过程控制系统 第3章 简单系统 习题与解答

第3章习题与思考题3-1.简单控制系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成。

检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号。

控制器的作用是接受检测装置送来的信号，与给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果送往执行器。

执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值，以达到控制被控变量的目的。

被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置。

3-2.什么叫直接参数和间接参数？各使用在什么场合？解答：如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标，则称为直接参数；如果被控变量本身不是需要控制的工艺指标，但与其有一定的间接对应关系时，称为间接参数。

在控制系统设计时，尽量采用直接参数控制，只有当被控变量无法直接检测，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，才考虑采用间接参数控制。

3-3.被控变量的选择应遵循哪些原则？解答：被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，它选择的一般原则是：（1）被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；（2）被控变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要频繁加以控制的变量；（3）被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标，当无法获得直接控制指标信号，或其测量或传送滞后很大时，可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标；（4）被控变量应是能测量的，并具有较大灵敏度的变量；（5）被控变量应是独立可控的；（6）应考虑工艺的合理性与经济性。

3-4.操纵变量的选择应遵循哪些原则？解答：（1）操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；（2）操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量，即控制通道的放大系数要大一些，时间常数要小一些，纯滞后时间要尽量小；（3）操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性。

3-5.简述选择调节器正、反作用的目的，如何选择?解答：其目的是使控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在控制系统中起负反馈作用。

一般步骤，首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器（调节阀）的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器（调节器）三个环节组合后为“负”来确定控制器的正、反作用。

（变送器总为正作用）“对象”ד执行器”ד控制器”=“负反馈”3-6.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的？解答：3-6答：被控对象的正、反作用方向规定为：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的；反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。

执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。

气开阀为“正”方向；气关阀为“反”方向。

如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。

也可参考下表：各环节作用方向如表：3-7.简单参数控制系统中，控制器的正反作用应怎样？解答：（1）根据生产工艺的安全性先确定执行器的采用气开阀（+），还是气闭阀（-）。

（2）在根据“对象”ד执行器”ד控制器”=“负反馈”来确定控制器的正、反作用。

3-8 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。

3-9 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。

3-10．什么是比例控制规律?它有什么特点？解答：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。

3-11．什么是积分控制规律?什么是比例积分控制规律?它有什么特点?解答：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。

3-12．什么是微分控制与比例微分控制?它有什么特点7 ．解答：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dtde 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)。

3-13．什么是积分时间1T ?它对系统过渡过程有什么影响?解答：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111K 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。

3-14．什么是微分时间D T ?它对系统过渡过程有什么影响?解答：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 T 越大，表示微分控 制作用越强。

增加微分时间D 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。

但微分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

3-15.控制阀的结构形式主要有哪些？各有什么特点？主要使用在什么场合？3-16、控制阀的流量特性是什么？解答：控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系，即⎪⎭⎫ ⎝⎛=L l f Q Q max 式中相对流量max Q Q 是控制阀某一开度时的流量Q 与全开时的流量max Q 之比。

相对开度Ll 是控制阀某一开度时的阀杆行程了与阀杆总行程Ｌ之比。

3-17、何为控制阀的理想流量特性和工作流量特性？解答：阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度的变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。

3-18．什么是串联管道中的阻力比s ？s 值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？ 解答：s 值表示控制阀全开时阀上压力差与系统总压差之比。

当s=1时，说明系统总压差全部降在控制阀上，所以控制阀在工作过程中，随着阀开度的变化，阀两端的压差是不变的，故工作流量特性与理想流量特性是一致的。

当s 值小于1时，系统的总压差一部分降在控制阀，另一部分降在与控制阀串联的管道上。

随着阀的开度增大，流量也增加，降在串联管道上的压差增加，从而是使降在控制阀上的压差减少，因而流过控制阀的流量也减少。

所以随着s 值减少，会使理想流量特性发生畸变，阀的开度越大，使实际流量值离开理想值越大。

具体来说，会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线特性。

3-19．试述电-气转换器及电-气阀门定位器在控制系统中的作用。

解答：电-气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置。

在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器，其输出信号为0~10mA DC 或4~20mA DC ，但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为20~100kPa 。

这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应气信号，才能为气动执行器所接受。

电-气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输入信号与阀门位置之间关系的准确定位，故取名为定位器。

定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合，同是还可以利用定位器来改变阀门的流量特性，改变执行器的正、反作用。

在分程控制中，利用定位器可以使阀门在不同的信号段范围内作全行程移动。

3-20.控制器参数整定的任务是什么？工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法？解答：控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数值（包括比例度δ、积分时间T I；、微分时间T D），以便使系统能获得好的控制质量。

控制器参数整定方法有理论计算和工程整定两大类，其中常用的是工程整定法。

属于控制器参数工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。

3-21.什么是临界比例度法？有何特点？解答：临界比例度法是在纯比例运行下通过试验，得到临界比例度δ，和临界周期T K，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。

这种方法比较简单、易于掌握和判断，适用于一般的控制系统。

但是不适用于临界比例度小的系统和不允许产生等幅振荡的系统，否则易影响生产的正常进行或造成事故。

3-22.什么是衰减曲线法？有何特点？解答：衰减曲线法是在纯比例运行下通过使系统产生衰减振荡，得到衰减比例度δS和衰减周期T S（或上升时间T升），然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参数值。

这种方法比较简便，整定质量高，整定过程安全可靠，应用广泛，但对于干扰频繁，记录曲线不规则的系统难于应用。

3-23.试简述经验凑试法及其特点？解答：经验凑试法是根据经验先将控制器参数置于一定数值上，然后通过不断观察过渡过程曲线，逐渐凑试，直到获得满意的控制器参数值为止。

这种方法很简单，应用广泛，特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统，采用此法最为合适。

但这种方法主要是凭经验，有一定的主观性，整定过程较为费时，整定质量因人而异。