过程控制复习总结

第一章 1. 生产过程总目标及要求：安全性、稳定性和经济性 。

2. 过程控制系统组成：1．被控过程（或对象）； 2．用于生产过程参数检测的检测与变送仪表； 3．控制器； 4．执行机构； 5．报警、保护和连锁等其它部件

3. 工业过程对控制的要求可以概括为准确性、稳定性和快速性。

4.

如图1，其性能指标：

（1）衰减比和衰减率 其表征了稳定性，是衡量振荡过程衰减程度的指标，其衰减比为4：1到10：1。

（2）最大动态偏差和超调量 ，其表征了准确性，最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰；超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。

（3）余差，是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。它是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。

（4）调节时间t s 和振荡频率β，调节时间t s 是从过渡过程开始到结束的时间，调节时间是过程控制系统快速性的指标。过渡过程的振荡频率β是震荡周期p 的倒数，即β=2π/p 一定程度上也可作为衡量快速性的指标。 *****过程控制系统中有哪些类型的被控变量？ 第二章 1. 过程控制系统建模的两个基本方法：机理法建模、测试法建模。 2. 如图2为设阶跃输入幅值为Δu ，K =

*****对象的纯滞后时间产生的原因是什么？

答，纯延迟时间产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一定距离。 第三章

1. 常用的控制结构有：反馈控制、前馈控制、推断控制

2. 自动调节阀按照工作所用能源形式可分为电动调节阀，气动调节阀和液动调节阀。

3. 气动调节阀由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是推动装置，它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。输出方式有角行程输出、直行程输出两种。直行程输出的气动执行机构有两类即薄膜式执行机构，气动活塞式执行机构。控制机构是阀门，它将阀杆的位移转换为流通面积的大小

4. 气动调节阀可分为直通双座阀，角形控制阀，三通控制阀，隔膜控制阀，蝶阀，球阀，笼式阀，凸轮挠曲阀。

5. 薄膜式执行机构有正作用执行机构与反作用执行机构之分，正作用是信号压力从正上方加入，反作用执行机构是信号压力从右侧面加入。

6. 阀门中的柱式阀芯可以正装,也可以反装。正装阀是阀芯下移时,阀芯与阀座间的流通截面积减小；反装阀是阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大

7. 气开式与气关式的选择：无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。

8. 正作用方式是指调节器的输出信号u 随着被调量y 的增大而增大，整个调节器的增益为“+”。 反作用方式是u 随着被调量y 的增大而减小，调节器的增益为“-”。（正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，导致控制系统不稳定。负反馈作用则缓解对象中的不平衡，正确地达到自动控制的目的。）

流量特性的定义：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系称为调节阀的流量特性。 *****调节阀的理想流量特性？直线特性曲线、对数特性曲线、抛物线特性曲线、快开特性曲线、双曲线特性曲线。 第四章

正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，

正确地达到自动控制的目的。 1.

P 调节的显著特点就是有差调节。增大比例系数会加快系统的响应，但过大会使系统有较大的超调并使稳定性变差，超调量减小（1）

r

t

s

图1.3 过程控制系统阶跃响应曲线

3

1

y y =

η1

3

1y y y -=

ψy y -∞)

0()()

(t 图1.1

过程控制系统基本结构图

比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u=Ke 。（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生静差。

比例带的一般选择原则：若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太小，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大，则应当将比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。 2. I 调节的特点是无差调节，积分调节的稳定作用比P 调节差；减小积分时间TI ，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加

快、振荡频率升高。

*****积分饱和现象与抗积分饱和的措施？ 具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。如果由于某种原因(如阀门关闭、泵故障等)，被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。抗积分饱和的措施：一是接入外部积分反馈,如果在正反馈回路中加入一个间隙单元. 另一种办法是由调节器内部实现，PI →P 调节动作的自动切换。 3. D 调节，微分系数增大时，加快了系统的响应，超调量减小，稳定性增加。微分调节就是根据偏差变化速度而进行调节的.只要偏差

一露头,调节器就立即动作,这样的调节效果更好.偏差没有变化,微分调节不起作用.微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。 4. 比例（P ）控制 成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

积分（I ）控制 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分（D ）控制 能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正量，从而加快系统的响应，减少调节时间。 5. 数字PID 控制，其算法有位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。表达式，一般U0等于0 增量式PID 简单编程如图3，

