过程控制课后答案全

第一章思考题及习题

1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响?

答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。

控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示

1.2如何选择控制变量?

答：①所选控制变量必须是可控的。

②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。

③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。

④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。

⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。

⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量

1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响?

答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。

K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。

1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?

答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期T s。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。

1.5图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：

①影响物料出口温度的主要因素有哪些?

答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。

②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量应选哪些参数?为什么?

答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。

③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正、反作用?

答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。

1.6图1.42为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用：

①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。

答：控制阀气闭式，控制器的反作用。

②被加热物料在温度过低时会发生凝结。

答：控制阀气开式，控制器的正作用。

③如果控制变量为冷却水流量，该地区最低温度在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。

答：控制阀气闭式，控制器的反作用。

1.7单回路系统方块图如图1.43所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化?为什么?

答：当K C、K V、K0增加时，系统的余差减小，但系统稳定性下降。T0增加时，系统的工作频率降低，控制速度变慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统的控制质量会越差。τ0增加时，使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还会使系统的稳定性降低。K f增加时，系统的余差也变大，即控制静态质量变差。T f增加时，控制过程的品质会提高。τf增加时，质量没有影响。

1.8有一如图1.44所示的加热器，其正常操作温度为200℃，温度控制器得测量范围是150~250℃，当控制器输出变化1%时，蒸汽量将改变3%，而蒸汽量增加1%，槽内温度将上升0.2℃。又在正常操作情况下，若液体流量增加1%，槽内温度将会下降l℃。假定所采用的是纯比例式控制器，其比例度为100%，试求当设定值由200℃提高到220℃时，待系统稳定后，槽内温度是多少摄氏度？

答：当设定值由200℃提高到220℃时，控制器输出变化20/200=10%，蒸汽量增加30%，液体流量不变，槽内温度将上升0.2×30℃=6℃，所以待系统稳定后，槽内温度是206℃。

1.9在Δu=50阶跃干扰作用下，测得某温度对象控制通道得响应数据如下：

根据上述数据用反应曲线法计算PI控制器参数。

答：从响应数据得干扰起作用点为0.6min，227℃，即τ=0.6min，拐点为1.0min，280℃，即T0=2.0min-0.6min=1.4 min，设采用Ⅲ型仪表，测量范围为100～250℃，所以，K0=Δu=/ΔP

=50/(341.0-200.1)= 50/140.9=0.355

∵δ=(1.1K0τ/T0)×100%=(1.1×0.355×0.6×1.4) ×100%=32.8%

T i=3.3τ=3.3×0.6=1.98 min

第二章思考题及习题

2.1与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点?

答：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好。(1)串级控制系统具有更高的工作频率；(2)串级控制系统具有较强的抗干扰能力；(3)串级控制系统具有一定的自适应能力

2.2为什么说串级控制系统主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数的符号，而与其他环节无关?

答：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。控制器正、反作用设置正确的副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求。即Sign{G01(s)}Sign{G02’(s)}Sign{G m1(s)}Sign{G c1(s)}=-1就可以确定主控制器的正、反作用。实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为一放大倍数为“正”的环节，因此主控制器的正、反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选“负”作用；反之，当主对象放大倍数符号为“负”时，主控制器应选正作用。

2.4试证明串级控制系统中，当干扰作用在副环时，只要主、副控制器其中之一有积分作用就能保证主变量无余差。而当干扰作用于主环时，只有主控制器有积分作用时才能保证主变量无余差。

答：从串级控制系统结构图中可以看出：

1.当干扰作用在副环时，副环在干扰下的输出可如下计算：

令

并假定f(t)为单位阶跃干扰，则F(s)=1/s，运用终值定理可得：

如果G C2(s)=K c2(T i s+1)/T i s，即含有积分环节，则在上式分子上出现T i s项，y2(∞)=0，即干扰作用下主环也无余差。如果G C2(s) =K c2，则副环余差为y2(∞)=1/K V K m2K c2，此余差进入主环，此时将副环等效成一个环节，G’02(s) =1/K m2，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1(∞)=0，反之y1(∞)≠0。

当干扰作用在主环时，副环等效成一个环节，G’02(s) =1/K m2，用与上述副环余差计算一样的方法计算主环余差，如果主环控制器具有积分作用，y1(∞)=0，反之y1(∞)≠0。

2.7图2.21所示的反应釜内进行的是放热化学反应，而釜内温度过高会发生事故，因此采用夹套通冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需用串级控制。

①当冷却水压力波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。

选择釜内温度为主对象，冷却水流量为副对象，组成串级控制，结构图如下

②当冷却水入口温度波动是主要干扰时，应怎样组成串级?画出系统结构图。

选择釜内温度为主对象，冷却水入口温度为副对象，组成串级控制，结构图如下

③对上述两种不同控制方案选择控制阀的开、闭形式及主、副控制器正、反作用。

答：从安全角度出发，上述两种方案均应选择气闭式控制阀。

副控制器：第一种方案下，当冷却水流量超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出增大，所以选正作用。第二种方案下，当入口温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度增加，即控制器输出减小，所以选负作用。

主环控制器：两种方案下，当冷却水流量增加时，釜内温度降低，因此K01为负，应选择正作用。

2.8图2.22为一管式炉原油出口温度与炉膛温度串级控制系统。要求：

①选择控制阀的开、闭形式。

答：根据安全要求，控制阀应选择气开式。

②确定主、副控制器的正、反作用。

副控制器：当炉膛温度超过给定值时，其输入为正值，此时要求阀的开度减小，即控制器输出减小，所以选负作用。主环控制器：当燃料气流量增加时，釜内温度升高，因此K01为正，应选择负作用。

③在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，结合控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用，分析该串级控制系统的工作过程。

答：在系统稳定的情况下，如果燃料气压力突然升高，此时控制阀的开度还没有变化，所以燃料气流量增加，炉膛温度升高，测量变送的输出增加，副控制器的输入为正，副控制器为负作用，输出减小，控制阀为气开式，所以开度减小，使燃料气流量下降。燃料气流量增加，炉膛温度升高最终会使原油出口温度增加，测量变送的输出增加，主控制器的输入为正，主控制器为负作用，输出减小，副控制器的给定值减小，促使副环控制器对燃料气流量进一步调整。一直到原油出口温度回到给定值为止，控制阀处在一个新开度上。

2.9某干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。干燥温度过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度进行严格控制。夹套通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽，流程如图2.23所示。要求：

①如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么?

答：应采用干燥器干燥温度与冷水流量串级控制系统，因为要将主要干扰冷水流量包围在副环内。

②如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案?为什么?

答：应采用干燥器干燥温度与蒸汽压力串级控制系统，因为要将主要干扰蒸汽压力包围在副环内。

③如果冷水流量和蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案?为什么?

答：应采用干燥器干燥温度与加热器出口热水温度串级控制系统，副控制器的输出控制蒸汽、冷水控制阀，副控制器为负作用，蒸汽控制阀为气开式，冷水控制阀为气闭式，主控制器为负作用。

2.10某串级控制系统采用两步法进行整定，测得4：1衰减过程的参数为：δ1s

=8%，δ2s

=42%，T 1s

=120 s ，T 2s

=8s 。若该串级控制系统中主控制器采用PID 规律，副控制器采用P 规律。试求主、副控制器的参数值应是多少?

