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。
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。
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。
P sp2.(1) 列写过程微分方程组； (2) 画出方框图；(3) 求传递函数)()()(12s Q s H s G p =答案：物料平衡方程:31222122111,Q Q dtdh C Q Q Q dt dh C -=--=122112323212,,R h h Q R h Q R h Q -===将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程()())()(1)(,)()()(1)(31222122111s Q s Q sC s H s Qs Q s Q s C s H -=--=122112323212)()()(,)()(,)()(R s H s H s Q R s H s Q R s H s Q -===由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.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.()()()()()32122312121223213222132123212R R R S C R R C R R C R R C R R SC C R R R R R s Q s H s W o +++++++==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燃料sp塔底部以上两种情况说明，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()()()s Q s H s W 10=答案：()()()32323213322321)(R R s R AR R R s Q s H s W R h Q R h Q Q Q Q dt dhAo++==⇒⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧==--= 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：875.042041842040=--=--=I K5.070004000875.0max1max 2max2max 1=⨯==⇒=Q Q Kk Q Q kK（2）待系统稳定时，则mA I I I I I I K 25.94104444422121'2=⇒--=--=--=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。
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？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 2。
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：()()11+=+=Ts K RFs R s Q s H i()23/501/100020cm s scmcm s Q H R K o ==∆∆==∴s cmcms RF T 100105.0/501242=⨯⨯==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()475+=s s G o 控制器TC 的传递函数为()1=s G C ，调节阀的传递函数为()1=s G V ，测量变送环节的传递函数为()1=s G m 。
