第二章 过程装备控制基础

1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义是什么？

答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K，时间常数T和滞后时间τ 。

K——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。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，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

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，因此是对象的动态参数。

τ——滞后时间 是纯滞后τ0时间 和容量滞后τc 的总和。

输入变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，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力而引起的。滞后时间τ 也是反映对象动态特性的重要参数。

2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？ 答：放大系数K表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数，所以K是被控对象的静态特性参数。时间常数反映了被控对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，所以是动态特性参数。滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。 3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？

答：对一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的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。

4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？

答：对于不同的通道，对象的特性参数（K，T ，τ ）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的影响就大，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，会使控制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，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大；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，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间 τ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 τ。 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，即使扰动较大，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τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，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。

5.试从图2-58某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间。 解：如图所示： k=

H(?)?H(0)x(?)?x(0)qv1

=

H(?)?H(0)?qv1

t0t0 T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间， T=t1?t0，?0?0

?c如图所示，不存在容量滞后，H H(?) T Δqv1 t1 ??c?0

t0

6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？

答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。

常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID。

7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？ 答：①位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。最常见的是双位控制。，它们输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。

位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。

②积分控制（P）是指调节器的输出信号变化量 与输入信号变化量e(t)成比例关系：，--比例放大系数，比例控制的伏点是反应快，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，即比例控制不能消除余差，因此只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制。

③积分控制（I）：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比，即：

式中 --积分速度， --积分时间。积分规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。

④微分控制（D）--指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。即。 --微分时间。

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；由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。故也不单独使用。

8．什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。 答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之差。

比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调节器有输出，就必须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能消除余差。积分控制其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调节器的输出就不断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有存在偏差身先等于的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。 9．为什么积分控制规律一般不单独使用？

答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律。

10．比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控制质量的影响。

答：①比例——比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

②积分控制——积分时间TI表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。积分时间TI的减少，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，最大偏差减小。 ③微分控制——微分时间TD是表示微分控制作用强弱的一个参数。如微分时间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，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

11．试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特征曲线。 e(t) e(t) e(t) Δu(t) A t KpA KpA KpA KpA A t KpA A t

t

TI

t t

12．比例积分微分调节器有什么特点？

答：比例积分微分调节器的特点是：①在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具有良好的调节性能。②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间TI和微分时间TD面改变。

13．在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一个参数时,对调节器的控制作用有什么影响?

答:在PID调节器中,比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较高的控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当 时，PID调节器成为积分微分调节器，当TI积分时间 时，PID调节器成为比例微分控制器，当TD 时，PID调节器成为PI即比例积分控制。

14．调节器参数整定的目的是什么？工程上常用的整定方法有哪些？ 答：当一个控制系统设计安装完成后，系统各个环节及其被控对象各通道的特征不能改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度 、积分时间TI、微分时间TD。通过改变这三个参数的大小，就可以改变整个系统的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。调节器参数整定的目的就是按照己定的控制系统求取控制系质量最好的调节器参数，工程上常用的整定方法有： ① 经验试凑法——根据被控变量的性质在己知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的值做为调节器的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡曲线的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。

② 临界比例度法——首先求取比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度 和振荡周期TK，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数

③ 衰减曲线法——以在纯比例下获得4：1衰减振荡曲线为参数整定和依据，方法同临界比例度法，获得4：1衰减曲线的TS、，然后求解相应的值。

15．调节器控制规律选择的依据是什么？ 答：关于控制规律选取可归纳为以下几点：