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过程控制系统是自动化领域的一个重要分支，主要研究的是控制系统在工业生产过程中的应用，通过控制手段来实现工艺参数的稳定、产品质量的提升以及能效的优化。河南理工大学2019-2020学年第二学期《过程控制系统》的试卷内容涵盖了一系列与过程控制相关的基础知识点，下面将根据试卷中给出的几个问题详细解释其涉及的知识点。

1. 机理建模方法的主要步骤及局限性

机理建模是指根据实际物理过程的工作原理和数学表达，通过建立数学模型来模拟系统行为的方法。机理建模的主要步骤通常包括以下几个方面：

  • 明确建模目的：需要根据控制目标明确所要模拟的系统部分。

  • 系统分析：分析系统的工作原理，确定系统的主要输入输出变量。

  • 建立基本方程：根据物理定律和化学定律等，列出系统的动态平衡方程。

  • 参数化：确定方程中的各种参数，如质量、能量守恒定律中的系数等。

  • 模型简化：简化模型以减少计算复杂性，但需保证模型的准确性和适用性。

  • 模型验证：通过实验数据对模型进行验证和修正，确保模型的可靠性和适用性。

机理建模的局限性主要体现在对于复杂系统的建模难度较大，可能难以获取所有必要的参数信息，特别是在非线性系统和参数难以测量的情况下。此外，模型的验证也需要大量的实验数据支持。

2. 前馈控制与反馈控制的优缺点

前馈控制是一种预防性的控制方式，通过预测输入的变化来调整控制器输出，以防止干扰因素影响到系统输出。前馈控制的优点在于能够主动预防偏差的产生，响应速度快，对抑制已知干扰效果显著。缺点是只能针对已知的干扰进行补偿，且在系统模型不够准确时，控制效果不佳。

反馈控制则是通过测量系统的输出，并将输出与期望值进行比较，利用差值进行控制。其优点在于能够实现闭环控制，通过持续的调整来应对所有类型的干扰，适用于模型不确定或变化的系统。缺点是反应存在延迟，对于快速变化的系统可能无法及时响应。

3. 选择性控制及问题解决方法

选择性控制是一种在控制系统中多个控制策略中进行选择的控制方式，通常在控制策略的选择和切换过程中，会涉及到选择逻辑的设计，以保证系统在不同工况下均能够保持良好的控制性能。

在实施选择性控制时可能出现的主要问题包括选择逻辑的复杂性、控制策略之间的冲突等。解决方法可以是优化选择逻辑，减少不必要的切换，以及建立冲突解决机制，确保各个控制策略能够平滑切换。

4. 串级控制系统的主副控制器选择与整定

在串级控制系统中，一个副控制器位于系统内部，直接控制过程变量，而主控制器位于外部，根据副控制器的输出设定点来进行控制。选择控制规律时，副控制器通常选择P（比例）、PI（比例积分）、或PID（比例积分微分）控制器，而主控制器通常选择P或PI控制器。如果系统出现振荡现象，通常可以通过调整PID参数来改善。例如，增加积分项有助于消除静差，但可能增加振荡风险；微分项能够改善系统的响应速度和稳定性，但对噪声敏感，需要仔细调整。

5. 先进控制方式及特点

先进控制方式包括但不限于以下几种：

  • 模型预测控制（MPC）：通过预测模型来预测未来的系统行为，实现多步优化控制。

  • 自适应控制：能够根据系统参数的变化自动调整控制策略，适用于参数变化的系统。

  • 智能控制：利用人工智能、神经网络等技术对控制系统进行优化。

  • 多变量控制：同时对系统的多个变量进行控制，适用于相互耦合的复杂系统。

这些控制方式的特点在于能够适应复杂的工况和系统的非线性特性，提高控制精度和鲁棒性，尤其在多变量、非线性、时变特性的工业过程中具有显著优势。然而，这些控制方式往往需要更多的计算资源，并需要精心设计和调整。