2024年3月24日发(作者：)
知识点：
1.过程控制系统的重要术语
被控变量/受控变量/过程变量（Controlled Variable - CV, Process Variable - PV）
设定值/给定值(Setpoint - SP, Setpoint Value - SV )
操纵变量/操作变量(Manipulated Variable, MV)
扰动/扰动变量 (Disturbance Variable, DV)
对控制器而言，测量/测量信号(Measurement ) ，控制/控制信号/控制变量（Control Variable ）
2.被控对象动态建模方法
机理建模
原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以
特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明了。
测试建模
及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。
原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、
脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态
模型。
特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。
3.气开阀与气关阀的选择原则
若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望
阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。
练习题：
1.对于如图所示的压力控制系统，假设
贮罐温度不变，主要干扰为P
1
、P
2
。试
指出该系统中的被控变量、操纵变量、
扰动变量与被控对象，并画出该系统的
方块图。
P
sp
PC
P
m
uP
F
2
K
v2
P
2
P
1
K
v1
F
1
答案：被控对象：压力罐。被控变量：储罐内的压力。操纵变量：进料流量。扰动变量：进
料压力，出料流量，等。
设定值
y
sp
偏差 e
控制器
G
c
(s)
控制变量
u
操纵变量
q
执行器
G
v
(s)
被控对象
扰动 D
干扰通道
G
D
(s)
控制通道
G
p
(s)
+
+
被控变量
y
+
_
测量值
y
m
测量变送
G
m
(s)
2.(1) 列写过程微分方程组；
(2) 画出方框图；
(3) 求传递函数
R
1
Q
1
G
p
(
s
)
H
2
(
s
)
Q
1
(
s
)
答案：
物料平衡方程:
h
1
Q
12
C
1
R
12
C
2
h
2
R
3
Q
3
C
1
C
2
dh
1
dt
dh
2
dt
Q
1
Q
2
Q
12
,
Q
2
R
2
Q
12
Q
3
Q
2
Q
12
h
1
R
2
,
Q
3
h
2
R
3
,
h
1
h
2
R
12
将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程
H
1
(
s
)
H
2
(
s
)
1
C
1
s
1
Q
(
s
)
Q
(
s
)
Q
12
(
s
)
,
Q
2
(
s
)
12
H
1
(
s
)
R
2
,
Q
3
(
s
)
H
2
(
s
)
R
3
,
C
2
s
Q
(
s
)
Q
3
(
s
)
12
Q
12
(
s
)
H
1
(
s
)
H
2
(
s
)
R
12
由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.
W
o
s
H
2
s
Q
1
s
H
2
Q
1
(s)
+
_
+
_
Q
12
1
C
1
s
Q
2
1
R
2
H
1
_
+
1
R
12
+
_
1
C
2
s
1
R
3
H
2
(s)
利用方框图等效变换;直接用传递函数计算公式;通过求解传递函数方程组.
