过程控制(第二版)第三章

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过程控制工程第二版课后答案

过程控制工程第二版课后答案【篇一：过程控制工程2-4章答案(孙洪程著)】2.1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。

因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。

(1) 串级控制系统具有更高的工作频率；(2) 串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3) 串级控制系统具有一定的自适应能力2.2 为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。

主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。

控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。

这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。

即sign{g01(s)}sign{g02’(s)}sign{gm1(s)}sign{gc1(s)}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。

实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。

当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。

2.3 串级控制系统的一步整定法依据是什么?答：一步整定法的依据是：在串级控制系统中一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此对它要求比较严格。

而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。

此外对于一个具体的串级控制系统来说，在一定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数kc1与kc1的乘积等于ks(ks为主变量呈4：1衰减振荡时的控制器比例放大倍数)，系统就能产生4：1衰减过程(下面的分析中可以进一步证明)。

过程控制技术-第三章过程控制系统的分析

3 过程控制系统的分析
时曲线有极值点（ｎ为正整数）。将上述两种ｔ值代入式（３-18），就能求出过渡过程曲线的各个特殊点数值，其数值列入表３-２中。
3 过程控制系统的分析
根据表３-２中数据绘制出过渡过程曲线如图３-5中的曲线２所示
过程控制技术
第六讲过程控制系统的过渡过程分析（二）
3 过程控制系统的分析
（2）衰减比n 是指过渡过程曲线同方向的前后相邻两个峰值之比，如图3-6中Ｂ/Ｂ′＝n，或习惯表示为n∶1。可见n愈小，过渡过程的衰减程度越小，意味着控制系统的振荡程度越加剧烈，稳定性也就低，当n＝１时，过渡过程为等幅振荡；反之，n愈大，过渡过程愈接近非振荡过程，相应的稳定性也越高。从对过程控制系统的基本性能要求综合考虑（稳定、迅速），
3 过程控制系统的分析
式中下标“0”表示系统在初始平衡状态下的数值，则
3 过程控制系统的分析
（4）控制器的控制规律在过程控制系统中常使用的控制器，其控制规律有比例、比例积分和比例积分微分三种，它们的数学模型分别为：
3 过程控制系统的分析
在这个系统中若选用的是电动比例控制器，则p＝Ｋcｅ在过程控制仪表中控制器的放大系数Ｋc是通过改变控制器的比例度δ来设置的，若采用测量范围（量程）为50～100℃，输出信号为4～20 mA DC的电动温度变送器，并选用电动控制器的比例度δ＝２０％，于是根据比例度的定义计算出控制器的放大系数是：
3 过程控制系统的分析
（5）余差Ｃ（残余偏差）余差是过渡过程终了时设定值与被控变量的稳态值之差，用数学式表示为余差是一个反映控制系统准确性的质量指标，也是一个精度指标。它由生产工艺给出，一般希望余差为零或不超过预定的范围。
3 过程控制系统的分析

过程控制作业答案（精品）

第一章概述1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。

控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标；b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。

第二章过程控制系统建模方法习题2.10某水槽如图所示。

其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。

要求：（1）写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2）写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。

（1）物料平衡方程为123d ()d HQ Q Q Ft-+= 增量关系式为 123d d H Q Q Q F t∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=， 33hQ R ∆∆=，代入增量关系式，则有23123()d d R R hh F Q t R R +∆∆+=∆ （2）两边拉氏变换有：23123()()()R R FsH s H s Q s R R ++=故传函为：232323123()()()11R R R R H s KG s R R Q s Ts F s R R +===+++ K=2323R R R R +, T=2323R R F R R +第三章过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。

试问：（1）影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2）如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3）如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量（2）被控变量：物料出口温度。

过程控制工程_第二版_(王树青_著)_化工出版社_课后答案

过程控制工程课后习题答案第一章1-1自动控制系统由被控对象、测量变送器、执行器（控制阀）和控制器组成。

被控对象是指被控制的生产设备或装置。

测量变送器用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号作为输出。

执行器常用的是控制阀，接受来自控制器的命令信号，用于自动改变控制阀的开度。

控制器它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号e(t)，并按一定规律给出控制信号u（t）1-21）直接数字控制它的特点：计算灵活，它不仅能实现典型的PID 控制规律，还可以分时处理多个控制回路。

