答案及分析
第一章自动调节的基本概念
1-1 试列举生产过程或生活中自动调节的例子,并分别说出它们各自的被调量,调节作用量以及可能受到的各种扰动.。
答：汽包锅炉给水自动调节系统被调量汽包水位H 调节量W 扰动蒸汽量D 锅炉燃烧率
过热蒸汽温度自动控制系统过热蒸汽温度减温水流量变化扰动：蒸汽流量变化烟气量变化
再热蒸汽温度自动控制系统再热蒸汽出口温度烟气量扰动：受热面机会给水温度的变化燃料改变过量空气系数的变化
燃烧过程自动控制气压Pt 过剩空气系数a 炉膛负压S1 调节量：燃烧量B 送风量V 引风量G 扰动：燃烧率负荷（汽轮机调节门开度汽轮机进气流量）
以电厂锅炉运行中炉膛压力的人工控制为例，被调量是炉膛压力，调节量是引风量，各种扰动包括内扰和扰，如炉膛负荷送风量等。在锅炉过热蒸汽温度控制系统中，被调量是过热器出口过热蒸汽温度。在锅炉负荷控制系统中，被调量是主蒸汽压力，调节粮食锅炉燃料量，扰动是汽机进汽量。
1-2 实际生产过程中常采用哪几种类型的自动调节系统
答:按给定值信号的特点分类,有:恒值调节系统,程序调节系统和随机调节系统.
按调节系统的结构分类,有:反馈调节系统,前馈调节系统和前馈-反馈的复合调节系统.
按调节系统闭环回路的树木分类：单回路调节系统多回路调节系统
按调节作用的形式分类：连续调节系统离散调节系统
按系统特性分类：线性调节系统非线性调节系统
1-3 为什么在自动调节系统中经常采用负反馈的形式
答:自动调节系统采用反馈控制的目的是消除被凋量与绐定值的偏差.所以控制作用的正确方向应该是:被调量高于绐定值时也就是偏差为负时控制作用应向减小方向,当被调量低于给定值时也就是偏差为正时控制作用应向加大方向,因此:控制作用的方向与被调量的变化相反,也就是反馈作用的方向应该是负反馈.负反馈是反馈控制系统能够完成控制任务的必要条件.
1-4 前馈调节系统和反馈调节系统有哪些本质上的区别
答:反馈调节系统是依据于偏差进行调节的,由于反馈回路的存在,形成一个闭合的环路,所以也称为闭环调节系统.其特点是:(1)在调节结束时,可以使被调量等于或接近于给定值;(2)当调节系统受到扰动作用时,必须等到被调量出现偏差后才开始调节,所以调节的速度相对比较缓慢.
而前馈调节系统是依据于扰动进行调节的,前馈调节系统由于无闭合环路存在,亦称为开环调节系统.其特点是:(1)由于扰动影响被调量的同时,调节器的调节作用已产生,所以调节速度相对比较快;(2)由于没有被调量的反馈,所以调节结束时不能保证
被调量等于给定值.
1-5 如何用衰减率来判断调节过程的稳态性能
答:衰减率ψ作为稳定性指标比较直观形象,在系统的调节过程曲线上能够很方便地得到它的数值.ψ=1是非周期的调节过程,ψ=0是等幅振荡的调节过程,0<ψ<1是衰减振荡的调节过程, ψ<0是渐扩振荡的调节过程.
1-6 从系统方框图上看,调节系统的调节过程形态取决于什么 答:取决于被调对象和调节器的特性.
1-7 基本的自动调节系统除被调对象外还有哪几个主要部件它们各自的职能是什么 答:组成自动调节系统所需的设备主要包括:
(1)测量单元:用来测量被调量,并把被调量转换为与之成比例(或其他固定函数关系)的某种便于传输和综合的信号.
(2)给定单元:用来设定被调量的给定值,发出与测量信号同一类型的给定值信号. (3)调节单元:接受被调量信号和给定值信号比较后的偏差信号,发出一定规律的调节指令给执行器.
(4)执行器:根据调节单元送来的调节指令去推动调节机构,改变调节量.
第二章自动调节系统的数学模型
2-1 求下列函数的拉普拉斯反变换 (1)4)2)((3)
1)(()(++++=S S S S S s F (2) )
1(1)(2+=S S s F (3)2
3)(2
3++=
S S S s F (4)1)
(2)(3)(4)(2
+++=
S S S s F
解: (1) 3/81/43/8(s )24F S S S =
++++ ∴24313()848
t t f t e e --=++
(2) 21(s )1
S F S S =
-+ ∴()1cos f t t =- (3)81
(s )321
F S S S -=-++++ ∴'2()()3()8t t f t t t e e δδ--=-+- (4) 2122(s)4(2)
2(1)F S S S ?
?--=++
??+++??
