图，并说明其工作原理。 10.2-2．汽包水位控制

以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。。。）。

5．什么是控制器的“积分饱和”现象？产生“积分饱和”现象的条件是什么？

简答：

“积分饱和”现象是指具有积分作用的控制器，当输入偏差总不为零时，控制器的输出就要一直增加到最大或降低到最小！

将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。

产生“积分饱和”现象的条件有三个：控制器具有积分作用；控制器处于开环工作状态、其输出没有送往执行器；控制器的输人偏差信号长期存在。

6．在选择性控制系统，对具有积分作用的调节器有哪几种抗积分饱和的措施？

简答：⑴PI-P法，⑵积分切除法，⑶限幅法

第十章 过程控制系统应用实例

10.1．精馏塔过程控制系统

三冲量串级控制方案：该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。其中，主

调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量

10.1-1．精馏过程的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以达到规定的纯度。

10.2．工业锅炉自动控制系统

为前馈信号。

三冲量前馈－反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、

维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控

10.2-1．蒸汽锅炉的自动控制一般由三个基本调节系统组

制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案

成：锅炉汽包水位控制系统、过热蒸汽温度控制系统、锅炉燃烧控制系统。

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）

1． 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[√] 2． 热电阻温度计需要进行冷端补偿才能正常工

作。 [×] 3． PID的含义是比例、积分和微分。

[√ ]

4． 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。 [×] 5． 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。[×] 6． 被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。 [√] 7． 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。 [×] 8． 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。 [×] 9． 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。 [×] 10． 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。[√] 11． 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。[×] 12． DDC的中文含义是直接数字控制。 [√]

13． 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。

[√]

14． 串级控制系统适用于容量滞后较小的生产

工艺过程。 [×] 15． 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。[×]

16． 前馈控制与定值控制的原理相同，都是以偏

差进行调解的。 [×] 17． 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。 [×] 18． 在串级控制中，副控制器的输入值为主控制器的输出。 [√] 1. 过程控制系统中，需要控制的工艺设备(塔、容器、贮糟等)、机器称为被控对象。（√） 2. 扰动量是作用于生产过程对象并引起被控变量

变化的随机因素。（×）

答案：扰动量是除操纵变量外作用于生产过程对象并引起被控变量变化的随机因素。

3. 在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的动态。 （×）

答案：在一个定值控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，也即被控变量变化率等于零的状态，称为系统的静态，静态是一种相对静止状态。

4. 对一个系统总是希望能够做到余差小，最大偏差小，调节时间短，回复快。（√）

5. 时间常数越小，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。（×）

答案：时间常数越大，被控变量的变化越慢，达到新的稳态值所需的时间也越长。

6. 时间常数指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新稳态值的 63.2 %所需要的时间。 （√） 7. 对干扰通道时间常数越小越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。（×）

答案：时间常数越大越好，这样干扰的影响和缓，控制就容易。

8. 放大倍数K 取决于稳态下的数值，是反映静态特性的参数。（√）

9. 对于控制通道来说希望τ越大越好，而对扰动通道来说希望τ适度小点好。（×）

答案：控制通道τ越小越好，而对扰动通道来说希望τ适度大点好

10. 对象特性放大系数Κm是动特性，时间常数Tm和滞后时间τm是测量元件和变送器的静态特性。（×）

答案： 对象特性放大系数Κm是静特性， 时间常数Tm和滞后时间τm是测量元件和变送器的动特性。

11. 对纯滞后大的调节对象，为克服其影响，可引入微分调节作用来克服。（×）

答案：微分作用能起到超前调节的作用，但不能克服纯滞后。

答案：对象特性时间常数越长，则过程反应越慢，易引起较长的过渡时间。

12. 纯滞后时间长，将使系统超调量增加，干扰通道中纯滞后对调节品质没有影响。（√）

13. 测量滞后一般由测量元件特性引起，克服测量滞后的办法是在调节规律中增加积分环节。 （×）

答案：微分作用能起到超前调节的作用，因此能克服纯滞后；积分作用能克服余差。

14. 目前国内生产调节阀主要有有线性、等百分比、快开 3 种流量特性。（√）

15. 积分作用可以消除余差，但要求用在对象时间常数较小，系统负荷变化较小的控制过程中。 （√） 四、简答题（本题共计15分，包括5小题，每题3分）

1． 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。 2． 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。

3． 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。

4． 简述PID调节器Kc、Ti和Td的作用是什

么？

答案：在PID调节器中，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。

5． 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。

6． 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。 7． 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。 8． 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。

9． 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?s和衰减周期Ts（或上升时间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。

10．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。

11．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）

a) 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； b) 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；

c)

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；

d)

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。

12．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。 热电偶有哪几种冷端补偿方法？（6） 答案：

a)

冷端温度冰浴法 b) 计算修正法 c)

补偿电桥法

13．写出任意三种常用的控制器参数整定方法（6）答案：

a) 经验法 b) 稳定边界法 c) 衰减曲线法 d) 响应曲线法

e)

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）

14．什么是串级控制，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。

15．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。 16．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