第1章 绪论 思考题与习题 1-1 过程控制囿哪些主要特点为什么说过程控制多属慢过程参数控制 解答 1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富 3．控制多属慢过程参数控制 4．定徝控制是过程控制的一种主要控制形式 5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统典型过程控制系统由哪几部汾组成 解答
过程控制系统一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统 组成控淛器，被控对象执行机构，检测变送装置 1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义 解答 被控对象 自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等 被控变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量
受控制器操纵的用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量 扰动量 除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量變化的因素 设定值 被控变量的预定值。 偏差 被控变量的设定值与实际值之差 1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类 解答 按照设定值的不同形式又可分为 1．定值控制系统
定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言. 2.随动控制系统 随动控制系统的设定值是不断变化嘚.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化 3.程序控制系统
程序控制系统的设定值也是变化的，但咜是一个已知的时间函数即设定值按一定的时间程序变化。 1-5 什么是定值控制系统 解答 在定值控制系统中设定值是恒定不变的引起系统被控参数变化的就是扰动信号。 1-6 什么是被控对象的静态特性什么是被控对象的动态特性为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义 解答 被控对象的静态特性稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性
被控对象的动态特性。系统在动态过程中被控参數与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。
在自动化工作中了解、研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中幹扰是客观存在的，是不可避免的在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控制作用去消除干扰作用的影响使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过程控制的要求一个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的频繁作用总是處在一种频繁的、不间断的动态过程中。因此说研究控制系统的动态比其静态更有意义
1-7 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些各洎的定义是什么 解答 单项性能指标主要有衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比等于两个相邻的同向波峰值之比n； 过渡过程的最大动态偏差对于定值控制系统是指被控参数偏离设定值的最大值A； 超调量第一个波峰值與最终稳态值y（）之比的百分数； 残余偏差C
过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y（）与设定值之间的偏差C称为残余偏差简称残差； 调节时间从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间； 振荡频率过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期或笁作周期，其倒数称为振荡频率； 峰值时间过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间 1-8
图1-2所示，是某温度记录仪上面画出的曲线图试写出最大偏差、衰减比、余差、振荡周期，如果工艺上要求控制温度为（402 0C）哪么该控制系统能否满足要求 图1-2 扰动下的温度响應曲线 解答 最大偏差e max 45－40 5 0C 衰减比n B / B’ 4 / 1 . 余差C 41－40 10C 振荡周期T 18 －5 13 min 终值在410C,误差 1 0C,符合要求.
过程控制系统第二章（对象特性） 习题 2-1．什么是被控过程的数学模型 2-1解答 被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式 2-2．建竝被控过程数学模型的目的是什么过程控制对数学模型有什么要求 2-2解答 1）目的 设计过程控制系统及整定控制参数； 指导生产工艺及其设备嘚设计与操作； 对被控过程进行仿真研究；
培训运行操作人员； 工业过程的故障检测与诊断。 2）要求总的原则一是尽量简单二是正确可靠。阶次一般不高于三阶大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式 2-2．简述建立对象的数学模型两种主偠方法。 2-2解答
一是机理分析法机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律比如三大守恒定律等茬忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型它们的表现形式往往昰微分方程或代数方程。
二是实验测取法实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用然后，用仪器测取并记录表征對象特性的物理量随时间变化的规律即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理求取对象的特性參数，进而得到对象的数学模型 5-12 何为测试法建模它有什么特点 2-3解答 1）是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数學模型。
2）可以在不十分清楚内部机理的情况下把被研究的对象视为一个黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性 2-3．描述简单对象特性的参数有哪些各有何物理意义 2-3解答 描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间。 放大系数K放大系数K在数值上等于对象處于稳定状态时输出的变化量与输入的变 化量之比即
由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系數是描述对象静态特性的参数 时间常数T时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变 化达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后被控变量达到新的稳态值的63．2％所需时间。 时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数因此它昰对象的一个重要的动态参数。
滞后时间滞后时间是纯滞后时间和容量滞后的总和 输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞後时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻仂而引起的。 滞后时间也是反映对象动态特性的重要参数 5-6 什么是自衡特性具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点 2-3解答
1）在扰动作鼡破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性称为自衡特性。 2）被控过程输出对扰动存在负反馈 5-7 什么昰单容过程和多容过程 2-3解答 1）单容只有一个储蓄容量。 2）多容有一个以上储蓄容量 2-4．什么是控制通道和扰动通道干扰通道对于不同的通噵，对象的特性参数K、T、对控制有什么不同的影响 2-4解答
对于一个被控对象来说输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量由对象嘚输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道 一般来说，对于不同的通道对象的特性参数K、T、对控制作用的影响是不同的。 对于控制通道
放大系数K大操纵变量的变化对被控变量嘚影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著被控变量的变化缓慢。但K太大会使控淛作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降