∴22()488t t t
f t te e e ---=--+ 2-2 试求下图所示环节的动态方程、静态方程和传递函数。
（a ）水箱：输入量为q 1，输出量为h ，水箱截面积为F 。
(b)阻容电路：输入量为u 1，输出量为u 2，已知电阻R 和电容C 1、C 2。 (c)阻容电路：输入量为u 1，输出量为u 2，已知电阻R 1、R 2和电容C 。
h
q1
F
q2
(a)
U2U1
R
C1
C2
U2
U1
R1
C
R2
（b)
(c)
题2-2图
解: (a) 动态方程:
121
h
(q q )dt F
=-? 或
12dh
F
q q dt
=- 12()()()FsH s Q s Q s =-,设初始值10200q q ==, 则传递函数：
1()1
()H s Q s Fs
=
(b)写出基本方程式：
12
R u u i R
-= 1121()
C d u u C i dt
-=
1
R C i i i =+
2
2
du C i dt
=
消去中间变量，整理得动态方程： 2112211()du du
RC RC u RC u dt dt
++=+ 传递函数：21112()1
()
1
U s RC s U s RC s RC s +=
++
静态方程：21u u = (c) 写出基本方程式： 22
u i R =
1
1R
u iR =
C
du C
i dt
= 1
12C R u u u u =++ 消去中间变量，整理得动态方程： 211222()du du
R C R C u R C dt dt
++=
传递函数：
22112()()1
U s R Cs
U s R Cs R Cs =
++ 2-3 试分别根据比例环节、积分环节、惯性环节、微分环节、纯迟延环节的动态方程式，推导出其相应的传递函数及阶跃响应式，并画出相应的阶跃响应曲线及静态特性曲线。
2-4 试求下图 所示各环节对输入作用的响应，画出响应曲线。
51+2.5S
2(2+S)(1+s)
20.5+S
C(s)
R(s)
R(s)
R(s)
C(s)
C(s)
(a)
(b)
(c)
r(t)=0.5*1(t)r(t)=1(t)r(t)=0.5t
题2-4图
解: (a) ()0.5*1()()0.5/r t t R s s =?= 2122
()()0.5(0.5)0.5C s R s s s s s s
=
==-
+++ 0.5()2(1)t c t e -=- (b) ()1()()1/r t t R s s =?= 22121
()()(2)(1)(2)(1)12C s R s s s s s s s s s
=
==-+++++++
2()12t t c t e e --=-+
(c) 2()0.5()0.5/r t t R s s =?= 2
251 2.5 6.25 6.25
()()1 2.5(0.4)1 2.5C s R s s s s s s
s =
==-++++ 0.4() 2.5 6.25 6.25t c t t e -=-+
2-5 试简化下图所示方框图，并求传递函数)
()(s R s C 。
R(S)
C(S)
G3（S ）
G1（S ）
G2（S ）
H1（S ）
H2（S ）
+
--(a)
G1（S ）H1（S ）
G2（S ）
R(S)
C(S)
(b)
-
-
习题2-5图
解:（a ）
R(S)
C(S)
G3
G1
G2/(1+G2H1)
H2
+
-
R(S)
C(S)
G3
G1
G2/(1+G2H1)
G1H2
+
-
R(S)C(S)
G1+G3
G2/(1+G2H1+G2H2G1)
R(S)
C(S)
(G1+G3)G2/(1+G2H1+G2H2G1)
()(1()3())2()
()12()1()2()2()1()
C s G s G s G s R s G s H s G s H s G s +=++ (b)
G1H1/(1+H1)
G2
R(S)
C(S)
-G1(1+H1)/(1+H1+G1H1)G2
R(S)C(S)G1(1+H1)G2/(1+H1+G1H1)
R(S)
C(S)
()1()(11())2()
()11()1()1()
C s G s H s G s R s H s G s H s +=++
2-6 试简化下图所示方框图，并分别求出传递函数(a))
()(11s R s C 、(b))
()(21s R s C 、(c))
()(12s R s C 、
(d))
()(22s R s C 。
G2（S ）
G1（S ）
G3（S ）
G4（S ）
R1(S)
R2(S)
C2(S)
C1(S)
题2-6图
-
解: 令2()=0R s ，则方框图简化为
G2（S ）
G1（S ）
G3（S ）
G4（S ）
R1(S)
C2(S)
C1(S)
-
(a)
1111234()()
()1()()()()C s G s R s G s G s G s G s =
+ (c)
123211234()()()()
()1()()()()
G s G s G s C s R s G s G s G s G s =
+ 令1()=0R s ，则方框图简化为
G2（S ）
G1（S ）
G3（S ）
G4（S ）
R2(S)
C2(S)
C1(S)
-
(b) 341121234()()()()
()1()()()()G s G s G s C s R s G s G s G s G s -=
+ (d) 3221234()()
()1()()()()
G s C s R s G s G s G s G s =
+
2-7 试简化下图所示方框图，并求传递函数)
()(s R s C 及)
()(s N s C 。
G1（S ）
G2（S ）
G3（S ）
G4（S ）
+
+
--R(S)
C(S)
N(S)
题2-7图
答案: 令()=0N s ，则方框图简化为
G1（S ）
G2（S ）
G4（S ）
--R(S)
C(S)
G1(S)G2(s)/(1+G1(s)G2(s)G4(s))
-
R(S)
C(S)
G1(S)G2(s)/(1+G1(S)G2(s)+G1(s)G2(s)G4(s))
R(S)
C(S)
()1()2()
()11()2()1()2()4()
C s G s G s R s G s G s G s G s G s =++ 令()=0R s ，则方框图简化为
G1（S ）
G2（S ）
G3（S ）
G4（S ）
+
+
--
C(S)
N(S)
G1(s)
G2(s)
G3(s)/G1(s)
G4(s)
++
--C(S)
N(S)
G1(s)G2(s)/(1+G1(s)G2(s)G4(s))
G3(s)/G1(s)
+
+
-
C(S)
N(S)
1+G3(s)G2(s)/(1+G1(s)G2(s)G4(s))
+
-
C(S)
N(S)
G1(s)G2(s)/(1+G1(s)G2(s)G4(s))
N(S)
(1+G2(S)G3(s)+G1(s)G2(s)G4(s))/(1+G1(S)G2(s)+G1(s)G2(s)G4(s))
C(S)
()12()3()1()2()4()
()11()2()1()2()4()
C s G s G s G s G s G s N s G s G s G
s G s G s ++=++ 2-8 双容水箱如下图所示，试确定输入量q 1和输出量h 2之间的传递函数,画出系统方框图，并求当输入量q 1作单位阶跃扰动时,输出量h 2(t)的响应函数。
答案: 1
1
121112()()()dh A q q A sH s Q s Q s dt
=-?=- 212111
11()()q h Q s H s R R =
?=
2
2
232223()()()dh A q q A sH s Q s Q s dt
=-?=- 323222
11()()q h Q s H s R R =
?= 消去中间变量，整理得
22
11122()()(1)(1)
