1、習題課一、 填空題：1干擾是指除操作變量以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素；2被控對象是指 需要實現控制的設備、機器或生產過程，稱為對象。3被控變量是指 對象內要求保持給定數值的工藝變量稱為被控變量。4工藝變量通常分為 直接變量 ， 間接變量， 安全變量 三大類；5直接變量是指和生產過程有著密切關系、或者說存在直接關系的，它的改變決定著產品的質量和數量。6間接變量是指和生產過程沒有直接關系，并不直接決定著產品的數量和質量。；7安全變量是指既和生產過程沒有直接的關系，同時也不存在間接關系，但它們影響著生產的安全性。 8給定值是被控變量的預定值稱為給定值。它反映的是工藝過程的具體要求。

2、9操作變量是指受到控制裝置操縱，用以使被控變量保持給定值的物料量或能量。10偏差 偏差=實際值-給定值11閉環控制系統通常包括定值控制系統， 隨動控制系統，程序控制系統；12定值控制系統是指 被控變量的給定值恒定不變 。13隨動控制系統是指 給定值不斷變化，而且變化是隨機的。14程序控制系統是指給定值不斷變化，但x=x(t)是已知的。 15偏差產生的原因通常分為由于干擾導致實際值發生了變化：給定值發生了變； 計量誤差而引起的偏差。三個方面。16閉環控制系統通常是由 檢測元件和變送器； 比較機構；調節裝置； 執行器 四個部分組成的。17檢測元件和變送器的作用是把被控變量y（t）轉化為測量值z（t

3、），z（t）是統一標準信號；比較機構的作用是 計算偏差e（t）；調節裝置的作用是依據偏差的大小、正負，按照一定的規律給出調節作用；執行器的作用是 接受調節器送來的信號p（t）,發出相關的信號，改變操作變量。18自動控制系統中流動的是信號流 。19LC表示的是 液位控制器 ；L是指 液位 ；C是指 控制 。20自動控制系統的靜態是指 被控變量y（t）不隨時間而變化的平衡狀態稱為系統的“靜態”；動態是指 被控變量y（t）隨時間而變化的平衡狀態稱為系統的“動態”；過渡過程是指調節系統在受到外作用下，從一個平衡狀態進入到新的平衡狀態的整個過程稱為控制系統的過渡過程；21干擾的理想形式有 階躍擾動 ，斜

4、坡擾動 ， 正弦波擾動 ， 脈沖擾動 ；22過渡過程的主要形式有非周期衰減過程，又叫單調過程，衰減振蕩過程，等幅振蕩過程，發散振蕩過程；23定值控制系統衰減比通常規定在 4：1 范圍內；隨動控制系統衰減比通常規定在 10：1 范圍內；24過渡過程的品質指標有衰減比 ，振蕩周期或頻率 ，余差，最大偏差或超調量 ； 過渡時間。25控制通道是指擾動變量到被控變量之間的信號聯系 ，干擾通道是指 做操作變量到被控變量之間的信號聯系 ；26描述對象的數學模型通常分為 參量模型 ，非參量模型 。27描述對象的反應曲線通常分為有自衡能力的非周期特性 ， 非自衡非周期特性 ， 振蕩特性 ， 反向特性 四種類型。

5、28描述對象特性的三個參數是指 放大系數K ， 時間常數T ，滯后時間 ；29KO的含義是被控變量的變化量與操作變量的變化之比 ；一般希望該值 大一點 ；Kf的含義是 被控變量的變化量和擾動幅度之比 ；一般希望該值 小一點 ；30時間常數的含義 當時的充電時間 ；調節通道To一般應 合適 ；Tf一般應 越大 。31純滯后產生的原因是 由于信息傳輸需要時間而引起的 ；容量滯后產生的原因是 一般是由物料傳遞需要通過一定阻力而引起的 ；32雙容量對象可以看成一個 單容量對象 和一個 純滯后過程 組合；33一階對象是指 動態方程都是一階常系數微分方程 ；34絕對誤差是指 測量值與真實值之差 ；相對誤差

6、y是指 某一點的絕對誤差和標準表在該點的指示值之比 。35精度不僅和 絕對誤差有關 ，也和 儀表的測量范圍有關 。36儀表的精度通常用 相對百分誤差 來表示。37儀表等級度值越小，表示儀表精度 高 ；標準表精度一般為 0.05 以上。38工業生產上，感溫元件通常有 熱電阻 ， 熱電偶 。39熱電偶溫度計由 熱電偶 ， 測量儀表 ， 連接導線 三部分組成；40熱電勢eAB和兩方面因素有關，一是取決于 接觸處的金屬性質的差異 ，二是 溫度 有關。41熱電偶溫度補償方法通常包括校正儀表零點法 ， 補償電橋法 ；42熱電偶溫度變送器結構通常分為 輸入電橋 ， 放大電路 ， 反饋電路 三個部分；43熱電

