《过程控制系统及仪表》张勇(课后习题答案)

第一章 绪论

1-1什么是过程控制系统？

过程控制系统一般指工业过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分等这样一些变量的系统。

1-2典型的过程控制系统由哪几部分组成？请举例说明。

典型过程控制系统由被控过程、检测元件和变送器、控制器和执行器组成。 给定值控制器-检测元件、变送器执行器操纵量被控对象被控量

如下图所示的加热炉温度控制系统。

执行器 原料 温度 变送器 控制器 TT TC 加热炉

燃料 1-3 与其他自动控制系统相比，过程控制有哪些主要特点？ 过程控制系统主要有如下一些特点： 1) 过程特性多样性。

2) 过程存在滞后：当控制量改变时，输出量经历一段时间才发生变化。

3) 过程特性非线性：当负荷变化时，对象特性（K,T,）发生变化，或随时间发生变化。 4) 控制系统比较复杂或无法得到传递函数。

1-4 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统的性能时更关

注其动态特性？

动态：被控量随时间变化的不平衡状态，也叫瞬态。 稳态：被控量不随时间变化的平衡状态，也叫静态。

研究控制系统的动态更为重要。因为系统在过渡过程中，会不断受到干扰的频繁作用，系统自身通过控制装置不断地调整控制作用去克服干扰的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上。所以在分析过程控制系统的性能时更关注其动态特性。

1-5 评价过程控制系统的常用性能指标有哪些？其中哪些是动态指标，哪些是静态指标？

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评价过程控制系统的常用性能指标有递减比（即衰减比）、动态偏差、调整时间、静态偏差。

其中递减比（即衰减比）、动态偏差、调整时间是动态指标，而静态偏差是静态指标。 1-6 试说明过程控制系统的分类方法，按设定值的形式不同可将过程控制系统分成哪几类？

过程控制系统的分类方法：按控制的参数分类、按控制系统任务分类、按控制器动作规律分类、按控制系统是否构成闭合回路分类、按处理信号不同分类、按是否采用计算机分类、按设定值的形式不同分类。

按设定值的形式不同分： 1) 定值控制系统：设定值不变；

2) 随动控制系统：设定值是无规律变化的；

3) 程序控制系统：设定值按生产工艺要求有规律变化。 1-7 简述过程控制系统的发展简史及各个阶段的主要特点。

过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程，按照过程控制装置与系统的发展过程也可以将过程控制系统的发展过程分为三个阶段：

1) 局部自动化阶段 （20世纪 50～60年代）

自动化仪表安装在现场生产设备上，只具备简单的测控功能。 适用于小规模、局部过程控制。

2) 模拟单元仪表控制阶段（20世纪60～70年代）

自动化仪表划分成各种标准功能单元，按需要可以组合成各种控制系统。

控制仪表集中在控制室，生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往控制室。操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况。 适用于生产规模较大的多回路控制系统。 3) 集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）

计算机的出现，大大简化了控制功能的实现。最初，人们设想用一台计算机取代所有回路的控制仪表，实现直接数字控制（DDC，Direct Digital Control） 。但DDC系统的故障危险高度集中，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪，使生产过程风险加大。因此，DDC系统并未得到广泛应用。

80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装CPU的数字控制仪表。基于“集中管理，分散控制”的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（DCS，Distributed Control System）。DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中。得到广泛应用。

随着CPU进入检测仪表和执行器，自动化仪表彻底实现了数字化、智能化。控制系统也出现了由智能仪表构成的现场总线控制系统（FCS，Field bus Control System)。 FCS

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系统把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。而用开放的、标准化的通信网络——现场总线，将分散在现场的控制系统的通信连接起来，实现信息集中管理。

第二章 信号的联络、传输及转换 2-1 什么是信号制？

信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。 2-2 电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？使用在何种场合？ 电压信号传输特点：

1) 电压信号传输时，仪表并联，所以某台仪表故障时基本不影响其它仪表； 2) 有公共接地点；

3) 传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。 DDZ-III型仪表属于电压信号传输方式。 电流信号传输的特点：

1) 电流信号传输时，仪表串联，所以某台仪表出故障时，影响其他仪表；

2) 无公共地点。若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直流隔离措施。

3) 电流信号适合远距离传输。

DDZ-II型仪表属于电流信号传输方式。

2-3 说明现场仪表与控制仪表之间的信号传输及供电方式。0~10mA的直流信号能否用于两线制传输方式？为什么？

变送器与控制仪表之间的信号传输及供电方式有如下两种：四线制传输和两线制传输。 0~10mA的直流信号不能用于两线制传输方式。因为在两线制方式中，变送器与控制室之间仅用两根导线连接。两根导线既是信号线又是电源线。电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流下限0mA时，信号电流过低，不能保证其内部的半导体器件正常工作。

第三章 控制系统防爆措施

3-1 防爆电气设备如何分类？防爆标志ExiaIIAT5和ExdIIBT4是何含义？ 防爆电气设备分为两大类：I类——煤矿用电气设备；II类——工厂用电气设备。 ExiaIIAT5表示本质安全型设备适用于气体组别不高于II类ia等级A级，气体引燃温度不低于T5（100℃）的0区危险场所。

ExdIIBT4表示隔爆型设备适用于气体组别不高于II类B级，气体引燃温度不低于T4（135℃）的危险场所。

3-2 安全火花是什么概念？电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所？ 所谓安全火花是指火花的能量不足以对其周围可燃介质构成点火源。

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安全火花电动仪表从电路设计开始就考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，从爆炸发生的根本原因上采取措施解决防爆，这样才能用于易燃易爆场所。

3-3 常用的防爆控制仪表有哪几类？各有什么特点？ 常用的防爆控制仪表有隔爆型和本质安全型两类仪表。

隔爆型仪表具有隔爆外壳，仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，防爆壳能承受仪表内部因故障产生爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播。

本质安全型仪表的电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短路和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致引起其周围爆炸性气体混合物爆炸。

3-4 什么是安全栅？说明常用安全栅的构成和特点。

安全栅是本安仪表的关联设备，一方面传输信号，另一方面控制流入危险场所的能量在爆炸性气体或混合物的点火能量以下，以确保系统的防爆性能。

安全栅的构成形式有多种，有电阻式、齐纳式、隔离式等。

电阻式安全栅最简单，通过串联电阻来限制电流，但在正常工况下电源电压受到衰减，且防爆定额低，使用范围不大。

齐纳式安全栅利用齐纳式二极管的击穿特性进行限压，用电阻进行限流，当电流过大时快速熔断器动作，熔丝很快熔断，使危险电压与现场隔离。齐纳式安全栅结构简单，价格便宜，防爆定额可以做得比较高，但是对熔断丝的要求很高，制造上有一定难度，可靠性不理想。

隔离式安全栅采用变压器将输入、输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量直接进入现场，同时采用晶体管限压限流电路。这种安全栅线路复杂，体积大，成本较高，但不要求特殊元件，便于生产，工作可靠，防爆定额较高，应用广泛。

3-5 如果一个控制系统在现场全部选用了安全火花防爆仪表，是否就组成了安全火花防爆系统？为什么？

一个控制系统在现场全部选用了安全火花防爆仪表，不一定就是安全火花防爆系统。因为对一台安全火花防爆仪表来说，它只能保证自己内部不发生危险火花，对控制室引来的电源线是否安全是无法保证的。如果从控制室引来的电源线没有采取限压限流措施，那么在变送器接线端子上或传输途中发生短路、开路时，完全可能在现场产生危险火花，引起燃烧或爆炸事故。

3-6 安全防爆系统指构成系统的所有设备都应该是安全防爆的设备吗？为什么？ 安全防爆系统的并不是所有设备都是安全防爆的设备，安全防爆系统只需在危险场所采用安全防爆仪表，在危险场所和控制室之间采用安全栅进行隔离即可，而控制室中的控制器

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和显示器等设备不需要是安全防爆的设备。

3-7 如何控制系统实现本安防爆的要求？ 要实现本安防爆要求，需要下面三个条件。 1) 在危险场所采样本安防爆仪表。

2) 在危险场所和控制室之间采用安全栅进行隔离。

3) 要注意系统的安装和布线：正确安装安全栅，并保证接地良好；正确选择连接电缆的规格和长度，其分布电容、分布电感应在限制值之内；本安电缆和非本安电缆应分槽（管）敷设，防止本安回路与非本安回路混接。

