。

4.1.3控制仪表的功能：（1）偏差显示；（2）输出显示；（3）内、外给定信号的选择；（4）正、反作用的选择。

4.2.1比例积分微分调节器（ PID）表达式： D ,（—，D=0，重比例）

比例度：是调节器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。, 成倒数关系。

4.2.3控制器的正反作用定义为：当控制器的测量值增加时，它的输出增加，称控制器是正作用控制器。当

控制器的测量值增加时，它的输出减小，称控制器是反作用控制器。其主要作用实施控制系统形成负反馈。

4.4.1 执行器的组成：由执行机构和调节机构组成。阀芯和位移

4.4.2 调节阀的气开与气关的形式：是由安全生产的要求决定的。即当危险发生时，控制信号消失，如果阀

门处于打开状态安全，则选气关阀；如果阀门处于关闭状态安全，则选气开阀。

气开阀是控制信号增加时，阀门开度增加，没有信号时处于全闭状态。

气关阀是控制信号增加时，阀门开度减小，没有信号时处于全开状态。

调节阀的流量特性：与阀芯形状和阀前后的压力差有关。

（1）理想流量特性 a. 直线流量特性 b. 对数流量特性 c. 快开流量特性

4-4 什么叫调节阀的理想流量特性和工作流量特性？常用的调节阀理想流量特性有哪些？

答: 1) 理想流量特性 : 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。工

作流量特性 : 在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用，阀门两端的压差随流量变

化而变化，这时的流量特性称为工作流量特性。 2) 常用理想流量特性 : 直线流量特性、对数流量特性、快

开特性。

4-14 某比例积分调节器的输入输出范围均为 4～20mADC 设, =100% , T1=2min , 稳态时 , 其输出为 6mA;若在某一

时刻输入阶跃信号增加 1mA ，试求 4min 后，调节器的输出。 9mA

5-6 在某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热，热物料温度必须满足生产工艺要求，故设计图所示

温度控制系统流程图，画出控制框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器控制规律及其正、反作用方式。

答：系统方框图：

被控过程为加热炉；被控参数是热物料的温度；控制参数为燃料的流量。

加热炉的过程特性一般为二阶带时延特性，即过程为非线性特性。因此，调节阀流量特性选择对数特性

调节阀。

根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料，调节阀应选用气开式。即无气时调节阀关闭。

控制器的正反作用的选择应该在根据工艺要求，原则是：使整个回路构成负反馈系统。控制器的正、反

作用判断关系为：（控制器“±”）·（控制阀“±”）·（对象“±”）＝“－”；调节阀：气开式为“＋” ，气关式为“－”；

控制器：正作用为“＋” ，反作用为“－”；

被控对象：按工艺要求分析，通过控制阀的物量或能量增加时，被控制量也随之增加为“＋” ；反之随之降低

的为“－”；变送器一般视为正作用。

根据安全要求，调节阀选气开式 K v为正，温度变送器 K m一般为正，当调节器增加时，温度值增加，故过程

（对象）为正，为了保证闭环为负。所以调节器应为负作用。

(2)比例积分（ PI ）时域表达式：

( 3) 比例积分微分（ PID）时域表达式：