过程控制系统与仪表_习题答案_王再英

过程控制系统与仪表_习题答案_王再英
过程控制系统与仪表_习题答案_王再英

过程控制系统与仪表

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?

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?

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?

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?

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?

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 ; 超调量:第一个波峰值1y 与最终稳态值y (∞)之比的百分数σ;

1

100%()

y y σ=

?∞ 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:从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间;

振荡频率: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;

峰值时间:过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。

1-10 某被控过程工艺设定温度为900℃,要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃。现设计的温度

定值控制系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-4所示。试求该系统过渡过程的单项性能指标:最大动态偏差、衰减比、振荡周期,该系统能否满足工艺要求? 解答:

1最大动态偏差A :C C C A ?=?-?=50900950 ○

2衰减比n :1:5900

910900950=--=n ○

3振荡周期T :(min)36945=-=T A<80C ?, 且n>1 (衰减振荡),所以系统满足工艺要求。

第2章 思考题与习题

2-3 某压力表的测量范围为0~10MPa ,精度等级为1.0级。试问此压力表允许的最大绝对误差是多少?若用标准压力计来校验该压力表,在校验点为5MPa 时,标准压力计上读数为5.08MPa ,试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度,为什么?

解答: 1)基本误差δ=

100%?

最大绝对误差?max =0.01×10=0.1MPa 2)校验点为5 MPa 时的基本误差:%8.0%10010

5

08.5=?-=δ 0.8%<1% ,所以符合1.0级表。

2-5 有两块直流电流表,它们的精度和量程分别为 1) 1.0级,0~250mA 2)2.5级,0~75mA

现要测量50mA 的直流电流,从准确性、经济性考虑哪块表更合适? 解答:

分析它们的最大误差:

1)?max =250×1%=2.5mA ;%5%10050

5

.2±=?±

=δ 2)?max =75×2.5%=1.875mA ;%75.3%10050

875

.1±=?±=δ 选择2.5级,0~75mA 的表。

2-11 某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200~1000℃,输出为4~20mA 。当变送器输出电流为10mA 时,对应的被测温度是多少?

解答:

10

4202001000T

=--; T=500C ?。

2-12 试简述弹簧管压力计的工作原理。现有某工艺要求压力范围为1.2±0.05MPa ,可选用的弹簧管压力计精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五个等级,可选用的量程规格有0~1.6MPa 、0~2.5MPa 和0~4MPa 。请说明选用何种精度和量程(见附录E )的弹簧管压力计最合适?

解答: 1)工作原理:

2)根据题意:压力范围为1.2+0.5 MPa ,即允许的最大绝对误差?max =0.05 ○

1分析选用不同量程的表所需的精度等级: 0~1.6 MPa 量程:%125.3%1006

.105

.0±=?±

=δ,可选2.5级表; 0~2.5 MPa 量程:%2%1005

.205

.0±=?±=δ,可选1.5或2.0级表; 0~4.0 MPa 量程:%2.1%1000

.405

.0±=?±

=δ,可选1.0级表。 ○

2量程选择:被测最大压力=1/3~2/3量程上限 0~1.6 MPa 量程:

32

436.12.1?= 0~2.5 MPa 量程:3

2

5.22.131?? 0~4.0 MPa 量程:

3

1

3.00.42.1?= 综合分析,选用1.5级或2.0级,0~2.5 MPa 量程的表最合适。

2-13 如果某反应器最大压力为1.0MPa ,允许最大绝对误差为0.01MPa 。现用一台测量范围为0~1.6MPa ,精度为1级的压力表来进行测量,问能否符合工艺要求?若采用一台测量范围为0~1.0MPa ,精度为1级的压力表,能符合要求吗?试说明其理由。

工艺要求:最大压力为1.0MPa ,允许最大绝对误差为0.01MPa 。 分别求出两台仪表的最大允许误差,进行判断。

1)精度为1级,量程为0~1.6MPa 的表,其最大绝对误差: ?1.6max =1.6×1%=0.016 MPa ,> 0.01 MPa, 所以不符合要求; 2)精度为1级,量程为0~1.0MPa 的表,其最大绝对误差:

?1.0max =1.0×1%=0.01 MPa ,= 0.01 MPa, 所以最大误差符合要求,但是压力表的最大测量值应≤ 2/3仪表量程,否则压力波动会使测量值超出仪表量程。 所以,该表也不符合要求。

2-14 某台空压机的缓冲器,其工作压力范围为1.0~1.6MPa ,工艺要求就地观察罐内压力,并要测量结果的误差不得大于罐内压力的±5%。试选择一块合适的压力表(类型、测量范围、精度等级),并说明其理由。

根据题意知:压力范围1.0~1.6MPa ,

允许最大误差:?max =1.6×(+5%)=+0.08 MPa 1)量程确定:

应满足工作最大压力小于仪表量程的2/3处,即1.6 MPa ×2/3=2.4 MPa 可以选量程为0~2.5 MPa 的弹簧压力表。 2)精度等级确定:

求出基本误差,以确定满足要求的精度等级。

%2.3%1005

.208

.0±=?±

=δ ,允许的精度等级为2.5级。 综上分析,选择量程为0~2.5 MPa ,精度等级为2.5级的弹簧压力表。 该表的最大绝对误差:?max =2.5×(+2.5%)=+0.0625 MPa ,<0.08 MPa 所以满足要求。

2-17 什么叫标准节流装置?试述差压式流量计测量流量的原理;并说明哪些因素对差压式流量计的流量测量有影响?

1)标准节流装置:包括节流件和取压装置。

2)原理:基于液体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。 3)影响因素:P47

1流量系数的大小与节流装置的形式、孔口对管道的面积比m 及取压方式密切相关; ○

2流量系数的大小与管壁的粗糙度、孔板边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩性相关; ○

3 流量系数的大小与流体流动状态有关。 2-19 为什么说转子流量计是定压式流量计?而差压式流量计是变压降式流量计? 1)转子流量计是定压式流量计(P47)

虽然转子流量计也是根据节流原理测量流量的,但它是利用节流元件改变流体的流通面积来保持转子上下的压差恒定。所以是定压式。

2)差压式流量计是变压降式流量计(P45)

是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置是产生的压差实现流量测量的。所以是变压降式。

2-21 椭圆齿轮流量计的特点是什么?对被测介质有什么要求?

1)特点:流量测量与流体的流动状态无关,这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。

粘度愈大的介质,从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小,因此核测介质的粘皮愈大,泄漏误差愈小,对测量愈有利。

椭圆齿轮流量计计量精度高,适用于高粘度介质流量的测量。

2)对被测介质的要求:不适用于含有固体颗粒的流体(固体颗粒会将齿轮卡死,以致无法测量流量)。

如果被测液体介质中夹杂有气体时,也会引起测量误差。

2-22 电磁流量计的工作原理是什么?它对被测介质有什么要求?

1)原理:利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动是测量流速。

2)对被测介质的要求:导电液体,被测液体的电导率应大于水的电导率(Ω

μ

100cm),不能测量油类或气体的流量。

2-24 超声波流量计的特点是什么?

超声波流量计的非接触式测量方式,不会影响被测流体的流动状况,被测流体也不会对流量计造成磨损或腐蚀伤害,因此适用范围广阔。

2-26 用法兰式差压变送器测液位的优点是什么?

测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体的液位,在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油,作为传压介质,使被测介质不进入毛细管与变送器,以免堵塞。

可节省隔离罐。

2-27 试述电容式物位计的工作原理。

解答:

利用电容器的极板之间介质变化时,电容量也相应变化的原理测物位,可测量液位、料位和两种不同液体的分界面。

2-28 超声波液位计适用于什么场合?

适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体的测量。

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? 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?

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?

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:

e K y p =

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? 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 1

1

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。 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0.2mA ,试问经过5min 后,输出将由5mA 变化为多少?

由比例积分公式:???

? ??+=?edt T e P y 11

1分析: 依题意:%1001

==

p

K p ,即K p =1, T I = 2 min , e =+0.2; 稳态时:y 0=5mA ,

5min 后:

m A

edt T e P y y )7.05()52.02

1

2.0(151

110±=??±±?+=???