2）集中型计算机控制系统它的特点：可以实现解耦控制、联锁控制等各种更复杂的控制功能；信息集中，便于实现操作管理与优化生产；灵活性大，控制回路的增减、控制方案的改变可由软件来方便实现；人机交互好，操作方便3）集散控制系统它的特点：同时适应管理与控制两方面的需要：一方面使用若干个控制器完成系统的控制任务，每个控制器实现一定的控制目标，可以独立完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输出等功能；另一方面，强调管理的集中性。

1-3spPC51P m PT51P2uP1P：被控变量储罐：被控对象U：控制变量进气流量：操纵变量P1，P2，出气流量：扰动变量被控变量：被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，也是测量变松的输入。

控制变量：控制器的输出电信号。

操作变量：执行器的操作对象，对被控变量有影响。

扰动变量：影响被控变量的变量（除了操作变量）。

干扰通道P sp +E(t)_压力制器进气控制阀控制对象++P （t ） P m (t )压力 1-4给定值+ 液位控制器控制阀水槽测量液位变送器假设控制阀为气闭式、控制器为反作用，定义偏差为测量值与给定值之差。

首先假设在干扰发生之前系统处于平衡状态，即流入量等于流出量，液位等于给定值。

当有干扰发生，平衡状态将被破坏，液位开始变化，于是控制系统开始动作。

1）假定在平衡状态下流入量 Q1 突然变大。

过程控制讲义课件(全套)

前馈—反馈控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
6. 按给定信号的特点分类：定值控制系统程序控制系统随动控制系统
（1）定值控制系统：就是系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。定值控制系统是过程控制中应用最多的一种控制系统，因为在工业生产过程中大多要求系统被控量的给定值保持在某一定值，或在某很小范围内不变。例如过热蒸汽温度控制系统、转炉供氧量控制系统均为一个定值控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
（2）程序控制系统：它是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作的。控制的目的就是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。例如同期作业的加热设备(机械、冶金工业中的热处理炉)，一般工艺要求加热升温、保温和逐次降温等程序，给定值就按此程序自动地变化，控制系统按此给定程序自动工作，达到程序控制的目的。
4. 按被控制量的多少分类：
单变量控制系统多变量控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
5. 按系统的结构分类：
反馈控制系统前馈控制系统复合控制系统单回路控制系统串级控制系统
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1.4 过程控制系统的分类
（1）反馈控制系统
它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形式。反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。如过热蒸汽温度控制系统就是一个反馈控制系统。另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成多个闭合回路，称其为多回路控制系统。
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1.4 过程控制系统的分类
1. 按被控量分类：
温度控制系统压力控制系统流量控制系统液位控制系统等
2. 按完成的功能分类：

过程控制知识点

第一章过程控制定义：用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制称为过程控制。

过程控制特点：连续生产自动控制过程控制系统由过程检测控制仪表组成被近期过程是多种多样的、非电量的过程控制的控制过程多属慢过程而且多半参量控制定值控制是过程控制的一种常用形式。

过程控制组成：由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节。

分类：结构特点：反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统。

定值信号特点：定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。

第二章2-22利用热电偶温度计测温时为什么要使用补偿导线及其对冷端温度进行补偿？利用热电阻温度计测温时，为什么要采用三线制接法？测量低温时通常为什么采用热电阻温度计，而不采用热电偶温度计？答：（1）由热电偶测温原理可知，只有当它的冷端温度不变时，热电动势是被测温度的单值函数，所以在测温过程中必须保持冷端温度恒定，为了使它的冷端温度恒定，采取补偿导线法为了消除冷端温度变化对测温精度的影响，采用冷端温度补偿（2）在使用热电阻测温时，为了提高精度，采用三线制接法（3）原因有两点：在中低温区热电偶输出的热电势很小对测量仪表放大器和抗干扰要求很高由于冷端温度化不易得到完全补偿在较低温度区内引起的相对误差就很突出2-27 DDF-3型温度变送器具有哪些主要功能？什么是变送器的零点、零点迁移和量程调节?为什么要进行零点迁移和量程调节？3型温度变送器是怎样进行零点迁移和量程调节的？答：1.DDz-3具有热电偶冷端温度补偿，零点调整、零点迁移。

