18春西南大学[1080]《过程控制》
过程控制李国勇著第6章串级控制系统
D2
燃料
D3
33
• 一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 • 二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑ • 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓ • 作用结果：一次扰动D3， 二次扰动D2→V↑↓ sp
TC2 TC1
第6章 串级控制系统
目 录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
• 最简单的控制系统——单回路控制系统
• 系统中只用了一个调节器，调节器的设定值 一般是内给定的。
压力给定
12
温度-压力串级控制系统框图
13
系统结构特点：
• 被控对象分成两部分，对象1和对象2。 • 调节器1输出作为调节器2给定值。 • 1个执行器完成调节。
• 压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 • 温度回路实现温度设定控制(定值控制)。
温度-压力串级控制系统
6
简单控制系统方框图：
影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控 制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就 会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从 而把变化了的l 重新调回到设定值。
7
sp
TC TT
• 影响控制质量因素：
• 1 被控对象特性； • 对象特性-多环节大惯性对象
V
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
过程控制知识点(精编)
(一)概述1.过程控制概念：采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。
2.学科定位：过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表知识相结合而构成的一门应用学科。
3.过程控制的目标：安全性，稳定性，经济性。
4.过程控制主要是指连续过程工业的过程控制。
5.过程控制系统基本框图：6.过程控制系统的特点:1)被控过程的多样性2)控制方案的多样性,包括系统硬件组成和控制算法以及软件设计的多样性。
3)被控过程属慢过程且多属参数控制4)定值控制是过程控制的主要形式5)过程控制有多种分类方法。
过程控制系统阶跃应曲线：7.衰减比η：衡量振荡过程衰减程度的指标，等于两个相邻同向波峰值之比。
即：8.衰减率ϕ：指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数，即：衰减比常用表示。
9.最大动态偏差y1：被控参数偏离其最终稳态值的最大值。
衡量过程控制系统动态准确性的指标10.超调量：最大动态偏差占稳态值的百分比。
11.余差：衡量控制系统稳态准确性的性能指标。
12.调节时间：从过渡过程开始到结束的时间。
当被控量进入其稳态值的范围内，过渡过程结束。
调节时间是过程控制系统快速性的指标。
13.振荡频率：振荡周期P的倒数，即：当相同，越大则越短；当相同时，则越高，越短。
因此，振荡频率也可衡量过程控制系统快速性。
被控对象的数学模型（动态特性）：过程在各输入量(包括控制量与扰动量)作用下，其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。
14. 被控对象的动态特性的特点：1单调不振荡。
2具有延迟性和大的时间常数。
3具有纯时间滞后。
4具有自平衡和非平衡特性。
5非线性。
(二)过程控制系统建模方法机理法建模：根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关方程式，从而得到所需的数学模型。
测试法建模：根据工业过程的输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
经典辨识法：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法。
《过程控制》课后习题答案
第一章思考题与习题1.1 下列系统中哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？①家用电冰箱②家用空调器③家用洗衣机④抽水马桶⑤普通车床⑥电饭煲⑦多速电风扇⑧高楼水箱⑨调光台灯开环控制：③家用洗衣机⑤普通车床⑦多速电风扇⑨调光台灯闭环控制：①家用电冰箱②家用空调器④抽水马桶⑥电饭煲⑧高楼水箱1.2 图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