H s R Q s R A s R A s =
++ 当111
1()()q t Q s s
=?=，
222121
2211221122
211221122
()11(1)(1)R A R R A R R R A R A R A R A H s R A s R A s s s s s R A R A ---==++
++++
11
22
2
121
22
221122
1122
()t t R A R A R R A R A h t R e
e
R A R A R A R A -
-
=-+
--
第三章热工对象动态特性和自动调节器
3-1 什么是有自平衡能力对象和无自平衡能力对象？
答案: 所谓有自平衡能力对象，就是指对象在阶跃扰动作用下，不需要经过外加调节作用，对象的输出量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。所谓无自平衡能力对象，就是指对象在阶跃扰动作用下，若没有外加调节作用，对象的输出量经过一段时间后不能自己稳定在一个新的平衡状态。
3-2 试分析P 、PI 、PID 规律对系统调节质量的影响？
答案：P 调节器，有一个相对较大的超调量，有较长的调节时间，存在静态误差。 PI 调节器，综合了P 调节器和I 调节器两者的性质。它的超调量及调节时间与P 调节器差不多，但没有静态误差。
PID 调节器兼有比例、积分和微分作用的特点，只要三个调节作用配合得当就可以得到比较好的调节效果，它具有比PD 调节还要小的超调量，积分作用消除了静态误差，但由于积分作用的引入，调节时间比PD 调节器要长。
3-3 在相同衰减率的前提下，为什么采用PI 规律的比例带δ要采用P 规律时选择得大一些？
答案：PI 调节器兼有比例调节作用和积分调节作用的特点，由于积分调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比较过于迟缓，在改善静态品质的同时却恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统不稳定。为保证相同衰减率，要通过增大比例带δ值来削弱振荡倾向。
3-4 怎样判别调节对象被控制的难易程度？
答案：不论调节对象有无自平衡能力，都可统一用ε、ρ、τ三个特征参数来表示对象的动态特性。调节对象惯性越大、迟延越大越难被控制。
3-5 已知某种调节器传递函数如下：)111(1
)(S K T S
T S
T s G d
d d i PID +++
=δ
设5=d K ，试求其阶跃响应函数，并画出阶跃响应曲线，然后讨论如何从曲线上求调节器的参数δ、i T 和d T 的数值。
答案：0
0()()e e t e E s s
=?=
011
()()()(1)1d PID d i d
T s e s G s E s T T s s
s K μδ==++?+
阶跃响应函数0()1d d K t T d i e t
t K e T μδ-??=++??????
5=d K 时，50()15d t T i e t
t e T μδ-??=++??????
阶跃响应曲线如下图
t 0
e e
t
μ
δ
d
T 0
e δ
d
k 0e 0e
δ1
3-6 为何积分调节器称为无差调节器？
答案：具有积分作用的调节器，只要对象的被调量不等于给定值，执行器就会不停地动作，只有当偏差等于零时，调节过程才结束；调节过程结束，则必然没有偏差，这是积分作用的特点。因此，积分作用调节器也称为无差调节器。
第四章系统的时域分析
4-1 调节系统如图4-13所示，试分别求当K =10和K =20时，系统的阻尼比 ζ、无阻尼自然振荡频率ωn 、单位阶跃响应的超调量M p 、峰值时间t p 、衰减率ψ、调节时间t s 和稳态误差e (∞)，并讨论K 的大小对过渡过程性能指标的影响。 解:系统的闭环传递函数为
2
()10()()1010C s K
G s R s S S K
=
=++
二阶系统传递函数的通用形式为
'22
2
()2n
n n
K G s S S ωζωω=++
二式比较，可得, K ’=1 10n K ω= 5
10K ζ=
K =10时，10010n ω=
= 5
100
.5ζ== 由此可以求得：
阻尼振荡频率 2211010.5538.66(/)d n rad s ωωζ=-=-==
峰值时间 0.363()8.66
p d t s ππω=
== 超调量 2
/
10.57716.3%p M e e πζζ
π---===
衰减率 2
2/1 1.1541197.3%e e πζζ
πψ---=-=-=
调节时间
采用2%的误差带 ： 4
4
0.8()5
s n
t s ζω≈=
= 采用5%的误差带 ： 3
3
0.6()5
s n
t s ζω=
=
= 稳态误差
0'22
2
0()1()
1()
lim 1
1[()]
lim 1lim 21'0
S S n
S n n e c SC s S G s S
K S S K ωζωω→→→∞=-∞=-=-?=-++=-=
K =20时，200102n ω=
=
5
200
24
ζ== 阻尼振荡频率 2110210.12513.23(/)d n rad s ωωζ=-=-=
峰值时间 0.237()13.23
p d t s ππω=
== 超调量 2
/10.25839.3%p M e
e πζζ
π---===
衰减率 2
2/10.5161180.4%e e πζζ
πψ---=-=-=
调节时间
采用2%的误差带 ： 4
4
0.8()5
s n
t s ζω≈=
= 采用5%的误差带 ： 3
3
0.6()5
s n
t s ζω=
=
= 稳态误差
()1'0e K ∞=-=
4-2 调节系统如图4-14所示，试分别求出当系统的瞬态响应为ψ=0.75和ψ=0.9时的 δ 值。
解：由系统方框图可写出闭环特征方程式：
1
1
105(110)S S δ+
=+
整理得：21101050S S δ
+
+= 考虑到二阶系统的标准形式为：0222=++n n S S ωξω 可见：150n ωδ
=
, 120n
ξω=
当取ψ=0.75时，阻尼比ξ=0.216，据此可求得： 2
2
180.37350δ
ζω
=
== 当取ψ=0.9时，阻尼比ξ=0.344，据此可求得： 22
1
80.94750δζω
=
==
4-3 试用劳斯判据和古尔维茨判据确定下列特征方程式的系统的稳定性。如果不稳定，指出在S 右半平面根的个数。
（1）0516188234=++++S S S S (2)053232345=+++++S S S S S （3）02510323
4=++++S S S S (4)01681023=+++S S S
答案: (1) 劳斯阵列：
432101185816
16513.55
S S S S S
第一列元素全为正，所以系统稳定。 (2) 劳斯阵列：
5432101
331
251
2453.255
S S S S
S S --
第一列元素符号改变两次，所以系统不稳定，有2个根在S 右半平面。 (3)劳斯阵列：
4
3
210
35210147210153
47
2
S S S S S -
第一列元素符号改变两次，所以系统不稳定，有2个根在S 右半平面。 (4) 劳斯阵列：
3210181016
6.416
S S S
S
第一列元素全为正，所以系统稳定。
4-4 已知系统特征方程式如下，试求系统在S 右半平面的根数。 （1）04823241232345=+++++S S S S S （2）02535201232345=+++++S S S S S （3）0108744423456=+--+-+S S S S S S 答案: (1) 劳斯阵列：