答：

1、副控制器参数：δ2

=δ2s

=42%

2、主控制器参数：δ1

=0.8δ1s

=0.8×8%=0.64%

T 1

=0.3 T 1s

=0.3×120=36s

T i

=0.3 T 1s

=0.1×120=12s

第三章思考题及习题

3.1比值与比值系数的含义有什么不同?它们之间有什么关系?

答：比值K是工艺要求的流量比，定义为从动流量F2与主动流量F1之比，即：

K=从动流量/主动流量=F2/F1

比值系数K'是仪表有效信号之比，定义为从动流量F2的有效信号与主动流量F1的有效信号之比。如果用I来表示仪表的测量信号，则有：

流量比K与比值系数K'是两个不同的概念，不能混淆。比值系数K'的大小与流量比K 的值有关，也与变送器的量程有关，与负荷大小无关。流量与测量信号之间有无非线性关系对计算式有直接影响。线性关系时K'=K(F1max/F2max)；非线性关系(平方根关系)时K'=K2(F1max/ F2max)2。

3.8一比值控制系统用DDZ-Ⅲ型乘法器来进行比值运算(乘法器输出I’＝

，其中I0与I1分别为乘法器的两个输入信号)，流量用孔板配差压变送器来测量，但没有加开方器，如图3.24所示。己知F1max=3600kg/h，F2max=2000kg/h，要求：

(1)画出该比值控制系统方块图。

答：比值控制系统方块图如下

(2 )如果要求F1：F2=2：1，应如何设置乘法器的设置值I0?

答：没有加开方器，流量与测量信号成非线性关系，所以

K'=K2(F1max/F2max)2=0.52×（3600/2000）2=0.81

I0=16K'+4=16×0.81+4=16.96mA

3.9某化学反应过程要求参与反应的A、B两物料保持F A：F B=4：2.5的比例，两物料的最大流量F Amax=625m3/h，F Bmax=290m3/h。通过观察发现A、B两物料流量因管线压力波动而经常变化。根据上述情

况，要求：

①设计一个比较合适的比值控制系统。

答：采用双闭环比值控制系统，使主副流量保持稳定，克服因管线压力波动而经常变化带来的干扰，并保持比值关系，如下图所示。

②计算该比值系统的比值系数K’。

答：设流量与测量信号成线性关系

K'=K(F1max/F2max)=(2.5/4)×(625/290)=1.35

③该比值系统中，比值系数应设置于何处?设置值应该是多少(假定采用DDZ-Ⅲ型仪表)?

答：该比值系统中，比值系数应设置于135%。设置值应该是1.35

④选择该比值控制系统控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用。

答：选择两个控制阀为气开式，当流量增加时，测量值增加，控制器输入为正，此时要求阀的开度减小，即控制器输出下降，所以两个控制器为反作用。

答：流量与测量信号成线性关系

K'=K(F1max/F2max)=(1/2)×(12000/5000)=1.2

用DDZ-Ⅱ型仪表来实现，信号为0~10mA，

I0=10K'=10×1.2=12 mA，所以，应在副流量回路中串入一个比例系数为0.5的比值器。

3.11有一个比值控制系统如图3.26所示。图中K为一系数。若已知K=2，F Amax=300kg/h，

F Bmax=1000kg/h，试求K'=？K=?。

答：该系统为用比值器组成的方案，K为一系数且K=2，即在副流量上串入了一个放大倍数为2的比值器，副流量信号被放大了2倍，从图中可以看出此系统为流量比为2的比值控制系统，即K=2

K'=K(F1max/F2max)=2×(300/1000)=0.6

所以K=2、K'=0.6

3.12一个双闭环比值控制系统如图3.27所示。其比值用DDZ-Ⅲ型乘法器来实现。已知F1max=7000kg/h，F2max=4000kg/h。要求：

①画出该系统方块图。

②若已知I0=18mA求该比值系统的比值K=?比值系数K’=?

③待该比值系统稳定时，测I1=l0mA，试计算此时I2？

答：①方框图如下

②

I0=16K'+4

18=16K'+4

K'=0.875

K'=K(F1max/F2max)=K×(7000/4000)=0.875

K=0.5

③比值系统稳定时，测I1=l0mA，

由公式

得：K'=(I2-4)/(10-4)，I2=l.25mA

g/h。当系统稳定时，测

得v1=4V，v2=3V，试计算该比值控制系统的比值系数K'=?，K=?v0=?

答：K'=（v2-1）/（v1-1）=2/3=0.67

设流量与测量信号成线性关系

K'=K(F1max/F2max)=K(3600/2000) =(2/3)

K= 0.37

根据比值控制要求，乘法器的v1’与v1之间应具有下面的关系：

v1’-1=K'(v0-1)

再根据

可得：K'=(v0-1)/4

v0=4K'+1=4×0.67+1=3.68 V

第四章思考题及习题

4.1均匀控制系统设置的目的是什么?

答：均匀控制系统的名称来自系统所能完成的特殊控制任务，它使前后设备在物料供求上相互均匀、协调，统筹兼顾。

4.2均匀控制系统有些什么特点?

答：(1)结构上无特殊性

均匀控制是指控制目的而言，而不是由控制系统的结构来决定的。均匀控制系统在结构上元任何特殊性，它可以是一个单回路控制系统，也可以是一个串级控制系统的结构形式，或者是一个双冲量控制系统的结构形式。

(2)参数应变化，而且应是缓慢地变化

因为均匀控制是前后设备物料供求之间的均匀，所以表征这两个物料的参数都不应为某一固定的数值,两个参数都变化，且变化比较缓慢。那种试图把两个参数都稳定不变的想法是不能实现的。

(3)参数应限定在允许范围内变化

第五章思考题及习题

5.1前馈控制与反馈控制各有什么特点?

答：(1)前馈控制克服干扰比反馈控制及时

前馈控制是按照干扰作用的大小进行控制的，如控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时。基于这个特点，可把前馈控制与反馈控制作如下比较：

(2)前馈控制属于“开环”控制系统

反馈控制系统是一个“闭环”控制系统，而前馈控制是一个“开环”控制系统。反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制的效果并不通过反馈加以检验，因此前馈控制对被控对象的特性掌握必须比反馈控制清楚，才能得到一个较合造的前馈控制作用。

(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，

一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的。

(4)一种前馈控制作用只能克服一种干扰

由于前馈控制作用是按干扰进行工作的，而且整个系统是开环的，因此根据一种干扰设置的前馈控制只能克服这一干扰，而对于其他干扰，由于这个前馈控制器无法感受到，也就无能为力了。而反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰，所以说这一点也是前馈控制系统的一个弱点。

5.3前馈-反馈控制具有哪些优点?

答：，前馈-反馈控制系统的优点在于：

①由于增加了反馈控制回路，大大简化了原有前馈控制系统。只需对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。

②反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用型模型创造了条件.