第四章 变送器

4-1 变送器和转换器的作用是什么？

变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号，以供显示、记录和控制之用。

4-2 什么是量程调整、零点调整和零点迁移。试举例说明。

量程调整：使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。

使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin≠0时，称为零点迁移。

4-3 差压变送器的作用是什么？

差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一的标准信号，作为指示记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。

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4-4 电容式差压变送器如何实现差压-位移转换？差压-位移转换如何满足高准确度的要求？

由感压膜片将输入差压信号转换成位移信号。测量膜片是平膜片，平膜片形状简单，加工方便，但压力和位移是非线性的，只有在膜片位移小于膜片厚度的情况下是线性的。所以采用了具有预紧应力的平膜片，提高了线性，减小了误差。

4-5 试述电容式差压变送器的结构特点与工作原理。

调零和迁移信号电容变化差动电容电流信号+-反馈信号位移感压膜片电容-电流转换电路放大和输出限制电路Iy测量部分转换放大部分反馈电路

电容式差压变送器的结构特点：敏感元件的中心感压膜片是在施加预张力的条件下焊接的，其最大位移量为0.1mm，既可使感压膜片的位移与输入压差成线性关系，又可以大大减小正负压室法兰张力和力矩影响而产生的误差。中心感压膜片两侧的固定电极为弧形电极，可以有效地克服静压的影响和更有效地起到单向过电压的保护作用。

电容式差压变送器的工作原理：输入差压信号作用在感压膜片上会产生位移，两个固定弧形极板和感压膜片分别构成了两个可变电容，感压膜片的位移变化导致了电容极板间距离发生变化，进而导致了两个电容的变化，再经过电容-电流转换电路，将差动电容转换成了差动电流，再经过负反馈电路放大后输出。输出电流和输入压差信号之间成线性关系。

4-6 简述敞口容器与密闭容器的安装方法与工作原理。 敞口容器：

安装方法：差压变送器正压室接容器下部，负压室不用接。 工作原理：

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P气 ρ H PB P1 4~20 mA

P I0

+ - P2=P气

P1=P气+PB=P气+ρgH P2=P气 △P=P1-P2=ρgH 密闭容器：

安装方法：差压变送器正压室接容器下部，负压室接到容器上端。 工作原理：

PA ρ PB P1

P2

I0 H 4~20 mA

P1=PA+PB=PA+ρgH P2=PA △P=P1-P2=ρgH 4-7 热电偶测量温度的基本原理和基本条件是什么？

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体（称为热电偶丝材或热电极）组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（也称为测量端），温度较低的一端为自由端（也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

4-8 热电偶的基本定律有哪些？ 1) 均质导体定律

由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温

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度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。

2) 中间导体定律

在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。

3) 中间温度定律

热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度。

4) 参考电极定律

简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬-镍铬热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍铬的值。

4-9 热电偶参考温度补偿的方法有哪些？

冷端恒温法（冷端温度冰浴法）：常常将冷端置于冰水混合物中，使其温度保持为恒定的0℃。在实验室条件下，通常把热电偶的冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持0℃。

计算修正法：如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量，其冷端温度为t0，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据中间温度定律，有EAB（t ,0）＝EAB（t ,t0）＋ EAB（t0 ,0），得出标准热电势EAB（t ,0），再查分度表就可得出被测温度。

电桥补偿法：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

4-10 在热电偶测温电路中采用补偿导线时，应如何连接？需要注意哪些问题？ 补偿导线是用热电性质与热电偶相近的材料制成的导线。根据中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延长至控制室等需要的地方，可以使热电偶的冷端远离热源，从而保证冷端稳定，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。补偿导线在一定温度范围内（0～150℃）具有和所连接的热电偶相同的热电性能，若是用廉价金属制成的热电偶，则可用其本身的材料作为补偿导线。

补偿导线在使用中注意事项

1) 补偿导线的选择：补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，可参考国际电工委员会制定的标准。

2) 接点连接：与热电偶接线端2个接点尽可能近一点，尽量保持2个接点温度一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致，仪表柜有风扇的地方，接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。

3) 使用长度：因为热电偶的信号很低，为微伏级，如果使用的距离过长，信号的衰减和环境中强电的干扰耦合，足可以使热电偶的信号失真，造成测量和控制温度不准确，在控制中严重时会产生温度波动。

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4) 布线：补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方，也尽可能采用交叉方式，不要平行。

5) 屏蔽补偿导线：为了提高热电偶连接线的抗干扰性，可以采用屏蔽补偿导线。对于现场干扰源较多的场合，效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地，否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用，反而增强干扰。

4-11 与金属热电阻相比，热敏电阻的优缺点有哪些？ 半导体热敏电阻的主要特点是： 1) 电阻温度系数大，灵敏度高。

2) 电阻率大，体积小，热惯性小，响应快。 3) 温度特性分散，互换性差，稳定性不好。 4) 非线性较严重，影响精度。

4-12 试简要分析DDZ-III型温度变送器的主要特点及工作原理。 1) DDZ-III型温度变送器有如下特点：

主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。 在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系，便于指示和记录。

在线路中采用了安全火花防爆措施，故可用于危险场所中的温度测量，从而扩大了应用领域。

2) DDZ-III型温度变送器的工作原理：

DDZ-III型温度变送器在线路结构上分为量程单元和放大单元两部分，二者分别设置在两块印刷电路板上，用接插件相连接。其中放大单元是通用的，量程单元随着测温范围和测温元件的不同而不同。

放大单元的工作原理：放大单元将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压及功率放大，然后整流输出统一的4~20mA标准电流信号和1~5V的标准电压信号。

量程单元的工作原理：量程单元根据输入信号的不同而实现信号补偿、测量信号线性化、整机调零和调量程等。其中热电偶温度变送器实现冷端温度补偿。热电阻温度变送器实现引线电阻补偿。

4-13 什么是一体化温度变送器？

一体化温度变送器由测温元件和变送器模块两部分组成，将变送器模块安装在测温元件接线盘或专用接线盒内，测温元件受温度影响产生热电阻或热电势，变送器模块将测温元件输出信号转换成统一标准信号，主要为4~20mA直流电流信号。

4-14 一体化温度变送器对现场环境的要求是什么？

由于一体化温度变送器直接安装在现场，在一般情况下变送器模块内部集成电路的正常工作温度为-20~80oC，超过这一范围，电子元件的性能会发生变化，变送器将不能正常工作，

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因此在使用中应该特别注意变送器模块所处的环境温度不能超过电路的正常工作范围。

4-15 试述TT302温度变送器的硬件构成。

TT302智能式温度变送器的硬件主要由输入板、主电路板和液晶显示器组成。 输入板包括多路转换器、信号调理板、A/D转换器和信号隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，再传送给CPU，并实现输入板与主电路板的隔离。

主电路板包括微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整部分和电源部分，它是变送器的核心部件。CPU与信号整形之间是通信控制器，通过信号整形产生并输出满足FF（基金会现场总线）标准的数字信号。

显示板是一个从CPU接收数据的微功耗液晶显示器，用于接收CPU的数据并加以显示。 第五章 控制器

5-1 基型调节器由几部分组成？各组成部分的作用如何？ 基型调节器由控制单元和指示单元组成。

控制单元：输入电路、PD电路、PI电路、输出电路以及软手操电路和硬手操电路等。调节器在“自动”状态下，测量信号与设定信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过输出电路转换为4～20mA直流电流，作为调节器的输出信号去控制执行器。

指示单元：测量信号指示电路、给定信号指示电路，用双指针表显示测量信号和给定信号，两指示值之差为控制器的输入误差。

5-2 基型调节器的输入电路为什么采用差动输入和电平移动方式？偏差差动电平移动电路怎样消除导线电阻引起的运算误差？

输入电路采用偏差差动输入方式，是为了消除集中供电引入的误差。采用电平移动方式，目的是使输入电路中的运算放大器工作在允许的共模输入电压范围内。

实际的偏差差动电平移动电路的连接方式，是将输入信号Ui跨接在运算放大器的同相和反相输入端上，而将给定信号Us反极性地跨接在这两端。这样两导线电阻的压降均成为输入电路的共模电压信号，由于差动放大器对共模信号有很强的抑制能力，因此这两个附加电压不会影响运算电路的精度。