R
2
R
3
R
12
R
2
R
3
C
1
C
2
S
2
R
2
R
3
C
1
R
2
R
3
C
2
R
12
R
2
C
1
R
12
R
3
C
2
S
R
12
R
2
R
3
3.对于如图所示的加热炉温度控制系统，试
(1)指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动
变量与控制目标;
(2)画出该系统的方块图；
(3)选择控制阀的“气开-气关”形式;
(4)指出该控制系统的“广义对象”及物理意义。
答案：被控对象：加热炉。被控变量：原料出
口温度。操纵变量：燃料流量。扰动变量：进
料流量、温度，燃料温度、压力、成分，等。
4.对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；
5.引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统
的稳定性？
6.引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？
7.如何确定PID参数？
8.采用纯比例控制，Kc增加时系统的稳定性会怎样？稳定的情况下余差会怎样？
9.采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比例度应该怎样变化？
10.精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，
图中，P
v
为调节阀阀前压力。
（1）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应
选用气关阀还是气开阀？为什么？
（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并
画出该系统完整的方框图（尽可能在图上
表明相应的信号）。
11.如图为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液
体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别确定执
行器的气开、气关型式及控制器的正、反作用。
（1）选择流入量Qi为操纵变量；
（2）选择流出量Qo为操纵变量。
答：（1）当选择流入量Qi为操纵变量时，为了防止液
体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断时，控制阀应
处于关闭状态，所以应选用气开阀，为正作用方向。
控制器应选择反作用方向。
（2）当选择流出量Qo为操纵变量时，为了防止液体溢出，在控制阀膜头上气源突然中断
时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关阀，为反作用方向。控制器应选择反作用方向
T
sp
T
m
进料
T
出料
TC
u
R
f
燃料
T
sp
T
m
TC
P
sp
PC
P
m
T
塔
底
部
u
P
v
P
再
沸
器
加热蒸汽
以上两种情况说明，对同一对象，其控制阀气开、气关形式的选择及对象的作用方向都与操
纵变量的选择是有关的。
12.如图所示液位过程的输入量为Q1，
流出量为Q2、Q3，液位h为被控参
数，A为截面积，并设R1、R2、R3
均为线性液阻。要求：
①列写过程的微分方程组；
②画出过程的方框图；
③求过程的传递函数
W
0
s
答案：
H
s
Q
1
s
dh
Q
1
Q
2
Q
3
A
dt
hH
s
R
2
R
3
Q
W
(
s
)
2
o
RQsARRs
R
R
212323
h
Q
3
R
3
13.相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？
14.串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变
量？
16.有时前馈-反馈控制系统从其系统结构上看与串级控制系统十分相似。试问如何来区分它
们？试分析判断下图所示的两个系统各属于什么系统？说明其理由。
答案：图(a)是前馈-反馈控制系统，图(b)是串级控制系统。前馈-反馈控制系统有一个闭合回
路，串级控制系统有两个闭合回路；前馈-反馈控制系统中的调节阀在定值控制系统中，第
二个图中的调节阀在随动控制系统中。
17.前馈控制的原理是什么？
18.为什么一般不单独使用前馈控制？
19.有一单闭环比值控制系统如图所示，其比
值用DDZ-Ⅲ型乘法器来实现（图中的测量仪
表是线性仪表）。已知Q
1max
＝7000kg／h，Q
2max
＝4000kg／h。要求：
（1）若已知I
0
＝18mA，求该比值控制系统的
k＝？比值系数K=？
（2）待该比值系统稳定时，测得I
1
＝10mA，
试计算此时的I
2
=？
答案：
K
I
0
4
204
184
204
0.875
K
k
Q
1max
Q
2max
k
K
Q
2max
Q
1max
'
0.875
4000
7000
0.5
（2）待系统稳定时，则
K
I
2
4
I
1
4
I
2
4
I
1
4
I
2
4
104
I
2
9.25
mA
20.为什么说超驰控制是一种软保护措施？它与硬保护有什么差异？
21.什么是超驰控制系统？何时需采用这种系统？