? ??++

=?

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?

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? 1)dt

de T y D

= 2)由于理想微分运算的输出信号持续时间太短,往往不能有效推动阀门。实际应用中,一般加以惯性延迟,如图3-7所示,称为实际微分。

3-9 试写出比例、积分、微分(PID )三作用控制规律的数学表达式。 解答:

???

? ??++=?dt de T edt T e P y D 111

3-10 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点,积分和微分为什么不单独使用? 1)比例控制及时、反应灵敏,偏差越大,控制力越强;但结果存在余差。 2)积分控制可以达到无余差;但动作缓慢,控制不及时,不单独使用。

3)微分控制能起到超前调节作用;但输入偏差不变时,控制作用消失,不单独使用。 3-12 DDZ-Ⅲ型控制器的软手动和硬手动有什么区别?各用在什么条件下?

1)软手动操作是指调节器的输出电流I 0与手动操作的输入信号成积分关系;

硬手动操作是指调节器的输出电流I 0与手动操作的输入信号成比例关系。 2)软手动操作:系统投运

硬手动操作:系统故障

3-13 什么叫控制器的无扰动切换?在DDZ-Ⅲ型调节器中为了实现无扰切换,在设计PID电路时采取了哪些措施?

1)调节器进行状态转换后,输出值不发生跳动,即状态转换无冲击。

2)C M、C I。P85中。

3-14 PID调节器中,比例度P、积分时间常数

T、微分时间常数D T分别具有什么含义?在调节器动作过程

I

中分别产生什么影响?若将

T取∞、D T取0,分别代表调节器处于什么状态?

I

比例度P含义:使控制器的输出变化满量程时(也就是控制阀从全关到全开或相反),相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。比例作用的强弱取决于比例度的大小。

积分时间常数

T含义:I T越小,积分作用越强;越大积分作用越弱;若将I T取∞,则积分作用消失。

I

微分时间常数

T含义:D T越大,微分作用越强;D T取0,微分作用消失。

D

3-15 什么是调节器的正/反作用?在电路中是如何实现的?

1)正作用:偏差=测量值-给定值;

反作用:偏差=给定值-测量值。

2)运放输入端的切换开关实现的。

3-16 调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式?输出电路是怎样将输出电压转换成4~20mA电流的?

1)采用差动输入方式,可以消除公共地线上的电压降带来的误差。

2)参照P83下的输出电路。

3-18 给出实用的PID数字表达式,数字仪表中常有哪些改进型PID算法?

解答:

1)P91式(3-18)

2)改进的算法:

第4章 思考题与习题

4-1 气动调节阀主要由哪两部分组成?各起什么作用? 1)执行机构和调节机构。

2)执行机构的作用:按调节器输出的控制信号,驱动调节机构动作;

调节机构的作用:由阀芯在阀体内的移动,改变阀芯与阀座之间的流通面积,从而改变被控介质的流量。

4-2 试问调节阀的结构有哪些主要类型?各使用在什么场合? 1)类型:直通单座阀、直通双座阀。

2)直通单座阀使用场合:小口径、低压差的场合; 直通双座阀使用场合:大口径、大压差的场合。

4-4 什么叫调节阀的理想流量特性和工作流量特性?常用的调节阀理想流量特性有哪些?

1)理想流量特性:在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性,也叫理想流量特

性。

工作流量特性:在实际的工艺装置上,调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用,阀门两端的压

差随流量变化而变化,这时的流量特性称为工作流量特性。

2)常用理想流量特性:直线流量特性、等百分比(对数)流量特性、

快开特性

4-6 什么叫调节阀的可调范围?在串联管道中可调范围为什么会变化?

1)可调范围:反映调节阀可控制的流量范围,用R =Q max /Q min 之比表示。R 越大,调节流量的范围越宽,性能指标就越好。

2)由于串联管道阻力的影响。

4-7 什么是串联管道中的阀阻比S ?S 值的变化为什么会使理想流量特性发生畸变?

1)阀阻比:用阀阻比o T p p S /min ?=表示存在管道阻力的情况下,阀门全开时,阀门前后的最小压差min T p ?占

总压力p o 的比值。

2)在S<1时,由于串联管道阻力的影响,使阀门开大时流量达不到预期的值,也就是阀的可调范围变小。随着S值的减小,直线特性渐渐区于快开特性,等百分比特性渐渐趋近于直线特性。

4-8 什么叫气动调节阀的气开式与气关式?其选择原则是什么?

1)气开式:无压力信号时阀门全闭,随着压力信号增大,阀门逐渐开大的气动调节阀为气开式。

气关式:无压力信号时阀门全开,随着压力信号增大,阀门逐渐关小的气动调节阀为气关式。

2)选择原则:从工艺生产安全考虑,一旦控制系统发生故障、信号中断时,调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。

4-9 如图4-24所示的蒸气加热器对物料进行加热。为保证控制系统发生故障时,加热器的耐热材料不被烧坏,试确定蒸气管道上调节阀的气开、气关形式。

气开式调节阀。

4-11 试述电/气转换器的用途与工作原理。

1)用途:为了使气动阀能够接收电动调节器的输出信号,必须使用电/气转换器把调节器输出的标准电流信换为20~100kPa的标准气压信号。

2)原理:在杠杆的最左端安装了一个线圈,该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动,由电动调节器送来得电流I通入线圈。当输入电流I增大时,线圈与磁铁间产生得吸力增大,使杠杆左端下移,并带动安杠杆上的挡板靠近喷嘴,改变喷嘴和挡板之间的间隙。

喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本的变换和放大环节,能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换为气压信号。经过气动功率放大器的放大后,输出20~l00kPa的气压信号p去推动阀门。

4-12 试述电/气阀门定位器的基本原理与工作过程。

在杠杆上绕有力线圈,并置于磁场之中。当输入电流I增大时,力线圈产生的磁场与永久磁铁相作用,使杠杆绕支点O顺时针转动,带动挡板靠近喷嘴,使其背压增大,经气动功率放大器放大后,推动薄膜执行机构使阀杆移动。

4-14 电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所?安全火花是什么意思?

1)必须是采取安全防爆措施的仪表,就是限制和隔离仪表电路产生火花的能量。使其不会给现场带来危险。

2)安全火花:电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下

4-16 齐纳式安全栅的基本结构是什么?它是怎样限压、限流的?

解答:

1)结构:图4-19所示。

2)利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压,用电阻进行限流。

第5章思考题与习题

5-1 什么是被控过程的数学模型?

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。

5-2 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?

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。

5-3 建立被控过程数学模型的方法有哪些?各有什么要求和局限性?

1)方法:机理法和测试法。

2)机理法:

测试法:

5-4 什么是流入量?什么是流出量?它们与控制系统的输入、输出信号有什么区别与联系?

1)流入量:把被控过程看作一个独立的隔离体,从外部流入被控过程的物质或能量流量称为流入量。

流出量:从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。

2)区别与联系:

控制系统的输入量:控制变量和扰动变量。

控制系统的输出变量:系统的被控参数。

5-5 机理法建模一般适用于什么场合?

对被控过程的工作机理非常熟悉,被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换有密切关系。

5-6 什么是自衡特性?具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点?

1)在扰动作用破坏其平衡工况后,被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性,称为自衡特性。

2)被控过程输出对扰动存在负反馈。

5-7 什么是单容过程和多容过程?

1)单容:只有一个储蓄容量。

2)多容:有一个以上储蓄容量。

5-8 什么是过程的滞后特性?滞后又哪几种?产生的原因是什么?

1)滞后特性:过程对于扰动的响应在时间上的滞后。

2)容量滞后:多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后。

纯滞后:在生产过程中还经常遇到由(物料、能量、信号)传输延迟引起的纯滞后。

5-9 对图5-40所示的液位过程,输入量为

1

Q,流出量为2Q、3Q,液位h为被控参数,水箱截面为A,并设2

R、3R为线性液阻。

(1)列写液位过程的微分方程组;

(2)画出液位过程的框图;

(3)求出传递函数)(

)

(

1s

s

H,并写出放大倍数K和时间常数T的表达式。解答:

(1)

3

322321R h Q R h

Q dt h d A

Q Q Q ?=

??=??=?-?-? (2)框图如图: (3) 3

2323

21)()(R R s R AR R R s Q s H ++=

5-10 以1Q 为输入、2h 为输出列写图5-10串联双容液位过程的微分方程组,并求出传递函数)()(12s Q s H 。 解答:

1)方程组:

3

2

32

322

2

21211

21R h Q dt h d A

Q Q R h R h Q dt h d A Q Q ?=??=?-??-?=??=?-?

2)传递函数:

3

12212

213

1121)()()(++++=s T T T s T T R s Q s H 式中:3112322211,,R A T R A T R A T ===

5-12 何为测试法建模?它有什么特点? 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。

5-13 应用直接法测定阶跃响应曲线时应注意那些问题?

(1)合理地选择阶跃输入信号的幅度

(2)试验时被控过程应处于相对稳定的工况

(3)要仔细记录阶跃曲线的起始部分

(4)多次测试,消除非线性

第6章思考题与习题

6-1 简单控制系统由几个环节组成?

测量变送器、调节器、调节阀、被控过程四个环节组成。

6-2 简述控制方案设计的基本要求。

安全性、稳定性、经济性。

6-3 简单归纳控制系统设计的主要内容。

解答:

1)控制系统方案设计;

2)工程设计;

3)工程安装和仪表调校;

4)调节器参数整定。

6-4 过程控制系统设计包括哪些步骤?

(1)熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标

(2)建立被控过程的数学模型

(3)控制方案的确定

(4)控制设备选型

(5)实验(或仿真)验证

6-5 选择被控参数应遵循哪些基本原则?什么是直接参数?什么是间接参数?两者有何关系?

1)原则:必须根据工艺要求,深入分析、生产过程,找出对产品的产量和质量、生产安全、经济运行、环境保护、节能降耗等具有决定性作用,能较好反映生产工艺状态及变化的参数作为被控参数。

2)直接参数:能直接反映生产过程中产品产量和质量,又易于测量的参数

3)间接参数:与质量指标有单值对应关系、易于测量的变量,间接反映产品质量、生产过程的实际情况。 4)两者关系:间接参数是直接参数的单值函数。

6-6 选择控制变量时,为什么要分析被控过程的特性?为什么希望控制通道放大系数o K 要大、时间常数o T 小、纯滞后时间o τ越小越好?而干扰通道的放大系数f K 尽可能小、时间常数f T 尽可能大?

解答:1)控制变量和干扰变量对被控参数的影响都于过程的特性密切相关。

2)控制通道的静态放大系数K 0越大,系统的静态偏差越小,表明控制作用越灵敏,克服扰动的能力越强,控制效果越好。

时间常数T 0小,被控参数对控制变量的反应灵敏、控制及时,从而获得良好的控制品质。 纯滞后τ0的存在会使系统的稳定性降低。τ0值越大,对系统的影响越大。

3)扰动通道的静态放大系数Kf 越小,表明外部扰动对被控参数的影响越小。时间常数Tf 越大,外部干扰f (t )对被控参数y (t )的影响越小,系统的控制品质越好。

6-7 当被控过程存在多个时间常数时,为什么应尽量使时间常数错开?

解答:由自控理论知识可知,开环传递函数中几个时间常数值错开,可提高系统的工作频率,减小过渡过程时间和最大偏差等,改善控制质量。

6-8 选择检测变送装置时要注意哪些问题?怎样克服或减小纯滞后? 解答:1)P184-1、2、3、4 2)合理选择检测点。

6-9 调节阀口径选择不当,过大或过小会带来什么问题?正常工况下,调节阀的开度在什么范围比较合适?

解答:1)调节阀口径选得过大,阀门调节灵敏度低,工作特性差,甚至会产生振荡或调节失灵的情况。

调节阀口径选得过小,当系统受到较大的扰动时,调节阀工作在全开或全关的饱和状态,使系统暂时处于失控工况,这对扰动偏差的消除不利。

2)正常工况下要求调节阀的开度在15%-85%之间。

6-10 选择调节阀气开、气关方式的首要原则是什么?