7、偶的分度表是指t0=0。熱電偶的冷端溫度始終保持在0上。將E（t，t0）和t之間的一一對應關系作成一個標準的數據表格 ；分度號是指 熱電偶的代號 ；44在高溫區通常采用 熱電偶 作為測溫元件，在中、低溫區通常采用 熱電阻 作為測溫元件；45熱電阻是由 熱電阻（感溫元件） ， 顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋） ， 連接導線 三部分組成；46熱電阻溫度變送器結構通常分為輸入電橋 ，放大電路 ，反饋電路三個部分；47顯示儀表又叫 二次儀表 ；48“XCZ”中各字母代表的含義，X 顯示儀表 ，C 動圈式磁電式 ，Z 指示儀 ；49“XCT”中各字母代表的含義，X顯示儀表 ，C 動圈式磁電式 ，T 指示

8、調節儀 ；50動圈式顯示儀表的外接電阻通常規定為15歐姆 ；外接調整電阻的作用是 ；外接電阻通常由 熱電偶電阻， 補償導線電阻， 連接銅導線電阻， 外接調整電阻四項組成；51基本控制規律通常包括 位式控制（主要指雙位控制） ，比例控制（P） ， 積分控制（I） ， 微分控制（D） ；52比例控制規律是研究 具有比例控制規律的控制器 ；53比例度的定義式對單元組合儀表，和kp之間的關系為 54比例度越大表示比例控制作用越弱 ，越小表示比例控制作用 越強 ；55一般工業用調節器的比例度在5250% 范圍內；56積分調節規律最大的優點是能夠消除 偏差 ；57輸入輸出關系符合關系式的調節規律稱為積分規

9、律；58積分速度kI的含義是 表示積分控制作用強弱的參數 ，kI越大表示積分作用控制越及時 ；59微分時間TD的含義是 表示微分控制作用強弱的參數 ，TD越大表示微分作用 微分作用越強 ；60氣動執行器分為兩部分，分別為執行機構 、 控制機構 ；61當閥芯向下運動時，流通截面積減小 時，叫正裝；62當閥芯向下運動時，流通截面積增大 時，叫反裝；63控制閥的理想流量特性包括直線流量特性 ，等百分比流量特性 ，拋物線流量特性 ，快開特性 ；64可調比R的定義式為，國產控制閥可調比R一般為 30 ；65執行器的氣開、氣關選擇的主要依據是 安全狀態 ；66被控變量選擇的原則有 根據工藝要求，確定直接變

10、量，直接變量檢測和控制有困難，則選間接變量 、 依據相律，進一步縮小被控變量的數量范圍 、 根據控制要求，考察各個候選被控變量的靈敏度 、 進一步考察工藝變量的工藝合理性 ；67干擾通道存在純滯后時，對被控變量y 沒有 影響；68常用的工程整定方法有臨界比例度法 、 衰減曲線法 、 經驗湊試法 ； 69經驗湊試法的原則是看曲線 、 作分析 、調參數 、尋最佳 ；70串級控制系統的特點 兩個檢測變送器 、 兩個調節器 、 一個控制閥 、 兩個調節器之間是有信號流將它們串接在一起，其中一個調節器的輸出為另一個調節器的輸 ；71對串級控制系統，副控制器作用方向的選擇和 簡單控制系統作用方向 一樣，主

11、控制器作用方向的選擇和調節閥的氣開、氣關型式 無關；72前饋控制系統的特點 這是個開環控制系統（根據信號流走向，信號流在被控對象處斷開） 、 一個檢測器只能測出一個干擾，所以前饋控制只能克服一種干擾 、 前饋控制是基于不變性原理而工作的，控制及時、有效 、 前饋控制規律不是PID，而是采用由“不變性原理”決定的“專用”控制規律 ；73前饋控制系統是基于 不變性原理 工作的；74離心泵的控制方案一般包括 改變調節閥的開啟度 、 改變泵的轉速 、改變回流量 ；75精餾塔的控制方案中，通常選擇塔頂溫度 、 塔底溫度 、靈敏板溫度 、 中間溫度 、 溫差控制 作為間接被控變量；二、問答題：1 過渡過程