③负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的自适应能力。

5.11某前馈-串级控制系统如图5.28所示。已知：G C1(s)=G C2(s)=9；G01(s)=3/(2s+1)；G v(s)=2；G02(s)=2/(2s+1)；G m1(s)=G m2(s)=1：G PD(s)=0.5/(2s+1)。要求：①绘出该系统方块图。

②计算前馈控制器的数学模型。

③假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正、反作用。

答：

①系统方块图如下：

②前馈控制器的数学模型为：

③假定控制阀为气开式

副回路中控制阀符号为正，当阀门开度增加时，蒸汽流量增加，所以副对象符号为正，测变环节为正，所以副控制器为负作用。主回路中当蒸汽流量增加时，出口温度上升，主对象为正，所以主控制器为负作用。

5.12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，试问如何区分它们?

试分析判断图52.9所示的两个系统各属于什么系统?说明其理由。

答：串级控制是由内、外两个反馈回路所组成，而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。串级控制中的副参数与前馈-反馈控制中的前馈输入量是两个截然不同的概念。前者是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果；而后者是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量。

(b)图为串级控制系统，因为它由内、外两个反馈回路所组成，其副参数是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果。

(a)图为静态前馈-反馈控制系统，因为原油的流量是对主被控变量――温度有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量。

第六章思考题及习题

6.1在选择性控制系统中，选择器的类型是如何确定的?

答：选择器的类型可以根据生产处于非正常情况下控制器的输出信号高、低来确定。如果在这种情况下它的输出为高信号，则应选高选器；如果在这种情况下它的输出为低信号，则应选低选器。

6.2何谓积分饱和?它有什么危害性?

答：一个具有积分作用的控制器，当其处于开环工作状态时，如果偏差输入信号一直存在，那么，由于积分作用的结果，将使控制器的输出不断增加(当控制器为正作用且偏差为正时)或不断减小(当偏差为负时)，一直达到输出的极限值为止，这种现象称之为“积分饱和”。

由于积分饱和的影响，造成了控制阀的工作“死区”，使控制阀不能及时地发挥控制作用，因而导致控制品质的恶化，甚至还会导致发生事故。

6.5图6.15所示为一锅炉燃烧系统的产气量与燃料管线压力选择性控制系统。其中燃料压力控制是为了防止压力过高产生“脱火”事故而设置的，蒸汽流量控制则是根据用户所需蒸汽量而设置的。假设系统中所选控制阀为气闭阀，试分析确定各控制器的正、反作用及选择器的类型。并简要说明该系统的工作原理。

答：所选控制阀为气闭阀，蒸汽流量增加时，FC输入增加，此时要求控制阀开度加大，即FC输出减小，所以FC为正作用；当燃料压力超过设定值时，PC输入为正，要求PC通过选择器使控制阀开度减小，即PC的输出为高信号，所以PC选择正作用，选择器为高选器。

在正常情况下，燃料气压力低于产生脱火的压力(即低于给定值)，PC感受到的是负偏差，它的输出呈现为低信号(因为PC为正作用、窄比例控制器)，与此同时FC的输出信号

相对来说则呈现为高信号。这样，高选选器HS将选中PC的输出送往控制阀，构成蒸汽流量控制系统。

当燃料气压力上升到超过PC的给定值(脱火压力)时，PC感受到的是正偏差，由于它是正作用、窄比例，因此PC的输出一下升为高信号，于是高选器HS就改选PC的输出送往控制阀，构成燃料气压力控制系统，从而防止燃料气压力的上升，达到防止产生脱火的目的。

待燃料气压力下降到低于给定值时，PC输出又迅速降为低信号，而蒸汽压力控制器FC 输出相对而言又成为高信号，被高选器重新选中送往控制阀，重新构成蒸汽压力控制系统。

第七章思考题及习题

7.3在分程控制系统中，什么情况下需选用同向动作控制阀，什么情况下需选用反向动作的控制阀?

答：当分程控制系统用于扩大控制阀的可调范围，改善系统品质时，需选用同向动作控制阀。当分程控制系统用于满足某些工艺操作的特殊需要时，需选用同反动作控制阀。

7.7图7.23为某管式加热炉原油出口温度分程控制系统。两分程阀分别设置在瓦斯气和燃料油管线上。工艺要求优先使用瓦斯气供热，只有当瓦斯气量不足以提供所需热量时，才打开燃料油控制阀作为补充。

根据上述要求试确定：

①A、B两控制阀的开闭形式及每个阀的工作信号段(假定分程点为0.06MPa)。

答：根据安全要求，A、B两个阀门应选择气开式；(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06×200=12，所以A阀工作信号段为4～12mA，B阀工作信号段为12～20mA。

②确定控制器的正、反作用。

A阀为气开式，其符号为“+”，A阀开度加大即瓦斯气流量增大，温度升高，对象符号为“+”；所以控制器为反作用。

③画出该系统的方块图，并简述该系统的工作原理。

答：系统的方块图如下。

工作原理：当瓦斯气量足以提供所需热量时，温度由于某种原因低于设定值，则TC的输入下降，由于TC为反作用，所以输出增加，但不会超过12mA，A阀开度加大，增加瓦斯气供应量，使温度回升。当瓦斯气供应不足以维持出口温度时，TC的输入为负，输出增加超过12mA，此时A阀全开，B阀由全闭开始打开，提供燃料油，使温度回升到设定值。

7.7图7.8某生产工艺有一个脱水工序，用95%浓度的酒精按卡拉胶与酒精之比为1：6的比例加入到卡拉胶中，以脱除卡拉胶中所含的一部分水分，工艺流程如图7.24所示。酒精来源有两个：一为酒精回收工序所得；一为新鲜酒精。工艺要求尽量使用回收酒精，只有在回收酒精量不足时，才允许添加新鲜酒精给予补充。根据上述情况应采用何种控制方式为好?画出系统的结构图与方块图。选择系统中控制阀的开、闭形式，控制阀的工作信号及控制器的正、反作用。

答：酒精与卡拉胶之间的流量采用比值控制系统，酒精流量采用分程控制系统，用A 控制阀控制回收酒精流量，B控制阀控制新鲜酒精流量。

系统的结构图与方块图如下所示：

A、B两阀均选择气开式，A阀工作信号段为4～12mA，B阀工作信号段为12～20mA。A阀为气开式，其符号为“+”，A阀开度加大即回收酒精流量增大，总流量增加，对象符号为“+”；所以控制器为反作用。

7.9图7.25所示为甲烷化反应器(DC-301)入口温度分程控制系统。它利用反应生成物经换热器EA-302对进反应器的物料进行预热，如入口温度仍达不到要求，则进一步通过蒸汽换热器EA-301进一步预热。两分程阀分别设置在换热器EA-302的旁路和蒸汽管线上，如图7.25所示。试确定各控制阀的开闭形式、工作信号段(设分程点为0.06MPa)及控制器的正、反作用。

答：B阀选择气闭式，A阀选择气开式。(20-4)/(0.1-0.02)=200；0.06×200=12，所以A 阀工作信号段为12～20mA，B阀工作信号段为4～12mA。B阀为气闭式，其符号为“-”，

B阀开度加大即旁路流量增加，入口温度下降，所以对象符号为“-”，所以控制器选择反作用。

7.10图7.26为一燃料气混合罐(EA-703)压力分程控制系统。正常时调出界区的甲烷流量控制阀A，当罐内压力降低到A阀全关仍不能使其回升时，则开大来自燃料气发生罐(EA-704)的出口管线控制阀B。试分析该系统中各控制阀的开闭形式、阀上的信号段以及控制器的正、反作用。

