过程控制系统第3章简单系统习题与解答

第第 3 3 章章 习题与思考题习题与思考题 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”ד执行器”ד控制器” =“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 正作用方向（ +） 方向环节 控制器 执行器 被控对象 变送器 输出随被控变量增加而增加 气开阀 当调节阀开打时，被控变量增加 输出随被控变量增加而减少 气闭阀 当调节阀开打时，被控变量减少 反作用方向（ -） 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”ד执行器”ד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，即 p  k p •e 式中k p ——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 p  k 1 edt 式中k 1——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，其输出户与 输 入 P 的关系为： p  k p e k 1 edt 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 p  TD de dt 式中丁TD——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： de  p  K P e T D  dt  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T1?它对系统过渡过程有什么影响? 解答： 积分时间T1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T 1  1 ，式中K 1是积分比例系数。 K 1 积分时间T1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 速度，提高系统的静态准确度。 3-14．什么是微分时间TD?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TD越大，表示微分控 制作用越强。 增加微分时间TD，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。 但微 分时间不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。 3-1