第一章纸质作业答案 一、调节阀的流量特性是指通过调节阀的流量与阀杆行程之间的关系。 调节阀的流量特性有线性型，等百分比型，快开型，抛物线型 调节阀流量特性选择的目的主要是从非线性补偿的角度来考虑，利用调节阀的非线性来补偿广义对象中其它环节的非线性，从而使整个广义对象的特性近似为线性。 二、简单控制系统是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统的典型方块图为 三．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 四、解： (1) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为 (2) 被控对象：液体贮槽
被控变量：贮槽液位 操纵变量：贮槽出口流量 主要扰动变量：贮槽进口流量 五、解： (1) 选择流入量 Q为操纵变量，控制阀安装在流入管线上， i 贮槽液位控制系统的控制流程图为 为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开形式控制阀，为“+”作为方向。 操纵变量即流入量 Q增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于 i 控制阀与被控对象都是“+”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 (2) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为
为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关形式控制阀，为“-”作为方向。 操纵变量即流出量 Q增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于 o 控制阀与被控对象都是“-”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 六、（1）加入积分作用后，系统的稳定性变差，最大动态偏差增大、余差减小 加入适当的微分作用后，系统的稳定性编号，最大动态偏差减小，余差不变。 （2）为了得到相同的系统稳定性，加入积分作用后应增大比例度，加入微分作用后应适当的减小比例度。 第二章纸质作业答案 一．由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个控制器是串级工作的，称为串级控制系统。 方框图如下 二．答： 前馈控制系统方块图
热工过程 自动调节及其发展方向 2014年01月08日 前言 热工过程自动调节这门课，主要是以火力发电厂为对象，学习如何通过实现热力过程自动化调节，达到机组安全、可靠、经济运行的目的。自动调节具有下列几方面好处： 1．提高机组运行的安全可靠性 2．提高机组运行的经济性 3．减少运行人员，提高劳动生产率 4．改善劳动条件 火电厂自动调节的范围是极其广泛的，它包括了主机、辅助设备、公用系统等的自动化调节，大致可以分为四个基本内容。 1．自动检测 自动检测是对生产过程及设备的参数、信号自动进行转换、加工处理、显示并记录下来。
2．自动调节 自动调节一般是指正常运行时操作的自动化，即在一定范围内自动地适应外界负荷变化或其它条件变化，使生产过程正常进行。 3.远方控制及程序控制 远方控制是通过开关或按钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制。 4．自动保护 自动保护是利用自动化装置，对机组(或系统、设备)状态、参数和自动控制系统进行监视，当发生异常时，送出报警信号或切除某些系统和设备，避免发生事故，保证人身和设备的安全。 热工过程自动调节在热能工程的作用有以下几点： 1．产品与系统研发 零、部、组件通过集成形成产品或系统，所有零、部、组件的研发都应基于产品或系统集成的需要，充分考虑集成的要求。例如，在超燃冲压发动机结构研制过程，必须考虑基于自动控制的燃油供给的要求。 2．热能工程 通识教育、学科基础、专业基础诸多课程可以通过自动调节课程这一纽带提高并加深对专业的理解和认识，属于专业“顶层”课程之一。 热工过程自动调节重要性 1.自动调节实现安全、可靠、高效的目的，现代化体现； 2.自动调节的普遍性存在的要求； 3.在未来专业研发工作中可以站在系统性高度。 学习火力发电热工过程的自动调节，要结合其它热力循环动力系统的自动调节。第一章的基本概念入手，通过第二章到第六章自动控制基本原理和方法的学习，认识自动调节的途径与手段；第七章到第十章分别就供水、汽温、燃烧和机组系统的自动调节普遍方法及发展给出分析。 第一章自动调节的基本概念 调节就是为了达到一定的目的,对和生产过程有关系的设备进行操作.利用人来完成所需要的操作过程叫人工调节.由仪器、仪表完成的这一操作过程称为自动调节. 一、基本概念： 被调对象：被调节的生产设备和生产过程 被调量：通过调节需要维持的物理量 给定值：根据生产要求，被调量的规定数值 扰动：引起被调量变化的各种原因。它分为内扰和外扰两种.内扰是指发生在调节通道内的扰动.外扰是指发生在调节通道外的扰动. 调节作用量：在调节作用下，控制被调量变化的物理量 调节机关：在调节作用下，用来改变调节作用量的装置 系统方框图：将实际的生产设备以及它们相互间的连接关系用抽象的形式表示，是一种对调节系统进行描述或分析的有力工具和非常直观的表达方式，主要由环节方框和信号线组成。 环节：环节是一个抽象体。 每个环节都有对应的输入量(input singal)和输出量(output signal)，输入量是引起该环节发生作用的原因，输出量是该环节发生作用的表现和结果。 同类环节：两个环节的物理系统不同，但它们数学模型的形式完全相同，两个环节的因
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。
《热工过程自动调节》 实验指导书 高伟鲁录义编 华中科技大学 能源与动力工程学院 二O一三年
实验一 典型环节的动态特性 一、 实验目的 1． 通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的响应曲线，熟悉它们的动态特性。 2． 了解各典型环节中参数变化对其动态特性的影响。 二、 实验仪器与软件 1．PC 机 1台 2． MATLAB10.0环境 三、 实验内容 分别改变几个典型环节的相关参数，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况（曲线至少3条），并得出规律。 1) 比例环节（K ） 2) 积分环节（S T i 1） 3) 一阶惯性环节（ S T K c +1） 4) 实际微分环节（D T S ） 5) 典型二阶环节（222n n n S S K ωξωω++） 同时显示三条响应曲线时的仿真框图可采用如图1－1所求形式，其中传递函数的形式根据不同环节进行设置。
图1-1 多响应输出示意图 四、 实验原理 1． 比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G 200,1002)(211212==-=-=-= 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-2所示。 图1-2 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形 2． 积分环节(I)的传递函数为 uf C K R s s C R Z Z s G 1,1001.011)(111112==-=-=-= 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。 图1-3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形