答：A、B两阀均选择气开式，A阀工作信号段为4～12mA，B阀工作信号段为12～20mA。A阀为气开式，其符号为“+”，A阀开度加大即出界区的甲烷流量增大，罐内压力下降，对象符号为“-”；所以控制器为正作用。

7.11某反应过程要求反应物入口温度必须预热到所要求的温度，因此在反应物进入反应器之前经蒸汽换热器与蒸汽进行换热，其工艺流程图如图7.27所示。假定该反应过程对入口温度要求很严，而蒸汽换热由于时间常数比较大，控制很不及时，那么你认为应该设计何种控制方案为好?画出系统的结构图与方块图，选择控制阀的开闭形式及控制器的正、反作用，并说明该系统的工作原理。

答：采用分程控制系统，系统的结构图与方块图如下图所示：

从安全角度出发，A阀应选气开式，B阀应选气闭式。B阀气闭式，其符号为“-”，B 阀开度加大，入口温度降低，其对象符号为“-”，TC选择反作用，其符号为“-”，A阀气开式，其符号为“+”，A阀开度加大，入口温度升高，其对象符号为“+”，VPC选择正作用。

系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值R，控制阀V A处于某一开度，控制阀V B处于阀位控制器VPC所设置的小开度。当系统受到外界干扰使入口温度上升时，温度控制器的输出将减小，这一减小的信号送往两处：其一去V B；其二去VPC。送往V B的信号将使V B开度增大，这会将原油出口温度拉下来；送往VPC的信号是作为后者的测量值，在r不变的情况下，测量值减小，VPC的输出将减小，V A的开度将减小，燃料量则随之减少，入口温度也将因此而下降。这样V A、V B两只控制阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减低。随着入口温度上升趋势的下降，TC输出逐渐增加，于是阀V B的开度逐渐减小，阀V A 的开度逐渐加大。这一过程一直进行到温度控制器TC及阀位控制器VPC的偏差都等于零时为止。温度控制器偏差等于零，意味着入口温度等于给定值，阀位控制器偏差等于零，意味着控制阀V B的阀压与阀位控制器VPC的设定值r相等，而V B的开度与阀压是有着一一对应的关系的，也就是说阀V B最终会回到设定值r所对应的开度。

7.12某放热化学反应器温度阀位控制系统如图7.28所示。为了控制反应温度，必须及时移走反应所产生的热量。图中采用两项措施：其一是在夹套通以冷却水；其二是将反应物从釜中抽出，与冷冻盐水换热后再送回釜中。显然，第二项措施反应较快，滞后较小，有良好的动态性能，但是用冷冻盐水代价太高，不经济。因此，正常情况盐水控制阀只打开一个很小的开度(由设置值r决定)。要求：

①确定两控制阀的开、闭形式。

答：从安全角度出发A、B阀应选闭开式。

②确定各控制器的正、反作用。

答：A阀气闭式，其符号为“-”，A阀开度加大，釜内温度降低，其对象符号为“-”，TC选择反作用，其符号为“-”，B阀气闭式，其符号为“-”，B阀开度加大，釜内温度降低，其对象符号为“-”，VPC选择正作用。

③分析一下该系统的工作过程。

系统稳定情况下，被控变量等于主控制器的设定值R，控制阀V B处于某一开度，控制阀V A处于阀位控制器VPC所设置的小开度。当系统受到干扰使釜内温度上升时，温度控制器的输出将减小，这一减小的信号送往两处：其一去V A；其二去VPC。送往V A的信号将使V A开度增大，这会将釜内温度拉下来；送往VPC的信号是作为后者的测量值，在r不变的情况下，测量值减小，VPC的输出将减小，V B的开度将增大，冷水量则随之增加，釜内温度也将因此而下降。这样V A、V B两只控制阀动作的结果都将会使温度上升的趋势减低。随着釜内温度上升趋势的下降，TC输出逐渐增加，于是阀V A的开度逐渐减小，阀V B的开度逐渐加大。这一过程一直进行到温度控制器TC及阀位控制器VPC的偏差都等于零时为止。温度控制器偏差等于零，意味着釜内温度等于给定值，阀位控制器偏差等于零，意味着控制阀V A的阀压与阀位控制器VPC的设定值r相等，而V A的开度与阀压是有着一一对应的关系的，也就是说阀V A最终会回到设定值r所对应的开度。

第八章思考题及习题

8.1什么是非线性控制系统?

答：非线性控制系统的控制规律不是线性的，可以分为两类：一类过程是线性的(或近似按线性处理)，为了满足控制系统的某种要求或改善控制系统质量而引入非线性的控制规律；另一类过程本身是非线性的，引入非线性的补偿元件或控制规律，以达到系统规定的控制指标。

8.4列出几种与PID控制器结合提高非线性控制能力的人工智能方法，它们是如何与常规PID控制器相结合的?

答：(1)模糊PID控制

模糊PID控制是利用当前的控制偏差和偏差，结合被控过程动态特性的变化，以及针对具体过程的实际经验，根据一定的控制要求或目标函数，通过模糊规则推理，对PID控制器的三个参数进行在线调整。

(2)专家PID控制

专家系统是一个具有大量专门知识和经验的计算机程序系统，其内部具有某个领域中大量专家水平的专门知识、经验和技巧，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。专家PID控制

采用规则PID控制形式，通过对系统误差和系统输出的识别，了解被控对象过程动态特性的变化，在线调整PID的三个参数，直到过程的响应曲线为某种最佳响应曲线。它是一种基于启发式规则推理的自适应技术，其目的就是为了应付过程中出现的不确定性。

(3)神经网络PID控制

神经网络，又称人工神经网络，就是将人工神经元按某种方式联结组成的网络，用于模拟人脑神经元活动的过程，实现对信息的加工、处理、存储等。神经网络有前向网络(前馈网络)、反馈网络等网络结构形式。基于神经网络的PID控制即可以用神经网络来整定PID 的参数，也可以用神经网络直接作为控制器，通过训练神经网络的权系数间接地调整PID 参数。

第九章思考题及习题

第十章思考题及习题

10.1何谓系统关联?如何进行表示?

答：系统关联就是系统之间彼此互相有影响。利用回路相对增益来表示。

10.12在所有回路都开环时，某一过程的开环增益矩阵为

试推导出相对增益矩阵A，并选出最好的控制回路。分析此过程是否需要解耦?

