概述过程控制系统的组成P2四个基本组成部分被控对象检测与变

概述过程控制系统的组成（P2）四个基本组成部分：被控对象、检测与变送仪表、调节器（控制器）、执行机构。过程控制系统基本结构图;控制系统系统的性能指标（工程意义是什么，给出阶跃响应，会计算相应的指标值）过程控制系统建模方法什么是对象的数学模型？（表达对象输出与输入关系的数学表达式）过程控制系统建模的基本方法有哪些？其基本原理是什么？要求：掌握机理法的建模步骤，会用机理法对简单对象进行建模。要求：记住自衡单容对象、双容对象、无自衡单容对象的数学模型及其单位阶跃响应曲线。时域法测定对象动态特性的数据处理：作图法、两点法（主要针对一阶对象的K、T、τ）过程控制系统的设计掌握过程控制系统设计的步骤;掌握被控量、控制量的选择原则;根据工艺条件，能够设计简单控制系统（选择控制量、被控量、执行机构的气开、气关特性、调节器的正反作用、画控制原理图、方框图）;调节阀流量系数P50、流量特性P53、可调比根据调节阀的理想流量特性，可以分为哪几种？调节阀气开、气关是如何规定的？选择原则是什么？PID调节原理1.比例度的定义。）2.PID参数对调节过程的影响。3.调节器的正、反作用是如何规定的？如何确定控制系统中调节器的正、反作用？4.调节器参数的工程整定方法有哪些？了解其整定过程。1、有一台PI调节器，δ=100%，Ti=1分，若将P改为200%时：（1）调节系统稳定程度提高还是降低？为什么？（2）动差增大还是减小？为什么？（3）静差能不能消除？为什么？（4）调节时间加长还是缩短？为什么？答案：∵ΔU=Kp*e+Kp/Ti∫edt

其中：ΔU—输出变化量，e—输入变化量，Kp—比例常数，Kp=1/δ;

当δ从100%变为200%、Ti不变时，偏差e不变，输出信号ΔU变小。所以：

（1）稳定程度提高（因为δ增大后，ΔU变小，不易振荡）。

（2）动差增大（由于ΔU变小后，调节幅度小即调节作用弱，造成动差增大）。

（3）静差会消除（因有积分作用存在）。

（4）调节时间加长（因Kp是调节器的放大系数，当比例度P增大即Kp减小时，调节器灵敏度降低，则克服动、静差的时间加长）。2.一般常规调节系统在负荷变动或变动较大时，为什么调节质量会变坏？如何解决？答案：一般常规调节系统中的调节参数只能人工调节，在工艺正常运行是调整好的PID参数，只能保证在这种状态下的调节质量，而调节对象特性都为非线性的，在负荷工况变动较大时，对象特性将发生变化，因此原来的调节器参数就不再适应，这时要根据具体情况重新整定调节器参数才有可能使调节质量变好。3、炉出口温度调节，当适当引入微分作用后，有人说比例度可以比无微分时小些，积分时间也可短些，对吗？为什么？答案：这样说是对的。因为微分作用是超前的调节作用，其实质是阻止被调参数的变化，提高系统的稳定性，适当的减小比例度和积分时间有利于提高系统的质量。第五章串级控制系统掌握串级控制系统的结构形式特殊控制系统1.比值控制系统的定义、工艺比值与比值系数的含义有什么不同？比值系数的计算与什么有关？（并说明二者之间的关系。）2.比值控制系统的结构形式，各有什么特点？3.均匀控制系统的概念。4.分程控制系统的概念、应用于哪些场合？信号分程如何实现？5.如何处理分程信号的衔接问题？6.什么是自动选择性系统？有哪些结构形式？6.1分程调节系统常要加装（）来达到分程的目的。A．调节器 B.变送器 C.阀门定位器D.测量仪表6.2设制分程调节系统的目的是（）A．为了满足工艺的特殊要求B．扩大可调比C．为了满足工艺的特殊要求，扩大可调比D.为了系统安全6.3均匀调节系统调节器参数应为（）。A．比例度小于100% B．比例度大于100%C．比例度等于100%D.比例度大于100%～200％6.4如图控制系统为（B）A．单闭环控制系统B．单闭环比值控制系统C．开环比值系统、D、均匀控制系统6.5如图控制系统为（C）A．双闭环比值控制系统B．单闭环比值控制系统C．变比值控制系统、D、串级控制系统6.6如图控制系统为（）A．单回路控制系统B．分程控制系统C．串级控制系统、D、均匀控制系统6.7甲的正常流量为240Kg/h，仪表量程为0-360Kg/h；乙的常用流量为120Nm3/h，仪表量程为0-240Nm3/h，设计控乙的单闭环比值控制系统，画出流程图并计算引入开方运算与不引入开方运算所分别设置的比值系数。15分。解：单比值控制流程图：引入开方器：无开方器：补偿控制掌握前馈控制系统的基本结构。