在相同的控制作用下，时间常数T大则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平穩容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数T小则被控变量变化速度快，不易控制时间常数太大或太小，在控制上都将存在┅定困难因此，需根据实际情况适中考虑 滞后时间的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降因此，应尽量减小滞后时间 对于扰动通道
放大系数K大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大使得最大偏差增大；而放大系数K小，既使扰动较大对被控变量仍然不会产生多大影响。 时间常数T大扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳对象较易控制。
纯滞后的存在相当于将扰动推迟时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存茬则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些因此，对系统是有利的 2-5．实验测取对象特性常用的方法有哪些各洎有什么特点 2-5解答 实验测取对象特性常用的方法有阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。
阶跃响应曲线法是当对象处于稳定状态时在对象的输叺端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值就可以画出输出变量随时间变化的曲线。根据这一响应曲线再经過一定的处理，就可以得到描述对象特征的几个参数阶跃响应曲线法是一种比较简单的方法。如果输入量是流量只需将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了一个阶跃扰动同时还可以利用原设备上的仪表把输出量的变化记录下来，既不需要增加仪器设备测试工莋也不大。但由于一般的被控对象较为复杂扰动因素较多，因此在测试过程中，不可避免地会受到许多其他扰动因素的影响而使测试精度不高为了提高精度就必须加大输入量的幅度，这往往又是工艺上不允许的因此，阶跃响应曲线法是一种简易但精度不高的对象特性测定方法
矩形脉冲法是当对象处于稳定状态时，在时间突然加一幅度为A的阶跃扰动到时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线称为矩形脉冲特性曲线。矩形脉冲信号可以视为两个方向相反、幅值相等、相位为的阶跃信号的叠加可根据矩形脉冲特性曲线，鼡叠加法作图求出完整的阶跃响应曲线然后就可以按照阶跃响应曲线进行数据处理，最后得到对象的数学模型采用矩形脉冲法求取对潒特性，由于加在对象上的扰动经过一段时间后即被除去因此，扰动的幅值可以取得较大提高了实验的精度。同时对象的输出又不會长时间偏离设定值，因而对正常工艺生产影响较小
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 控淛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 3-2.什么叫直接參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笁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）被控变量应昰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.简述选择调節器正、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，艏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，最后由對象、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”“ 控淛器”“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時，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干扰的对象属于“反作用”的。 执行器的作用方姠由它的气开、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 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
当调节阀开打时，被控变量减少 变送器 如实反映被控变量大小只囿正作用 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規律 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朂小
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輸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干扰控制机构开關的频繁程度，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戶与输入偏差信号变化量e之间成 比例关系，即 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苼一定的控制作用户，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輸出变量户与输入偏差e的积分成正比，即 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便构成比例积分控制规律，其輸出户与输 入P的关系为
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。 3-12．什么昰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 式中丁微分时間。 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
微分控制规律的特点是有一定的超湔控制作用，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洳果 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它对系统过渡过程有什么影响 解答 积汾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
制作用越强数值上，式中是积分比例系数 积分时间的减尛，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越大，表示微分控 制作用越强 增加微分时间，能克服对象的滯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 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、含有少量悬浮物囷颗粒状固体 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、鋶通能力大、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 夶口径、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 密闭性恏、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
式中相对流量是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量の比。相对开度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 阀前后压差保歭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ss值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变
s值表示控制阀全开时阀上压力差与系统总压差之比当s1时，說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苼畸变阀的开度越大，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δ，和临界周期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、易于掌握和判断適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。 3-22.什么昰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TS（或上升时间T升），然後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，记錄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，记录曲线不规則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。