会推导 6. 改进型的PID 算法，改进的目的，（1）引进积分分离PID 算法，既保持了积分作用，又可减少超调量，使系统的控制性能得到较大

的改善。积分分离PID 算法的基本思想：在偏差较大时，暂时取消积分作用；当偏差小于某个阈值时，才将积分作用投入；

（2）遇限削弱积分PID 控制算法可以避免控制量长时间停留在饱和区；

（3）微分先行PID 控制算法 为了避免因给定值变化引起系统超调量过大、执行机构动作剧烈的问题； （4）不完全微分PID 控制算法的输出在较长时间内仍有微分作用，能有效地克服标准PID 算法的不足； （5）为了避免控制动作过于频繁，消除因频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID 控制 7. 工程整定法：经验凑试法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法等。

8.

响应曲线法（动态特性参数法）整定步骤(1)、用P17-18”实验法建模“中所介绍的方法获取对象的响应曲线，(2)、求取广义对象的放大系数Ko3)、根据对象的K0 、T0 、τ0 ，按下表3-4所给公式求出4：1衰减过程控制器的参数δ、TI 和 TD 。

*****对于PID 控制中积分作用有什么优点和缺点？优点是消除残差，缺点是属于滞后调节，降低系统的稳定性，不能单独使用，并且易出现积分饱和现象。

**比例微分控制系统的残差为什么比纯比例控制系统的小？①比例调节的特点是有差调节,其残差的大小随比例带的增大而增大,或减小比例带则系统会不稳定。

②比例微分调节也是有差调节，其残差与K p 有关与T D 无关，其微分动作总是力图抑制被调量的振荡，它能提高系统的稳定性，温度引入微分动作可以允许减少比例带，同时衰减率不变，则减小了余差，也减小了短期最大偏差。

*****响应曲线法例子，在某一蒸汽加热器的控制系统中，当电动单元组合控制器的输出从6mA 改变到7mA 时，温度记录仪的指针从85℃升到87.8℃，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50~100℃，并测出τO=1.2min,TO=2.5min 。如采用PI 和PID 控制规律，试确定出整定参数。答，本例中，?X=7-6=1mA ，Xmax-Xmin=10-0=10mA ，?y=87.8-85.0=2.8℃ ymax-ymin=100-50=50℃ ，所以 *****某温度控制系统对象阶跃响应中测得K=200，T=50，τ=3s ，试选择调节器类型并用动态特性参数法进行整定（要求无残差），并确定调节器参数。（已知柯恩-库恩整定公式： ①比例调节器： K p ·K=（T /τ

）-1+0.333

②比例积分调节器： K p ·K=0.9（T /τ）-1+0.082 T I /T=[3.33（T /τ）+0.3（T /τ）2]/[1+2.2 （T /τ）]

③例积分微分调节器：K p ·K=1.35（T /τ）-1+0.27 T I /T=[2.5（T /τ）+0.5（T /τ）2]/[1+0.6 （T /τ）] T D /T=0.37（T /τ）/[1+0.2（T /τ）] 解：选用②或③，计算K p 、T I 、T D K=200，T=50，τ=3s 带入②中得K p =0.07541 T I =8.8728

*****推导题：1）写出模拟PID 控制的微分方程表达式； 2）试推导数字式PID 增量式的表达式；3）常用的数字滤波有哪些，分别适合什么情况？

解：1）微分方程表达式： ①

2）对①离散化得：

∑?=≈k

j t

j e T dt t e 0

00

)()(

)

1()()(T k e k e dt t de --≈ ②

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0k e k e T T i e T T k e K k U k i D I p ③ 27.05

.22

.156.056.010

150

8.2====o o o o T K K τ[

]

))

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)()(0

dt

t de T dt t e T t e Kp t U d t

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， ，A=K p )1(T T T T D

I ++

)21(T T K B D p += T

T K C D p ?=

其中K p 为比例增益

3）数字滤波：①程序判断滤波，用于消除尖峰脉冲的干扰；②递推平均滤波，消除随机干扰、静态或缓慢变化的信号；③加权递推滤波，用于动态信号滤波；④阶惯性滤波，用于消除高频干扰 第五章

1.

例5.1，给出一个系统会画系统方框图 见图5.6 。

组成：主、副回路， 主、副控制器， 主、副被控变量， 主、副对象，

主、副检测变送器，一、二次干扰

2.