3． 惯性环节的传递函数为 uf C K R K R s C R R R Z Z s G 1,200,10012.021)(121121212===+-=+-=-= 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-4所示。 图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK 图形 4． 微分环节(D)的传递函数为 uf C K R s s C R Z Z s G 10,100)(111112==-=-=-= uf C C 01.012=<< 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-5所示。 图1-5 微分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形 5． 典型二阶环节的传递函数为 22()2n n n K G s S S ωξωω=++ 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-6所示。
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
Q、自动调节系统按给定值如何函数分类？按结构又如何分类？ 答：按给定值：1恒值调节系统生产过程中，（自动调节系统的给定值恒定不变，也就是使被调量保持为一固定数值）、2程序调节系统（系统的给定值是时间的已知函数，给定值随时间变化是预先设定的，调节系统用来保证被调量按预先设定的随时间变化的数值来改变）、3随机调节系统（系统的给定值是不可预知的，其数值决定于一些外来因素的变化，所以调节结果使被调量也跟随这个给定值随时改变） 按结构及其特点：反馈调节系统（特点在调节结束时，可以使被调量等于或接近于给定值；当调节系统受到扰动作用时，必须等到被调量出现偏差后才开始调节，所以调节的速度相对比较缓慢） 前馈调节系统（由于扰动影响被调量的同时，调节器的调节作用已产生，所以调节速度相对比较快；由于没有被调量的反馈，所以调节结束时不能保证被调量等于给定值） 复合调节系统（吸取前馈和反馈系统各自长处，调节时间缩短，调节质量得到改善） 按调节系统闭环回路的数目分类：单回路调节系统，多回路调节系统 按调节作用的形式分类：连续调节系统，离散调节系统 按系统的特性分类：线性调节系统，非线性调节系统 Q、什么是静态特性、动态特性、传递函数？ 答：静态特性：在平衡状态时，输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系。 动态特性：在不平衡状态时，输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系。 传递函数：线性定常系统在零初始条件下，系统（或环节）输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变换之比。 传递函数性质：1传递函数是复变量s的有理真分式函数，其分子多项式次数m低于或等于分母多项式次数n，且所有系数均为实数2传递函数是描述动态特性的数学模型，它表征系统的固有特性，和输入信号的具体形式，大小无关，且不能具体表达系统的物理结构3传递函数只能表示一个输入对一个输出的关系4系统传递函数的分母就是系统的特征方程，从何能方便判断动态过程的基本特性 建立微分方程的步骤：1，根据输入信号，输出信号分析各变量间的关系；2依次写出每一元件的动态特性方程3在可能条件下，对各元件的动态特性方程进行适当简化，略去一些次要因素或进行线性化处理4校区中间变量5化为微分方程的一般形式输出有关的在等号左侧，输入有关的放在等号右侧，降幂形式排列 Q、什么是有自平衡能力对象？无自平衡能力对象？内扰？外扰？ 答：（1）有自平衡能力对象：指对象在阶跃扰动作用下，不需要经过外加调节作用，对象的输出量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。 （2）无自平衡能力对象：指对象在阶跃扰动作用下，不经过外加调节作用，对象的输出量不能自己稳定在一个新的平衡状态。 （3）内扰：经过调节通道作用到对象上的扰动 （4）外扰：经过干扰通道作用到对象上的扰动 输入信号与输出信号之间的联系称为通道。 调节作用至被调量之间的信号联系为调节通道。 干扰作用至被调量之间的信号联系称为干扰通道。
第3章 习题与思考题 3-1 什么是控制器的控制规律控制器有哪些基本控制规律 解答： 1）控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。 2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。 3-2 双位控制规律是怎样的有何优缺点 解答： 1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。 2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。 3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。 3-3 比例控制为什么会产生余差 解答： 产生余差的原因：比例控制器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系： 为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。 3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消除余差 解答： 1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：? =edt T y 11 2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。 3-5 什么是积分时间试述积分时间对控制过程的影响。 解答：
1）?=edt T y 1 1 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。 2） 在实际的控制器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上，T i =1／K i 。显然，T i 越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。 3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA ，若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA ，某时刻，输入阶跃增加，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化为多少 解答： 由比例积分公式：??? ? ??+=?edt T e P y 111分析： 依题意：%1001==p K p ，即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋； 稳态时：y 0＝5mA ， 5min 后：mA edt T e P y y )7.05()52.02 12.0(151110±=??±±?+=???? ??++ =? 3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响调整比例度时要注意什么问题 解答：P74 1）控制器的比例度P 越小，它的放大倍数p K 就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P 实现。 2）比例度不但表示控制器输入输出间的放大倍数，还表示符合这个比例关系的有效输入区间。一表的量程是有限的，超出这个量程的比例输出是不可能的。 所以，偏差的变化使控制器的输出可以变化全量程（16mA ），避免控制器处于饱和状态。 3-8 理想微分控制规律的数学表达式是什么为什么常用实际为分控制规律 解答：