量程调节以及线性化等重要功能。

2零点：输入为零点时输出为4mm的点，零点迁移：即把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。

量程调节：相当于改变变送器的输入输出特性的斜率3零点迁移的目的是使其输出信号的下限Ymin与测量范围的下限值Xmin相对应。

零点迁移之后，其量程不变，即斜率不变，却可提高灵敏度。

量程调节的目的是变送器的输出信号的上限值Ymax与测量范围的上限值相对应4调零点调量程方法：RP1为调零电位器。

过程控制第三章第9,10,11讲

过程静态特性是选择控制参数的重要依据。结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系统的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通道的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强。因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(∞) t
ห้องสมุดไป่ตู้
图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
控制系统的阶跃响应性能指标小结
稳定性衰减比n = 4:1~10:1最佳

准确性余差C小好
最大偏差 A 小好快速性过渡时间 Ts 短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。
三、控制参数的选择

控制参数又称为控制变量或控制量。在生产过程中，可能有几个控制量可供选择来影响被控参数。选择不同的控制参数就有不同的控制通道和扰动通道。不同的控制通道和扰动通道的控制质量是不相同的。因此应选择较优的控制参数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择

（一）过程静态特性分析
在新稳态值（ 205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min

过程控制系统与仪表习题答案第三章

第3章习题与思考题3-1 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。

3-2 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。

3-3 比例控制为什么会产生余差？解答：产生余差的原因：比例控制器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系：e K y p =为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。

3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。

为什么积分控制能消除余差？解答：1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：⎰=edt T y 112）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。

当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。

因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。

3-5 什么是积分时间？试述积分时间对控制过程的影响。

解答：1）⎰=edt T y 11 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。

只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。

2）在实际的控制器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上，T i =1／K i 。

显然，T i 越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。

3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA ，若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA ，某时刻，输入阶跃增加0.2mA ，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化为多少？解答：由比例积分公式：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎰edt T e P y 111分析：依题意：%1001==pK p ，即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋0.2；稳态时：y 0＝5mA ，5min 后：m Aedt T e P y y )7.05()52.0212.0(151110±=⨯⨯±±⨯+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎰ 3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响？调整比例度时要注意什么问题？解答：P741）控制器的比例度P 越小，它的放大倍数p K 就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P 实现。

过程控制实验指导书

第三章对象特性测试实验第一节测试对象特性的方法工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。

对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。

一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。

闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。

实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。

有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。

建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。

测试法一般只用于建立输入输出模型。

它的特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。

一、测试法求取传递函数通过简单的测试获得被被控对象的阶跃响应，进一步把它拟合成近似的传递函数，是建立被控对象数学模型简单有效的方法。

用测试法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的结构。

典型的工业过程的传递函数可以取为各种形式，例如：1、一阶惯性环节加纯延迟一阶惯性环节的传递函数：1)(+=Ts Ks G 延迟环节的传递函数为：τs )(-=e s G一阶加纯滞后对象的传递函数1)(τs+=-Ts Ke s GtXΔx阶跃信号一阶惯性环节阶跃响应KΔxT图 3.1.1对于有纯滞后的一阶对象，滞后时间可直接由图中测量出纯滞后时间τ。

2、二阶或高阶惯性环节加纯延迟ns1)(Ts )(+=-τKe s G 在确定传递函数的形式后，要对函数中的各个参数与测试的响应曲线进行拟合。

如果阶跃响应是如图3.1.2所示的S 形单调曲线，就可以用一阶惯性加纯延迟对象的传递函数去拟合。

增益K 由输入输出的稳态值直接算出，而τ和T 则可以用作图法确定。

tABpCy y(∞)τT图 3.1.2在曲线的拐点p 作切线，它与时间轴交于A 点，与曲线的稳态渐进线交于B 点。

0A 段的值即为纯滞后时间τ，CB 段的值即为时间常数T ，这样就确定了τ和T 的数值。

SPC(2005年7月)