静态前馈、动态前馈控制器的的数学模型。前馈－反馈控制在哪些优点？P170（或者：工业控制中为什么不用纯前馈，而选用前馈加反馈。）何为大迟延过程系统？如何对大迟延对象进行控制？Smith预估器的设计思想是什么？7.3题、7.4题。引入前馈必须遵循哪些原则？答：1）系统中的振动量是可测不可控的。2）系统中的振动量的变化幅值大、频率高。3）控制通道的滞后时间较大或干扰通道的时间常数较小。前馈控制适用于什么场合？为什么它常与反馈控制构成前馈－反馈控制系统？对于扰动通道传递函数，控制通道传递函数的前馈－反馈控制系统，求前馈控制器Gff(s)。答：1.前馈控制是按扰动而进行的控制，因此，前馈控制常用于以下场合：一是扰动必须可没，否则无法实施控制;二是必须经常有比较显著和比较频繁的扰动，否则没有必要。三是存在对被控参数影响较大且不易直接控制的扰动。 2.前馈控制是一种补偿控制。一般来讲，前馈控制无法全部补偿扰动对被控量的影响。因此，单纯的前馈控制系统在应用中具有一定的局限性。为克服这一弊端，前馈控制常与反馈控制联用，构成前馈－反馈控制系统。对最主要的、显著的、频繁的无法直接控制的扰动，由前馈来进行补偿控制;对无法完全补偿的扰动影响，由反馈控制根据被控制量所产生的偏差的大小来进行控制。 3.系统原理图如图所示。1.如图示加热炉，采用控制燃料气流量来保证加热炉出口温度恒定。 1.若进料量是主要扰动且不可控制时，设计合理的控制方案，并作简要说明。 2.当燃料气阀前压力是是主要扰动且不可控时，设计合理的控制方案，并作简要说明。答：当总进料量是主要扰动时，控制方案如图所示。该方案为前馈－反馈控制系统方案。如果负荷是主要扰动，我们将总进料量测出，将流量信号送到前馈补偿装置，其输出与温度控制器的输出相迭加，作为总的控制作用。这时，当进料量发生变化后，不需要等到出现偏差，燃料量就会及时作相应的调整，结果使控制过程中的温度偏差大为减小。当燃料压力是主扰动时，控制方案如图年示。该方案为被加热物料出口温度对燃料气流量的串级控制系统方案。当燃料气压力发生变化是，利用副环的作用，可以迅速地对扰动作出反应，调整燃料阀的开度，调整较为及时。但是这只是一个粗略的调整，扰动对温度的影响还需通过主环作进一步的细调，使被控的主变量――被加热物料出口温度保持在期望值。1.过程控制仪表的分类及特点按结构形式分类：（1）单元组合式仪表（2）基地式仪表（3）集散型计算机控制系统（4）现场总线控制系统2.热电偶的冷端温度补偿（1）为什么要冷端温度补偿？答：热电偶检测温度时，由于产生的热电偶不仅与热端温度有关，也与冷端温度有关，因此需要进行冷端温度补偿；如何补偿？答：有4种方法：计算法、冰浴法、机械调零法、补偿电桥法。冰浴法：将热电偶的冷端放入冰水混合物中，使冷端温度保持0°。补偿电桥法：利用直流不平衡电桥产生的电势来补充热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化。3执行器的作用及分类作用：控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。分类：根据执行机构使用的能源种类，执行器可分为气动、电动、液动三种。气开和气关气开阀：在有信号压力输入时阀打开、无信号压力时阀全关气关阀：在有信号压力时阀关闭，无信号压力时阀全开从控制系统角度出发，气开阀为正作用，气关阀为反作用正作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向下移动反作用执行机构：当输入气压信号增大时，阀杆向上移动5.选择气开、气关的原则基本原则：根据安全生产的要求选择调节阀的气开和气关(1)考虑事故状态时人身、工艺设备的安全。当过程控制系统发生故障（如气源中断，控制器损坏或调节阀坏了）时，调节阀所处的状态不致影响人身和工艺设备的安全。(2)考虑事故状态下减少经济损失，保证产品质量。(3)考虑介质的性质。对装有易结晶、易凝固物料的装置，蒸汽流量调节阀需选用气关式，一旦事故发生，使其处于全开状态，以防止物料结晶、凝固和堵塞给重新开工带来麻烦，甚至损坏设备。调节阀的理想流量特性调节阀的流量特性：是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即：理想流量特性：在阀前后压差为一定的情况下（p=常数）得到的流量特性。工作流量特性：调节阀前后压差变化时的流量特性。四种不同理想流量特性取决于阀芯的形状。