练习题 一、填空题1．定比值控制系统包括：（开环比值控制系统）、（单闭环比值控制系统）和（双闭环比值控制系统）。 2．控制阀的开闭形式有（气开）和（气关）。3．对于对象容量滞后大和干扰较多时，可引入辅助变量构成（串级）控制系统，使等效对 象时间常数（减少），提高串级控制系统的工作频率。 4．测量滞后包括测量环节的（容量滞后）和信号测量过程的（纯滞后）。5．锅炉汽包水位常用控制方案为：（单冲量水位控制系统）、（双冲量控制系统）、（三冲量控制系统）。 6．泵可分为（容积式）和（离心式）两类，其控制方案主要有：（出口直接节流）、（调节泵的转速）、（调节旁路流量）。 7．精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（约束条件控制）和（质量控制）。 1.前馈控制系统的主要结构形式包括：单纯的前馈控制系统、（前馈反馈控制系统）和（多变量前馈控制系统）。 2.反馈控制系统是具有被控变量负反馈的闭环回路，它是按着（偏差）进行控制的；前馈控制系统是按（扰动）进行的开环控制系统。 3.选择性控制系统的类型包括：（开关型）、（连续型）和（混合型）。 4.常用控制阀的特性为（线性）、（快开）、（对数）、和（抛物线）特性。 5.阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的（快速性）、（经济性）、（合理性）、和（有效性）基础上发展起来的一种控制系统。 6.压缩机的控制方案主要有：（调速）、（旁路）和节流。 7.化学反应器在石油、化工生产中占有很重要的地位，对它的控制一般有四个方面，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（质量控制）和（约束条件控制）。 二、简答题1．说明生产过程中软保护措施与硬保护措施的区别。 答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。而硬保护措施将使得生产设备停车。 2．前馈控制主要应用在什么场合？答：前馈控制主要用于下列场合： （1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（2）主要干扰是可测不可控的变量； （3）对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。 3．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答：串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。
试题第1页（共8页） 试题第2页（共8页） ○—○—○— ○—○—○— 密封线 内 不 要 答 题 试卷代号： 座位号 宁夏大学继续教育学院2012—2013年学年度第二学期期末考试 《热工过程自动调节》试题2 2013年4月 一、填空题（每空2分，共20分） 1、传递函数的定义为：在零初始条件下，系统 的拉氏变换和输入的拉氏变 换之比。 2、根据热工对象阶跃响应曲线，热对象动态特性可分为两大类： 和无自平 衡能力对象。 3、系统稳定的必要条件是闭环控制系统特征多项式（设首项系数a n >0）各项系统均 。 4、某标准二阶系统的阴尼比ζ＝0，则其衰减率ψ＝ 。 5、可变逻辑的控制器有可编程逻辑控制器和 。 6、前馈调节系统由于无闭合环路存在，亦称为 。 7、积分作用调节器也称为 。 8、调节器依据 、 和 三个信号进行调节， 称为三冲量调节系统。 二、单项选择题（每小题2分，共20分。从每小题的四个备选答案中， 选出一个正确答案，并将正确答案的号码写在题干后面的括号内。） 1、自动控制系统的稳定性是指遇到阶跃扰动时，过渡过程结束后，被控量是否趋于（ ） ① 有限值 ②零 ③1 ④无穷 2、单回路控制系统控制通道纯迟延时间τ μ 增大，被控量动态偏差（ ） ①一定增大 ②一定减小 ③不变 ④可能增大，也可能减小 3、在过热汽温控制系统中，为克服汽温被控对象的迟延和惯性，常常引入的辅助被控量是（ ） ①过热器入口蒸汽温度 ②过热器出口蒸汽温度 ③减温器出口蒸汽温度 ④减温水流量 4、下列热工对象中，属于有自平衡能力对象的是（ ） ①燃烧率扰动下汽轮机负荷不变时的汽压控制对象 ②燃烧率扰动下汽轮机调门开度不变时的汽压被控对象 ③汽轮机进汽量扰动引起负荷变化时的汽压被控对象 ④给水量扰动下的汽包水位被控对象 5、直流锅炉是一个多输入，多输出的被控对象，其主要输入量为（ ） ①汽温、汽压和蒸汽流量 ②给水量、燃烧率和汽轮机调门开度 ③汽温、汽压和汽轮机调门开度 ④给水量、燃烧率和蒸汽流量 6、0＜ψ＜1是（衰减振荡的调节过程） ①是非周期的调节过程 ②是等幅振荡的调节过程 ③衰减振荡的调节过程
精品文档 试卷代号： 座位号 宁夏大学继续教育学院2012—2013年学年度第二学期期末考试 《热工过程自动调节》试卷A 2013年4月 一、填空题（每空2分，共20分） 1、用数学模型可以描述系统的特性，这种特性又可分为 和动态特性。 2、根据热工对象阶跃响应曲线，热对象动态特性可分为两大类： 和无自平衡能力对象。 3、某二阶系统传递函数为4 4s s 8 R(s)C(s)2++=,其无阻尼荡振频率为 。 4、炉膛压力的测量应在炉膛 的不同侧面装设三个压力测点，然后进行“三取二”判别。 5、集散系统的分散性主要表现在 级。 6、前馈调节系统由于无闭合环路存在，亦称为 。 7、积分作用调节器也称为 。 8、电液转换器是将 转换成液压信号的转换元件。 9、汽包炉通常选燃料量、 和 作为相应的控制量。 二、单项选择题（每小题2分，共20分。从每小题的四个备选答案中， 选出一个正确答案，并将正确答案的号码写在题干后面的括号内。） 1、在程序控制系统中，给定值的变化是（ ） ① 固定的 ②未知的 ③按一定时间函数 ④随机的 2、单回路控制系统采用比例控制器，比例带δ减小，被控量静态偏差（ ） ①一定增大 ②一定减小 ③不变 ④可能增大，也可能减小 3、下列参数中，不属于三冲量给水控制系统冲量信号的是（ ） ①水位信号 ②蒸汽流量信号 ③给水流量信号 ④燃料量信号 4、直流锅炉是一个多输入，多输出的被控对象，其主要输入量为（ ） ①汽温、汽压和蒸汽流量 ②给水量、燃烧率和汽轮机调门开度 ③汽温、汽压和汽轮机调门开度 ④给水量、燃烧率和蒸汽流量 5、反馈控制作用的方向与被调量的变化相反，也就是反馈作用的方向应（ ） ①正反馈 ②负反馈 ③正增益 ④负增益 6、0＜ψ＜1是（ ） ①是非周期的调节过程 ②是等幅振荡的调节过程 ③衰减振荡的调节过程 ④是渐扩振荡的调节过程 7、 在导前微分信号中断时，系统能够正常工作，调节品质（ ） ①不变 ②提高 ③下降 ④不一定 8、 在非低负荷工况下，一般取满负荷的25%左右为界宜采用（ ），所以，单冲量系统和三冲量系统的切换在全程调节系统也是必要的。解决的方法是在调节系统中增加逻辑控制功能。 ①单冲量调节系统 ②双冲量系统
不知道谁弄的 和我们要求的课后作业相似度很大，值得参考，另外答案准确度应该还行。 （1）最大偏差A —被控变量偏离给定值的最大数值 （给定值为800） A=843-800=43 C 超调量B —第一个波峰值与新稳定值之差 B=843-808=35 C 衰减比B1：B2 — 相邻两个波峰值之比 ( 843-808)/(815-808)=5 余差值 被控变量的新稳定值与给定值之偏差C=808-800=8 C 振荡周期 过渡过程同向两个波峰间间隔时间为周期T=20-5=15min 工艺规定的操作温度为800±9）C ，表示给定值为800C ，余差为9C ,由（1）得出的最大偏差A=43C <50C ，余差 C=8C <9C ，所以该系统满足要求。 （1 ） （2）由图可知： ,22030250,30s T s 10%)10*196/()0196(/)]0()([ x y y k （阶跃扰动为稳态值的10%，即k=10） （P36）计算法：阶跃响应表达式 )(/)()(0 y t y t y )(0) (10)2()( t t e t T t y （）