图1-14 压力自动控制系统图1-15 加热炉温度自动控制系统被控对象：容器P被控变量：罐内压力操纵变量：物料输入流量扰动变量：出口流量系统框图如下：1.3 图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
被控对象：加热炉被控变量：炉内温度操纵变量：燃料流量扰动变量：进料量系统框图如下：1.4 按设定值的不同情况，过程控制系统分为哪几类？过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
1.5 什么是过程控制系统的过渡过程？有哪几种基本形式？过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。
控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单调衰减。
1.6 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。
试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间（设定值为200℃）。
图1-16 题1.6图最大偏差：30℃余差：5℃衰减比：5：1振荡周期：15min调整时间：22min第二章思考题与习题2.1 求取图2-55所示电路的传递函数，图中物理量角标i代表输入，o代表输出。
a）b）图2-55 习题2.1图a）（由分压公式求取）上式中，，。
b）上式中，，2.2 惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？又在什么条件下可近似为积分环节？惯性环节在T很小的时候可近似为比例环节；T很大的时候条可近似为积分环节。
1080《过程控制》西南大学网教23秋季作业参考答案
108020232单项选择题1、串级控制系统的主回路是一个（），因此对于设计中的主参数的选择，可以按照单回路控制系统的设计原则进行。
.随动控制系统 . 定值控制系统. 程序控制系统 .以上都不是2、比例调节的缺点是存在静态误差，因此也称为（）。
. 误差调节 . 动态调节. 有差调节.静态调节3、实验法建模时，为了获得被控对象的（），应加入激励信号使被控对象处于被激励的状态。
. 动态特性. 静态特性. 物理属性 .化学特性4、利用阶跃响应曲线法建立被控对象的数学模型，需求取被控对象输入与输出之间的（）。
.大小关系.最大值.最小值.传递函数5、比例积分调节规律中，积分调节可以消除（）。
.振荡.比例系数.调节时间.静态误差6、比例积分微分调节的缩写为（）。
.DCS.PID.PI.PD7、若调节对象的特性是线性的，应选择具有（）流量特性的调节阀。
.双曲线.抛物线.直线.等百分比8、为了减小调节阀（）的影响，一般采用阀门定位器克服阀杆摩擦力。
.流量.重量.间隙特性.尺寸9、弹性式压力表是利用各种弹性元件，在被测介质压力作用下产生弹性变形的原理来测量压力的，服从（）。
.法拉第电磁感应定律.胡克定律.质量守恒定律.惯性定律10、变送器一般由输入转换部分、放大器和（）组成。
.控制器.反馈部分.传感器.执行单元11、关于压力检测仪表的安装，下列叙述错误的是（）。
.压力检测仪表必须经检验合格后才能安装.压力检测仪表应水平安装.取压点应能如实反映被测压力的真实情况.压力检测仪表的连接处，应选择适当的材料作为密封垫圈12、串级控制系统是把两个调节器串接在一起，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的（），共同稳定一个被控变量所组成的闭合回路。
.输入值.给定值.扰动量.以上都不是13、阶跃响应曲线法适用于处于（）的被控对象。
.C. 开环、非稳态.开环、稳态.闭环、稳态.闭环、非稳态14、调节器的调节规律是指调节器输出信号与输入信号之间随（）变化的规律。
春西南大学1038《自动控制》作业及答案参考
第一次9、如系统输入为r(t)，输出为c(t);系统的微分方程为c(t)=r2(t), 则该系统为( )A．A：线性定常系统B．B：线性时变系统C．C：非线性时变系统D．D：非线性定常系统纠错6、已知某系统的传递函数是G(s)=s/(2s+1)，则其可看成由（）环节串联而成。
A．A：比例、惯性B．B：惯性、延时C．C：微分、惯性D．D：积分、惯性纠错（10.0 分）3.1、用来比较输入及反馈信号，并得到二者偏差的元件称为（）A．A：比较元件B．B：给定元件C．C：反馈元件D．D：放大元件纠错（10.0 分）4.3、开环控制系统的的特征是没有（）A．A：执行环节B．B：给定环节C．C：反馈环节D．D：放大环节纠错（10.0 分）5.4、如系统输入为r(t)，输出为错c(t)系统的微分方程为,则该系统为：A．A：线性定常系统B．B：线性时变系统C．C：非线性时变系统D．D：非线性定常系统纠错（10.0 分）6.10、下面那种单元不是控制系统结构图的基本单元（）A．A：引出点B．B：比较点C．C：输入量D．D：方框纠错（10.0 分）7.7.某典型环节的传递函数是G(s)=1/(s+5)，则该环节是（ d）A．A：比例环节B．B：积分环节C．C：微分环节D．D：惯性环节纠错（10.0 分）8.8、系统的数学模型是指（）的数学表达式。