答：

由传递矩阵可知

Y1(s )=0.58U1(s)-0.36U2(s) -0.36U3(s)

Y2(s)=0.73U1(s)-0.61U2(s)

Y3(s )=U1(s)+U2(s) +U3(s)

当除U1－Y1回路闭合，其它回路都开环时

静态增益为0.58

其它回路都闭环，即Y2(s)、Y3(s )保持不变时，U2(s)=1.197U1(s)，U3(s)= -2.197U1(s)静态增益为0.58-1.197×0.36+2.197×0.36＝0.94

λ11=0.58/0.94＝0.62

当除U2－Y1回路闭合，其它回路都开环时

静态增益为-0.36

其它回路都闭环，即Y2(s)、Y3(s )保持不变时，U1(s)=0.84U2(s)，U3(s)=-1.84U2(s)静态增益为0.58×0.84-0.36+1.84×0.36＝0.79

λ12=-0.368/0.79＝-0.46

当除U1－Y2回路闭合，其它回路都开环时

静态增益为-0.61

其它回路都闭环，即Y2(s)、Y3(s )保持不变时，U1(s)=0，U3(s)=-0

静态增益为-0.619

λ21=-0.61/-0.61=1

同理λ22=1

所以，增益矩阵为

最好的控制回路有U1－Y2、U3－Y1、U3－Y3

此过程不需要解耦

自动控制原理课后习题答案

1.2根据题1.2图所示的电动机速度控制系统工作原理 （1）将a,b 与c,d 用线连接成负反馈系统； （ 2）画出系统 框图。 c d + - 发电机 解： （1） a 接d,b 接c. （2） 系 统 框 图 如下 1.3题1.3图所示为液位自动控制系统原理示意图。在任何情况下，希望页面高度c 维持不变，说明系统工作原理并画出系统框图。

解： 工作原理：当打开用水开关时，液面下降，浮子下降，从而通过电位器分压，使得电动机两端出现正向电压，电动机正转带动减速器旋转，开大控制阀，使得进水量增加，液面上升。同理，当液面上升时，浮子上升，通过电位器，使得电动机两端出现负向电压，从而带动减速器反向转动控制阀，减小进水量，从而达到稳定液面的目的。 系统框图如下： 2.1试求下列函数的拉式变换，设t<0时，x(t)=0: (1) x(t)=2+3t+4t 2 解： X(S)= s 2 +23s +38 s

(2) x(t)=5sin2t-2cos2t 解：X(S)=5 422+S -242+S S =4 2102+-S S (3) x(t)=1-e t T 1- 解：X(S)=S 1- T S 11+ = S 1-1 +ST T = ) 1(1 +ST S (4) x(t)=e t 4.0-cos12t 解：X(S)=2 212 )4.0(4 .0+++S S 2.2试求下列象函数X(S)的拉式反变换x(t)： (1) X(S)= ) 2)(1(++s s s 解：= )(S X )2)(1(++s s s =1 122+-+S S t t e e t x ---=∴22)( (2) X(S)=) 1(1 522 2++-s s s s 解：=)(S X ) 1(1522 2++-s s s s =15 12+-+S S S

过程控制系统习题答案

什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪几种？ 过程控制系统通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。基本分类方法有：按照设定值的形式不同【定值，随动，程序】；按照系统的结构特点【反馈，前馈，前馈-反馈复合】。 热电偶测量的基本定律是什么？常用的冷端补偿方式有哪些 均质材料定律：由一种均匀介质或半导体介质组成的闭合回路中，不论截面和长度如何以及沿长度方向上的温度分布如何，都不能产生热电动势，因此热电偶必须采用两种不同的导体或半导体组成，其截面和长度大小不影响电动势大小，但须材质均匀； 中间导体定律：在热电偶回路接入中间导体后，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响； 中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、t0时的热电势之代数和。只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端任意温度时的热电势,即 由于冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为某一定值，因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端采取补偿措施，使其温度恒定。冷端温度补偿方法有冷端恒温法、冷端补偿器法、冷端温度校正法和补偿导线法。 为什么热电阻常用三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电 桥输出带来较大误差，必须用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。 对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答： 变送器具有哪些主要功能？ 变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。 什么是变送器零点、零点迁移调整和量程调整？ 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。

控制工程基础第三版机械工业出版社课后答案

控制工程基础习题解答 第一章 1-5．图1-10为张力控制系统。当送料速度在短时间内突然变化时，试说明该控制系统的作用情况。画出该控制系统的框图。 图1-10 题1-5图 由图可知，通过张紧轮将张力转为角位移，通过测量角位移即可获得当前张力的大小。 当送料速度发生变化时，使系统张力发生改变，角位移相应变化，通过测量元件获得当前实际的角位移，和标准张力时角位移的给定值进行比较，得到它们的偏差。根据偏差的大小调节电动机的转速，使偏差减小达到张力控制的目的。 框图如图所示。 角位移 题1-5 框图 1-8．图1-13为自动防空火力随动控制系统示意图及原理图。试说明该控制系统的作用情况。

该系统由两个自动控制系统串联而成：跟踪控制系统和瞄准控制系统，由跟踪控制系统 获得目标的方位角和仰角，经过计算机进行弹道计算后给出火炮瞄准命令作为瞄准系统的给定值，瞄准系统控制火炮的水平旋转和垂直旋转实现瞄准。 跟踪控制系统根据敏感元件的输出获得对目标的跟踪误差，由此调整视线方向，保持敏感元件的最大输出，使视线始终对准目标，实现自动跟踪的功能。 瞄准系统分别由仰角伺服控制系统和方向角伺服控制系统并联组成，根据计算机给出的火炮瞄准命令，和仰角测量装置或水平方向角测量装置获得的火炮实际方位角比较，获得瞄准误差，通过定位伺服机构调整火炮瞄准的角度，实现火炮自动瞄准的功能。 控制工程基础习题解答 第二章 2-2．试求下列函数的拉氏变换，假定当t<0时，f(t)=0。 (3). ()t e t f t 10cos 5.0-= 解：()[][ ] ()100 5.05 .010cos 2 5.0+++= =-s s t e L t f L t (5). ()?? ? ? ?+ =35sin πt t f 图1-13 题1-8图 敏感元件

自动控制原理_课后习题及答案

第一章绪论 1-1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1)优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作 用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2)缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化， 外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。 它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证 明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉 子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？ （1） （2） （3） （4） （5）

（6） （7） 解答：（1）线性定常（2）非线性定常（3）线性时变 （4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常 （7）线性定常 1-4如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1，Q2分别为进水流量和出水流量。控制的目的是保持水位为一定的高度。 试说明该系统的工作原理并画出其方框图。 题1-4图水位自动控制系统 解答： (1) 方框图如下： ⑵工作原理：系统的控制是保持水箱水位高度不变。水箱是被控对象，水箱的水位是被控量，出水流量Q2的大小对应的水位高度是给定量。当水箱水位高于给定水位，通过浮子连杆机构使阀门关小，进入流量减小，水位降低，当水箱水位低于给定水位时，通过浮子连杆机构使流入管道中的阀门开大，进入流量增加，水位升高到给定水位。 1-5图1-5是液位系统的控制任务是保持液位高度不变。水箱是被控对象，水箱液位是被控量，电位器设定电压时（表征液位的希望值Cr）是给定量。

过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程课后习题参考答案-前三章

过程控制工程 第一章单回路控制系统 1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？ 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：

（从K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个 。 纯滞后时间τ 1.2 如何选择操纵变量？ 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道 时间常数。干扰动通道时间常数越大 越好，阶数越高越好。 4）控制通道纯滞后越小越好。 1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。

自动控制原理课后答案(第五版)