选取t1=140s,t2=250s 对应 )2(),1(0 t t h h ，其中t2>t1> 由式（）可得 e h T t t )21(0 1)1( ， e h T t t )22(0 1)2( 取自然对数并联立求解，得)] 2(1ln[)]1(1ln[1 200t t t t T h h ； （ )] 2(1ln[)]1(1ln[)]2(1ln[1)]1(1ln[20000t t t t t t h h h h 为计算方便，选取 632.0)2(,39.0)1(0 t t h h 代入式（）和（）则 T=2（t2-t1)=s 220)140250(2 ; s t t 302501402212 ; 10%)10*196/()0196(/)]0()([ x y y k 。 (1)影响物料出口温度的主要因素有：蒸汽压力、流量，冷物料温度、压力、流量。 (2)被控参数选热物料的出口温度，因为它直接决定着产品的质量；调节参数选蒸汽流量，因为它可以控制。 (3)从工艺安全和经济性的角度考虑，应该保证在系统发生故障时，调节阀处于闭合状态，避免因换热器温度过高而发生损坏和不必要的浪费。所以选择气开式。 (4) 被控参数为热物料的出口温度，因此调节规律选择PID 。温度变送器Km 为"+"；调节阀为气开，即Kv 为"+"；对于被控对象，当阀门开度增大时，热物料的出口温度升高，即K0为"+"。由于组成系统的各个环节的静态系数相乘为"+"，所以调节器的Kp 为"+"，即为反作用。 (5) 大修后变送器的量程由500℃变为300-200=100℃，变送器的放大倍数将发生变化，从而导致广义对象特性放大倍数发生变化： 032.005004 200 K ，00516.0200 300420'K K 系统的过渡过程将会发生变化，系统可能不稳定，此时，应该减小PID 调节器的比例放大系数，使p p K K 5 1 ' ，以保
试题第1页（共6页） 试题第2页（共6页） ○—○—○— ○—○—○— 密 封线内 不 要 答 题 试卷代号： 座位号 宁夏大学继续教育学院2012—2013年学年度第二学期期末考试 《热工过程自动调节》试卷A 2013年4月 一、填空题（每空2分，共20分） 1、用数学模型可以描述系统的特性，这种特性又可分为 和动态特性。 2、根据热工对象阶跃响应曲线，热对象动态特性可分为两大类： 和无自平衡能力对象。 3、某二阶系统传递函数为4 4s s 8 R(s)C(s)2++=,其无阻尼荡振频率为 。 4、炉膛压力的测量应在炉膛 的不同侧面装设三个压力测点，然后进行“三取二”判别。 5、集散系统的分散性主要表现在 级。 6、前馈调节系统由于无闭合环路存在，亦称为 。 7、积分作用调节器也称为 。 8、电液转换器是将 转换成液压信号的转换元件。 9、汽包炉通常选燃料量、 和 作为相应的控制量。 二、单项选择题（每小题2分，共20分。从每小题的四个备选答案中， 选出一个正确答案，并将正确答案的号码写在题干后面的括号内。） 1、在程序控制系统中，给定值的变化是（ ） ① 固定的 ②未知的 ③按一定时间函数 ④随机的 2、单回路控制系统采用比例控制器，比例带δ减小，被控量静态偏差（ ） ①一定增大 ②一定减小 ③不变 ④可能增大，也可能减小 3、下列参数中，不属于三冲量给水控制系统冲量信号的是（ ） ①水位信号 ②蒸汽流量信号 ③给水流量信号 ④燃料量信号 4、直流锅炉是一个多输入，多输出的被控对象，其主要输入量为（ ） ①汽温、汽压和蒸汽流量 ②给水量、燃烧率和汽轮机调门开度 ③汽温、汽压和汽轮机调门开度 ④给水量、燃烧率和蒸汽流量 5、反馈控制作用的方向与被调量的变化相反，也就是反馈作用的方向应（ ） ①正反馈 ②负反馈 ③正增益 ④负增益 6、0＜ψ＜1是（ ） ①是非周期的调节过程 ②是等幅振荡的调节过程 ③衰减振荡的调节过程 ④是渐扩振荡的调节过程 7、 在导前微分信号中断时，系统能够正常工作，调节品质（ ） ①不变 ②提高 ③下降 ④不一定 8、 在非低负荷工况下，一般取满负荷的25%左右为界宜采用（ ），所以，单冲量系统和三冲量系统的切换在全程调节系统也是必要的。解决的方法是在调节系统中增加逻辑控制功能。 ①单冲量调节系统 ②双冲量系统
1-1试述热电偶的测温原理，工业上常用的测温热电偶有哪几种？什么热电偶的分度号？在什么情况下要使用补偿导线？ 答：a、当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不痛，回路中就会出现热电动势，并产生电流。 b、铂极其合金，镍铬-镍硅，镍铬-康铜，铜-康铜。 c、分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列。 d、在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时，自动补偿冷端温度变化，以保证测量精度，为了节约，作为热偶丝在低温区的替代品。 1-2热电阻测温有什么特点？为什么热电阻要用三线接法？ 答：a、在-200到+500摄氏度范围内精度高，性能稳定可靠，不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低，存在非线性。 b、连接导线为铜线，环境温度变化，则阻值变，若采用平衡电桥三线连接，连线R使桥路电阻变化相同，则桥路的输出不变，即确保检流计的输出为被测温度的输出。 1-3说明热电偶温度变送器的基本结构，工作原理以及实现冷端温度补偿的方法。在什么情况下要做零点迁移？ 答：a、结构：其核心是一个直流低电平电压-电流变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。 b、工作原理：应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻，热敏电阻集成温度传感器、半导体温度传感器等，然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号。 c、由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处，当冷端温度变化时，利用铜丝电阻随温度变化的特性，向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿。桥路左臂由稳压电压电源Vz（约5v）和高电阻R1（约10K欧）建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu，在Rcu 上产生一个电压，此电压与热电动势Et串联相接。当温度补偿升高时，热电动势Et下降，但由于Rcu增值，在Rcu两端的电压增加，只要铜电阻的大小选择适当，便可得到满意的补偿。 d、当变送器输出信号Ymin下限值（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移。 1-5力平衡式压力变换器是怎样工作的？为什么它能不受弹性元件刚度变化的影响？ 答：a、被测压力P经波纹管转化为力Fi作用于杠杆左端A点，使杠杆绕支点O做逆时针旋转，稍一偏转，位于杠杆右端的位移检测元件便有感觉，使电子放大器产生一定的输出电流I。此电流通过反馈线圈和变送器的负载，并与永久磁铁作用产生一定的电磁力，使杠杆B 点受到反馈力Ff，形成一个使杠杆做顺时针转动的反力矩。由于位移检测放大器极其灵敏，杠杆实际上只要产生极微小的位移，放大器便有足够的输出电流，形成反力矩与作用力矩平衡。b、因为这里的平衡状态不是靠弹性元件的弹性反力来建立的，当位移检测放大器非常灵敏时，杠杆的位移量非常小，若整个弹性系统的刚度设计的很小，那么弹性反力在平衡状态的建立中无足轻重，可以忽略不计。 1-7试述节流式、容积式、涡流式、电磁式、漩涡式流量测量仪表的工作原理，精度范围及使用特点。 答：a、节流式 工作原理：根据流体对节流元件的推力或在节流元件前后形成的压差等可以测定流量的大小。