A．A：输入信号B．B：输出信号C．C：系统的动态特性D．D：系统的特征方程纠错（10.0 分）9.5. 若系统的开环传递函数为10/[s(5s+2)]为，则它的开环增益为（）A．A：1B．B：2C．C：5D．D：10纠错（10.0 分）10.2、将偏差信号放大以推动执行元件动作的元件称为（）A．A：比较元件B．B：给定元件C．C：反馈元件D．D：放大元件一、名词解释1.什么是自动控制和反馈控制？答：（1）自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。
过程控制课后习题答案
~~第1章自动控制系统基本概念~~1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
~~ 1-5 题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
~~~~~ 1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。
~~~1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？解：被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。
被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。
控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。
给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。
它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。
操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。
或实现控制作用的变量。
操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。
~~~1-11 题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
18春西南交《自动化制造系统》在线作业二
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ (单选题) 1: 工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络属于（）。
A: 串行总线B: 现场总线C: 局域网D: 并行总线正确答案:(单选题) 2: 柔性制造线主要适用于（）。
A: 品种变化不大的中批和大批量生产B: 品种变化不大的小批量生产C: 品种变化较大的中批和大批量生产D: 品种变化较大的小批量生产正确答案:(单选题) 3: （）是目前最高级别的自动化制造系统A: FMSB: FMLC: FMCD: CIMS正确答案:(单选题) 4: CNC和机床本体的联系环节是（）。
A: 输入/输出设备B: CNC装置C: 伺服单元D: 驱动装置正确答案:(多选题) 1: 物流系统是对（）等物料实施运送和装卸工作的物料流动系统A: 毛坯B: 工件C: 夹具D: 刀具正确答案:(多选题) 2: 成组技术中，常用的编码分类方法有（）。
A: 特征码位法B: 码域法C: 码位法D: 特征位码域法正确答案:(多选题) 3: 自动化制造系统的发展阶段有（）。
A: 机械控制B: 数字控制C: 数字控制D: 计算机分布式递阶控制正确答案:(多选题) 4: 自动化制造系统的组成有（）。
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ A: 具有一定技术水平和决策能力的人B: 一定范围的被加工对象C: 信息流及控制系统D: 物料流及处理系统正确答案:(多选题) 5: 刀具流系统的控制管理内容有（）。
《过程控制系统》复习要点2.0版概述