第 一 章 1-1 图1-2是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望液面高度c 维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。 图1-2 液位自动控制系统 解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位r u （表征液 位的希望值r c ）；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度 不变。 工作原理：当电位电刷位于中点（对应 r u ）时，电动机静止不动，控制阀门有一定的 开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度r c ，一旦流入水量或流出水量 发生变化时，液面高度就会偏离给定高度 r c 。 当液面升高时，浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，电动机的控制电压为零，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度 r c 。 反之，若液面降低，则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，使液面升高到给定高度 r c 。 系统方块图如图所示：

1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中c(t)为输出量，r (t)为输入量，试判断哪些是线性定常或时变系统，哪些是非线性系统 （１） 222 )()(5)(dt t r d t t r t c ++=； （２）)()(8) (6)(3)(2 233t r t c dt t dc dt t c d dt t c d =+++； （３） dt t dr t r t c dt t dc t ) (3)()()(+=+； （４）5cos )()(+=t t r t c ω； （５）?∞-++=t d r dt t dr t r t c τ τ)(5)(6)(3)(； （６）)()(2 t r t c =； （７）???? ?≥<=.6),(6,0)(t t r t t c 解：（1）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项2 ()r t ，所以该系统为非线性系统。 （2）因为该微分方程不含变量及其导数的高次幂或乘积项，且各项系数均为常数，所以该系统为线性定常系统。 （3）该微分方程不含变量及其导数的高次幂或乘积项，所以该系统为线性系统，但第一项 () dc t t dt 的系数为t ，是随时间变化的变量，因此该系统为线性时变系统。 （4）因为c(t)的表达式中r(t)的系数为非线性函数cos t ω，所以该系统为非线性系统。 （5）因为该微分方程不含变量及其导数的高次幂或乘积项，且各项系数均为常数，所以该系统为线性定常系统。 （6）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项2()r t ，表示二次曲线关系，所以该系统为非

自动控制原理-课后习题答案

态性能。 1-3 试阐述对自动控制系统的基本要求。 解：自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、准确性和快速性。 稳定性是对系统最基本的要求，不稳定的系统是无法正常工作的，不能实现预定控制任务。系统的稳定性，取决于系统的结构和参数，与外界因素无关。所谓稳定性是指：当受到外作用后（系统给定值发生变化或受到干扰因素影响），系统重新恢复平衡的能力以及输出响应动态过程振荡的振幅和频率。简单来讲，若一个系统稳定，则当其在外部作用下偏离原来的平衡状态，一旦外部作用消失，经过一定时间，该系统仍能回到原来的平衡状态。反之，系统不稳定。 准确性是衡量系统控制精度的指标，用稳态误差来表示。当系统达到稳态后，稳态误差可由给定值与被控量稳态值之间的偏差来表示，误差越小，表示系统的输出跟随给定输入信号的精度越高。 快速性反应系统输出响应动态过程时间的长短，表明系统输出信号跟踪输入信号的快慢程度。系统响应越快，说明系统的输出复现输入信号的能力越强，表明性快速性越好。 在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。 1-4 直流发电机电压控制系统如图所示，图1-17（a）为开环控制，图1-17（b）为闭环控制。发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比。当负载变化时，由于发电机电枢内阻上电压降的变化，会引起输出电压的波动。 （1）试说明开环控制的工作原理，并分析原动机转速的波动和负载的变化对发电机输出电压的影响。

（2）试分析闭环控制的控制过程，并与开环控制进行比较，说明负载的作用。 （a）（b） 图1-17 直流发电机电压控制系统 解：（1）这是一个通过调节原动机励磁，控制输出电压的直流发电机系统。 控制作用的实现是输入信号电压控制原动机励磁的电压输出，再有原动机励磁的输出电压控制直流发电机的输出电压，进一步带动负载工作。 由于发电机电动势与原动机转速成正比，同时与励磁电流成正比，所以当原动机转速降低时，发电机输出电压同时降低。当负载增加时，输出电压同样降低。 （2）该闭环控制系统反馈信号从输出电压得到直接送入电源输入端，形成负反馈控制。当发电机输出电压减小时，原动机励磁增加，进而使发电机输出电压回升。 1-5 图1-18所示为水位控制系统，分析系统工作原理，指出系统被控对象、被控量、控制器、检测反馈元件、执行元件、给定输入量、干扰量、输出量，并画出系统原理方框图。

过程控制与集散系统课后习题答案

r t 1 y 3 y ) (∞y s t y 图1.3 过程控制系统阶跃响应曲线 1-1过程控制系统中有哪些类型的被控量 温度、压力、流量、液位、物位、物性、成分 1-2过控系统有哪些基本单元构成，与运动控制系统有无区别 被控过程或对象、用于生产过程参数检测的检测仪表和变送仪表、控制器、执行机构、报警保护盒连锁等其他部件 过程控制，是一种大系统控制，控制对象比较多，可以想象为过程控制是对一条生1-4衰减比和衰减率 衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。 衡量振荡过程衰减程度的指标。 衰减率是经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。 衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。 一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相当于衰减率Ψ=0.75到0.9。 若衰减率Ψ =0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。 1-5最大动态偏差和超调量有何异同 最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量， 表现在过渡 过程开始的第一个波峰（y1）。 最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。 超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。 余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。 调节时间ts 是从过渡过程开始到结束的时间。 理论上应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的5%范围内所需时间 就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。 振荡频率β是振荡周期的倒数。 在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡 频率越高，调节时间越短。振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控 制系统快速性的指标。 过程控制的目标 安全性 稳定性 经济性 过程工业的特点 强调实时性和整体性/全局优化的重要性/安全性要求 过程控制系统的特点 / 被控过程的多样性 / 控制方案的多样性/被控过程属慢过程、多参数控制/定值控制/过程控制多种分类方法 过程控制系统的性能指标/稳定性、准确性/快速性 2-1什么是对象的动态特性，为什么要研究它 研究对象特性通常以某种形式的扰动输入对象，引起对象输出发生相应的变化，这种变化在时域或者频域上用微分方程或者传递函数进行描述，称为对象的动态特性。 动态特性：被控参数随时间变化的特性y(t) 研究被控对象动态特性的目的是据以配合合适的控制系统，以满足生产过程的需求。 2-2描述对象动态特性的方法有哪些 参数描述法 /传递函数描述/差分方程描述/状态空间描述 非参数描述法---响应曲线/阶跃响应/脉冲响应/频率响应/噪声响应:白噪声、M 序列 2-3过控中被控对象动态特性有哪些特点 1)对象的动态特性是不振荡的 2）对象动态特性有延迟 3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的 2-4单容对象放大系数K 和时间常数T 各与哪些因素有关，K 、T 大小对动态特性的 影响 T 反映对象响应速度的快慢 K 是系统的稳态指标/K 大，系统的灵敏度高 2-5对象的纯滞后时间产生的原因是什么 纯延迟现象产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一定距离。 具有自平衡能力的双容对象的传递函数1 )()()()(21221+++= ??= s T T s T T K s U s H s G 有纯延迟时 s e s T T s T T K s U s H s G 01 )()()()(21221τ-+++=??= 具有自平衡能力的多容对象 若还有纯延迟 4 PID 调节原理 4-1，P 、I 、D 控制规律各有何特点，那些是有差、无差调节，为了提高控制系统的稳定性，消除控制系统的误差，应该选择那些调节规律 P 调节中，调节器的输出信号u 与偏差信号e 成比例 u = Kp e P 调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后 有差调节,(放大系数越小，即比例带越大，余差就越大) 比例带δ大,调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长 比例调节的特点： （1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u = K e （2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。 （3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。 若对象较稳定,则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快 积分调节（I 调节) 调节器的输出信号的变化速度du/dt 与偏差信号e 成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比， 只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化 积分调节作用能自动消除余差./无差调节 稳定作用比P 调节差 滞后特性使其难以对干扰进行及时控制 增大积分速度，调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低 微分调节（D 调节） 调节器的输出u 与被调量或其偏差e 对于时间的导数成正比 微分调节只与偏差的变化成比例，变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大 微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后 012345678 0.20.40.60.811.2 1.41.61.8Step Response Time (sec) A m p l i t u d e K=0.2K=1K=10K=100 调节作用用以减少偏差。 比例作用大，可以加快调节，减少误差 但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 Time (sec) A m p l i t u d e Ti=1Ti=5Ti=10Ti=inf 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。 积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti 大则积分作用弱。 加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。 Time (sec) A m p l i t u d e Td=0.5Td=1Td=10Td=0 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作 % 100) (1 ?∞=y y σ)()(∞-=∞y r e 31y y =η1 3 1 y y y -=ψp π β2=