22.超驰控制系统为什么要特别注意防积分饱和？它与单回路控制时的防积分饱和方法有什
么重要差异？
23.图示为加热炉出口温度控制系统方案之一。
工艺上规定要优先使用炼厂气A，只有在负荷
增加后。使用了炼厂气所能提供的最大限量
还是不够时，则以B来加以补充。
试分析：控制方案是如何满足上述工艺要求
的？
答案：
1）正常工况：TC输出为M，而且M小于AH，
经低选器LS后做炼厂气A流量控制器的设定
值，此时构成主参数为温度、副参数为炼厂
气A的串级控制系统。由于Ar=M，因此FBC
设定值（Br=M-AH）等于0。所以燃料B的阀
m
原料油
燃料油
B
TC
V-2V-1
炼厂气
A
F
B
C
B
r
F
A
C
A
r
LS
A
H
炼厂气A的上限
值
门全关。
2）在工况变化时，如出现M>AH，则低选器选择AH作为输出，AH=Ar。因此FAC成为定值
流量控制系统，使得炼厂气A稳定在AH的数值上。这时由于（M-AH）>0,则构成温度与燃
料B的串级控制系统，即打开燃料B的阀门以补充燃料A的不足。从而使得炉出口温度稳
定在设定值上。
24.下图为化学反应器的过程控制系统：1）说明图中的控制策略属于哪类控制系统？2）最
主要的被控变量是什么？最主要的操纵变量是什么？3）图中哪个控制器要整定的最慢，哪
个控制器要整定的最快？为什么？4）阀门V1是气开还是气关？为什么？V2是气开还是气
关？为什么？5）指出各图中控制器的正反作用，并给出选取的理由；6）给出图中控制规律
的选取。
答：⑴是串级分程控制系统。
(C)
T
1
C
T
2
C
FC
冷却剂
加热剂
V1
V2
⑵最主要的被控变量是反应器内温度，最主要的操纵变量是冷剂流量。
⑶图中T1C要整定的最慢，FC最快。
⑷阀门V1是气关，保证反应温度不致过高，从而生成其它产物。阀门V2是气开。
⑸图中：T1C反作用，T2C
正作用
，FC正作用。
(6) T1C：PID；T2C：P（PI，I弱）；FC：P。
25.如图所示的精馏塔提馏段灵敏板温
度控制回路很可能引起液泛。假设液泛
可以用塔底和塔顶压力之差来表征（压
差太大表示可能存在液泛）。请在此基
础上设计一个液泛约束控制系统，以保
证正常操作时按提馏段温度调节加热
蒸汽流量，而当塔即将出现液泛时则要
求调节加热蒸汽流量确保不发生液泛。
要求：
（1）画出带控制点的流程图与对应的
方块图；
（2）选择调节器的正反作用。
26.如图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、
B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹
套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试
画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中
的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被
控变量的干扰是什么？如果由于进料温度升高使
反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制
系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用
来克服干扰作用对被控变量影响的？
TC
P
B
进料
ΔP
m
顶产品
P
D
气开
底产品
答案：被控对象：反映器。被控变量：反应器内的温度（反应温度）。操纵变量：冷却水流
量。干扰：冷却水压力、温度变化，A、B物料的流量、温度变化，等。
若进料温度升高，反应器内的温度超过温度给定值时，即偏差小于0，TC要发挥控制作用
使反应温度下降，即控制器输出使冷却水调节阀开度大些，使更多的冷却水进入夹套，从
而移走多余热量使反应器内温度降下来。
27.有一水槽，其截面积F为0.5m。流出侧阀门阻力实验结果为：当水位H变化20cm时，
流出量变化为1000cm
3
/s。试求流出侧阀门阻力R，并计算该水槽的时间常数T。
答案：
2
H
s
Q
i
s
R
RFs
1
K
Ts
1
K
R
H
Q
o
s
20
cm
1000
cm
3
/
s
1
50
s
/
cm
2
T
RF
1
50
s
/
cm
2
0.510
cm
42
100
s
28.如图所示为蒸汽加热器控制系统，若被控对象控制通道的传递函数为
G
o
s
5
7
s
4
控
制器TC的传递函数为
G
C
s
1
，调节阀的传递函数为
G
V
s
1
，测量变送环节的传递
函数为
G
m
s
1
。因生产需要，出口物料的设定温度从80℃提高到85 ℃时，物料出口温
度的稳态变化量
T
为多少？系统的余差为多少？
解：系统的闭环函数为：
55/9
7
s
4
5
1
G
C
s
G
V
s
G
o
s
G
m
s
7
s
97/9
s
1
1
7
s
4
由此可知该系统为一阶滞后环节，静态放大系数为5/9
5
G
s
G
C
s
G
V
s
G
o
s
当输入变化量为5 ℃时，其输出稳态变化量
T
5
9
52.78
C
系统的余差约为
52.782.22
C
29.定值控制系统的过渡过程有几种形式？工程上一般要求为哪种过渡过程形式？随动系统
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