《过程控制系统》复习要点：1.无自平衡能力的单容纯滞后过程的传递函数P16Wo(s)=sT a 1 式中Ta 为过程的积分时间常数、Ta=C 0 2.有自衡能力单容纯滞后过程的数学模型P12q 1-q 2=A dt dh ①将式变成增量形式△q 1-△q 2△q 2=2R h ∆ 或R 2=2q h ∆∆ 将 ①②式进行拉氏变=)(0s W )()(1S Q S H =122+CS R R =100+S T K T0 液位过程时间常数 ，220C R T =K0 液位过程的时间常数，K 0=R 2C 液位过程的容量系数3.常用的压力检测仪表的类型P47弹性式压力表；弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换为位移来测量的。
（弹簧管式压力表、膜片压力表、文管式压力表）液柱式压力表；液柱式压力表是根据流体静力学原理，将被测压力转换成位移来测量的。
（单管压力计、U 形管压力计）电气式压力表；活塞式压力表是将被测压力转换成电容、电势、电阻等电量的变化间接来测量压力。
（应变片式压力计、霍尔片式压力计、热电式真空计）活塞式压力表；活塞式压力表是根据液压机传递压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。
通常作为标准仪器对弹性压力表进行校验与刻度4.调节阀理想的流量特性P117理想的流量特性，就是在阀前后压差为一定的情况下（△p=常量）得到的流量特性。
它取决于阀芯的形状。
不同的阀芯曲面可以得到不同的理想流量特性，理性流量特性有直线流量特性、对数流量特性、快开流量特性与抛物线流量特性四种.5.控制方案设计的阶跃响应性能指标P1421.余差（静态偏差）C ：余差是指系统过度过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。
它是一个重要的静态指标，一般要求余差不超过预定值或接近零。
2.衰减率：衡量系统过度稳定性的一个动态指标，一般取0.75-0.93.超调量：对于定制系统来说，超调量是指被控参数第一个波峰与给定值的差与给定值的百分比。
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西南大学网络与继续教育学院
课程代码： 1080 学年学季：20181
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判断题
1、控制系统的精度首先要受到给定与反馈检测精度的约束。
A.√
B.×
2、PID指比例加积分加微分的控制器，兼具比例、积分与微分的优点。
A.√
B.×
3、在间接指标控制中，被控变量与控制指标之间应满足单值关系。
A.√
B.×
4、副回路控制器的比例度应尽可能小，以错开主副环的工作频率，避免“共振”。
A.√
B.×
5、设计控制系统时，被控对象的模型一般不超过三阶。
（
A.√
B.×
6、PI调节规律能够减少（或消除）余差，但会减慢过渡过程，增加超调量。
A.√
B.×
7、在选择控制变量时，应使控制通道的比例系数适当大，时间常数适当小。
A.√
B.×
8、只要过程特性有一定范围的变化，自适应控制都是必要的。
A.√
B.×
9、开环控制没有检测元件，信号的流向不能形成闭合回路。
A.√
B.×
10、引入副回路，等效时间常数降低，有助于提高系统的平稳性。
A.√
B.×
11、过程控制系统中，检测变送环节是必不可少的。
A.√
B.×
12、在选择控制变量时，应使干扰通道的比例系数适当小，时间常数适当大。
A.√
B.×
13、数字PID存在积分饱和，可以通过积分分离法有效解决。
A.√
B.×
14、被控对象的模型并不一定要求很准确。
A.√
B.×
15、如果要求系统的输出稳态时保持恒定不变，则为恒值给定系统，侧重于抵抗扰动的抗扰性能。
A.√
B.×
16、过程控制系统的性能应设计得尽可能高。
A.√
B.×
17、二阶惯性系统的阶跃响应是单调上升的指数曲线，无超调。
A.√
B.×
18、响应曲线法是开环测试下进行的，实验简单易操作。
A.√
B.×
19、电容式差压变送器无杠杆机构，结构简单，性能稳定。
A.√
B.×
20、网络控制是指把实时通讯网络作为数据通路构成的反馈控制系统。
A.√
B.×
21、在间接指标控制中，被控变量与控制指标之间应满足单值关系。
A.√
B.×
22、只要过程特性有一定范围的变化，自适应控制都是必要的。
A.√
B.×
23、史密斯预估控制可理论上消除纯滞后对闭环极点的影响。
A.√
B.×
24、前馈控制属于开环控制。
A.√
B.×
25、副回路因处于从属地位，不考虑余差问题，一般可选择P控制规律。
A.√
B.×
26、单容过程可以用衰减曲线法整定PID的参数。
A.√
B.×
27、测量变送环节的惯性时间常数越小越好。
A.√
B.×
28、一阶惯性系统的阶跃响应是单调上升的指数曲线，无超调。
A.√
B.×
29、质量流量是指单位时间内流经管道某一截面积的流体的质量。
A.√
B.×
30、单项性能指标之间相互联系，相互制约，应有所侧重。
A.√
B.×
31、集散控制系统的核心思想是集中管理，分散控制。
A.√
B.×
32、比值控制系统中，主流量回路一定要引入反馈控制。