5-3 什么叫无扰动无平衡切换？全刻度指示调节器怎样实现这种操作的？

所谓无平衡切换，是指在两种工作状况之间切换时，无需事先调平衡，即不需要手动消除系统偏差或使手、自动输出相等就可以随时切换至所要求的工作状况而不会引起扰动。

所谓无扰动切换，是指在切换瞬间控制器的输出不发生变化，对生产过程无扰动。 在全刻度指示调节器中，自动→软手操，软手操→自动，硬手操→软手操，硬手操→自动的切换都是无平衡无扰动切换。自动→硬手操，软手操→硬手操切换时，要做到无扰动切换，必须事先平衡。切换前先调整硬手操电位器的滑动端，使硬手操输出电流等于自动输出电流（或软手操输出电流）后立即切换，使得切换瞬间控制器输出不变化，实现了无扰动切

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换。

5-4 什么是硬手动操作和软手动操作？各用在什么条件下？

软手动操作：可以通过选择键位调节器处于“保持”（即它的输出保持切换前瞬间的数值）状态，或使输出电流可按快或慢两种速度线性地增加或减小，以对工艺过程进行手动控制。

硬手动操作：调节器的输出与手操电压成比例，即输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。

当需要调速的场合，如升速、降速，或是多级调速，可用软手动操作实现。

当测定对象特性时，可通过硬手动操作实现阶跃输入。当需要紧急停车时，可通过硬手动操作输入为0实现。

5-5 在基型调节器的PD电路中，如何保证开关S从断位置切至通位置时输出信号保持不变？

S断时：即不加微分只有比例作用时，运算放大器同相端电压UT= Uo1/n，Uo1通过R1向CD充电，稳态时CD两端电压为：UCD=(n-1) Uo1/n

S接通：加入微分时，电容两端电压不能突变。所以UT仍为Uo1/n。 在切换瞬间运算放大器同相端电压UT保持不变，使得输出信号保持不变。

5-6 试分析基型控制器产生积分饱和现象的原因。若控制器的输出加以限幅，能否消除这一现象？为什么？怎样解决？

基型控制器产生积分饱和现象的原因：带有积分作用的控制器对偏差随时间不断累积，只要偏差存在，控制器的输出就不断累积，最终导致输出被限制住，从而产生积分饱和现象。控制器处于失控状态，控制品质变坏。

若控制器的输出电压被限幅，不能消除积分饱和现象。因为只要输入信号不改变极性，积分电容继续充电或放电，积分电容两端的电压继续上升或下降，而控制器的输出仍然被限制着，无法消除积分饱和。

消除积分饱和方法：限制积分电容两端充电电压或是切除积分作用。 5-7 与模拟PID控制器相比，数字PID控制器有哪些优点？

数字PID控制器和模拟PID控制器比较：对于纯滞后控制对象，模拟控制器控制效果不理想。而数字PID控制器由于采用软件实现控制，很容易实现复杂的控制规律，对纯滞后进行补偿，提高了控制性能。而且数字PID控制器可在线修改控制方案和PID参数，从而更好地满足控制要求。

5-8 与位置式PID相比，增量式算式具有哪些优点？ 增量式PID算法的优点：

1) 位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。

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2) 控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将输出值置为原始阀门开度时，才能保证无扰动切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无扰动切换。

3) 采用位置式PID算法，计算机出现故障，输出量大幅度变化，调节阀门突然加大或减小，可能会给生产造成损失。采用增量式算法时所用的执行器本身都具有保持功能，即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

5-9 采样周期的选择受哪些因素的影响？ 选择采样周期时的考虑因素：

1) 根据香农采样定理，采样频率达到系统信号最高频率的两倍或以上时，可不失真地复现原来的信号。采样周期应比对象的时间常数小得多。

2) 从执行机构的特性要求来看，如果采样周期过短，执行机构来不及响应。所以，采样周期不能过短。

3) 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。 一般扰动信号周期与采样周期成整数倍关系。

4) 从计算机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些，保证有足够的时间完成必要的计算。

5) 当系统纯滞后占主导地位时，尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。 第六章 执行器

6-1 执行器在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执行器有何特点？ 执行器将控制器输出的控制信号进行功率放大，并转换成输出轴相应的转角或直线位移，连续或断续地去推动各种控制机构，如控制阀门、挡板，控制操纵量变化，以完成对各种被控参量的变化。

气动执行器特点：结构简单、动作可靠、性能稳定、价格低廉、维修方便和防火防爆等。 电动执行器特点：能源取用方便、信号传输速度快、便于远传、结构复杂、价格昂贵、安全防爆性能差。

6-2 执行器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 执行器分为两部分：执行机构和调节机构。

1) 执行机构——执行器的驱动部分，按照控制器的输出信号产生推力或位移； 2) 调节机构——执行器的调节部分，常见有调节阀等，在执行机构操纵下，改变阀芯和阀座间的流通面积，从而调节工艺介质的流量。

6-3 简述电动执行器的构成原理，伺服电动机的转向和位置与输入信号有什么关系？ 伺服放大器将输入信号Ii和反馈信号If相比较，所得差值信号经功率放大后，驱使两相伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角θ。若差值为正，电机正转，输出轴转角增大，若差值为负，电机反转，输出轴转角减小。

输出轴转角经位置发送器转换成反馈电流If，回送到伺服放大器的输入端，从而构成负

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反馈系统。最终输出轴转角θ与输入信号Ii为比例关系，即θ=K*Ii。其中K为比例系数。

伺服放大器还可以通过电动操作器实现自动和手动的切换。当切换到手动操作时，通过手动操作按钮来控制电机正反转，调节输出轴转角。

6-4 伺服放大器如何控制电动机的正反转？

输入信号和反馈信号分别经过信号隔离后，再经过综合放大电路放大后，经过触发电路控制两个固态继电器的导通与关断。当输入信号大于反馈信号，固态继电器1导通，伺服电动机正转；当输入信号小于反馈信号时，固态继电器2导通，伺服电动机反转。并且设置了死区，当输入信号和反馈信号之间的偏差小于死区时，两个固态继电器均不动作，伺服电动机不动作。

6-5 确定控制阀的气开、气关作用方式有哪些原则？试举例说明。 确定控制阀的气开、气关作用方式原则：

气源中断、控制器故障无输出时，应确保设备安全。如锅炉供水控制阀，为了保证故障时不致把锅炉烧坏，应选择气关阀。

从保证产品质量考虑。如精馏塔回流量控制系统长选用气关阀。一旦发生故障，阀门全开，使生产处于全回流状态，这就防止了不合格产品被蒸发，从而保证了塔顶产品的质量。

从降低原料和动力的损耗考虑。如精馏塔进料的控制阀常采用气开式。因为一旦故障，阀门处于关闭状态，不再给塔投料，从而减少了浪费。

6-6 直通单座、双座调节阀有何特点，适用于哪些场合？ 直通单座阀：适用于泄漏量要求较小和阀前后压降较小的场合。

直通双座阀：适用于泄漏量要求不严和阀前后压降较大的场合。不适用于高黏度或含悬浮颗粒的流体。

6-7 什么是控制阀的可调比？串联或并联管道时会使实际可调比如何变化？

控制阀的可调比（可控比）：阀所能控制的流量上限与流量下限之比。串联或并联管道时会使实际可调比下降。

6-8 什么是控制阀的流通能力？确定流通能力的目的是什么？ 流量系数的大小反映了流过阀的流量，即控制阀的流通能力。

确定流通能力的目的是为了计算控制阀的口径，从而选择合适的控制阀。

6-9 什么是控制阀的流量特性？什么是控制阀的理想流量特性和工作流量特性？为什么说流量特性的选择是非常重要的？

控制阀的流量特性，是指控制介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度（即推杆的相对位移）之间的函数关系。