《控制工程基础》王积伟_第二版_课后习题解答(完整)

第一章 3 解：1)工作原理：电压u2反映大门的实际位置，电压u1由开（关）门开关的指令状态决定，两电压之差△u＝u1－u2驱动伺服电动机，进而通过传动装置控制 大门的开启。当大门在打开位置，u2＝u 上：如合上开门开关，u1＝u 上 ，△u＝0， 大门不动作；如合上关门开关，u1＝u 下 ，△u<0，大门逐渐关闭，直至完全关闭， 使△u＝0。当大门在关闭位置，u2＝u 下：如合上开门开关，u1＝u 上 ，△u>0，大 门执行开门指令，直至完全打开，使△u＝0；如合上关门开关，u1＝u 下 ，△u＝0，大门不动作。 2)控制系统方框图 4 解：1)控制系统方框图

2)工作原理： a)水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值h ’由浮球顶杆的长度给定，杠杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。当有扰动（水的使用流出量和给水压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），通过杠杆机构是进水阀的开度增大（减小），进入水箱的水流量增加（减小），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），进水阀开度增大（减小）量减小，直至达到新的水位平衡。此为连续控制系统。 b) 水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值h ’由浮球拉杆的长度给定。杠杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。当有扰动（水的使用流出量和给水压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），到一定程度后，在浮球拉杆的带动下，电磁阀开关被闭合（断开），进水阀门完全打开（关闭），开始进水（断水），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），直至达到给定的水位高度。随后水位进一步发生升高（降低），到一定程度后，电磁阀又发生一次打开（闭合）。此系统是离散控制系统。 2-1解： （c ）确定输入输出变量（u1，u2） 22111R i R i u += 222R i u = ?-= -dt i i C u u )(1 1221 得到：11 21221222 )1(u R R dt du CR u R R dt du CR +=++ 一阶微分方程 （e ）确定输入输出变量（u1，u2） ?++=i d t C iR iR u 1 211 R u u i 2 1-=

自动控制原理_课后习题及答案

第一章绪论 1- 1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1 开环系统 （1）优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 （2）缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定 值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差 调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1- 2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。闭环控制系统常采用负反馈。由1-1 中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控 制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1- 3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？ （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） 解答：（1）线性定常（2）非线性定常（3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常 1-4如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1, Q2分别为进水流量和出水流量。控制的目的是保持水位为一定的高度。试说明该系统的工作原理并画出其方框图。 题1-4 图水位自动控制系统 解答： （1）方框图如下：

给定水位 实际水温 浮子 杠杆 阀门 水箱 ⑵工作原理：系统的控制是保持水箱水位高度不变。水箱是被控对象，水箱 的水位是被控量，出水流量Q2的大小对应的水位高度是给定量。当水箱水位 高于给定水位，通过浮子连杆机构使阀门关小，进入流量减小，水位降低， 当水箱水位低于给定水位时，通过浮子连杆机构使流入管道中的阀门开大， 进入流量增加，水位升高到给定水位。 1- 5图1-5是液位系统的控制任务是保持液位高度不变。水箱是 被 控对象，水箱液位是被控量，电位器设定电压时（表征液 位的希望值Cr ）是给定量。 题1-5图 液位自动控制系统 解答： （1） 液位自动控制系统方框图: （2）当电位器电刷位于中点位置（对应Ur ）时，电动机不动，控制阀门有一 定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等。 从而液面保持在希望高度上 一旦流入水量或流出水量发生变化，例如当液面升高时，浮子位置也相应升 高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一事实 上的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液位流 量减少。此时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中 点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液位下 降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入量，使液位升到给定的高度。 1-6题图1-6是仓库大门自动控制系统的示意图，试说明该系统的工作原 理，并画出其方 框图 题1-6图仓库大门自动控制系统示意图 解答： （1）仓库大门自动控制系统方框图:

(完整版)过程控制系统与仪表课后习题答案完整版汇总

第1章思考题与习题 1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？ 解答： 1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富 3．控制多属慢过程参数控制 4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式 5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？ 解答： 过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：参照图1-1。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？ 解答： 分类方法说明： 按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类： 1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统 （2）随动控制系统 （3）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统 （2）前馈控制系统 （3）前馈—反馈复合控制系统 1-5 什么是定值控制系统? 解答： 在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。

1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？ 解答： 被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 二者之间的关系： 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？ 解答： 稳态： 对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达 到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静 止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 动态： 从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统 又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？ 解答： 单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n； 过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A； y与最终稳态值y（∞）之比的百分数σ； 超调量：第一个波峰值 1

自动控制原理课后习题答案

. 第一章引论 1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。答： 自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。如下图所示为自动控制系统的基本组成。 开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。 闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。 闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。 < 1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。 答： 自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。 快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 准确性用稳态误差来衡量。在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的精度

自动控制原理课后习题答案

第一章引论 1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。答： 自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。如下图所示为自动控制系统的基本组成。 开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。 闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。 闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。 1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。 答： 自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通常由系统的结构决定与外界因素无关。对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值（例如恒温控制系统）。对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。 快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 准确性用稳态误差来衡量。在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的精度越高，准确性越好。当准确性与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。 1-3 请给出图1-4炉温控制系统的方框图。 答：