12、的基本形式有哪幾種（用圖表示）？簡要闡述其特點；工業生產一般需要什么類型的過渡過程？解：非周期衰減過程，又叫單調過程：特征：被控變量沒有來會（沿t軸）的波動，沿著一側作緩慢的變化，最后穩定下來；衰減振蕩過程：特征：被控變量上下波動，但振幅逐漸減小，最后穩定在某一個值上面；等幅振蕩過程：特征：振幅不變；發散振蕩過程：特征：振幅不斷增大，被控變量最終遠離給定值；工業生產一般需要衰減振蕩過程2 試闡述下圖所示的溫度控制系統為開環的原因？3 閉環控制系統分為哪三類？簡要闡述各類的特點。解：1、定值控制系統：特點：被控變量的給定值恒定不變 ； 2、隨動控制系統：特點：給定值不斷變化，而且變化是隨機的；3

13、、程序控制系統：特點：給定值不斷變化，但x=x(t)是已知的。4 畫出簡單控制系統的方塊圖，并簡要闡述各環節的作用。解：a檢測元件和變送器：把被控變量y（t）轉化為測量值z（t），z（t）是統一標準信號。b“O”比較機構：作用是計算偏差e（t）。c調節裝置：依據偏差的大小、正負，按照一定的規律給出調節作用。d執行器：接受調節器送來的信號p（t）,發出相關的信號，改變操作變量。5 對下列液位控制對象，試繪圖說明被控變量的變化情況。 解：變化情況如右圖所示：自身有能力達到新的平衡狀態隨q增大， h增高，隨h增高的增高，Q也隨之變大，最終達到新的平衡6 當輸入流量qi作階躍變化，試繪圖說明被控變量h

14、1、h2的變化情況。解：變化圖線如下：隨著h1的增高，q1會隨之而增大，則h2也會隨之而升高，但是h2開始變化比較緩慢，因為這時h1增加不多；h1增加越高，q1也增加越高，h2的速度會逐漸加快；而h2的升高，也必然導致q0的加大，即最后階段h2的變化呈現平緩趨勢 7 熱電偶冷端溫度為什么必須要進行補償？試簡要說明補償步驟和原理。解：原因：一是冷端和熱端很靠近，所以熱端溫度必然影響到冷端溫度；二是熱電偶在使用過程中，冷端總是暴露在空氣中，冷端溫度必然受到周圍環境的影響。所以要進行補償。第一：補償導線的使用（解決冷端溫度恒定）；第二：冷端溫度修正法，原理：熱電偶產生的熱電勢為：第三：校正儀表零點法

15、8 試簡要說明補償電橋法的工作原理。解：假設在某一時刻，冷端溫度為t0=0，顯示儀表指針指向800，這是實際溫度。此時電橋平衡，a點的電位Ua=Ub（b點電位）。如果另外一個時刻，冷端溫度上升，t0 t0（0）。 電橋中的電阻R1、R2、R3是由錳銅絲繞制而成的，電阻值穩定。Rt由銅絲繞制成的，電阻值隨溫度的變化而變化。通常將Rt和熱電偶的冷端連在一起。介質溫度升高，電阻值升高；溫度下降，電阻值也下降。9 什么是“三線制”？引入“三線制”的作用是什么？解：“三線制”：從熱電阻引出三根導線，其中與熱電阻相連的兩根導線分別接入橋路的兩個相鄰橋臂上，第三根導線與穩壓電源的負極相連。作用：當環境溫度變

16、化時，兩根導線電阻同時變化，便可抵消對儀表讀數的影響。10.結合下圖，簡要說明電子電位差計的工作過程。11.結合下圖簡要闡述雙位控制的過渡過程的特征。12.為什么說比例控制作用一定產生余差？說明理由。13.基本控制規律有哪些？簡要說明、TI、TD對過渡過程的影響。解：基本控制規律通常包括1）位式控制（主要指雙位控制） ，2）比例控制（P）， 3）積分控制（I） ，4）微分控制（D） ；：比例控制最大優點：反映非常迅速，能很快地克服擾動，使系統穩定下TI短，積分作用增強，系統振蕩加劇，穩定性下降，導致系統的不穩定。Td太大，微分作用強，導致系統振蕩；而Td太小或為零，表示微分作用弱或沒有，對系統

