化工仪表与自动化第五版第五章作业及答案

第五章
1．试简述控制器在自动控制系统中的作用。

答：控制器是自动控制系统中的核心组成部分。

它的作用是将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制器根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。

2．从控制仪表的发展及结构原理来看，主要有哪几种类型?各有什么特点?
答：主要有三种类型：基地式控制仪表、单元组合式仪表和以微处理器为基元的控制装置。

基地式控制仪表一般是与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测、控制与显示的功能，所以它的结构简单、价格低廉、使用方便。

但由于它的通用性差，信号不易传递，故一般是应用于一些简单控制系统中。

单元组合式仪表是将仪表按其功能的不同分成若干单元，各个单元之间以统一的标准信号相互联系。

其中的控制单元能够接受测量值与给定值信号，然后根据它们的偏差经过一定运算发出与之有一定关系的控制作用信号。

单元组合式仪表具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可以与计算机等现代化设备配合，组合各种复杂的与新型的控制系统。

以微处理器为基元的控制装置其控制功能丰富、操作方便，很容易构成各种复杂控制系统，近年来在自动控制领域得到广泛的应用。

3．控制器的控制规律是指什么?常用的控制规律有哪些?
答：所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号户与输入偏差信号P之间的关系，即
()()x
p-
f
=
=
e
z
f
式中z——测量值信号；
x——给定值信号l
f——是指某种函数关系。

常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的
组合控制规律，例PI、PD、PID等。

4．什么是位式控制?它有什么特点?
答：位式控制器的输出只有数个特定的数值，或它的执行机构只有数个特定的位置。

最为常见的是双位控制，它的输出只有两个数值(最大或最小)，其执行机构只有两个特定的
位置(关或开)。

位式控制器结构简单、成本较低、易于实现，应用较普遍。

但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不可能使被控变量稳定在某一个数值上。

5．什么是比例控制规律?它有什么特点？
答：比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量户与输入偏差信号变化量e 之间成 比例关系，即
e k p p ∙=
式中p k ——比例放大系数。

比例控制的优点是反应快、控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在。

余差的产生是由比例控制本身的特性所决定的。

这是由于比例控制器的p 与e 成一一对应关系，当负荷改变后，需要产生一定的控制作用户，与之对应必然要有一定的偏差e 存在。

比例控制规律是一种基本的控制规律。

但它有余差存在，故只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制作用。

6．何为比例控制器的比例度?它的大小对系统过渡过程或控制质量有什么影响?
答： 比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的一个参数。

在数值上比例度等于输入偏差变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：
⎪⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛--=min max min max p p p x x e δ⨯100% 式中——比例度；
e ——输入(偏差)变化量；
p ——相应的输出变化量；
min max x x -——输入的最大变化量，即仪表的量程；
min max p p -——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。

比例度也可以理解为使控制器的输出变化满刻度(也就是使控制阀从全关到全开或相反)时，相应所需的输入偏差变化量占仪表测量范围的百分数。

比例度δ越大，表示比例控制作用越弱。

减小比例度，会使系统的稳定性和动态性能变差，但可相应地减小余差，使系统的静态准确度提高。

7．什么是积分控制规律?什么是比例积分控制规律?它有什么特点?
答：积分控制规律是指控制器的输出变量户与输入偏差e 的积分成正比，即
⎰=edt k p 1
式中1k ——积分比例系数。

在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，便构成比例积分控制规律，其输出户与输入P 的关系为：
()
⎰+=edt k e k p p 1
积分控制规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。

比例积分控制规律的特点是控制既及时，又能消除余差。

8．什么是微分控制与比例微分控制?它有什么特点？
答：微分控制规律是指控制器的输出变化量户与输入偏差e 的变化速度成正比，即 dt
de T p D = 式中丁D T ——微分时间。

在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出户与输入e 的关系为：
⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=dt de T e K p D P 微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性(但微分 作用不宜过强)。

在控制系统中，一般不单独使用微分作用，而是与比例作用同时使用。

如果要消除余差，就得再加上积分控制作用，构成比例积分微分三作用控制规律(PID)。

9．什么是积分时间1T ?它对系统过渡过程有什么影响?
答：积分时间1T 是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。

积分时间越小，表示积分控制作用越强，数值上1
11K T =，式中1K 是积分比例系数。

积分时间1T 的减小，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的
速度，提高系统的静态准确度。

T?它对系统过渡过程有什么影响?
10．什么是微分时间
D
T越大，表示微分答：微分时间是用来表示微分控制作用强弱的一个参数。

微分时间
D
控制作用越强。

T，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性。

但增加微分时间
D
微分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

11．模拟式控制器主要由哪几部分组成?画出其框图，说明各部分的作用。

答：模拟式控制器主要由比较环节、放大器和反馈环节构成，其基本框图见图5—1。

比较环节的作用是将给定信号与测量信号
进行比较，以产生与比较结果成比例的偏差
信号。

放大器实质上是一个稳态增益很大的比例
环节。

反馈环节的作用是通过正、负反馈来实现
比例、积分、微分控制规律。

对于不同的模拟式控制器，其各部分的具体结构形式及具体的联接方式会有所不同。

12．试分别写出QDZ、DDZ一Ⅱ型、DDZ一Ⅲ型仪表的信号范围。

答：QI)z仪表的信号范围为20～100kPa气压信号；DDZ一Ⅱ型仪表的信号制采用0～10mA DC作为现场传输信号，控制室内的联络信号为o～2V DC；DDZ一Ⅲ型仪表的信号制采用4～20mA DC作为现场传输信号，控制室内的联络信号为1～5V DC。

13.什么叫控制器的无扰动切换?
答：控制器一般都具备自动与手动两种功能。

在进行自动与手动两种功能互相切换时，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样使执行器的位置在切换过程中不致于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这称为无扰动切换。

14．试简述可编程的功能和特点。

答：可编程调节器的功能很丰富，除能完成传统的模拟控制器的比例、积分、微分的运算外，还能进行加、减、乘、除、开方等运算，并可进行高、低值选择和逻辑运算等，所以可以比较方便地构成各种复杂控制系统。

可编程调节器的编程容易、使用方便、灵活、控制精度高、维护方便、具有自我诊断的
功能。

当与电子计算机联用时，该调节器能直接接受上位机来的设定值信号，可作为分散型数字控制系统中装置级的控制器使用。