过程控制15章习题答案

第一章单回路控制系统 1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？ 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。 1.2 如何选择操纵变量？ 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。4）控制通道纯滞后越小越好。 1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。随着δ减小，系统的稳定性下降。 1.5图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：影响物料出口温度的 主要因素有哪些？如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？如果物 料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？ 答：影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。 被控变量应选择物料的出口温度，操纵变量应选择蒸汽流量。物料的出口温度是工艺要求的直接质量 指标，测试技术成熟、成本低，应当选作被控变量。可选作操纵变量的因数有两个：蒸汽流量、物料 流量。后者工艺不合理，因而只能选蒸汽流量作为操纵变量。控制阀应选择气关阀，控制器选择正作用。 1.6 图1-43为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下面不同情况下控制阀的开闭形式及控制器的正反作用： 被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚； 被加热物料在温度过低时会发生凝结； 如果操纵变量为冷却水流量，该地区最低温度 在0℃以下，如何防止热交换器被冻坏。 答：控制阀选气开阀，选反作用控制器。 控制阀选气关阀，选正作用控制器。 控制阀选气关阀，选反作用控制器。 1.7 单回路系统方块图如图1-44所示。试问当系统中某组成环节的参数发生变化时，系统质量会有何变化？为什么？ （1）若T0增大；（2）若τ0增大；（3）若Tf增大；（4） 若τf增大。 答：（1）T0 增大，控制通道时间常数增大，会使系统的工作频 率降低，控制质量变差； （2）τ0 增大，控制通道的纯滞后时间增大，会使系统控制不 及时，动态偏差增大，过渡过程时间加长。 （3）Tf 增大，超调量缩小1/Tf倍，有利于提高控制系统质量； （4）τf 增大对系统质量无影响，当有纯滞后时，干扰对被控 变量的影响向后推迟了一个纯滞后时间τf 。 第二章串级控制系统 2．1 与单回路系统相比，串级控制系统有些什么特点？ (1) 串级系统由于副回路的存在, 使等效副对象时间常数减小，改善了对象的特性,使系统工作频率提高。

(完整版)自动控制原理课后习题及答案

第一章 绪论 1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说 明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非 线性，定常，时变）？ （1）22 ()()() 234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2）()2()y t u t =+ （3）()()2()4()dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4）() 2()()sin dy t y t u t t dt ω+= （5）22 ()() ()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2() ()2() dy t y t u t dt +=

过程与控制部分课后题标准答案

（2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。 答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、 压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 过程控制系统的一般性框图如图１-1所示: 图１－1 过程控制系统的一般性框图 （3)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？ 答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。 １）模拟仪表的信号:气动0．０2 ~0.1MPa；电动Ⅲ型：4~20mAＤC或1~5V DＣ。 2）数字式仪表的信号:无统一标准。 (4)试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。 答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示: 图1-2 加热炉过程控制系统流程 （5)过程控制系统的单项性能指标有哪些?各自是如何定义的? 控制器 r(t) 执行器被控过程 检测变送装置 y(t) _ f(t) e(t)u(t)q(t) z(t) TC PC 给定值 阀管道加热炉 热油出口温 度 PT 燃油压力 _ TT _ 干扰2干扰1 AC AT 燃油 PT PC TC TT 引风机 烟气 冷油入口 热油出口 火嘴 送风机 空气

1 100%() y y σ= ?∞答:1）单项性能指标主要有:衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 2)各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ； 超调量σ:第一个波峰值 1 y 与最终稳态值y(∞）之比的百分数： 最大动态偏差A ：在设定值阶跃响应中,系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度; 静差,也称残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y(∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差; 调节时间s t :系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5%±（2%±）范围内所需要的时间； 振荡频率 n ω:过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷)之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率； 上升时间p t :系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间; 峰值时间 p t ：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。 （9)两个流量控制系统如图１-4所示。试分别说明它们是属于什么系统?并画出各自的系统框图。 图１-4 两个流量控制回路示意图 答：系统1是前馈控制系统,系统2是反馈控制系统。系统框图如图１-５如下： 系统1 系统2 图１-5 两个流量控制回路方框图 (１0)只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？ 答:1）不是这样。 2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。 (11）构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？ 答：1)是的。 2)因为安全火花型防爆系统必备条件之一为:现场仪表必须设计成安全火花型。 2.综合练习题 （3）某化学反应过程规定操作温度为80±５℃,最大超调量小于或等于5％,要求设计的定值控制系统,在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图1-８所示。要求:１）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间； 测量变送 被控过程 执行器测量变送 被控过程 执行器

《自动控制原理》张爱民课后习题答案

1.1解: (1)机器人踢足球:开环系统输入量:足球位置输出量:机器人的位置 (2)人的体温控制系统:闭环系统输入量:正常的体温输出量:经调节后的体温 (3)微波炉做饭:开环系统:输入量:设定的加热时间输出量:实际加热的时间 (4)空调制冷:闭环系统输入量:设定的温度输出量:实际的温度 1.2解: 开环系统: 优点:结构简单,成本低廉;增益较大;对输入信号的变化响应灵敏;只要被控对象稳定,系统就能稳定工作。 缺点:控制精度低,抗扰动能力弱 闭环控制优点:控制精度高,有效抑制了被反馈包围的前向通道的扰动对系统输出量的影响;利用负反馈减小系统误差,减小被控对象参数对输出量的影响。 缺点:结构复杂,降低了开环系统的增益,且需考虑稳定性问题。 1、3 解:自动控制系统分两种类型:开环控制系统与闭环控制系统。 开环控制系统的特点就是:控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系,系统的被控变量对控制作用没有任何影响。系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度与特性调整的准确度。只要被控对象稳定,系统就能稳定地工作。 闭环控制系统的特点: （1）闭环控制系统就是利用负反馈的作用来减小系统误差的 （2）闭环控制系统能够有效地抑制被反馈通道保卫的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。 （3）闭环控制系统可以减小被控对象的参数变化对输出量的影响。 1.4解 输入量:给定毫伏信号 被控量:炉温 被控对象:加热器(电炉) 控制器:电压放大器与功率放大器 系统原理方块图如下所示: 工作原理:在正常情况下,炉温等于期望值时,热电偶的输出电压等于给定电压,此时偏差信

号为零,电动机不动,调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。此时,炉子散失的热量正好等于从加热器获取的热量,形成稳定的热平衡状态,温度保持恒定。 当炉温由于某种原因突然下降时,热电偶的输出电压下降,与给定电压比较后形成正偏差信号,该偏差信号经过电压放大器、功率放大器放大后,作为电动机的控制电压加到电动机上,电动机带动滑线变阻器的触头使输出电压升高,则炉温回升,直至达到期望值。当炉温高于期望值时,调节过程相反。 1.5 解 不正确。引入反馈后,形成闭环控制系统,输出信号被反馈到系统输入端,与参考输入比较后形成偏差信号,控制器再按照偏差信号的大小对被控对象进行控制。在这个过程中,由于控制系统的惯性,可能引起超调,造成系统的等幅振荡或增幅振荡,使系统变得不稳定。所以引入反馈之后回带来系统稳定性的问题。 1、6 解: 对自动控制系统的基本要求就是:稳定性、快速性与准确性。 增大系统增益使得闭环控制系统的调整时间减小,提高系统的快速性。 2、1 解 对质量m 的受力分析如下图所示: 由牛顿第二定律得: ()22 ()() dz t d y t kz t f m dt dt --= 同时()()()z t y t x t =- 综合上述两式得其微分方程为 2222 ()()() ()d z t dz t d x t m f kz t m dt dt dt ++=- 设输入量输出量及其各阶导数的初始值均为零,对上式进行拉氏变换得式 2 2 ()()()()ms Z s fsZ s kZ s ms X s ++=- 故其传递函数为2 2()()()Z s ms G s X s ms fs k ==-++ 2、2解 受力分析得: 对于M 有: Mgsin θ=ML 22dt d θ F=Mgcos θ 对于m 有: