【過程控制系統】PID算式實現，控制系統分類，工程應用中控制系統應該注意的問題

1-1 試簡述過程控制的發展概況及各個階段的主要特點。

1-2 與其它自動控制相比，過程控制有哪些優點？為什么說過程控制的控制過程多屬慢過程？

1-3 什么是過程控制系統，其基本分類是什么？

1-4 何為集散控制系統，試述其基本組成與各部分的作用原理。

2-1 何為被控過程及其數學模型，模型一般可分為哪幾類，它與過程控制有何關系？

2-2 什么是過程通道？什么是過程的控制通道和擾動通道？它們的數學模型是否相同？為什么？

2-3 從階躍響應曲線看，大多數被控過程有何特點？

2-4 試述研究過程建模的主要目的及其建模方法？

2-6圖示液位控制過程的輸入量為q1,流出量為q2、q3 ，液位h為被控變量，C為容量系數，并設R1、R2、R3均為線性液阻。要求：

2-21 試述在工程應用中，利用熱電偶和熱電阻測溫時，必須注意哪些主要問題？

2-29 為什么說溫度、流量、液位等過程都可通過壓力間接測量？

2-38 在工程應用中選用液位檢測儀表需注意哪些問題？

3-3?請歸納一下過程控制系統設計的主要內容。

3-6?什么是直接參數與間接參數？這兩者有何關系？選擇被控參數應遵循哪些基本原則？

4-1?什么叫串級控制系統？

4-2?與單回路系統相比，串級控制系統有哪些主要特點？

4-3?與單回路相比，為什么說串級控制系統由于存在一個副回路而具有較強的抑制擾動的能力？?編輯

4-8?串級控制系統通常可用在哪些場合？

4-11?前饋控制與反饋控制各有什么特點？

4-12?在什么條件下前饋效果最好？

4-19?為什么大滯后過程是一種難控制的過程？它對系統的控制品質影響如何？

4-25?什么叫比值控制系統？常用比值控制方案有哪些？并比較優缺點。

《過程控制系統》習題解答

1-1 試簡述過程控制的發展概況及各個階段的主要特點。

答：第一個階段 50年代前后：實現了儀表化和局部自動化，其特點：

1、過程檢測控制儀表采用基地式儀表和部分單元組合式儀表
2、過程控制系統結構大多數是單輸入、單輸出系統
3、被控參數主要是溫度、壓力、流量和液位四種參數
4、控制的目的是保持這些過程參數的穩定，消除或減少主要擾動對生產過程的影響
5、過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經典控制理論，主要解決單輸入、單輸出的定值控制系統的分析和綜合問題

第二個階段 60年代來：大量采用氣動和電動單元組合儀表，其特點：

1、過程控制儀表開始將各個單元劃分為更小的功能，適應比較復雜的模擬和邏輯規律相結合的控制系統
2、計算機系統開始運用于過程控制
3、過程控制系統方面為了特殊的工藝要求，相繼開發和應用了各種復雜的過程控制系統（串級控制、比值控制、均勻控制、前饋控制、選擇性控制）
4、在過程控制理論方面，現代控制理論的得到了應用

第三個階段70年代以來：現代過程控制的新階段——計算機時代，其特點：

1、對全工廠或整個工藝流程的集中控制、應用計算系統進行多參數綜合控制

2、自動化技術工具方面有了新發展，以微處理器為核心的智能單元組合儀表和開發和廣泛應用

3、在線成分檢測與數據處理的測量變送器的應用

4、集散控制系統的廣泛應用

第四個階段 80年代以后：飛躍的發展，其特點：

1、現代控制理論的應用大大促進了過程控制的發展

2、過程控制的結構已稱為具有高度自動化的集中、遠動控制中心

3、過程控制的概念更大的發展，包括先進的管理系統、調度和優化等。

1-2 與其它自動控制相比，過程控制有哪些優點？為什么說過程控制的控制過程多屬慢過程？

過程控制的特點是與其它自動控制系統相比較而言的。

一、連續生產過程的自動控制

連續控制指連續生產過程的自動控制，其被控量需定量控制，而且應是連續可調的。若控制動作在時間上是離

1-3 什么是過程控制系統，其基本分類是什么？

? ?過程控制系統：工業生產過程中自動控制系統的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、年度、濕度和PH等這樣一些過程變量的系統。

定值控制系統：是指系統被控量的給定值保持在規定值不變，或在小范圍附近不變。

2、程序控制系統：是被控量的給定值按預定的時間程序變化工作，目的是使系統被控量按工藝要求規定的程序自動變化。加熱升溫或逐次降溫等。

3、隨動控制系統：是一種被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統，主要作用是克服一切擾動，使控量快速跟隨給定值而變化。空氣量與燃料量的關系。

1-4 何為集散控制系統，試述其基本組成與各部分的作用原理。

? ?

集散控制系統是分布（分散）控制系統(Distributed Control System)的簡稱，國內一般習慣稱為集散控制系統。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。

????集散控制系統經歷了三代的發展，但從基本機構上來看，他們有相同的

特性，其基本結構可分為三大部分。

現場控制裝置：完成模擬量與數字量的相互轉換，完成控制算法的各種運算，對輸入量和輸出量進行有關的軟件濾波及其他的一些運算。

操作管理裝置：操作員通過操作管理裝置了解生產的運行狀況，并發出操作指令給生產過程。生產過程的各種參數在操作管理裝置上顯示，以便于操作人員監視和操作。

通信系統：過程控制裝置與操作管理之間需要有一個橋梁來完成數據之間的傳遞和交換，這就是通信系統。

2-1 何為被控過程及其數學模型，模型一般可分為哪幾類，它與過程控制有何關系？

被控過程是指正在運行中的多種多樣的被控制的生產工藝設備。

被控過程的數學模型是指過程在各輸入量作用下，其相應的輸出量變化函數關系的數學表達式。

過程數學模型的兩種描述形式：

非參量形式：即用曲線或數據表格來表示（形象、直觀，但對進行系統的設計和綜合不方便）。

參量形式：?即用數學方程來表示（方便，描述形式有：?微分方程、傳遞函數、差分方程、脈沖響應函數、狀態方程等）。

2-2 什么是過程通道？什么是過程的控制通道和擾動通道？它們的數學模型是否相同？為什么？

過程通道: 輸入量與輸出量間的信號聯系。

擾動通道: 擾動作用與被控量間的信號聯系。??

控制通道：控制作用與被控量間的信號聯系。

不同，因為同一個系統，通道不同，輸入輸出關系不同，其數學模型亦不一樣。

2-3 從階躍響應曲線看，大多數被控過程有何特點？

絕大部分工業過程的動態特性具有自衡能力，因此其模型可以近似為以下幾類：?近似地以一階、二階、一階加滯后、二階加滯后特性之一來描述。

2-4 試述研究過程建模的主要目的及其建模方法？

1.設計過程控制系統和整定調節器參數。

2.進行仿真試驗研究。

3.指導生產工藝設備的設計。

4.培訓運行操作人員。

機理法：又稱數學分析法或者理論建模法，根據過程的內在機理，通過靜態與動態物料平衡和能量平衡等關系用數學推導的方法求取過程的數學模型。

試驗法：在實際的生產過程中，根據過程的輸入、輸出的實驗數據來獲得過程的數學模型。

2-6圖示液位控制過程的輸入量為q1,流出量為q2、q3 ，液位h為被控變量，C為容量系數，并設R1、R2、R3均為線性液阻。要求：

列出液位過程的微分方程組；
畫出液位控制過程框圖；
求取液位過程的傳遞函數。

2-13 已知某液位過程的階躍相應數值

t/s ?0 10 ?20 ?40 ?60 ?80 ?100 140 180 ?250 ?300 ?400 ?500 ?600

h/mm 0 0 ?0.2 ?0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6

當其階躍擾動量為20%時要求：

畫出液位過程的階躍響應曲線；

用一階加滯后環節近似描述

2-18 何為測量和測量誤差？什么是儀表的精度等級？若用測量范圍為0-200攝氏度的溫度計測溫，在正常工作條件下，進行數次測量，其誤差分別為-0.2,0,0.1,0.3，試確定該儀表的精度等級？

測量：利用一個已知的單位量與被測的同類量進行比較，通過比較可知被測量是已知單位量若干倍的過程。

測量誤差--在測量過程中測量結果與被測量的真值之間會有一定的差值。它反映了測量結果的可靠程度。?

絕對誤差的最大值為0.3,0.3/200=0.15%，所以精度等級為0.2

2-21 試述在工程應用中，利用熱電偶和熱電阻測溫時，必須注意哪些主要問題？

熱電偶要注意補償導線和冷端溫度補償，

熱電偶用于較高溫度測量，500度以下用熱電阻；熱電偶使用時注意正確使用補償導線的類型并注意配套連接。熱電阻測溫應該注意三線制接線方法；也可以?采用四線制接法。

安裝時要求儀表與介質充分接觸；注意使用現場的工作環境，合理選擇儀表的精度和量程，正確選擇安裝位置，采用正確安裝方法等保證儀表正常工作。

2-29 為什么說溫度、流量、液位等過程都可通過壓力間接測量？

在工業生產過程中，壓力與溫度、流量或液位之間成單值函數關系。

2-38 在工程應用中選用液位檢測儀表需注意哪些問題？

（1）檢測精度對于計量和經濟核算的場合，應選用精度等級較高的液位檢測儀表，如超聲波液位計的精度為±5mm，對于一般檢測精度可選用其它的液位計。

（2）工作條件對于測量高溫、高壓、低溫、高粘度、腐蝕性、泥漿等特殊介質或在其他方法難以檢測的各種惡劣條件下的某些特殊場合

（3）測量范圍：測量范圍較大，可選用電容式液位計。

（4）刻度范圍：最高液位或上限報警點應為最大刻度的90%；正常液位為最大刻度的50%；最低液位或下限報警點為最大刻度的10%左右。

其他：還要考慮容器的形狀、大小；被測介質的狀態；現場安裝條件；安全性；信號輸出方式等問題。

3-3?請歸納一下過程控制系統設計的主要內容。

控制方案的設計：系統設計的核心，包括合理選擇被控參數和控制參數、信息的獲取和變送、調節閥的選擇、調節器控制規律及正、反作用方式的確定等。

工程設計：在方案設計的基礎上進行，包括儀表選型、控制室和儀表盤設計、儀表供電供氣系統設計、信號及聯鎖保護系統設計等。

工程安裝和儀表調校：系統正常運行的前提，安裝完畢后要對每臺儀表進行單校和對各個回路聯校等。

調節器參數工程整定：保證系統運行在最佳狀態。

3-6?什么是直接參數與間接參數？這兩者有何關系？選擇被控參數應遵循哪些基本原則？

直接參數:直接反應生產過程產品產量和質量，以及安全運行的參數。

間接參數: 能間接反應產品質量和產量又與直接參數有單值對應關系的、易于測量的參數作為被控參數。

直接參數與間接參數有單值對應關系。

歸納起來：

1）選擇對產品和質量、安全生產、經濟運行等具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數

2）當不能用直接參數作為被控參數時，應該選擇一個與直接參數有單值函數關系的間接參數作為被控參數

3）被控參數必須有足夠的靈敏度

4）被控參數的選取考慮工藝過程的合理性和所用儀表的性能。

3-18?已知模型調節器的傳遞函數

，采用數字PID算式實現，試分別寫出相應的位置型PID和增量型PID算式。設采樣周期為T=0.2s。

4-1?什么叫串級控制系統？

串級控制系統結構可用下圖表示：

4-2?與單回路系統相比，串級控制系統有哪些主要特點？

1、改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作效率

2、大大增強了二次擾動的克服能力

3、一次擾動有較好的克服能力

4、副路參數變化具有一定的自適應能力

4-3?與單回路相比，為什么說串級控制系統由于存在一個副回路而具有較強的抑制擾動的能力？

4-8?串級控制系統通常可用在哪些場合？

用于克服對象較大的容量滯后
用于克服對象的純滯后
用于克服變化劇烈和幅值大的干擾
用于克服對象的非線性

4-11?前饋控制與反饋控制各有什么特點？

前饋控制與反饋控制的特點：檢測：前饋控制測干擾，反饋控制測被控量；效果：克服干擾，前饋控制及時，理論上可實現完全補償，“基于擾動消除擾動”?；經濟性：克服干擾，前饋控制只能一對一，不如反饋控制經濟；穩定性：前饋為開環，不存在穩定性問題（只要每個環節都穩定）反饋則不同，穩定性與控制精度是矛盾的；控制規律：前饋控制器的控制規律取決于被控對象和擾動通道的特性，控制規律往往比較復雜。

4-12?在什么條件下前饋效果最好？

前饋控制只有在實現完全補償的前提下，才能使系統得到良好的動態品質。

4-16?冷凝器溫度前饋-反饋符合控制系統如圖4-23所示。已知擾動通道特性；控制通道特性；溫度調節器采用PI規律。試求該復合控制系統中，前饋控制器的數學模型W（s）？

4-19?為什么大滯后過程是一種難控制的過程？它對系統的控制品質影響如何？

由過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量不能及時反映系統所承受的擾動，因此這樣的過程必然會產生較明顯的超調量和需要較長的調節時間，被公認為較難控制的過程。

當t/T增加時，過程中的相位滯后增加而使超調量增大甚至會因為嚴重超調而出現聚爆、結焦等事故，此外大滯后會降低整個控制系統的穩定性。

4-25?什么叫比值控制系統？常用比值控制方案有哪些？并比較優缺點。

凡是兩個或多個變量自動維持一定比值關系的過程控制系統，統稱為比值控制系統。

開環比值控制: 簡單、成本低；只有當Q1變化時才起控制作用；Q2變化時Q1不會響應，比例關系被破壞。

單閉環比值控制: 能克服開環比值方案的不足。優點：不但能實現流量的副量跟隨主量變化，而且能克服流量干擾等。缺點：主流量不受控。

雙閉環比值控制：能克服單閉環主流量不受控的不足。升降負荷比較方便。

變比值控制：在有些生產過程中，要求兩種物料流量的比值隨第三個變量的變化而變化。比值只是一種手段，不是最終目的，而第三變量Y(s)往往是產品質量指標。

4-29?在制藥工業中，為了增強藥效，需要對某種成分的藥物注入一定量的鎮定劑、緩沖劑或加入一定的酸或堿，使藥物呈現酸性或堿性。這種注入過程一般在一個混合槽中進行。生產要求藥物與注入劑混合后的含量必須符合規定的比例。同時在混合過程中不允許藥物流量突然發生變化，比免引起混合過程產生局部的化學反應。

??為了防止發生要求流量q產生急劇變化，通常在混合槽前面增加一個停留槽，如圖4-93所示，使藥物流量先進入停留槽，然后再進入混合槽，同時停留槽設有液位控制，從而使q經停留槽后的流量q1平緩變化。為了保證藥物與注入劑按嚴格規定的比例數值混合，設計了圖示比值控制系統流程圖。試由控制流程圖畫出框圖，確定調節閥的氣開、氣關形式和調節器的正、反作用方式。

V1?氣關式 LC 反作用

F1C 正作用

V2?氣開式 F2C 反作用

4-30?什么叫分程控制？怎樣實現分程控制？

由一個控制器的輸出信號分段分別去控制兩個或兩個以上控制閥動作的系統稱為分程控制系統。

分程控制是通過閥門定位器或電氣閥門定位器來實現的。

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