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每件产品的尺寸与别的都不同
范围范围范围但它们形成一个模型，若稳定，可以描述为一个分布
范围
范围范围分布可以通过以下因素来加以区分位置分布宽度
范围
形状
或这些因素的组合
9
如果仅存在变差的普通原因，随着时间的推移，过程的输出形成一个稳定的分布并可预测。
目标值线预测
时间
尺寸如果存在变差的特殊原因，随着时间的推移，过程的输出不稳定。时间尺寸目标值线不可预测
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第一章第4节局部措施和对系统采取措施局部措施和对系统采取措施局部措施
• 通常用来消除变差的特殊原因 • 通常由与过程直接相关的人员实施 • 通常可纠正大约15%的过程问题
对系统采取措施
• 通常用来消除变差的普通原因 • 几乎总是要求管理措施，以便纠正 • 大约可纠正85%的过程问题在上面讨论的两种变差以及可能采取的减少它们的措施之间有着重要的联系。简单的统计过程控制技术能检查变差的特殊原因。发现变差的特殊原因并采取适当措施通常是与该过程操作直接有关人员的责任。尽管有时纠正时要求管理人员介入，解决变差的特殊原因通常要求采取局部措施。这一点在早期的过程改进中尤为重要。当某人对特殊原因成功持采取适当的措施后，其余的问题通常要求采取管理行动而不是局部措施来解决。
统计过程控制
Statistical Process Control
(第二版)
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第一章持续改进及统计过程控制
介绍在今天的经济气候下，为了事业昌盛，我们——汽车制造商，供方及销售商必须致力于不断改进。我们必须寻找更有效的方法来提供产品及服务。这些产品和服务必须不断地在价值上得以改进。我们必须重视内部以及外部的顾客，并将顾客满意作为企业的主要目标。为了达到这一目标，我们组织中的每一个人都必须确保不断改进及使用有效的方法。本手册涉及到第二领域的某些要求。它描述了能使我们致力于的改进更有效的几种基本的统计方法。为了完成不同的任务需要不同程度的理解。本手册的对象是见习生以及刚开始从事统计法应用的管理人员。对于现在正在应用更先进技术的人员，本手册也可作为他们学习这些基本方法的参考文献。本手册并没有包括所有的基本方法。附录H所列的参考文献或手册中阐述了其他的基本方法（例如：检查清单、流程图、排列图、因果分析图等）及一些先进的方法（如其他控制图、试验设计、质量功能展开等）。本手册所述的基本统计方法包括与统计过程控制及过程能力分析有关的方法。第一章阐述了过程控制和背景知识，解释了一些重要的概念：如变差的特殊及普通原因，并介绍了控制图，这个用来分析及监控过程非常有效的工具。第二章描述了计量型数据和计数型数据的控制图的建立和使用。第三章阐述过程能力分析。

Statistical Process Control SPC统计过程控制(第二版)

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特殊原因（通常也称可查明的原因）指的是这样的因素，它们引起的变差仅影响某些过程输出。这些因素通常是间歇发生的、不可预测的。特殊原因的信号是：一个或多个点超出控制界限，或在控制界限内的点出现非随机的模式。除非变差的所有特殊原因都被识别出来并且采取了措施，否则它们将继续以不可预测的方式来影响过程的输出。如果存在变差的特殊原因，随着时间的推移，过程的输出将不稳定。
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控制图系数表
n系数 d2 1/d2 d3 m3 A2 A3 m3A2 D3 D4 A10 C2 C4 1/C4 C5 E2 B3 B4 B7 B8 A9
2 1. 128 0. 8862 0. 8931 . 0001 . 8802 . 659 1. 880
3. 267 2. 00 0. 564 0. 70791. 2533 0. 426 2. 660
许多工业过程的输出服从正态分布（有时即使输出的数据不服从正态分布，但其子组平均值趋向于正态分布) 。而且正态分部是许多过程能力确定的基础。
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数据的分布服从正态分布（μ，σ），平均值为μ，标准差为σ。
我们希望是正态分布
正态分布
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控制图—过程控制的工具
1924年，美国贝尔试验室的休哈特（W.A.shewhart）博士首创控制图，其依据的是正态分布的重要结论。从那时起，在美国和其他国家，尤其是日本，成功地把控制图应用于各种过程控制场合。经验表明：当过程出现变差的特殊原因时，控制图能有效地引起人们注意；控制图还能帮助人们分析并减少由普通原因引起的变差。
下运行，可继续使用控制图作为监控工具，也可计算过程能力。如果由于普通原因造成的变差过大，则过程不能生产出始终如一的符合顾客要求的产品，则必须调查过程本身，而且一般来说必须采取管理措施来改进系统。必须不断地对过程的长期性能进行分析，通过对现行的控制图进行周期的、系统的评审，可以完成这一工作。

