第二章 控制对象的动态特性.

⾃动控制原理第⼆章复习总结（第⼆版）第⼆章过程装备控制基础本章内容：简单过程控制系统的设计复杂控制系统的结构、特点及应⽤。

第⼀节被控对象的特性⼀、被控对象的数学描述（⼀）单容液位对象1．有⾃衡特性的单容对象2．⽆⾃衡特性的单容对象（⼆）双容液位对象1．典型结构：双容⽔槽如图2-5所⽰。

图2-5 双容液位对象图2-6 ⼆阶对象特性曲线2．平衡关系：⽔槽1的动态平衡关系为：3．⼆阶被控对象：1222122221)(Q K h dt dh T T dt h d T T ?=+++式（2-18）就是描述图2-5所⽰双容⽔槽被控对象的⼆阶微分⽅程式。

称⼆阶被控对象。

⼆、被控对象的特性参数（⼀）放⼤系数K（⼜称静态增益）（⼆）时间常数T（三）滞后时间τ（1）．传递滞后τ0（或纯滞后）：（2）．容量滞后τc可知τ=τ0+τc。

三、对象特性的实验测定对象特性的求取⽅法通常有两种：1．数学⽅法2．实验测定法（⼀）响应曲线法：（⼆）脉冲响应法第⼆节单回路控制系统定义：（⼜称简单控制系统），是指由⼀个被控对象、⼀个检测元件及变送器、⼀个调节器和⼀个执⾏器所构成的闭合系统。

⼀、单回路控制系统的设计设计步骤：1．了解被控对象2．了解被控对象的动静态特性及⼯艺过程、设备等3．确定控制⽅案4．整定调节器的参数（⼀）被控变量的选择（⼆）操纵变量的选择（三）检测变送环节的影响（四）执⾏器的影响⼆、调节器的调节规律1．概念调节器的输出信号随输⼊信号变化的规律。

2．类型位式、⽐例、积分、微分。

（⼀）位式调节规律1．双位调节2．具有中间区的双位调节3．其他三位或更多位的调节。

（⼆）⽐例调节规律（P ）1．⽐例放⼤倍数（K ）2．⽐例度δ3．⽐例度对过渡过程的影响（如图2-24所⽰）4．调节作⽤⽐例调节能较为迅速地克服⼲扰的影响，使系统很快地稳定下来。

通常适⽤于⼲扰少扰动幅度⼩、符合变化不⼤、滞后较⼩或者控制精度要求不⾼的场合。

（三）⽐例积分调节规律（PI ）1．积分调节规律（I ）（1）概念：调节器输出信号的变化量与输⼊偏差的积分成正⽐==?t I t I dt t e T dt t e K t u 00)(1)()(式中：K I 为积分速度，T I 为积分时间。

过程装备控制技术及应用习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。

主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。

自动控制系统常用的术语有：被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；给定值（或设定值）y s——对应于生产过程中被控变量的期望值；测量值y m——由检测原件得到的被控变量的实际值；操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=y m - y s控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。

3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。

其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。

采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。

而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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（完整版）过程控制习题与答案第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。

机械工程控制基础第七版杨叔子答案第一章引论1.1 机械工程控制的基本概念在现代社会，机械工程控制作为一种重要的技术手段，在各个领域都有着广泛的应用。

机械工程控制主要通过控制系统来控制机械设备的运动和行为，以实现特定的功能。

机械工程控制的基本概念包括控制系统、控制对象、控制信号等。

控制系统是由控制设备和被控对象组成的系统，其中控制设备负责产生控制信号，被控对象则接受控制信号并做出相应的动作。

控制信号是指控制设备输出的用于控制被控对象的电信号或机械信号。

1.2 机械工程控制的分类机械工程控制根据控制系统的性质和结构可以分为开环控制和闭环控制两种形式。

1.2.1 开环控制开环控制又被称为直接控制，是指控制系统中没有反馈信号来校正控制过程的一种控制方式。

在开环控制中，控制设备根据输入信号直接产生输出信号，而无需通过反馈来调整输出信号。

开环控制的特点是简单、成本低，但对于外界干扰和系统参数变化敏感，容易产生误差。

1.2.2 闭环控制闭环控制又被称为反馈控制，是指控制系统中引入了反馈信号，并根据反馈信号来校正控制过程的一种控制方式。

在闭环控制中，控制设备根据反馈信号来调整输出信号，以达到控制目标。

闭环控制的特点是稳定性好、抗外界干扰能力强，但系统结构复杂，成本较高。

1.3 机械工程控制的基本原理机械工程控制的基本原理是通过控制算法将输入信号转化为输出信号，以实现对被控对象的控制。

控制算法可以是线性的，也可以是非线性的，具体选择哪种算法取决于被控对象的特性和控制要求。

控制算法通常包括三个主要步骤：传感器采集输入信号、控制器处理输入信号、执行器将处理后的信号转化为输出信号。

在这个过程中，控制器根据输入信号和系统状态进行计算，并产生相应的控制信号，通过执行器作用于被控对象，实现对被控对象的控制。

第二章控制对象的数学模型2.1 控制对象的概念控制对象是指需要进行控制的机械设备或系统。

在机械工程控制中，控制对象可以是机械臂、机床、自动化生产线等。

热工控制系统B思考题与习题第一章控制系统概述1. 什么叫自动控制系统？2．自动控制系统主要由哪几部分组成？每一部分的作用是什么？3．控制对象、被控制量、控制量和给定值是如何定义的？请举例说明。

4．自动控制系统的主要分类方法有哪几种？说明各种分类方法的特点，指出各种分类方法所包括的系统是什么？各系统的特点是什么？5．什么叫前馈控制系统？什么叫反馈控制系统？6．什么叫反馈？什么叫负反馈？7、什么叫定值控制系统？对定值控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的定值控制系统。

8．什么叫随动控制系统？对随动控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的随动控制系统。

9．、对一个实际控制系统如何实现负反馈？10．说明汽包锅炉有哪些被控制量？相应的控制量、控制机构有哪些？锅炉运行过程中被控制量可能会受到哪些扰动？11．控制过程的基本形式有哪几种？它们各有什么特点？如何根据控制过程曲线来检验控制系统是否满足基本要求？哪种控制过程的基本形式符合热工控制过程的要求，给出稳定性指标的范围。

12．通常从哪三个方面衡量自动调节系统的工作品质，表示调节系统的工作品质的指标有哪几个？如何兼顾这些指标？13．举出反馈控制系统的实例，指出被控制量、控制量、控制机构、给定值、扰动，画出控制系统的示意图。

14．水位自动控制系统的两种方案如下图所示，在运行中，希望水位高度H维持不变：（1）说明各系统的工作原理。

（2）画出各系统的方框图，并说明控制对象、被控制量、给定值、扰动各是什么？（3）试说明两系统各属于何种结构的控制方式。

（4）当水箱出口水流量q2变化时，各系统能否使水位高度保持不变？试从原理上定性说明。

第二章控制对象的动态特性1．为什么要研究对象动态特性？2．热工控制对象一般有哪几种类型？每种类型的特点是什么？写出相对应的传递函数。

3．热工控制对象的特征参数有哪些？是如何定义的，物理意义是什么？4．写出表示有自平衡能力对象动态特性的两套特征参数和它们之间的关系。

过程控制系统第二章（对象特性）习题2-1．什么是被控过程的数学模型？2-1解答：被控过程的数学模型是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。

2-2．建立被控过程数学模型的目的是什么？过程控制对数学模型有什么要求？2-2解答：1）目的：○1设计过程控制系统及整定控制参数；○2指导生产工艺及其设备的设计与操作；○3对被控过程进行仿真研究；○4培训运行操作人员；○5工业过程的故障检测与诊断。

2）要求：总的原则一是尽量简单，二是正确可靠。

阶次一般不高于三阶，大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是带纯滞后的一阶形式。

2-2．简述建立对象的数学模型两种主要方法。

2-2解答：一是机理分析法。

机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。

通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。

二是实验测取法。

实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。

然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。

5-12 何为测试法建模？它有什么特点？2-3解答：1）是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数学模型。

2）可以在不十分清楚内部机理的情况下，把被研究的对象视为一个黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性。

2-3．描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?2-3解答：描述对象特性的参数分别是放大系数K 、时间常数T 、滞后时间τ。

放大系数K 放大系数K 在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变 化量之比，即输入的变化量输出的变化量=K 由于放大系数K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。

控制作用μ干扰作用λ被调量G 0μ(s )G 0λ(s )图1-9 对象的输入、输出量第二节 热工控制对象的动态特性一、概述自动控制系统是由控制对象和自动控制设备组成的，控制对象是自动控制系统中的一个重要组成部分。

控制对象的输出就是控制系统的被调量，控制对象的输入信号是引起被调量变化的各种因素（包括扰动作用和控制作用），如图1-9所示。

要分析研究控制系统的工作质量，设计或改造自动控制系统，首先必须分析控制对象的动态特性，并根据它来正确地选择和使用自动控制设备，确定调节器的最佳整定参数，使控制设备与控制对象相互协调配合，构成一个合理的控制系统，才能获得预期的控制效果，对于机组运行人员来说，熟悉控制对象的动态特性，也是正确使用好控制系统的必要前提：所以，研究热工控制对象的动态特性，是研究控制系统、实现生产过程自动化的基础工作。

控制对象的动态特性就是控制对象在动态变化过程中各种输入信号与输出信号之间的关系。

对象的输入量至输出量的信号联系称之为通道；控制作用到输出量（被调量）的信号联系称为控制通道；干扰作用至输出量的信号联系称为干扰通道。

一般热工对象对于不同的输入信号所引起的被调量的变化特性是不同的，或者说同一对象的不同信号通道的传递函数（或微分方程）不同。

要全面了解对象的动态特性，就要了解各通道的动态特性，这往往是比较困难的。

由于控制通道在控制系统中的闭环以内，而控制作用又是经常、自动、反复地进行，所以它的动态特性较强地影响控制系统的稳定性。

影响控制对象输出的扰动分为外部扰动和内部扰动。

凡是来自控制系统之外，引起被调量发生变化的各种原因，都称为外扰，而控制系统内部的扰动称为内扰。

例如给水控制系统，给水流量和蒸汽流量的变化都会引起水位变化，但蒸汽流量的变化是用户需求变化引起的，调节系统本身无法控制，是系统的外扰，而给水母管压力变化引起的给水流量的变化是调节系统可以控制的，是系统的内扰。

外扰通道在控制系统的闭环以外，在一般情况下，外扰是随机的、短暂的、一次发生的，所以它的动态特性只影响调节过程中的被调量的幅值。