17、無影響。14.為什么說等百分比特性又叫對數特性？與線性特性相比它具有什么優點？15.控制通道、干擾通道存在純滯后時，試分別分析它對被控變量的影響。解：如果0=0，操作變量對y(t)的影響如圖中A所示；當純滯后為0時，曲線A平移到B位置，曲線A和C之間的合成就是曲線D，曲線B和C之間的合成為曲線E。很顯然，E和D相比惡化多了。控制通道的純滯后應盡量減少。 當干擾通道存在純滯后時，結論是沒有影響。如下圖，曲線C表示沒有滯后存在，干擾變量對被控變量的影響，當滯后為f時，C平移到C位置。但在f時間內，由于y(t)沒有變化，操作變量對y(t)也沒有影響，所以控制結果也一樣，僅僅延遲了滯后時間f16.試分

18、析雙閉環比值控制系統和兩個簡單控制系統相比有哪些優越性？解：1)a、擾動作用于副對象和簡單控制系統相比較，當擾動嚴重時，由于z2、p1同時變動，使得控制作用非常迅速；而當擾動較小時，由于副對象調節通道的滯后時間比整個對象的滯后時間要短得多，所以控制也同樣非常及時。結論：干擾作用于副對象時，串級控制系統明顯優越于簡單控制系統b、擾動作用于主對象串級控制系統優越于簡單控制系統。c、擾動同時作用于主、副對象2)特征： 1、對進入副回路的擾動具有較迅速、較強的克服能力； 2、可以改善對象特性； 3、可以消除調節閥的非線性的影響； 4、可兼顧兩個變量。17.如圖1所示換熱器，由工藝分析得知：冷物料流量Q

19、1的變化為主要干擾，冷物料出口溫度2為被控變量，蒸汽流量Q2為操作變量，設所有參數不隨時間而變化，試基于不變性原理設計相應的控制方案，并寫出過程及各環節的作用。18對精密精餾，為克服壓力的微小波動對產品質量的影響，可以采取溫差控制，試說明理由。解：選取雙溫差的理由是由壓降而引起的溫差，不僅出現在頂部，也出現在底部，這種因負荷引起的溫差，在作相減后就相互抵消。雙溫差控制的實質是一種控制精餾塔進料板附近的組成分布，使得產品質量合格的辦法。它可以保證工藝上最好的溫度分布曲線，來代替單純的控制塔的一端溫度（或溫差）。三、判斷題1圖4所示是原料油加熱爐溫度控制系統，試問：這是個什么類型的控制系統？畫出它

20、的方塊圖；解：串級控制系統；為安全起見，加熱爐不允許空燒，試確定控制閥的氣開、氣關型式（應說明過程）；解：為安全起見，在自動控制系統出現故障時，即沒有控制信號，控制閥應處于關閉狀態，也就是有氣就開，沒氣就關，所以應當選氣開。確定主、副控制器的正、反作用（應說明過程）；解：副回路中執行器操作方式的選擇由生產的安全性決定，副控制器的作用方向將按照整個副回路必須構成負反饋系統的原則進行選擇，根據副回路負反饋的要求，被控對象為正作用方向，所以副調節器應選反作用方向。如果燃料的壓力是經常波動的，上述系統應如何改進(繪出實物圖)？試畫出它的方塊圖，并確定主、副控制器的正、反作用（應說明過程）。2圖5所示是

21、簡單貯槽液位控制系統，為安全起見，貯槽內液體嚴格禁止抽空，試在下面兩種情況下，分別確定執行器的氣開、氣關型式及控制器的正、反作用。以Qi為操縱變量；以Qo為操縱變量。解：（1）為安全起見，在自動控制系統出現故障時，即沒有控制信號，控制閥應處于關閉狀態，也就是有氣就開，沒氣就關，所以應當選氣開。(2) 為安全起見，在自動控制系統出現故障時，即沒有控制信號，控制閥應處于打開狀態，也就是沒氣就開，有氣就關，所以應當選氣關。3.假定在如圖所示的反應器溫度控制系統中，反應器內需維持一定溫度，以利反應進行，但溫度不允許過高，否則有爆炸危險。試確定執行器的氣開、氣關型式和控制器的正、反作用。4.試確定下圖所示兩個系統中執行器的正、反作用及控制器的正、反作用。（a）為一加熱器出口物料溫度控制系統，要求物料溫度不能過高，否則容易分解；（b）為一冷卻器出口物料溫度控制系統，要求物料溫度不能太低，否則容易結晶。四、計算題1. 圖2所示是一反應器溫度控制系統示意圖，工藝要求反應器溫度需要控制，通過冷卻水流量的變化可以達到溫度控制的目的。試畫出該系統的方塊圖，并指出被控對象、被控變量、操縱變量和可能的干擾？現因生產因素的變化，要求反應溫度從開始的120提高到122，當給定值作階躍變化后，被控變量的變化曲線如圖所示，試