《过程装备控制技术及应用》第二版思考题及习题答案

《过程装备控制技术及应用》（第二版）思考题与习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。

主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。

自动控制系统常用的术语有：被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值；操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。

3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。

采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

过程控制主要习题参考答案

第一章思考题与习题1－2 图为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。

解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。

当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。

系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1.反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。

它是最常用、最基本的过程控制系统。

2 ．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。

由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。

由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。

3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。

3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1.余差(静态偏差)e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y( g)与给定值c之差。

它是一个静态指标，对定值控制系统。

希望余差越小越好。

2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： Bn —Bn v 1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n> 1, 系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。

《过程装备控制技术及应用》第二版王毅张早校思考题及习题答案

《过程装备控制技术及应用》（第二版）王毅、张早校化学工业出版社思考题与习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化生产过程自动化主要包含了哪些内容答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。

主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成自动控制系统常用的术语有哪些答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。

自动控制系统常用的术语有：被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值；操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。

3.什么是自动控制系统的方框图它与工艺流程图有什么不同答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。

采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

过程控制系统教案

过程控制系统教案第三章简单的过程控制系统同学们好现在我们开始上课今天我们讲过程控制系统的第三章简单的过程控制系统回顾前两章我们大约了解了过程控制系统通常是石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材，原子能等工业部门生产过程的自动化。

并且熟悉了各个仪表，变量检测及变送。

今天我们就学习过程控制系统的设计内容。

设计方法，设计过程，这章的难点就在于控制方案的确定，pid参数的整定。

简单的过程控制系统也就是单回路控制系统的工程设计。

一般是针对一个被控过程（调节对象），采用一个测量变送器检测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数的恒定，其输出椰汁控制一个执行机构，从系统的空图看，只有一个闭环回路。

单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能瞒住不少工业生产的控制要求。

第一节我们主要讲解4个方面：1、对过程控制系统设计的一般要求（安全性稳定性经济性）2、过程控制系统设计过程（建立被控对象的数学模型，选择控制方案，选择设备，实验和仿真）3、过程控制系统设计的主要内容（方案设计工程设计工程安装和仪表调校）4、过程控制系统设计中的若干问题（越限报警与连锁保护，其他系统安全保护对策）举一个图解释这个简单的过程控制系统。

第二节我们主要讲解3个方面：1、过程控制系统的性能指标；（运动中有两种状态。

一种是稳态。

另一种是动态。

）（一）系统阶跃响应的性能指标。

（静态偏差衰减率最大偏差A 过渡过程时间Ts）（二）偏差积分的性能指标是以目标函数形式表示的，属于综合指标。

2、被控参数的选择（直接参数法间接参数法）3、控制参数的选择（过程静态特性的分析过程动态性能的分析）1 / 1。

过程控制与自动化仪表第二版 (潘永湘杨延西赵跃编著著) 机械工业出版社课后答案2

第一章绪论2-（1）简述下图所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

2q 解：本图为液位控制系统，由对象水箱、液位检测、反馈控制回路组成，为了达到对液位（h）控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节1q 的流量达到液位控制的作用。

系统框图如下：控制器输入输出分别为：液位设定值与反馈值之差()t e 、控制量()t u ；执行器输入输出分别为：控制量()t u 、进水流量()t q 1；被控对象的输入输出为：进水流量()t q 1、出水扰动量()t q 2，被控量液位h ；2-2-（（3）某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于等于5﹪，要求设计的定值控制系统，在设定值作阶跃干扰时的过渡过程曲线如下图所示。

要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间。

2）说明该系统是否满足工艺要求。

课w.kh da .c o m解：1）由上图可得()810y ∞=℃，设定值r =800=800℃℃,185081040B =−=,282081010B =−=稳态误差()∞e ()r y =−∞=800800℃℃-810-810℃℃=10−℃衰减比：1:4104021===B B n 最大超调量：()()850810100%100% 4.938%()810p y t y y δ−∞−=⋅=⋅=∞过渡过程时间s t ：大概在17min 左右2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为800℃，而最后趋于稳定的值却为810℃，因此不满足工艺要求。

