過程控制系統(tǒng)第3章簡單系統(tǒng)習(xí)題與解答

1、第 3 章 習(xí)題與思考題3-1.簡單控制系統(tǒng)由哪幾部分組成各部分的作用是什么解答：簡單控制系統(tǒng)由檢測變送裝置、控制器、執(zhí)行器及被控對(duì)象組成。檢測變送裝置的作用是檢測被控變量的數(shù)值并將其轉(zhuǎn)換為一種特定輸出信號(hào)。控制器的作用是接受檢測裝置送來的信號(hào)，與給定值相比較得出偏差，并按某種運(yùn)算規(guī)律算出結(jié)果送往執(zhí)行器。執(zhí)行器能自動(dòng)地根據(jù)控制器送來的控制信號(hào)來改變操縱變量的數(shù)值，以達(dá)到控制被控變量的目的。被控對(duì)象是指需要控制其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè)備或裝置。3-2.什么叫直接參數(shù)和間接參數(shù)各使用在什么場合解答：如果被控變量本身就是需要控制的工藝指標(biāo)，則稱為直接參數(shù) ；如果被控變量本身不是需要控制的工藝指標(biāo)，但與其有

2、一定的間接對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，稱為間接參數(shù) 。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用直接參數(shù) 控制，只有當(dāng)被控變量無法直接檢測，或雖能檢測，但信號(hào)很微弱或滯后很大，才考慮采用間接參數(shù) 控制。3-3.被控變量的選擇應(yīng)遵循哪些原則解答：被控變量的正確選擇是關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期控制效果的重要因素，它選擇的一般原則是：（ 1 ）被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或是反映工藝操作狀態(tài)重要變量；（ 2）被控變量應(yīng)是工藝生產(chǎn)過程中經(jīng)常變化，因而需要頻繁加以控制的變量；（ 3）被控變量應(yīng)盡可能選擇工藝生產(chǎn)過程的直接控制指標(biāo)，當(dāng)無法獲得直接控制指標(biāo)信號(hào)，或其測量或傳送滯后很大時(shí)，可選擇與直接控制指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接控制指標(biāo)；

3、（ 4）被控變量應(yīng)是能測量的，并具有較大靈敏度的變量；（ 5）被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的；（ 6）應(yīng)考慮工藝的合理性與經(jīng)濟(jì)性。3-4.操縱變量的選擇應(yīng)遵循哪些原則解答：（ 1）操縱變量應(yīng)是工藝上允許加以控制的可控變量；（ 2）操縱變量應(yīng)是對(duì)被控變量影響諸因素中比較靈敏的變量，即控制通道的放大系數(shù)要大一些，時(shí)間常數(shù)要小一些，純滯后時(shí)間要盡量?。唬?3）操縱變量的選擇還應(yīng)考慮工藝的合理性和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。3-5.簡述選擇調(diào)節(jié)器正、反作用的目的，如何選擇解答：其目的是使控制器、執(zhí)行器、對(duì)象三個(gè)環(huán)節(jié)組合起來，能在控制系統(tǒng)中起負(fù)反饋?zhàn)饔?。一般步驟，首先由操縱變量對(duì)被控變量的影響方向來確定對(duì)象的作用方向，然后由

4、工藝安全條件來確定執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的氣開、氣關(guān)型式，最后由對(duì)象、執(zhí)行器、控制器（調(diào)節(jié)器）三個(gè)環(huán)節(jié)組合后為“負(fù)”來確定控制器的正、反作用。（變送器總為正作用）“對(duì)象” X “執(zhí)行器” X “控制器”=“負(fù)反饋”3-6.被控對(duì)象、執(zhí)行器、控制器的正、反作用方向各是怎樣規(guī)定的解答：3-6答：被控對(duì)象的正、反作用方向規(guī)定為：當(dāng)操縱變量增加時(shí)，被控變量也增加的對(duì)象屬于“正作用”的；反之，被控變量隨操縱變量的增加而降低的對(duì)象屬于“反作用”的。執(zhí)行器的作用方向由它的氣開、氣關(guān)型式來確定。氣開閥為“正”方向；氣關(guān)閥為“反”方向。如果將控制器的輸入偏差信號(hào)定義為測量值減去給定值，那么當(dāng)偏差增加時(shí)，其輸出也增加的

5、控制器稱為“正作用”控制器；反之，控制器的輸出信號(hào)隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”控制器。也可參考下表：各環(huán)節(jié)作用方向如表:作用方向環(huán)節(jié)正作用方向（+）反作用方向（-）控制器輸出隨被控變量增加而增加輸出隨被控變量增加而減少執(zhí)行器氣開閥氣閉閥被控對(duì)象當(dāng)調(diào)節(jié)閥開打時(shí)，被控變量增加當(dāng)調(diào)節(jié)閥開打時(shí)，被控變量減少變送器如實(shí)反映被控變量大小，只有正作用3-7.簡單參數(shù)控制系統(tǒng)中，控制器的正反作用應(yīng)怎樣解答：（1）根據(jù)生產(chǎn)工藝的安全性先確定執(zhí)行器的采用氣開閥（+）,還是氣閉閥（-）。（2）在根據(jù)“對(duì)象” x “執(zhí)行器” x “ 控制器”=“負(fù)反饋”來確定控制器的正、反作用。3-8什么是控制器的控制規(guī)律控制