理想流量特性：阀前后差压不变时的流量特性，也叫固有流量特性。

工作流量特性：阀装在管道中，前后差压变时的流量特性，也叫实际流量特性。 控制阀的理想流量特性取决于阀芯曲面的形状。选择了控制阀流量特性，从而确定阀芯

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形式。

6-10 为什么要使用阀门定位器？它的作用是什么？ 阀门定位器的作用和应用场合：

1) 增加执行机构的推力：提高定位器的气源压力增大执行机构的输出力。

2) 加快执行机构的动作速度：改变了原来调节阀的一阶滞后特性，使之成为比例特性。克服信号传递滞后，加快执行速度。

3) 实现分程控制：用一台控制仪表去操作两台控制阀。使用阀门定位器，使得在信号的某一区段完成全行程动作。

4) 改善控制阀流量特性：改变反馈凸轮的几何形状可改变流量特性。 第七章 被控对象

7-1 什么是过程建模，为什么研究被控过程的数学模型？过程建模的目的和要求是什么？

过程建模：就是建立描述被控过程特性的数学模型，用数学方法对过程特性进行描述、分析。

研究被控过程的数学模型，是为了了解和掌握被控过程的特性。

过程建模的目的：设计过程控制系统和整定调节器参数；进行工业过程优化；进行被控过程仿真研究。

过程建模的要求：简单且准确可靠，在线模型还要求实时性。 7-2 过程建模的方法有哪些？其适用场合分别是什么？

过程建模的方法：机理法建模、实验法建模、机理法和实验法相结合建模。

机理法可用于简单的被控过程。实验法可用于当不十分清楚被控过程的内部机理，或是被控过程非常复杂时。当采样单一的机理法或实验法无法建立复杂过程的数学模型时，可采用机理法和实验法相结合的方法建立数学模型。

7-3 什么叫过程的自平衡特性和非自平衡特性？什么叫单容过程和多容过程？ 自平衡特性：过程受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何控制作用，依靠过程本身自动平衡的倾向，逐渐达到新的平衡状态的性质，称为自平衡能力。否则称为非自平衡特性。

有一个储存容量的过程，称为单容过程。对象的输入输出可以用一阶微分方程式来描述。 有一个以上储存容量的过程称为多容过程。

7-4 机理法建模与实验法建模的基本原理分别是什么？

机理法建模又称数学分析法建模或理论建模，它原则上采用数理方法，根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，经过推演和简化而得到描述过程动态特性的数学模型。

实验法建模是根据被控对象输入/输出的实验测量数据，进行某种数学处理后得到模型，

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此方法又称为系统辨识。

7-5 影响控制性能的主要模型参数有哪些，其工作机理分别是什么？ W(S)KeS Ts1响控制性能的主要模型参数有放大系数K、时间常数T和纯滞后时间。

放大系数K：过程输出量变化的新稳态值与输入量变化值之比，称为过程的放大系数。 时间常数T：指被控量保持起始速度不变而达到稳态值所经历的时间。T反映的是过程受到阶跃扰动作用后被控量变化的快慢速度。

纯滞后时间：所谓纯滞后是一种时间上的延迟，这种延迟是从引起动态要素变化的时刻到输出开始变化的时刻这一段时间。

7-6 试简要分析温度、流量、压力过程模型特性。

温度过程模型特性：加热炉是一个典型的温度过程。该过程是典型的大惯性、含纯滞后的控制对象。其传递函数为W(S)KeS。惯性可认为是对象储存能量的能力体现，对Ts1加热炉来说就是对热能的储存能力，加热炉的热容量较大，当增大或减小燃料流量时，加热炉各段炉温的上升或下降需要较长时间。对象含有纯滞后时，控制信号发出后，被控物理量需要经过一段时间的延迟才会产生响应。

流量过程模型：一阶非线性方程。

压力过程模型：对于炼焦过程，集气管压力与鼓风机吸力间的耦合比较明显。 7-7 如图所示液位过程的输入量为q1，输出量q2，q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3为线性液阻。要求：

1) 列出过程的微分方程组； 2) 画出过程的框图；

3) 求过程的传递函数Wo(s)=H(s)/q1(s)。

R1q1hR3C

1) 过程的微分方程组为：

q3R2q2

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dhq1q2q3Cdthq2R2hq3R3

拉氏变换为：

q(s)q(s)q(s)CsH(s)231H(s)q(s)2R2H(s)q(s)3R3

2) 过程框图为：

1R3s1Csq1(s)+-q3(s)-q2(s)H(s)1R2s

3) 过程的传递函数为：

q1(s)H(s)H(s)CsH(s) R2R3R2R3H(s)1KR2R3Wo(s)

R2R3Csq1(s)Cs11Ts11R2R3R2R3KR2R3R2R3C TR2R3R2R37-8 如图所示的单容过程，若其输入量为Qi、输出量为Qo，试列写其微分方程组。根据微分方程组画出框图并求其数学模型Wo(s)=Qo(s)/ Qi (s)。

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Qi Qi 控制阀

 x

ho h 负载阀

A Qo Qo 1) 微分方程组为：

拉氏变换为：

dhQQAoidtQ1hoR

Qi(s)Qo(s)AsH(s)H(s)Q(s)oR

2) 系统框图为：

Qi(s)+-3) 数学模型为：

1AsH(s)1RQo(s)

11Qo(s)1AsR1 Wo(s)Qi(s)111RAs1Ts1AsRTRA

7-9 两只水箱串联工作，各个参数如图所示。若过程的输入量为q、输出量为q2，并设液阻R、R1、R2均为线性，试列写过程的微分方程组；根据方程组画出过程的框图，并求其数学模型Wo(s)=q2(s)/q (s)。

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Rqh1C11) 微分方程组为：

R1q1C2h2R2q2

dh1qqC11dtqqCdh2122dthq11R1

hq22R2拉氏变换为：

Q(s)Q1(s)C1sH1(s)Q(s)Q(s)CsH(s)2221H1(s) Q1(s)R1H2(s)Q2(s)R22) 系统框图为：

Q(s)-Q1(s)

1C1sH1(s)1R1Q1(s)-1C2sH2(s)1R2Q2(s)

3) 数学模型为：

1111Q(s)11C1sR1C2sR2Wo(s)2Q(s)111111(R1C1s1)(R2C2s1)(T1s1)(T2s1)C1sR1C2sR2T1R1C1 T2R2C2

第八章 单回路控制系统

8-1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？

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控制通道：被控量与输入控制作用之间的联系被称为“控制通道”。 干扰通道：被控量与扰动之间的联系被称为“干扰通道”。 控制通道对控制系统质量的影响：

1) 控制通道的放大系数大一点，以加强控制作用。

2) 控制通道的时间常数小，控制作用强，克服干扰快，过渡过程时间短。但时间常数太小时，易引起振荡。

3) 控制通道的滞后时间越大，系统动态性能变差，容易导致系统不稳定。 4) 控制通道尽可能避免几个时间常数相等或相近，系统控制质量高。 干扰通道对控制系统质量的影响：

1) 干扰通道的放大系数越小越好，以减小余差，提高控制精度。 2) 干扰通道的时间常数大，或者惯性环节数增加时，控制质量将提高。 3) 干扰通道的滞后时间不影响控制系统的质量。 8-2 如何选择操纵变量？ 选择操纵量的一般原则：

1) 操纵量应具有可控性、工艺操作合理性、经济性；

2) 干扰通道的时间常数越大越好。控制通道时间常数应适当的小些，纯滞后时间越小越好；

3) 控制通道的放大系数应大于干扰通道； 4) 应尽量使干扰远离被控量而向执行器靠近；

5) 尽可能避免几个时间常数相等或相近，他们越错开越好。

8-3 什么是可控性指标？怎样根据这个指标来选择控制参数？当过程有多个特性相近的一阶环节串联时，其时间常数该如何处理？

控制系统的临界放大系数Km与临界振荡频率wk的乘积Kmwk被定义为系统的可控性指标。Kmwk越大，系统的控制质量越高。当过程有多个特性相近的一阶环节串联时，其时间常数越错开越好。

8-4 在设计单回路控制系统时，如何选择控制器的控制规律？怎样确定控制器的正反作用方式和控制阀的气开气关形式？

P控制器的选择：由于比例控制器的特点是控制器的输出与偏差成比例，阀门开度与偏差之间有相应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差。因此，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统，如压缩机储气罐的压力控制、储液槽的液位控制、串级控制系统的副回路等。