第三章过程控制仪表1-1-（（2）某比例积分调节器的输入输出范围均为：4-20mA DC ,若设100%δ=，12min T =，稳态时其输出为6mA；若在某一时刻输入阶跃增加1mA，试求经过4min 后调节器的输出。

解：由式%1001×=CK δ可得:1=C K 课后答案网 ww w.kh da w .c o m比例积分作用下u ∆可由下式计算得出：()()mAdt dt t e T t e K u I c 3211140=+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∆∫∫mAmA mA u u u 963)0(=+=+∆=经过4min 后调节器输出为mA 9。

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二、被控参数的选择

合理选择被控参数使控制方案设计中的重要一环，对于境等具有决定性意义。必须根据工艺要求，分析生产过程，能较好的反映工艺生产状态变化的参数（人控制难以满足要求，客观上要求自动控制的参数）作为被控参数。
二、被控参数的选择
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(t ) y(t f )
由此可见：干扰通道存在纯滞后时，理论上不影响控制质量，仅使被控参数对于干扰的响应在时间上推迟了τf 值。（3）扰动作用点位臵的影响扰动引入系统的位臵不同，对被控参数的影响也不同。其位臵离被控参数愈近时，则其影响愈大；当位臵离被控参数愈远时，则对其影响愈小。
由于系统是稳定的，在阶跃扰动作用下，系统稳态值为
(T0 s 1) K f lim s y (t ) lim s y ( ) t s 0 s[( T s 1)( T s 1) K K (T s 1)] 0 f 0 c f Kf 1 K0 K c
由此可见，过程静态特性对控制质量好坏有很大影响。
第三章单回路控制系统的工程设计

第一节过程控制系统工程设计概述第二节控制方案设计第三节检测、变送器的选择第四节执行器（调节阀）选择第五节控制器（调节器）选择第六节过程计算机控制系统的设计第七节过程控制系统的投运和控制器参数的整定第八节单回路控制系统工程设计实例思考题与习题
（一）过程静态特性分析

过程静态特性是选择控制参数的重要依据。结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系统的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通道的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强。因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
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一、对过程控制系统设计的一般要求

安全性：在整个生产过程中，要确保人员设备的安全，
这是最基本和最重要的要求。通常采用参数超限报警、事故报警和联锁保护等措施加以保证。稳定性：系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内能长期稳定的运行。同时还必须具有适当的稳定裕量和良好的动态响应特性。
三、控制参数的选择

控制参数又称为控制变量或控制量。在生产过程中，可能有几个控制量可供选择来影响被控参数。选择不同的控制参数就有不同的控制通道和扰动通道。不同的控制通道和扰动通道的控制质量是不相同的。因此应选择较优的控制参数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择

（一）过程静态特性分析
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第五节控制器（调节器）的选择

1 选择控制器的控制规律依据τ0 / T0 比值来选择调节器的控制规律
0.2时，选用比例或比例积分控制规律
当
0
T0
当0.2 当
0
T0
1.0时，选用比例积分或比例积分微分控制规律
0
T0
1.0时，采用单回路控制系统不能满足工艺要求
选择控制方案：根据设计任务和技术性能指标，进行协调可行性分析，选择合理的控制方案。同时还应进行协调的静态、动态特性分析，判断系统特性是否满足系统的品质指标要求。控制设备选型：根据控制方案、控制特性和工艺要求，选择合适的测量变送器、控制器与执行器。实验（仿真）：检验系统设计的正确性，以及系统的性能指标是否满足要求。
W0 ( s Wc ( s )) KKs 1 T
0
W f ( s)
Tf s 1
（一）过程静态特性分析
被控量Y (s)对扰动量F (s)的传递函数为
(T0 s 1) K f Y ( s) F ( s) (T0 s 1)(T f s 1) K0 Kc (T f s 1)
（一）系统阶跃响应性能指标

余差（静态偏差）C： C y() y(0)
衰减率ψ：

B1 B2 B 1 2 B1 B1

最大偏差A（或超调量σ）

y(t p ) y() y() 100%

过渡过程时间 ts ：系统从受扰动作用时起，
到被控参数进入新的稳定值±5%的范围内所经历的时间。
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第四节执行器（调节阀）的选择