A.√
B.×
33、自适应控制系统的控制器能够适应环境、工况的变化自动作出调整。
A.√
B.×
34、当系统纯滞后的时间常数与惯性时间常数比值大于0.3时，称为大纯滞后系统。
A.√
B.×
35、串级控制系统的参数整定，总是由内而外进行的。
A.√
B.×
36、串级控制中，调节阀由副调节器直接控制。
A.√
B.×
37、自平衡的单容过程大都可以用带纯滞后的一阶惯性来描述。
A.√
B.×
38、积分规律有助于改善系统的静态偏差。
A.√
B.×
39、通过压力检测，还可以间接测量温度、流量、液位等过程参数。
A.√
B.×
40、零点调整是保持变送器输入信号的下限值不为零。
A.√
B.×
41、网络控制是指把实时通讯网络作为数据通路构成的反馈控制系统。
A.√
B.×
42、测量变送环节的纯滞后时间常数越小，对控制性能越有利。
A.√
B.×
43、生产负荷一般不宜作为控制变量。
A.√
B.×
44、若阶跃响应曲线呈“S”形，则必须采用二阶惯性环节来描述被控对象。
A.√
B.×
45、现场总线控制系统具有开放性、分散性和数字通信的特点。
A.√
B.×
46、理论上前馈控制可实现特定扰动的全补偿，但实际中难以实现。
A.√
B.×
47、引入副回路，等效增益降低，使得系统的余差比简单控制系统余差大。
A.√
B.×
48、增量式PID中不包含偏差的累加，所以不存在积分饱和问题。
A.√
B.×
49、工程中的压力检测单位是Pa，实际上是物理上的压强。
A.√
B.×
50、过程控制具有生产过程连续性、被控对象复杂性、控制方案多样性的特点。
A.√
B.×
51、调节器即控制器，是自动控制系统中的核心部件。
A.√
B.×
52、经典的实验建模方法包括时域法、频域法、统计相关法等。
A.√
B.×
53、PID控制器是目前应用最广泛的控制器。
A.√
B.×
主观题
54、简述一阶惯性环节带纯滞后情况下求取惯性时间常数与滞后时间常数的作图法。
参考答案：
在曲线斜率最大（A点）处作一条切线，该切线与时间轴交于B点，与y(t)的稳态值y(∞)交于C点，C点在时间轴上的投影为D点，则T = BD，τ= OB
55、系统控制方案的设计包括哪些内容？
参考答案：
包括被控变量与操纵变量的选择、测量变送器的选择、执行器的选择、控制规律的选择。
56、说明工艺流程图中的符号“PIC－207”的含义。
参考答案：
p:压力 I：指示 C：控制
2：第二工段07：仪表序号
57、试比较三种PID参数的工程整定方法。
参考答案：
（1）响应曲线法是开环状态下的整定方法，实验方法简单易掌握，所需时间比其它方法短，适用于被控参数变化范围较大的生产过程。
（2）临界比例度法是闭环整定方法，适用于一般的流量、压力、液位和温度控制系统，但不适用于比例度特别小的过程。
当对象的时间常数比较大时，实验耗费的时间会比较长。
对于单容过程，由于无振荡，也不适用。
（3）衰减曲线法是闭环整定方法，与临界比例度法相似，适用于各类控制系统。
同样，如果对象时间常数较大，实验耗费时间会比较长。
而且，如果过渡过程较很快，有时候难以准确测定相关参数。
58、简述前馈控制的应用场合。
参考答案：
（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。
（2）主要干扰是可测而不可控的变量。
所谓可测，是指干扰量可以用检测变送装置将其在线转化为标准的电信号。
所谓不可控，主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统进行控制，这类干扰在连续生产过程中是经常遇到的，其中也包括一些虽能控制但生产上不允许控制的变量，例如负荷量等。
（3）当对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈或前馈—反馈控制系统，提高控制质量。
59、简述阶跃响应曲线法建模中的注意事项。
参考答案：
（1）系统应已处于稳态；（2）合理选取阶跃信号幅值；（3）记录滞后时间；（4）相同条件下重复测试多次；（5）同时测定正反向响应曲线
60、1、某液位自动控制系统如图所示，试绘制其原理框图。
2、有一压力控制系统选用DDZ－Ⅲ压力变送器，其量程为0～200kPa。
生产工艺要求被控压力为150±2kPa，现将该变送器量程调整到100～200 kPa，求零点迁移前后该压力变送器的灵敏度。
3、已知某单容液位过程如图所示，试求其传递函数。
4、某控制系统用4：1衰减曲线法分别整定控制器参数。
将积分时间调至最大，微分时间调至最小，对系统施加阶跃信号，经过调节后系统的衰减比为4：1，此时记录下来的比例度为56%和时间参数为5.1min。
试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。
4：1衰减曲线整定经验参数表如下。
<="">
参考答案：
1、
2、
3、
4、
窗体底端。