过程控制系统 第3章 简单系统 习题与解答.doc

1、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

2、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

3、 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

4、 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

5、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

6、 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 ”“ 执 行 器 ”“ 控 制 器 ”=“负 反 馈 ”3-6.被控对象、执行器、

7、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

8、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 ：作 用方 向 环 节正 作 用 方 向 （ +） 反 作 用 方 向 （ -）控 制 器 输 出 随 被 控 变 量 增 加 而 增 加 输 出 随 被 控 变 量 增 加 而 减 少执 行 器 气 开 阀 气 闭 阀被 控 对 象 当 调 节 阀 开 打 时 ， 被 控 变 量 增 加 当 调 节 阀

9、 开 打 时 ， 被 控 变 量 减 少变 送 器 如 实 反 映 被 控 变 量 大 小 ， 只 有 正 作 用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 ”“ 执 行 器 ”“ 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

10、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，

11、即 ekp式中 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edtkp1式中 积分比例系数。在比例控制的基础上，再加上积分控制作用，

12、便构成比例积分控制规律，其输出户与输入 P 的关系为： edtkp1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dteTpD式中丁 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： dteTKpDP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

13、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 ?它对系统过渡过程有什么影响 ?1T解答：积分时间 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1制作用越强，数值上 ，式中 是积分比例系数。1KT1积分时间 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1速度，提高系统的静态准确度。3-14什么是微分时间 ?它对系统过渡过程有什么影响 ?DT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 越大，表示微分控DT制作用越强。增加微分时间 ，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。DT但

14、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？类型 特点 主要使用场合 直通单座控制阀 结构简单、泄露量小、易于保证关闭、小口径、低压差直通双座控制阀 不平衡力小、泄露量较大 最为常用角形控制阀 流路简单，阻力较小 现场管道要求直角连接、高压差、介质黏度大、含有少量悬浮物和颗粒状固体三通控制阀 有三个出入口与工艺管道连接，可组成分流与合流两种形式配比控制或旁路控制隔膜控制阀 结构简单、流阻小、流通能力大、耐腐蚀性强强酸、强碱、强腐蚀性、高黏度、含悬浮颗粒状的介质蝶阀 结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小、泄露量大大口径、

15、大流量、低压差、含有少量纤维或悬浮颗粒状介质球阀 阀芯与阀体都呈球形体 流体的黏度大、污秽、双位控制凸轮挠曲阀 密闭性好、重量轻、体积小、安装方便介质黏度高、含悬浮物颗粒笼式阀 可调范围大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好、汽蚀小、噪音小压差大、要求噪音小的场合。对高温、高黏度及含固体颗粒的介质不适用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 LlfQmax式中相对流量 是控制阀某一开度时的流量 Q 与全开时的流量 之比。相对开ax maxQ度 是控制阀某一开度时的阀杆行程了与阀杆总行程之比。Ll

16、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

17、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 010mA DC 或 420mA DC，但所选择的执行器为气动执行器，其输入信号一般为 20100kPa。这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转

18、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

19、 佳 参 数 值 （ 包 括比 例 度 、 积 分 时 间 TI； 、 微 分 时 间 TD） ， 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 ， 和 临 界

20、周 期 TK， 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 S和 衰 减周 期 TS（ 或

21、 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 。