串级控制系统：就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。

特点，①由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控 制通道，使控制作用更加及时；②提高了系统的工作频率， 使振荡周期减小，调节时间 缩短，系统的快速性增强了；③)对二次干扰具有很强的克 服能力，对克服一次干扰的 能力也有一定的提高。4)对负荷或操作条件的变化 具有一定的自适应能力

3.

副变量的选择(1)应使主要的和更多的干扰落入副回路2)应使主、副对象的时间常数匹配3)应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性 4. 如果输入控制器的测量信号增大，控制器是比例作用时的输出也增大，则称其作用方式为正作用，否则为反作用 第六章

1. 比值控制系统的结构类型，开环比值控制 、单闭环比值控制、双闭环比值控制、变比值控制系统

2.

按补偿控制结构的不同，补偿控制系统可以分为四种。控制量补偿、扰动量补偿、反馈补偿、串联补偿。

第七章

1. 推导前馈控制基本公式

2. 前馈控制系统的基本结构1. 静态前馈控制2. 动态前馈控制

3. 前馈—反馈控制

4. 前馈—串级控制 *****前馈控制和反馈控制各有什么特点，为什么前馈反馈控制能够较大的改善系统的品质？

前馈控制特点：①开环控制 ②按扰动量大小进行的补偿控制 ③调节规律与PID 不同，有一个专用的控制器。 反馈控制特点：①闭环控制 ②按扰动偏差进行控制的 ③调节规律与PID 相同。

前馈反馈特点：①在前馈控制中引入反馈控制，有利于系统中的主要干扰进行前馈补偿 ②降低了前馈控制器精度的要求 ③既可实现高精度控制，又能保证系统稳定。 第十二章 1.

集散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。系统中的所有设备处于四个不同的层次，自下而上分别是现场级、控制级、监控级和管理级。特点：适应性和扩展性较强、高度的灵活性和完善的控制能力、更先进的人机联系手段、可靠性更高、更高的可维修性。 2. 串级控制系统就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主

被控变量具有更好的控制效果。其原理方框图5.6 3. 评价控制系统的控制品质有多种，其中时域中的单项性能指标有：稳定性、准确性、快速性。 4. 对于简单控制系统来说，工程整定方法主要有：动态特性参数法、稳定边界法和衰减曲线法。 5. 分布式控制系统由分散过程控制装置部分、操作管理装置部分、通信系统部分和显示装置部分四个基本部分组成。 *****在某温度测控系统中，经调理电路后输出模拟信号的范围为-5~5V,根据题意回答下列问题： 1）为使A/D 转换器的误差小于0.008V,试确定A/D 转换器的位数； 2）-1V 和3V A/D 转换后对应的十进制数各为多少？ 3）应采用什么类型的A/D 转换器？ 解：① 按式

δ<+1

2

10

m 计算位数，即

008.02

10

1

<+m 得m ≥10 取m=10 ②由）得（下下

上X X X 1

2---=X D m 当x=-1时，409.24101210=?-=D 当X=3时，818.4810

1

210=?-=D

③采取双积分型A/D 转换器

**

下图为精馏塔塔釜温度控制系统，现欲采用串级控制方案，选择精馏塔温度为主调节器，蒸汽流量为副调节参数，工艺要求一旦发生事

I

I T KpT

K =T

KpT K d d =)

2()1()()2()1()2()()()(-+--=-+-+-++=?k Ce k Be k Ae k e K k e K K k e K K Kp k u d d p d I

故应立即关闭蒸汽供应。

1）在图中直接画出各个设备之间的连接关系；2）画出该控制系统的系统框图；3）确定调节阀的气关、气开形式； 4）选择主副调节器的正反作用。 解：

1）如图所示

2）副对象——再沸器 主对象——精馏塔 主变量——精馏塔温度 副变量——蒸汽流量 主检测变送——温度测量 副检测变送——流量测量 一次干扰——D 1 设定值——Q r 二次干扰——D 2 3）气开式

4）反作用：输入控制器的测量信号（温度）增大，控制器是比例作用时的输出（蒸汽流量）减小，其作用方式为反作用 前馈控制系统方框图如右图

在扰动量Md(S)作用下，系统的输出为 系统对于扰动量Md 实现完全补偿的条件是：

即

于是，可得前馈控制器的传递函数Gff(S)为

)

()()()()()(2s G s G s M s G s M s T p ff d d d +=0

)(≠s

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)(2=s T 0

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(/)()(s G s G s G p d ff -=