不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性：直线流量特性调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是一个常数。数学表达式：特点：直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易产生振荡；大开度时，调节缓慢，不够及时。对数流量特性单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。数学表达式：特点：从过程控制工程来看，利用对数（等百分比）流量特性是有利的。调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时，其放大系数大，控制作用灵敏有效。快开流量特性在小开度时流量就已很大，随着行程的增大，其流量就很快达到最大，故称为快开特性。特点：当阀的行程大时，阀的流通面积不再增大，不能起控制作用。这种调节阀通常用于二位式控制或程序控制。抛物线流量特性单位相对行程（开度）的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。数学表达式：被控参数的选择原则（1）选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数作为被控参数。(直接参数法)（2）当不能直接用直接参数作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。(间接参数法)（3）被控参数必须具有足够高的灵敏度。（4）被控参数的选择，必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。控制参数的选择原则控制通道的放大系数Ko要适当大一些；时间常数To要适当小一些；纯滞后o越小越好。在有纯滞后的情况下，o和To的比值应小一些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。（2）扰动通道的放大系数应尽可能小；时间常数要大；扰动引入系统的位置（指框图中的位置）要靠近调节阀。（3）当过程本身存在多个时间常数，在选择控制参数时，应尽量把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。这一原则同样适用于控制器、调节阀和测量变速器时间常数的选择。控制器、调节阀和测量变速器的时间常数应远小于被控过程中最大的时间常数。这样，系统允许有较大的放大倍数，而仍能保证闭环系统有一定的稳定裕度。一般希望控制通道克服扰动的能力要强，动态响应应比扰动通道快。扰动的影响过程静态特性对控制质量好坏有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。扰动通道静态放大系数越大，则系统的稳态误差也越大，这表示在相同的阶跃扰动作用下，将使被控参数偏离给定值越大，显著地降低控制质量。控制通道的静态放大系数越大，表示控制作用越灵敏，克服扰动的能力越强，控制效果越显著。因此，确定控制参数时，使控制通道的放大系数Ko大于扰动通道的放大系数Kf是合理的。当这一要求不能满足时，可通过调节控制器的放大Kc系数来补偿，使KcKo的值远大于Kf。（1）控制通道时间常数To的影响控制通道的时间常数的大小反映了控制作用的强弱，反映了控制器的校正作用克服扰动对被控参数影响的快慢。若控制通道时间常数太大，则控制作用太弱，被控参数变化缓慢，控制不能及时，系统过渡过程时间长，控制质量下降；若控制通道时间常数太小，虽控制作用强，控制及时，克服扰动影响快，过渡过程时间短，但易引起系统振荡，使系统稳定性下降，亦不能保证控制质量。所以在系统设计时，要求控制通道时间常数适当小一些，使其校正及时，又能获得较好的控制质量。（2）扰动通道时间常数Tf的影响分析一个一阶惯性环节的阶跃响应曲线，可以发现，惯性环节相当于一个滤波环节。因此，扰动通道为一个惯性环节，它对扰动起着滤波作用，抑制扰动对被控参数的影响。所以，扰动通道的时间常数Tf越大，容积越多，则扰动对被控参数的影响也越小，控制质量也越好。控制器的选择比例控制作用对控制质量的影响：•随着控制器放大系数Kc的增大，控制系统的稳定性降低。•随着Kc的增大，余差将减少，但不能消除。