PI控制器的选择：由于比例积分控制器的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分作用使过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低，虽然加大比例度可使稳定性提高，但又使过渡过程时间加长。因此，PI控制器适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允

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许有余差的控制系统，如流量、压力和要求较严格的液位控制系统。

PID控制器的选择：比例积分微分控制器的特点是微分作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果，在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用可消除余差。因此PID控制器适用于负荷变化不大、容量滞后较大、控制质量要求又很高的控制系统，如温度控制、pH控制等。

控制器的正反作用的确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。为了保证能够成为负反馈，系统开环总放大倍数必须为负值，即系统中各个环节放大倍数的乘积为负。因此根据控制器、控制阀、对象、变送器的放大倍数的乘积为负，判断出了控制阀、对象、变送器的放大倍数的正负后，即可确定控制器的正反作用。控制阀、对象、变送器的放大倍数的正负根据各自的输出和输入是同向变化则为正，反向变化则为负。

确定控制阀的气开、气关作用方式原则：主要根据气源中断、控制器故障无输出时，应确保设备安全。其次从保证产品质量，以及降低原料和动力的损耗考虑。当气源中断、控制器故障无输出时，控制阀应该关闭，则选择气开阀。反之，当气源中断、控制器故障无输出时，控制阀应该打开，则选择气关阀。

8-5 在单回路系统方案设计正确的前提下，为何还要整定控制器的参数？常用的工程整定方法有哪几种？并比较其各自的特点。

在单回路系统方案设计正确的前提下，对象各通道的特性就成定局，这时控制系统的控制质量就只取决于控制器的参数了，所以要整定控制器的参数。

常用的工程整定方法有：经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法四种。 经验凑试法：简单可靠，适用于各种系统。但反复凑试，花时间多。是“看曲线、调参数”的方法，整定质量因人而异。经验丰富的人用此法更合适。

临界比例度法：简单易掌握，整定质量较好。对临界比例度很小或过渡过程不允许出现等幅振荡的系统不适用。

衰减曲线法：安全、准确、可靠，整定质量较高。对于干扰频繁或由各种原因难于从曲线上判别递减比和衰减周期的系统不适用。

响应曲线法：整定质量高，但要求测响应曲线，比较麻烦。

8-6 如图为液位控制系统原理图。生产工艺要求汽包水位一定且必须稳定。汽包水位过高，会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸气将会带水过多，易导致管壁结垢并损坏。水位过低，则因汽包内的水量较少，而负荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不加以控制，将有可能使汽包内的水全部汽化。所以，必须对汽包水位进行严格的控制。

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蒸汽流量D汽包LTLC给水G

1) 画出控制系统框图，指出被控过程、被控变量和操纵变量。 2) 确定控制阀的流量特性和控制阀的气开、气关形式。 3) 确定控制器的控制规律及其正反作用方式。 1) 控制系统框图为： 给定值液位控制器-液位变送器控制阀汽包水位

被控过程：汽包 被控变量：汽包水位 操纵变量：控制阀的开度

2) 控制阀的流量特性：直线流量特性。

为防止汽包水位过高导致管壁结垢并损坏，当信号中断时，应该使阀门关闭，所以控制阀应该选择气开形式。

3) 确定控制器的控制规律及其正反作用方式。

由于对液位有严格要求，所以控制器应该选择PI控制规律。 控制阀气开：放大倍数为正

汽包对象：控制阀开度增大，水位上升，放大倍数为正。 所以控制器放大倍数应该为负，所以控制器为反作用方式。

8-7 如图所示某蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。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，如何选择被控变量和操纵变量？说明其原因。 3) 如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？

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搅拌器物料蒸汽冷凝水出口

1) 影响物料出口温度的主要因素有：物料的入口温度、物料流量、物料压力；蒸汽的温度、流量、压力。

2) 如果要设计一温度控制系统，被控变量应选择为物料出口温度，因为物料出口温度为表征产品质量的变量。操纵变量应选择为蒸汽流量，主要考虑到蒸汽流量具有可控性、工艺操作合理性、经济性。

3) 如果物料在温度过低时会凝结，应选择控制阀为气关形式，使得故障时蒸汽阀门打开，防止温度过低时物料凝结。

4) 控制阀气关，放大倍数为负；阀门开度增大，出口温度升高，所以对象放大倍数为正。因此控制器应该为正作用。

8-8 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所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调节时间（给定值为200oC）。

温度/oC 230 210 205 200 5 20 22 t/min

参照邵裕森主编2005年机械工业出版社出版的《过程控制系统及仪表》。 最大偏差表示被控参数偏离给定值的程度，其定义如下。

随动系统通常采用超调量指标。即超调量为：y(tp)y()100%23020512.2%

y()205对于定值系统来说，最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。 最大偏差：230-200=30 oC 余差：205-200=5 oC

衰减比：（230-205）/(210-205)=5:1

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振荡周期：20-5=15min 调节时间：22 min

8-9 有一如图所示的加热器，其正常操作温度为200 oC，温度控制器的测量范围是150~250 oC，当控制器输出变化1%时，蒸汽量将改变3%，而蒸汽量增加1%，槽内温度将上升0.2 oC。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%，槽内温度将会下降1 oC。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为80%，试求当设定值由200 oC提高到220 oC时，待系统稳定后，则

1) 槽内温度应是多少，余差为多少？ 2) 如何消除余差？

液体TC冷凝水

给定值Tr-温度变送器e比例控制器u控制阀k对象温度T

△e=(220-200)/(250-150)=0.2 △u=△e/δ=0.2/80%=0.25 △u/△k=1%/3%=1/3 △k/△T=1%/0.2=0.05 △u/△T=0.25/△T=(1/3)*0.05 △T=15oC

T=200+△T=200+15=215 oC e=220-215=5 oC

槽内温度应是215 oC，余差为5 oC 消除余差：采用PI控制器。

8-10 某过程控制通道做阶跃实验，输入信号△u=50，其记录数据见习题表8-1。 1) 用一阶加纯时延近似该过程的传递函数，求K0T00的值。 2) 用动态响应曲线法整定控制器的PI参数（取1,0.75）。 t/min y(t) 0 200.1 0.2 201.1 0.4 204.0 23

0.6 227.0 0.8 251.0 1.0 280.0 1.2 302.5

t/min y(t) 1） 根据实验数据，画出过程的阶跃响应曲线。根据曲线确定过程特性参数。

y(t)1.4 318.0 1.6. 329.5 1.8 336.0 2.0 339.0 2.2 340.5 2.4 341.0 2.6 341.2 y()C 拐点 E A B D τAK0τCTt

y() uT0：拐点做切线，与稳态值相交，切线在时间轴上的投影为时间常数T0。

0AC

2） 根据响应曲线法查表确定控制器的PI参数。

整定参数 控制作用 P δ TI — TD — K00100% T0K1.100100% T00.85K00100% T0PI 3.30 — PID PI参数如下。 比例度：1.120 0.50 K0τ0100% T0积分时间：TI3.3τ0 第九章 串级控制系统

9-1 什么是串级控制？串级控制系统是如何构成的？试举例说明它的工作过程。 串级控制系统：具有多个控制器和一个执行机构（控制阀），这些控制器被一个接一个

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地串联起来，前一个控制器的输出就是后一个控制器的设定值，其执行机构由最后一个控制器控制，把这样的系统称为串级控制系统。

例如：加热炉炉膛温度-原料出口温度串级控制系统。其工作过程分析如下。

燃料侧的扰动T2C-T2TT1T执行器炉膛负荷扰动管壁原料T1r-T1CT2rT2T1

当燃料侧扰动作用于系统时，首先使炉膛温度T2发生变化，原料出口温度T1还没有变化，此时主控制器T1C输出不变，炉膛温度测量值T2T发生变化，按定值控制系统的调节过程，副回路控制器T2C改变控制阀的开度，使炉膛温度测量值T2稳定。与此同时，炉膛温度的变化也会引起管壁温度的变化，进而影响原料出口温度T1的变化，使主控制器T1C的输出发生变化，由于主控制器T1C的输出直接是副控制器T2C的给定，因此，副控制器T2C的给定和测量值T2T同时变化，进一步加速了控制系统克服燃料侧扰动的调节过程，使主控制量即原料出口温度T1恢复到设定值T1r。由于内回路的容量滞后小，所以控制作用来得很快，甚至于T2的变化尚未导致原料出口温度T1有明显变化之前就已经被克服。