选择合适的调节工作区间在正常情况下，调节阀的开度处于15% ~ 85% 之间。
选择合适的流量特性过程特性为线性时，应选择线性流量特性的调节阀；若过程特性为非线性，应选择对数流量特性的调节阀。选择合适的调节阀开、关形式应充分考虑事故状态时，人身、工艺设备的安全；减少经济损失、保证产品质量；考虑介质性质。
二、过程动态特性的分析
1 扰动通道动态特性对控制质量的影响
（1）时间常数 Tf 的影响系统对扰动的传递函数为：
W f ( s) Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s )
Kf W f ( s) T f s 1
Y ( s) K f 1 F ( s) T f ( s 1 )[1 W ( s)W ( s)] c 0 Tf
被控参数的选择一般有两种方法直接参数：选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。间接参数：当不能用直接参数作为被控参数时，应当选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。间接参数必须具有足够高的灵敏度，同时必须考虑工艺过程的合理性和所选仪表的性能。
设单回路控制系统的框图如图所示。
（一）过程静态特性分析
设：单回路系统传递函数：
W c (s)为控制器它与执行机构的传递函数：
Wc ( s ) K
W0(s)为控制通道的传递函数： Wc ( s ) K K
T0 s K 1 K W0 ( s )) W f (s T s 1 W f (s)扰动通道的传递函数：1 0 TKs f W f ( s) T f sK 1 W0 ( s )
（三）根据过程特选择控制参数的一般原则

控制通道的放大系统要适当大一些；时间常数要适当小一些；纯滞后愈小愈好，扰动通道的放大系数尽可能小；时间常数要大；引入位臵要靠近调节阀。当过程存在多个时间常数时，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大，同时注意减小第二、第三个时间常数。

三、过程系统设计的主要内容

方案设计：是系统设计的核心，应选择合适的
控制方案，使控制系统发挥良好的作用。

工程设计：控制仪表的选型、操作台设计、供
电供气系统设计和联锁保护系统的设计。

工程安装：对系统中各设备进行正确安装，对
各仪表进行校验，对控制回路进行校验。

调节器参数整定：用计算法或工程整定法对
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一、过程控制系统的性能指标

被控过程在运行中，在外界干扰作用下，经常处于动态过渡过程。设臵控制系统的目的是希望被控参数能迅速、准确且平稳的稳定在新的给定值或附近。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。性能指标是评价过程控制系统动态性能的重要参数。通常使用两种时域形式的性能指标：系统阶跃响应性能指标和偏差积分性能指标。
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第三节检测、变送器选择

尽可能选择测量误差小的测量元件系统稳态误差取决于反馈通道的测量误差。尽可能选择快速响应的测量元件和变送设备应保持测量值的无滞后，有效发挥系统的控制校正作用。正确采用微分超前补偿串入微分环节消除测量滞后的影响合理选择测量点并正确安装减小滞后，安装方便对测量信号作必要的处理补偿校正、噪音抑制、线性化处理。
2 控制通道动态特性对控制系统的影响

（1）时间常数 T0的影响若控制通道时间常数T0 太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不及时，系统过渡时间长，控制质量下降。若控制通道时间常数T0太小，则控制作用强，克服扰动影响快，控制及时，系统过渡时间短，但易引起系统振荡，不能保证控制质量。所以在系统设计时要求控制通道时间常数适当小一点，时其校正及时，又能获得较好的控制质量
（2）时延τ0的影响

控制通道的时间滞后包括纯滞后和容滞后两种，他们对控制质量的影响不利，尤其是纯滞后影响最坏。由频率特性分析可知，纯滞后越大，系统不稳定的可能性就越大。当控制通道存在纯滞后时，控制器的校正作用将滞后一个纯滞后时间τ0 ，使被控参数的超调量增加，偏差增大，动态指标下降。控制通道存在容滞后时，同样会造成控制不及时，但其影响比纯滞后要缓和，可引入微分作用，有明显的改善作用。
（3）时间常数分配的影响

控制系统的开环传递函数大多是多个一阶环节的串联，在选择控制通道时，应将开环传递函数中的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数。可提高系统的工作频率，减少过渡过程时间和最大偏差等，改善控制质量。系统中最大的时间常数往往涉及生产设备的核心，不能轻易改动。可减小其它的时间常数，且将其错开。
分析：扰动通道是惯性环节，使过渡过程的时间加长，
过渡过程的幅值减小，超调量减小。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)

经济性：应采用一定的先进控制手段，对生产过程