积分控制作用对控制质量的影响：•积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。•TI愈小，稳定性愈差。微分控制作用对控制质量的影响：•引入微分控制作用后，控制质量将全面提高。•微分作用太强，会引起控制阀时而全开、时而全关。（1）P控制规律：特点：采用P控制规律能较快克服扰动的影响，使系统稳定下来，但有余差。适用场合：它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许有一定范围内有余差的场合。PI控制规律：特点：在工程上PI控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能消除余差。适用场合：它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。（3）PD控制规律：特点：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规律（微分时间设置得得当）对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果。适用场合：对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用PD控制规律。但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性扰动的系统，则不宜采用微分作用。（4）PID控制规律：特点：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。适用场合：它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。控制器参数的半经验整定法衰减曲线法调整比例度：对于随动控制系统，使控制系统过渡过程响应曲线的衰减比为10:1，得到上升时间tr，这时的比例度为s；对于定值控制系统，使控制系统过渡过程响应曲线的衰减比为4:1，得到振荡周期Tp，这时的比例度为s缺点：衰减比不易读取，优点是对工艺过程的影响较小。例题：某温度控制系统，采用4：1衰减曲线法整定控制器参数，得S=20%，Tp=10分，当控制器分别为比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时，试求其整定参数值。（2）临界比例度法调整比例度，使过渡过程出现等幅振荡，这时的比例度为临界比例度k，振荡周期为临界振荡周期Tk由于多数过程有饱和特性，因此，出现等幅振荡后，减小比例度时，系统不出现发送振荡，因此不易确定临界比例度。为此，在调试时，比例度要从大到小，缓慢变化。例题：假设广义被控过程传递函数为：串级控制（1）什么事串级控制？答：由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。（2）串级控制的特点？答：1、改善了被控过程的动态特性2、提高了系统的工作频率3、能迅速克服进入副回路扰动的影响，具有较强的抗干扰能力4、对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力串级控制系统主、副参数的选择（1）主变量的选择串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则进行。（2）副变量的选择•副变量的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反映灵敏•副回路应包含被控对象所受到的主要扰动并包含尽可能多的扰动应使主、副过程的时间常数适当匹配•当To1/To2>10时，则To2很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。•当To1/Tp2<3时，说明To2过大，副回路的控制作用不及时。•当To1/To2=1时，主、副回路易出现“共振效应”。这时主、副回路的动态联系十分紧密，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，使系统稳定性变差。（主调节器应选PI或PID控制规律，副调节器只要选P控制规律。）过程控制期末试题库一、填空题（本题共计10分，包括3小题，10个填空，每空1分）一般一个简单控制系统由（检测/变送）装置、（被控对象）、（调节）器和（执行）机构组成。过程控制系统常用的参数整定方法有：（经验法）、（衰减曲线法）、（稳定边界法/临界比例度法）和（响应曲线法）。在PID调节器中，调节器的Kc越大，表示调节作用（越强），Ti值越大，表示积分作用（减弱），Td值越大表示微分作用（增强）。常见的过程计算机控制系统分为下列几种典型形式：（操作指导控制系统）、直接数字控制系统、（监督计算机控制系统）、（集散控制系统）和现场总线控制系统。在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统。定值控制系统特点：设定值是（固定不变）；作用：保证在（扰动）作用下使被控变量始终保持在设定值上。随动控制系统特点：设定值是一个（变化量）；作用：保证在各种条件下系统的输出（及时跟踪设定值变化）。3）程序控制系统特点：设定值是一个（按一定时间程序变化的时间函数）；作用：保证在各种条件下系统的输出（按规定的程序自动变化）。热电偶温度计的基本组成部分部分是（热电偶）、（测量仪表）、（连接热电偶）和（测量仪表的导线）。串级控制系统能迅速克服进入（副）回路的扰动，改善（主）控制器的广义对象特性，容许（副）回路内各环节的特性在一定的范围内变动而不影响整个系统的控制品质。定值控制系统是按（偏差）进行控制的，而前馈控制是按（扰动）进行控制的；前者是（闭）环控制，后者是（开）环控制。二、选择题（本题共计10分，包括5小题，每题2分）由于微分调节规律有超前作用，因此调节器加入微分作用主要是用来（C）:A.克服调节对象的惯性滞后（时间常数T），容量滞后τc和纯滞后τ0.B.克服调节对象的纯滞后τ0.C.克服调节对象的惯性滞后（时间常数T），容量滞后τc.定值调节是一种能对（A）进行补偿的调节系统。A．测量与给定之间的偏差B．被调量的变化C．干扰量的变化D.设定值的变化定值调节系统是（X）环调节，前馈系统是（X）环调节(B)。A．开，闭B．闭，开C．开，开D．闭，闭调节系统在纯比作用下已整定好，加入积分作用后，为保证原稳定度，此时应将比例度（A）。A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小成分、温度调节系统的调节规律，通常选用（C）。A.PIB.PDC.PID.流量、压力调节系统的调节规律，通常选用（A）。A.PIB.PDC.PID液位调节系统的调节规律，通常选用（D）。A.PIB.PDC.PIDD.P调节系统中调节器正、反作用的确定是根据(B)：A．实现闭环回路的正反馈。B．实现闭环回路的负反馈。C．系统放大倍数恰到好处D．生产的安全性。单纯的前馈调节是一种能对（C）进行补偿的调节系统。A．测量与给定之间的偏差B．被调量的变化C．干扰量的变化定值调节是一种能对（A）进行补偿的调节系统。A．测量与给定之间的偏差B．被调量的变化C．干扰量的变化热电偶温度计（C）A)是利用两个相互接触金属导体的温差电动势特性进行测温的。 B)是利用两个相互接触金属导体的接触电动势特性进行测温的。 C)是利用两个相互接触金属导体的温差电动势和接触电动势特性进行测温的。D)是利用两个非接触金属导体的温差电动势和接触电动势特性进行测温的。下面的叙述中哪一个是最为合理的（D）A)控制系统的时间滞后现象主要是由于被控对象的惯性特性引起的。B)控制系统的时间滞后现象主要是由于检测装置的安装位置引起的。C)控制系统的时间滞后现象对控制系统的稳定性无影响。D)以上三种叙述都不完整。DCS的中文含意是：（B）A)比例、积分、微分控制。B)分布式控制系统。C)可编程序控制器。D)以上三个都不正确。三、判断题：判断下列陈述的对错。你认为正确的，在每道题后面的括号里打√，否则打×（本题共计20分，包括10题，每题2分）与DCS相比，Fieldbus的主要技术优点之一是实现了控制系统彻底的分散[√]热电阻温度计需要进行冷端补偿才能正常工作。 [×]PID的含义是比例、积分和微分。 [√]前馈控制系统是一种定值控制，一般情况下前馈控制可以单独使用。 [×]用Smith补偿器来处理大时延控制对象时，不必要提供精确的对象数学模型。[×]被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。 [√]串级控制系统中的副控制器给定值是由主控制器的输出决定的，所以副控制器相当于一个闭环定值控制系统。 [×]衰减比n表示系统过渡过程曲线变化两个周期后的衰减快慢。 [×]热电阻温度计和热电偶温度计一样，测温时需要进行温度补偿。 [×]一个单回路控制系统由控制器、执行器、检测变送装置和被控对象组成。[√]在比值控制系统中，一般选择易调节的量为主变量，易测量的量为副变量。[×]DDC的中文含义是直接数字控制。 [√]被控对象的动态特性是描述被控对象输入输出关系动态特征的。 [√]串级控制系统适用于容量滞后较小的生产工艺过程。 [×]前馈控制系统一般可单独使用，因为其控制精度高，且不受外界干扰影响。[×]前馈控制与定值控制的原理相同，都是以偏差进行调解的。 [×]被控对象的存滞后时间常数是由于其自身的惯性特性引起的。 [×]在串级控制中，副控制器的输入值为主控制器的输出。 [√]四、简答题（本题共计15分，包括5小题，每题3分）什么是定值控制系统？答案：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。什么是随动控制系统？答案：随动控制系统的设定值是不断变化的，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。什么是程序控制系统？答案：程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。什么是调节(被控)对象，给定值和偏差？答案：自动调节系统的生产设备叫做调节对象或简称对象，而生产中要求保持的工艺指标，称为给定值。对于自动调节系统中，习惯采用给定值R减去测量值Y作为偏差e，即e=R-Y，给定值R大于测量值Y时为正偏差，而给定值R小于测量值Y时为负偏差。什么叫绝对压力、表压及真空度?它们的相互关系是怎样的?答案：绝对压力：绝对真空下的压力称为绝对零压，以绝对零压为基准来表示的压力叫绝对压力。表压力：当绝对压力大于大气压力时，绝对压力高于大气压力的数值称为表压力，简称表压。真空度：当绝对压力小于大气压力时，绝对压力低于大气压力的数值称为真空度或负压。绝对压力、大气压、表压、真空度之间的相互关系如图所示。简述PID调节器、和的作用是什么？答案：在PID调节器中，越大，表示调节作用越强，值越大，表示积分作用减弱，值越大表示微分作用增强。有一流量调节系统，信号传输管线很长，因此，系统产生较大的传送滞后。有人设想给调节器后加微分器来改善系统特性，试问这种设想合理否？为什么？若不合理，应采取什么措施合理？答案：这种设想不合理，因为信号传送滞后是纯滞后，而微分作用不能克服纯滞后。解决这一问题合理的措施是采用1：1继动器加在信号传输线之间，以增大信号流速，从而减小传输滞后，改善系统特性。利用微分作用来克服控制系统的信号传递滞后的设想是否合理与正确？答案：这种设想不合理，因为信号传送滞后是纯滞后，而微分作用不能克服纯滞后。合理的措施是采用1：1继动器加在信号传输线之间，以增大信号流速，从而减小传输滞后，改善系统特性。通常在什么场合下选用比例（P），比例积（PI）,比例积分微分（PID）调节规律？答案：比例调节规律适用于负载变化较小，纯滞后不太大而工艺要求不高又允许有余差的调节系统。比例积分调节规律适用于对象调节通道时间常数较小，系统负载变化不大（需要消除干扰引起的余差），纯滞后不大（时间常数不是太大）而被调参数不允许与给定值有偏差的调节系统。比例积分调节规律适用于容量滞后较大，纯滞后不太大，不允许有余差的对象。试简述临界比例度法及其特点。答案：临界比例度法是在纯比例运行下通过试验，得到临界比例度靠和临界周期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，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。试简述衰减曲线法及其特点。答案：衰减曲线法是在纯比例运行下通过使系统产生衰减震荡，得到衰减比例度和衰减周期（或上升时间），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。简述热电偶温度计组成部分及各部件的功能。（本题每写出1个组成部分得1分，每写出1个组成部分功能得1分）答案：热电偶温度计的基本组成部分有：热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线。如下图所示图题4（2）热电偶是系统中的测温元件，测量仪表是用来检测热电偶产生的热电势信号的，可以采用动圈式仪表或电位差计，导线用来连接热电偶与测量仪表。为了提高测量精度，一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合?