当负荷侧扰动作用于系统时，主控制器通过外回路及时调节副控制器的设定，使炉膛温度T2变化，而副控制器T2C一方面接受主控制器的输出信号，同时根据炉膛温度测量值的变化进行调节，使炉膛温度T2跟踪设定值变化，并能根据原料温度及时调整，最终使原料出口温度T1迅速恢复到设定值T1r。

当燃料侧扰动和负荷侧扰动同时作用于系统时，分析方法与此类似。 9-2 试分析串级控制系统的基本组成。

二次干扰副变量一次干扰主变量给定-主控制器副控制器执行器副对象主对象-副变送器主变送器

串级控制系统由两个或两个以上控制器串联而成，还有相应数量的检测变送器和一个执行器。一个控制器的输出是另一个控制器的设定。

9-3 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？ 串级控制系统的四大特点：

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4) 等效时间常数减小 5) 工作频率提高 6) 抗干扰能力增强 7) 有一定自适应能力

9-4 为什么说串级控制系统具有改善过程动态特性的特点? 设：Wc2(s)Kc2 Wv(s)Kv Hm2(s)Km2 Wo2(s)Kc2 To21

则有：

Wo'2Wc2(s)Wv(s)Wo2(s)Y2(s) （4-1） R2(s)1Wc2(s)Wv(s)Wo2(s)Hm2(s)Ko2Ko'2 To2s1'Ko21Kc2KvKm2To2s1To2s1Kc2Kv式中：

Ko'2To2Kc2KvKo2 To'2 （4-3）

1Kc2KvKo2Km21Kc2KvKo2Km2将Wo'2(s)与Wo2(s)相比较，在一般情况下，1Kc2KvKo2Km21，故有：

Ko'2Ko2 To'2To2

上式表明，在串级系统中，由于副回路的存在，使等效对象的时间常数To'2是副对象本

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身时间常数的

1，在KvKo2Km2不变的情况下，随着Kc2的增大，这种情况

1Kc2KvKo2Km2愈显著。To'2的减小，就意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更及时。响应更快，控制质量必然提高。

9-5 为什么提高系统的工作频率也算是串级控制系统的一大特点?

1) 串级控制系统工作频率

特征方程：

1Wc1(s)Wo'2(s)Wo1(s)Hm1(s)0

1Wc1(s)1Kc2KvWc2(s)Wv(s)Wo2(s)Wo1(s)Hm1(s)0 1Wc2(s)Wv(s)Wo2(s)Hm2(s)Ko2Ko2Ko1Km2Kc1Kc2KvKm10 To2s1To2s1To1s11Wc2(s)Wv(s)Wo2(s)Hm2(s)Wc1(s)Wc2(s)Wv(s)Wo2(s)Wo1(s)Hm1(s)0 s2To1To2Kc2KvKo2Km2To11Kc2KvKo2Km2Kc1Kc2Km1Ko1Ko2Kvs0 To1To2To1To2To1To2Kc2KvKo2Km2To1To1To2

2oo21Kc2KvKo2Km2Kc1Kc2Km1Ko1Ko2Kv

To1To22s22oo0

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S1,22220420400021 2To1To2Kc2KvKo2Km2To11-2串01- To1To2222) 单回路控制系统工作频率

1Wc'1(s)Wv(s)Wo2(s)Wo1(s)Hm1(s)0

1Kc'1KvKm12Ko2Ko10 To2s1To1s1To1To21Kc'1KvKo1Ko2Km1ss0 To1To2To1To2To1To21Kc'1KvKo1Ko2Km12s2o0 2o o To1To2To1To222oS1,20021 ’单01-2‘To1To21-’ ‘To1To2223) 工作频率比较

串级系统同单回路系统具有相同的衰减系数

ω串To1To2Kc2KvKo2Km2To11(1Kc2KvKo2Km2)To1/To2 ω单To1To21To1/To2（1Kc2KvKo2Km2）1

串单

9-6 与单回路相比，为什么说串级控制系统由于存在一个副回路，具有较强的抑制扰动的能力？

串级控制系统由于存在副回路，控制作用的总放大系数增大了，因此，其抗干扰能力比同等条件下的单回路控制系统强。因为与单回路系统相比串级控制系统多了一个副回路，只要扰动从副回路引入，副回路就会立刻进行调节，这样扰动对主参数的影响就会大大减小，从而提高了主参数的控制质量，所以说串级控制系统具有较强的抗干扰能力。

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9-7 如何理解串级控制系统有一定的自适应能力？ 可求得串级控制系统的副回路的等效放大系数为Ko'2Kc2KvKo2

1Kc2KvKo2Km2其中Kc2KvKo2Km2>>1，则K’o2≈1/Km2，对象的放大系数Ko2的变化对等效副回路的放大系数影响很小。所以串级控制系统的副回路能自动地克服对象非线性的影响，可见串级控制系统对负荷变化具有一定的自适应能力。

9-8 设计串级控制系统时，应解决好哪些问题？

设计串级控制系统时，应该选择主回路、选择副回路，选择主、副控制器的控制作用、选择主、副控制器的正反作用方式。

9-9 在串级控制系统中，副回路的选择应遵循哪些主要原则？ 副回路的选择应遵循以下主要原则： 1) 副回路应包含尽可能多的主要干扰。

2) 主、副对象时间常数应匹配，主、副对象的时间常数比例应选择适当，一般取3~10之间比较合适。

3) 应考虑工艺上的合理性与可能性。 4) 要注意生产上的经济性。

9-10 设计串级控制系统时，主、副回路时间常数常取To1=（3~10）To2。试问To1和To2不满足此关系时会有何问题？

To1/To2>10，表明To2太小，副回路包含的干扰已太少，副回路的特点就不能发挥出来，并且系统的稳定性也不好。

To1/To2<3时，表明To2过大，副回路包含的干扰太多，反应慢，控制不及时。 To1/ To2≈1时，主、副对象的动态联系十分紧密，极易共振。 9-11 在串级控制系统的参数整定中，如何整定主、副控制器的参数?

串级控制系统的参数整定的实质就是通过改变控制器的参数，来改善控制系统的静、动态特性，以得到最佳的控制过程。串级控制系统从主回路来看，是一个定值控制系统，因而其控制质量指标和单回路定值控制系统是一样的。从副回路来看，它是一个随动系统，一般来讲，对它的控制质量要求不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。两个控制回路完成任务的侧重点不同，对控制质量要求也就往往不同，因此必须根据各自完成的任务和质量要求去确定主、副控制器的参数。

9-12 串级控制系统的整定方法有哪些?

常用的串级控制系统的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法三种。 9-13 在设计某加热炉出口温度（主参数）与炉膛温度（副参数）的串级控制方案中，主控制器采用PID控制规律，副控制器采用P控制规律。为了使系统运行在最佳状态，采用两步整定主、副控制器参数，按4：1衰减曲线法测得δ1s=42%、T1s=11min、δ2s=75% 、

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T2s=25s

试求主、副控制器的整定参数值。 试分析串级控制系统适用在哪些场合。

按照如下表所示的4：1衰减曲线法参数整定表进行参数整定。

则主控制器整定的参数值为：

δ1=0.8×δ1s=0.8×42%=0.336

T I1=0.3×T1s=0.3×11min=3.3 min T D1=0.1×T1s=0.1×11min=1.1 min 副控制器整定的参数值为：

δ2=1.2×δ2s=1.2×75%=0.9

T I2=0.5×T2s=0.5×25s=12.5 s 串级控制系统的应用场合： 用于克服对象的纯滞后。 用于克服对象的容量滞后。 用于克服幅值大、变化剧烈的干扰。 用于克服对象的非线性。 第十章 其他控制系统

10-1 什么是比值控制系统？它有哪几种类型？画出它的工艺控制原理图。

比值控制系统：凡把两种或两种以上物料自动的保持一定比例的控制系统，称为比值控制系统。

比值控制系统类型： 1) 开环比值控制系统

2) 单闭环比值控制系统

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3) 双闭环比值控制系统

4) 变比值控制系统（串级比值控制系统）

10-2 设有乘法器实现的单闭环比值控制系统（采用DDZ-III型调节仪），工艺指标规定主流量Q1为22000m3/h，副流量Q2为21000 m3/h，Q1的流量上限为25000 m3/h，Q2的测量上限是32000 m3/h。试求：

1) 工艺上的比值K。

2) 采用线性流量计时，仪表的比值系数K’，乘法器的设置值I0。 3) 采用非线性流量计时，仪表的比值系数K’，并画出控制工艺图。 1) 工艺比为： KQ221000210.955 Q122000222) 采用线性流量计时，仪表比为： KKQ1max21250000.746Q2max2232000

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I0(mA)20400.7461K'

3) 采用非线性流量计时，仪表比为：

22I0K'(204)mA4mA0.74616415.9mA

221250002Q1maxKK20.556

Q2max2232000

10-3 一个双闭环比值控制系统如图所示，其比值函数部件采用DDZ-III型电动除法器实现。已知线性测量变送器的上限分别是Q1max=7000kg/h，Q2max=4000kg/h。

1) 由结构图画出框图。

2) 已知I0=18mA，求比值系统的比值系数K’和流量比K。 3) 系统平稳时，测得I1=10mA，求I2。

I1QC1Q1I0KQC2I2Q2

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K'10K41820I0(mA)

I041840.875204204Q1maxQ2max

KKKK'KQ2max40000.8750.5Q1max7000

I24I14

I24K(I14)40.875(104)9.25mA

10-4 前馈控制和反馈控制各有什么特点？ 前馈与反馈系统的差别：

1) 产出控制作用的依据不同。前馈是检测干扰，按干扰的大小和方向产生相应的控制作用。而反馈控制系统则是检测被控量，按被控量与设定值偏差的大小和方向产生控制作用。

2) 控制效果不同。前馈控制系统很及时，不必等到被控量出现偏差就产生了控制作用（超前作用），在理论上可以实现对干扰的完全补偿，使被控量保持在设定值上，而反馈控制系统是不及时的。必须在被控量出现偏差后，控制器才对操纵量进行调节，以克服干扰的影响，理论上不可能使被控量始终保持在设定值上，它总是以被控量的偏差为代价来补偿干扰的影响，亦即在整个控制系统中要做到无偏差，必须首先要有偏差。

3) 实现的经济性和可能性不同。前馈控制必须对每一个干扰单独构成一个系统，才能克服所有干扰对被控量的影响。而反馈控制一个回路就可以克服多个干扰。因此，前馈是不经济的，也是不完全可能的。

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4) 前馈控制是开环控制，不存在稳定性问题。而反馈控制是闭环控制，必须考虑稳定性问题。如能把两者结合起来，就能达到很好的控制效果。

10-5 动态前馈与静态前馈有什么区别和联系？

1) 动态前馈与静态前馈在控制系统结构上是相同的。而两种前馈控制器结构不同，静态前馈控制器为扰动通道和控制通道两者放大系数的比，而动态前馈控制器为扰动通道和控制通道两者传递函数的比。

2) 静态前馈只能保证被控量的静态偏差等于或接近于零，而不能保证被控量的动态偏差等于或接近于零，当扰动通道与控制通道滞后相差不大时，可获得较好的效果。动态前馈保证干扰出现后的动、静偏差都等于或接近于零，动态前馈能显著提高系统控制质量。

3) 静态前馈是前馈控制中的最简单形式，通常不需要专用的装置，用单元组合仪表即可。动态前馈系统结构复杂，需要专用的控制装置。运行和参数整定过程也较复杂。只有在工艺要求精度较高，用静态前馈难以满足要求时，才考虑用动态前馈。

10-6 试述前馈控制系统的整定方法。

前馈控制系统目前广泛采用的是工程整定法，通过闭环实验来确定控制器参数。 1) 静态放大系数Kf的确定

在整定好闭环PID控制系统的基础上，闭合开关S，在前馈-反馈运行状态下，由小到大逐步改变Kf值，直到获得满意的补偿过程。

2) 动态参数T1和T2的确定

动态参数T1，T2决定了系统的动态补偿程度。 [W0(s)Ts1K11sK22se；Wd(s)e；Wf(s)Kf1]

T2s1T1s1T2s1T1>T2代表动态补偿作用超前。控制通道滞后于扰动通道，动态补偿作用超前。

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10-7 什么叫分程控制？怎样实现分程控制？

分程控制系统是将一个控制器的输出分成若干个信号范围，由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现了一个控制器对多个控制阀的控制，有效地提高了过程控制系统的控制能力。

为了实现分程控制，一般需要在每个控制阀上引入阀门定位器。阀门定位器相当于一台放大系数可变且零点可调的放大器。借助于它对信号的转换功能，多个控制阀在分别接受控制器输出的不同信号段后，均被调整为0.02MPa～0.1MPa，使之走完全行程。

10-8 在分程控制中需要注意哪些主要问题？为什么在分程点上会发生流量特性的突变？如何解决？

在分程控制中需要注意的问题：

1) 在分程控制中，从一个阀向另一个阀过渡时，流量变化要尽量平滑。 2) 控制阀泄漏量要尽量小。

在分程点上会发生流量特性的突变原因：

在分程控制中，实际上是把两个控制阀作为一个控制阀使用，因此在分程点上会发生流量特性的突变。

解决办法：

1) 尽量选用对数控制阀，除非控制阀范围扩展不大时，可选用线性阀。

2) 采用分程信号重叠法。使两个阀有部分区段重叠的控制器输出信号。这样不等到小阀全开，大阀就已渐开。

10-9 什么是选择性控制？试述常用选择性方案的基本原理。

选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。

选择性控制系统可分为两种。

1) 选择器位于控制器的输出端，对控制器输出信号进行选择的系统。两个控制器共用一个控制阀。在生产正常的情况下，两个控制器的输出信号同时送至选择器，选出正常控制器的控制信号送给控制阀，实现对生产过程的自动控制。当生产不正常时，通过选择器选出取代控制器代替正常控制器的工作，直到生产情况恢复正常。然后再通过选择器的自动切换，仍由正常控制器来控制生产的正常进行。

2) 选择器位于控制器之前，对变送器的输出信号进行选择的系统。该选择性系统的特点是几个变送器合用一个控制器。通常选择的目的有两个：其一是选出最高或最低测量值；其二是选出可靠测量值。

10-10 生产过程中的纯滞后是怎么引起的？

生产过程中的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。 1) 由于测量元件安装位置不当容易引入纯滞后。

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2) 由测量元件本身的特性造成。

3) QDZ仪表气压信号在管路传送过程中所造成的信号传送滞后问题。

10-11 试举一些生产过程中的实例，简述当其扰动通道及控制通道存在纯滞后的因素时它们带给被控参数的不利影响如何？

例如连续轧钢过程，钢坯通过行星机初轧，再经过平整机平整后，得到所需要的钢板厚度。测厚仪通常安装在平整机出口一定距离的位置上。执行器安装在轧机上，用以调整压下量。这是个纯滞后起主要作用的过程。

除过程本身的纯滞后外，多个设备串联也会引起系统的纯滞后。例如，在生产过程中有这样的操作情况：一个流水作业线或物料加工过程终端产品的质量指标是用改变作业线起始端的输入物料调节的。中间往往要经过很多道加工工序，或是要经过很多工艺设备。这时起始端物料流量的改变要引起终端产品质量指标发生改变，必然要经过一个较长的时间间隔，这个时间间隔一方面包括物料由起始端到终端的传输时间，另一方面包括物料在中间设备中的停留时间和处理时间，这两个时间有时甚至达数十分钟。

在这些过程中，由于纯滞后的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动或系统的给定，即使测量信号到达调节器使得调节器立即工作，也需经过纯滞后时间后，这时输出才能作用到被控量上使之受到控制。所以，滞后过程必然会产生较明显的超调和较长的调节时间。因此，调节系统存在纯滞后会造成闭环系统动态品质下降，纯滞后越大则系统控制品质就越差。

10-12 微分先行控制方案与常规PID控制方案有何异同？ 1) 微分先行控制方案与常规PID控制方案特征方程完全相同。

2) 微分先行控制方案比PI+D控制系统闭环传递函数少了一个零点，所以微分先行控制方案比PI+D控制方案超调量要小一些，提高了控制质量。

3) 两种方案的传递函数分母中都含有纯滞后环节，控制性能差。 10-13 中间反馈控制方案的基本思路是什么？

中间微分反馈控制方案的基本思路是系统中微分作用是独立的，能在被控量变化时及时根据其变化的速度大小起附加校正作用，微分校正作用与PI控制器的输出信号无关，只在动态时起作用，而在静态时或在被控量变化速度恒定时就失去作用。

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10-14 当被控过程的数学模型为

Wo(s)e0s5e2.56s

3.2s1试设计Smith预估补偿器，并用系统框图表示此预估补偿器如何实现？

U(s)Wo(s)esU(s)Wo(s)U(s)Wo(s) Wo(s)esWo(s)Wo(s) Wo(s)Wo(s)(1es)

Smith预估补偿器为：Wo(s)Wo(s)(1e's''')5(1e2.56s)

3.2s1R(s)+-Y(s)'Wc(s)U(s)5e2.56s3.2s1Y(s)+5(1e2.56s)3.2s1+

R(s)+-Y(s)'+-Wc(s)U(s)Y(s)52.56se3.2s15(1e2.56s)3.2s1

10-15 采样控制方案与常规控制系统的主要区别是什么？在纯滞后过程控制中采样周期应当如何选择？

采样控制方案与常规控制系统的主要区别：常规控制系统中控制器输出产生控制作用后，立即去控制生产过程。而采样控制方案经过数字控制器输出控制信号后，再经保持器保持一段时间后再去控制生产过程。采样控制方案核心思想是调一下，等一等，让控制动作慢一些，弱一些。

在纯滞后过程控制中采样周期的选择：尽量使滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。 10-16 采样控制系统中，数字控制器的设计依据和方法是什么？ 1) 连续化设计方法

把整个控制系统看成是模拟系统，利用模拟系统的理论和方法进行分析和设计，得到模拟控制器后再通过某种近似，将模拟控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。 2) 直接离散化设计方法

把计算机控制系统中的连续部分数字化，把整个系统看作离散系统，用离散化的方法设

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计控制器，称为直接设计法。

10-17 什么叫耦合？试举工业上的一个耦合对象分析其变量间的耦合关系。 耦合：在多输入多输出系统中，输入和输出之间的相互关联和相互影响称为耦合。 例如精馏塔系统。主要通过控制塔顶温度和塔底温度来控制塔顶产品和塔底产品的化学成分。系统通过调节回流量和蒸汽流量来调节塔顶塔底温度。当塔顶温度T1稳定在给定值T10上，如果某种干扰使塔底温度T2偏离给定值T20，假设降低，那么T2C的输出P2必将发生变化，其结果是蒸汽控制阀开大，但是蒸汽流量F2的增加，又会导致T1升高。同理，当T1偏离T10时，也会带动T2偏离其给定值T20。这是两个变量相互耦合的情况，如果这种耦合严重，将影响到系统的正常运行。

10-18 为什么要对多变量耦合系统进行解耦设计？

由于多变量耦合系统存在耦合性，采用传统的单回路控制系统无法取得良好的控制效果，所以要对其进行解耦设计。

10-19 试述相对增益的物理概念。

相对增益是用来衡量一个选定的控制量与其配对的被控量间相互影响大小的尺度。因为它是相对于系统中其他控制量对该被控量的影响来说的，故称为相对增益，即相对放大倍数。

为了衡量某一变量配对下的这种关联性质，首先在其他所有回路均为开环的情况下，即所有其他控制量均不改变的情况下，找出该通道的开环增益（第一放大倍数），然后在所有其他回路都闭环的情况下，即所有其他被控量都基本保持不变的情况下，找出该通道的开环增益（第二放大倍数）。相对增益定义为第一放大倍数与第二放大倍数之比。如果上述两种情况下所求的放大倍数没有变化，就表明该通道与其他通道间不存在关联。反之，当两种情况下所求的放大倍数不相同时，则说明了各通道间有耦合联系。

10-20 相对增益的实用意义如何？

1) 当相对增益值为1时，表示在其他输入不变和变化两种条件下，输入到输出的传递不变，也就是说，该通道不受其他输入的影响，因此不存在其他通道对它的耦合。

2) 当相对增益为0时，表示该输入对其输出没有影响，不能控制输出的变化，因此该

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通道的选择是错误的。

3) 当相对增益在0和1之间时，则表示该输入到其输出的通道与其他通道间有强弱不等的耦合。

4) 当相对增益大于1时，表示耦合减弱了该输入到输出的控制作用。

5) 当相对增益小于0时，表示耦合的存在使得该输入到输出的控制作用改变了方向和极性，从而有可能造成正反馈而引起控制系统的不稳定。

相对增益的值反映了某个控制通道的作用强弱和其他通道对它的耦合的强弱，因此可作为选择控制通道和决定采用何种解耦措施的依据。

10-21 减少与消除耦合的方法有哪些？ 减少与消除耦合的方法：

1) 通过选择正确的变量配对来减少耦合。对于耦合程度较低的系统，可通过合理选择控制变量和被控变量的配对，使控制回路的关联达到最小，这是减少耦合最有效的方法。

2) 通过调整控制器参数来改变耦合程度。通过调整控制器参数，使两个控制回路的工作频率错开，从而使得两个控制器的作用强弱不同。对于次要的被控变量，将其工作频率低一些，即比例度大一些，积分时间长一些。

3) 通过减少控制回路来解决。将次要回路的控制器的比例度取无穷大，则相当于这个控制回路不存在，那么它对主要控制回路的关联作用也就消失。

4) 通过解耦装置来解决。通过设计一个补偿器即解耦装置，使得广义过程的通道之间不再存在耦合。

10-22 试分析用单位矩阵法、对角矩阵法和前馈补偿法进行解耦设计的基本思路和解耦效果。

单位矩阵法、对角矩阵法都属于串联解耦的方法。串联解耦的方法的基本思路就是：对耦合过程W0(s)找到一个补偿器WD(s)，使广义过程Wg(s)W0(s)WD(s)为对角线阵，从而消除系统的耦合。单位矩阵法使广义过程为单位矩阵。而对角矩阵法使广义过程为含有过程特性的对角矩阵。

单位矩阵法解耦的结果十分理想，因为它能使广义过程实现无时延的跟踪。但在实现上却很困难。它不但需要过程的精确建模，且使补偿器结构复杂。

对角矩阵法解耦的结果虽然保留了原过程的特性，却使补偿器的阶数增加，结构显得复杂。

前馈补偿法进行解耦设计的基本思路是将耦联看成干扰，用前馈补偿器进行补偿。用前馈补偿法解耦，所需的解耦装置简单，且其解耦模型的阶数较低，易于实现。

10-23 在本章第一节中分析了精馏塔温度控制系统，得知其变量间的耦合关系。已知该精馏塔的数学模型为

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0.088(175s)(1722s)G(s)0.282(110s)(11850s)0.1825(115s)(1722s)

0.4121(115s)(11850s)试用单位矩阵法、对角矩阵法和前馈补偿法分别进行解耦设计。 1) 单位矩阵法：

0.41210.1825(115s)(11850s)(115s)(1722s)0.2820.088(110s)(11850s)(175s)(1722s)1WD(s)G(s)0.0880.41210.18250.282(175s)(1722s)(115s)(11850s)(115s)(1722s)(110s)(11850s)

2) 对角矩阵法：

0.088(175s)(1722s)11WD(s)G(s)Wg(s)G(s)03) 前馈补偿法：



0.4121(115s)(11850s)0

0.1825W(s)0.1825(175s)(115s)(1722s)WFF2(s)12

0.088W11(s)0.088(115s)(175s)(1722s)40

0.282W(s)0.282(115s)(110s)(11850s)WFF1(s)21

0.4121W22(s)0.4121(110s)(115s)(11850s)10-24 什么是部分解耦？它有什么特点？

所谓部分解耦是指在复杂的解耦过程中，只对某些耦合采取解耦措施，而忽略另一部分的耦合。

部分解耦的特点：部分解耦的控制性能会优于不解耦过程而比完全解耦过程要差。相应的部分解耦的补偿器也比完全解耦简单，因此在相当多的实际过程中得到有效的应用。

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