第1章绪论思考题与习题 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：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。 1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？ 解答： 被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值被控变量的预定值。 偏差被控变量的设定值与实际值之差。 1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？ 解答： 按照设定值的不同形式又可分为: 1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言. 2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控
变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化 3.程序控制系统 程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。 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？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？ 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。 在自动化工作中，了解、研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过程控制的要求。一个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的频繁作用，总是处在一种频繁的、不间断的动态过程中。因此说研究控制系统的动态比其静态更有意义。 1-7 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 ； 超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数σ； 1100%() y y σ=?∞
第1章自动控制系统基本概念 ~~1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？ 解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器与被控对象等四个环节组成。~~ 1-5 题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。 题1-5图加热器控制流程图 解PI-307表示就地安装的压力指示仪表,工段号为3,仪表序号为07; TRC-303表示集中仪表盘安装的,具有指示记录功能的温度控制仪表;工段号为3,仪表序号为03; FRC-305表示集中仪表盘安装的,具有指示记录功能的流量控制仪表;工段号为3,仪表序号为05。 ~~~~~ 1-7 在自动控制系统中,测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？ 解测量变送装置的功能就是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号(如气压信号或电压、电流信号等)送往控制器; 控制器接受测量变送器送来的信号,与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差,并按某种运算规律算出结果,然后将此结果用特定信号(气压或电流)发送出去执行器即控制阀,它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度,从而改变操纵变量的大小。 ~~~1-8.试分别说明什么就是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？ 解:被控对象(对象)——自动控制系统中,工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。 被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。控系统通常用该变量的名称来称呼,如温度控制系统,压力制系统等。 给定值(或设定值或期望值)——人们希望控制系统实现的目标,即被控变量的期望值。它可以就是恒定的,也可以就是能按程序变化的。 操纵变量(调节变量)——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节(操纵)的变量。或实现控制作用的变量。 操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。 ~~~1-11 题l-11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
如汽轮机负荷的变化，锅炉燃料量的变化等） 称为扰动 ；调整燃料量的装置如燃油阀、 制粉 电厂热工过程自动化基本知识 第一节 概 述 志生产过程进行情况的一些物理参数进行调节， 使 它们保持在所要求的额定值附近， 或按照 定的要求变化，如汽轮机转速，锅炉蒸汽温度、压力，汽包水位，炉膛负压等。在设备运 行中这些参数总要经常受到各种因素的影响而偏离额定值（规定值） 控制装置来实现操作的过程，就是自动调节。 例如， 在锅炉运行过程中， 锅炉出口主汽压是锅炉进出热量平衡的标志， 汽压的变化表 示锅炉的蒸发量和汽轮机的耗汽量不相适应， 这就意味着锅炉燃料燃烧产生的热量与产生 定蒸汽所需的热量不相适应， 因此， 汽压是表征锅炉运行状况的一个重要参数。 通常希望将 汽压保持在某一规定的数值，运行中，运行人员必须经常地监视仪表， 由于某种原因（如汽轮机负荷变化） ，汽压偏离所规定的数值，那么运行人员就要进行手动 操作， 调整锅炉的燃料量， 使锅炉产生的蒸汽适应汽轮机负荷的需要， 使汽压恢复到规定数 值。这里，锅炉是被调节的设备，称为 调节对象 ；需要调节的物理量汽压称为 被调量 ；被调 1、 电厂热工过程自动化主要内容 1） 自动检测，即对反映热工过程运行状态的物理量、化学量以及表征设备工作状态的参数 进行自动的检查、测量和监视。 2） 自动调节，即自动维持一个或几个能够表征热力设备正常工作状况的物理量为规定值， 消除因各种因素干扰和影响造成的运行工况偏离。 3） 自动保护，即在热力设备发生异常，甚至事故时能够自动采取保护措施，防止事故进一 步扩大，或保护设备不受损坏。 4） 程序控制，即根据预先拟定的程序及条件，自动地对机组进行启动、停止及其他一系列 操作。 2、 自动调节基本概念 在电力生产过程中， 为了保证生产的安全性、 经济性，保持设备的稳定运行， 必须对标 ，此时，用一整套自动 监视汽压的变化。若 量的汽压的规定数值称为 给定值 （或目标值） ；引起被调量汽压偏离给定值的各种原因（比
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。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