答案：串级控制系统的主要特点为：（每写出1个应用场合的得2分）在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统；系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量；由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响；系统对负荷改变时有一定的自适应能力。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。简述建立对象的数学模型两种主要方法:（每写出1种方法的得2分）答案：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)，在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是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对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，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。复合前馈控制中的两种典型形式是什么？（4）答案：前馈-反馈控制和前馈-串级控制。热电偶有哪几种冷端补偿方法？（6）答案：冷端温度冰浴法计算修正法补偿电桥法写出任意三种常用的控制器参数整定方法（6）答案：经验法稳定边界法衰减曲线法响应曲线法衰减频率特性法（答出其中任意三种者得6分，每答出1种得2分）什么是串级控制，它由哪些基本环节组成？答案：将两台控制器串联在一起，使被控量的控制器的输出作为辅助控制量控制器的给定值，而辅助控制器输出控制一台控制阀的控制系统就是串级控制系统。串级控制系统一般由主被控对象、副被控对象、控制阀、主控制器、副控制器、主变送装置、副变送装置组成。简述大时延控制系统Smith预估补偿方案的特点。答案：Smith预估补偿方案的特点是预估出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了时间的被调量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显的减小超调量和加速调节过程，改善控制系统的品质。简述什么是有自衡能力的被控对象。答案：当被控对象受到干扰作用，平衡状态被破坏后，不需要外加控制作用，能依靠自身达到新的平衡状态的能力称为有自衡能力，这种对象称为有自衡能力的被控对象。前馈控制适用于什么场合？答案：前馈控制是按扰动而进行控制的，因此，前馈控制常用于的场合：一是扰动必须可测，否则无法实施控制；二是必须经常有比较显著和比较频繁的扰动，否则无此必要。三是存在对被控参数影响较大且不易直接控制的扰动。分别说明比例、积分、微分控制对控制系统的作用。答案：比例控制影响系统的动态特性和系统的稳定性；积分控制的作用是可以消除系统余差；微分控制可以提高系统的响应速度，克服对象容量滞后的影响。前馈控制适用于什么样的场合？前馈控制是按扰动而进行控制的，因此，前馈控制常用于以下场合：1)扰动必须是可测的，否则无法实施控制；2)必须经常有比较明显和频繁的扰动，否则没有必要；3)存在对被控参数较大而且不易直接控制的扰动。为什么前馈控制常与反馈控制构成前馈—反馈控制系统？答案：前馈控制是一种补偿控制。一般来讲，前馈控制无法全部补偿扰动对被控变量所产生的影响。因此，单纯的前馈控制系统在应用中就会带来一定的局限性。为克服这一弊端，前馈控制常与反馈控制联用，构成前馈—反馈控制系统。对最主要的、显著的、频繁的无法直接控制的扰动，由前馈来进行补偿控制；对无法完全补偿的扰动影响，由反馈控制根据其对被控变量所产生的偏差大小来进行控制。控制器的正反作用是如何确定的？五、计算题（本题共计15分，包括2小题）（5分）某控制系统用稳定边界法分别整定控制器参数，已知临界比例度，，试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。稳定边界法计算表如下。控制参数控制作用控制参数控制作用P2--PI2.20.85-PID1.70.50.13解：对于PI控制器查表得： 对于PID控制器查表得： （5分）某控制系统用4：1衰减曲线法分别整定控制器参数。将积分时间调至最大，微分时间调至最小，对系统施加阶跃信号，经过调节后系统的衰减比为4：1，此时记录下来的比例度和时间参数。试分别确定用PI和PID作用时的控制器参数。4：1衰减曲线整定经验参数表如下。控制参数控制作用控制参数控制作用P--PI1.20.5-PID0.80.30.1解：对于PI控制器查表得： 对于PID控制器查表得： （10分）一个流量双闭环比值控制系统如题5.2图所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器实现。已知，。求：画出控制系统的结构图。当时，比值控制系统的比值及比值系数分别为多少。待比值系统稳定时，测得，试计算此时的为多大。题5.2图流量双闭环比值控制系统原理图解：1)由于 得 ②所以① ②2)由仪表的比例系数定义，①得：②即：②一个比值流量控制系统用DDZ-Ⅲ型乘法器来进行比值运算，其原理图如题3图所示。流量用孔板配差压变送器来测量，但没有开方器，已知kg/h，kg/h。试画出比值控制系统的结构图。如果要求比值为，应如何设置乘法器的设定值。（乘法器的输出）题3图单闭环乘法比值控制系统原理图解：流量的最大量程分别为，。流量与检测电流的关系为，，，流量比值为，乘法器的输出为。稳态时有，即：，，。不加开方器情况，要进行非线性处理： 乘法器的设置值：①②③④⑤六、应用题（15）为了获得被控对象的动态特性，常用的实验方法之一是给被控对象施加一个阶跃扰动信号，观察其响应，从而有观察到的信息分析其特性。但由于某些生产过程的被控对象不允许长时间施加这样的干扰信号，所以人们采用矩形脉冲信号取代阶跃扰动，获得观测数据，再将脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线，以便于特性提取。题图6为一个矩形扰动脉冲x（宽度为t0，高度为A）施加到被控对象上的响应曲线y。用所学过的控制理论知识，将该脉冲响应曲线转换成高度为A的阶跃信号响应曲线。要求分析转换机理，写出转换步骤。题6图矩形脉冲输入/输出曲线答：设被控对象特性为线性特性，由叠加原理，输入一个矩形脉冲信号，相当于施加两个阶跃信号，一个在t=0处，另一个在t=t0处。⑤设阶跃响应为y1，将所测绘的响应曲线按时间间隔t0等分。在第一区间，y1(t0)=y1(t0)。在第二区间y1(2t0)=y(2t0)+y1(t0)。第三区间，y1(3t0)=y(3t0)+y1(2t0)。以此类推，将前一区间的阶跃响应曲线叠加到本区间的脉冲响应曲线上，即可得到本区间的阶跃响应曲线。⑤其响应曲线见下图。阶跃响应曲线⑤为了获得被控对象的动态特性，常用的实验方法之一是给被控对象施加一个阶跃扰动信号，观察其响应，从而有观察到的信息分析其特性。但由于某些生产过程的被控对象不允许长时间施加这样的干扰信号，所以人们采用矩形脉冲信号取代阶跃扰动，获得观测数据，再将脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线，以便于特性提取。题图6为一个矩形扰动脉冲x（宽度为t0，高度为A）施加到被控对象上的响应曲线y。用所学过的控制理论知识，将该脉冲响应曲线转换成高度为A的阶跃信号响应曲线。要求分析转换机理，写出转换步骤。在某一蒸汽加热器的控制系统中，用响应曲线法进行参数调整。当电动单元组合控制器的输出从6mA改变到7mA时，温度记录仪的指针从85℃升到87.8℃，从原来的稳定状态达到新的稳定状态。仪表的刻度为50~100℃，并测出纯滞后时间t0=1.2min,时间常数T0=2.5min。如采用PI和PID控制规律，试确定出整定参数（响应曲线法控制器参数整定经验公式见附表）。解： 输入增量为：mA 输出增量为：℃ 输入量程差为：mA 输出量程差为：℃所以， 由查表得：在选用PI控制器时， min在选择PID控制器时， min min用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。试问：实际温度应为多少？答：如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？***************************解：显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV，由于这个电势是由热电偶产生的，即同样，查表可得：由