6、器有哪些基本控制規(guī)律解答：1）控制規(guī)律：是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間的關(guān)系。2）基本控制規(guī)律：位式控制、比例控制、比例積分控制、比例微分控制和 比例積分微分控制。3-9雙位控制規(guī)律是怎樣的有何優(yōu)缺點(diǎn)解答：1）雙位控制的輸出規(guī)律是根據(jù)輸入偏差的正負(fù)，控制器的輸出為最大或最 小。2）缺點(diǎn)：在位式控制模式下，被控變量持續(xù)地在設(shè)定值上下作等幅振蕩， 無法穩(wěn)定在設(shè)定值上。這是由于雙位控制器只有兩個(gè)特定的輸出值， 相應(yīng)的控制 閥也只有兩個(gè)極限位置，總是過量調(diào)節(jié)所致。3）優(yōu)點(diǎn)：偏差在中間區(qū)內(nèi)時(shí)，控制機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，可以降低控制機(jī)構(gòu)開關(guān)的頻繁程度，延長控制器中運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命。3-10什么是比例控制規(guī)

7、律它有什么特點(diǎn)解答：比例控制規(guī)律（P）是指控制器的輸出信號(hào)變化量戶與輸入偏差信號(hào)變化量e之間成比例關(guān)系，即p kp?e式中 k p 比例放大系數(shù)。比例控制的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快、控制及時(shí)，其缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷改變時(shí)，控制結(jié)果有余差存在。 余差的產(chǎn)生是由比例控制本身的特性所決定的。這是由于比例控制器的p 與 e 成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)負(fù)荷改變后，需要產(chǎn)生一定的控制作用戶，與之對(duì)應(yīng)必然要有一定的偏差e存在。比例控制規(guī)律是一種基本的控制規(guī)律。但它有余差存在，故只在對(duì)被控變量要求不高的場合，才單獨(dú)使用比例控制作用。3-11 什么是積分控制規(guī)律什么是比例積分控制規(guī)律它有什么特點(diǎn)解答：積分控制規(guī)律是指控制器的輸出變量

8、戶與輸入偏差e 的積分成正比，即pk1 edt式中k1 積分比例系數(shù)。在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上積分控制作用，便構(gòu)成比例積分控制規(guī)律，其輸出戶與輸入 P 的關(guān)系為：p k p e k1 edt積分控制規(guī)律的特點(diǎn)是控制緩慢，但能消除余差。比例積分控制規(guī)律的特點(diǎn)是控制既時(shí)，又能消除余差。3-12 .什么是微分控制與比例微分控制它有什么特點(diǎn)解答：微分控制規(guī)律是指控制器的輸出變化量戶與輸入偏差e的變化速度成正比，即PTdde dt式中丁 Td微分時(shí)間。在比例控制的基礎(chǔ)上，再加上微分控制作用，便構(gòu)成比例微分控制規(guī)律，其輸出戶與輸入e的關(guān)系為：P K p e Td - dt微分控制規(guī)律的特點(diǎn)是有一定的超前

9、控制作用，能抑制系統(tǒng)振蕩，增加穩(wěn)定性（但微分作用不宜過強(qiáng)）。在控制系統(tǒng)中，一般不單獨(dú)使用微分作用，而是與比例作用同時(shí)使用。如果要消除余差，就得再加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分微分三作用控制規(guī)律（PID）。3-13 .什么是積分時(shí)間Ti它對(duì)系統(tǒng)過渡過程有什么影響解答：積分時(shí)間Ti是用來表示積分控制作用強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)。積分時(shí)間越小，表示積分控1 一, 、，一一制作用越強(qiáng)，數(shù)值上 Ti式中Ki是積分比例系數(shù)。Ki積分時(shí)間Ti的減小，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)性能變差，但能加快消除余差的 速度，提高系統(tǒng)的靜態(tài)準(zhǔn)確度。3-14 .什么是微分時(shí)間Td它對(duì)系統(tǒng)過渡過程有什么影響解答：微分時(shí)間是用來表示微分控

10、制作用強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)。微分時(shí)間Td越大，表示微分控制作用越強(qiáng)。增加微分時(shí)間Td,能克服對(duì)象的滯后，改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分時(shí)間不能太大，否則有可能引起系統(tǒng)的高頻振蕩。3-15.控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要有哪些各有什么特點(diǎn)主要使用在什么場合特點(diǎn)主要使用場合直通單座控制閥結(jié)構(gòu)簡單、泄露量小、易于保證關(guān)閉、小口徑、低壓差直通雙座控制閥小平衡力小、泄露量較大最為常用角形控制閥流路簡單，阻力較小現(xiàn)場管道要求直角連接、高壓差、介質(zhì)黏度大、含有少量懸浮物和顆粒狀固體三通控制閥有二個(gè)出入口與工藝管道連接，可組成分流與合流兩種形式配比控制或旁路控制隔膜控制閥結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力大、耐腐蝕性強(qiáng)

11、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性、高黏度、含懸浮顆粒狀的介質(zhì)蝶閥結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價(jià)格便宜、流阻極小、泄露量大大口徑、大流量、低壓差、含有少量纖維或懸浮顆粒狀介質(zhì)球閥閥芯與閥體都呈球形體流體的黏度大、污穢、雙位控制凸輪撓曲閥密閉性好、重量輕、體積小、安裝方便介質(zhì)黏度高、含懸浮物顆?；\式閥可調(diào)范圍大、振動(dòng)小、小平 衡力小、結(jié)構(gòu)簡單、套筒互換 性好、汽蝕小、噪音小壓差大、要求噪音小的場合。對(duì)圖溫、身黏度及含固體顆粒的介質(zhì)不適用3-16、控制閥的流量特性是什么解答：控制閥的流量特性是指被控介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度（或相對(duì)位移）之間的關(guān)系，即Qmax式中相對(duì)流量 _Q是控制閥某一開度時(shí)的流量 Q 與

12、全開時(shí)的流量 Qmax之比。相對(duì)開 Qmax度-是控制閥某一開度時(shí)的閥桿行程了與閥桿總行程L之比。L3-17、何為控制閥的理想流量特性和工作流量特性解答：閥前后壓差保持不變時(shí)的流量特性稱為理想流量特性；在實(shí)際使用過程中，閥前后的壓差會(huì)隨閥的開度的變化而變化，此時(shí)的流量特性稱為工作流量特性。3-18 .什么是串聯(lián)管道中的阻力比 ss值的減少為什么會(huì)使理想流量特性發(fā)生畸變解答：s值表示控制閥全開時(shí)閥上壓力差與系統(tǒng)總壓差之比。當(dāng)s=1時(shí)，說明系統(tǒng)總壓差全部降在控制閥上，所以控制閥在工作過程中，隨著閥開度的變化，閥兩端的壓差是不變的， 故工作流量特性與理想流量特性是一致的。當(dāng)s值小于1時(shí)，系統(tǒng)的總壓差

13、一部分降在控制閥，另一部分降在與控制閥串聯(lián)的管道上。隨著閥的開度增大，流量也增加，降在串聯(lián)管道 上的壓差增加，從而是使降在控制閥上的壓差減少，因而流過控制閥的流量也減少。所以隨著s值減少，會(huì)使理想流量特性發(fā)生畸變，閥的開度越大，使實(shí)際流量值離開理想值越大。具體來說，會(huì)使理想的直線流量特性畸變?yōu)榭扉_特性，使理想的等百分比流量特性畸變?yōu)橹本€特性。3-19.試述電-氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器在控制系統(tǒng)中的作用。解答：電-氣轉(zhuǎn)換器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的氣信號(hào)的一種裝置。在控制系統(tǒng)中，如果所使用的控制器是電動(dòng)控制器，其輸出信號(hào)為070mA DC或420mA DC,但所選擇的執(zhí)行器為氣動(dòng)執(zhí)行器，其輸入信號(hào)

14、一般為 20100kPa。這時(shí)就需要采用電-氣轉(zhuǎn)換器，先將控制器的輸出 電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)氣信號(hào)，才能為氣動(dòng)執(zhí)行器所接受。電-氣閥門定位器除了能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)外，還能夠使閥桿位移與送來的信號(hào)大 小保持線性關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)控制器來的輸入信號(hào)與閥門位置之間關(guān)系的準(zhǔn)確定位，故取名為定位器。定位器可以使用在閥的不平衡力較大或閥桿移動(dòng)摩擦力較大等場合，同是還可以利用定位器來改變閥門的流量特性，改變執(zhí)行器的正、 反作用。在分程控制中， 利用定位器可以使閥門在不同的信號(hào)段范圍內(nèi)作全行程移動(dòng)。3-20.控制器參數(shù)整定的任務(wù)是什么工程上常用的控制器參數(shù)整定有哪幾種方法解答：控制器參數(shù)整定的任務(wù)是：根據(jù)已定的控制

15、方案，來確定控制器的最佳參數(shù)值（包括比例度8、積分時(shí)間Ti；、微分時(shí)間Td）,以便使系統(tǒng)能獲得好的控制質(zhì)量。控制器參數(shù)整定方法有理論計(jì)算和工程整定兩大類，其中常用的是工程整定法。屬于控制器參數(shù)工程整定法主要有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗(yàn)湊試法等。3-21.什么是臨界比例度法有何特點(diǎn)解答：臨界比例度法是在純比例運(yùn)行下通過試驗(yàn)，得到臨界比例度8,和臨界周期 Tk,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的關(guān)系求出控制器各參數(shù)值。這種方法比較簡單、易于掌握和判斷，適用于一般的控制系統(tǒng)。但是不適用于臨界比例度小的系統(tǒng)和不允許產(chǎn)生等幅振蕩的系統(tǒng)，否則易影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行或造成事故。3-22.什么是衰減曲線法有何特點(diǎn)解答：衰減曲線法是在純比例運(yùn)行下通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩，得到衰減比例度 法和衰減周期Ts （或上升時(shí)間 T升），然后根據(jù)