解答:保证人身安全、系统与设备安全是调节阀开、关作用方式选择的首要原则。

6-11 调节器正、反作用方式的选择依据是什么?

解答:确定原则是整个单回路构成负反馈系统。

6-12 在蒸气锅炉运行过程中,必须满足汽-水平衡关系,汽包水位是一个十分主要的指标。当液位过低时,汽包中的水易被烧干引发生产事故,甚至会发生爆炸,为此设计如图6-28所示的液位控制系统。试确定调节阀的气开、气关方式和调节阀LC正、反作用;画出该控制系统的框图。

解答:1)调节阀:气关方式。

2)调节器:正作用。

3)框图:

6-13 在如图6-29所示的化工过程中,化学反应为吸热反应。为使化学反应持续进行,必须用热水通过加热套加热反应物料,以保证化学反应在规定的温度下进行。如果温度太低,不但会导致反映停止,还会使物料产生聚合凝固导致设备堵塞,为生产过程再次运行造成麻烦甚至损坏设备。为此设计如图6-29所示的温度控制系统。试确定调节阀的气开、气关方式和调节阀的TC正、反作用;画出该控制系统的框图。

解答:1)调节阀:气开式。

2)调节器:反作用。

3)框图:

6-14 简述比例、积分、微分控制规律各自的特点。

解答:1)比例控制:是最简单的调节规律,它对控制作用和扰动作用的响应都很迅速。比例调节只有一个参数,整定简便。比例调节的主要缺点是系统存在静差。

2)积分控制:积分调节的特点是没有静差。但它的动态偏差最大、调节时间长,只能用于有自衡特性的简单对象、很少单独使用。

3)微分控制:超前调节。

6-22 如图6-30所示热交换器,将进入其中的冷却物料加热到设定温度。工艺要求热物料温度的C

T?

?1,

±

而且不能发生过热情况,以免造成生产事故。试设计一个简单控制系统,实现热物料的温度控制,并确定调节阀的气开、气关方式,调节器的正反作用方式,以及调节器的调节规律。

解答:

1)被控参数选择:

热交换器出口温度。

2)控制参数选择:

载热介质流量。

3)检测仪表选择:

温度传感器与温度变送器。

4)调节阀选择:

○1流量特性选择:对数流量特性。

○2气开、气关方式选择:气开。

5)调节器选择:

○1调节规律选择:PI或PID。

○2正反作用方式选择:反作用方式。

系统各环节正、负符号判别:被控过程:+;变送器:+;调节阀:+;

根据系统构成负反馈条件:各环节符号之积必为“-”,则调节器为“-”。

自动控制系统试题库(改)

一、填空题 1、直流调速的种类有:改变电枢电压、电枢串电阻、弱磁调速。 2、实现无静差调速,则需要在控制电路中包含有积分环节。 3、比例调节器的输出量完全取决输入量。 4、多环控制系统的校正步骤为:先校正环。校正好后,并通过适当的等效变换、简化处理,再校正环。 5、典型Ⅰ型系统中,若以快速性为主,则宜取ζ= ,若以稳定性为主,则宜取ζ= 。 6、α=β配合控制的有环流可逆调速系统中存在的是环流。 7、两组晶闸管装置组成的可逆线路有两种接线方式为和。 8、直流电动机有两个独立的电路:电枢回路与励磁回路。 9、积分环节的输出量取决于积分环节的大小。 10、比例—积分调节器兼顾了系统的快速性和实现无静差的两个方面的要求,因此在自动控制系统中获得广泛的应用。 11、根据转速方向和它与电磁转矩间的关系,可分成四种工作状态:正向运行、正向制动、反向运行、反向制动。 12、双闭环调速系统的两个调节器一般采用调节器,实行联接。 13、采用比例调节器的调速系统,依靠系统的与的偏差进行工作,是一种有静差的调速系统。 14、自动调速指的是:由转速负反馈自动调节转速。 15、最大超调量是输出量与稳态值的最大偏差与稳态值之比。 17、有静差调速系统,其自动调节作用只能尽量减少系统的静差,而不能完全消除静差。 18、积分环节的输出量,取决于输入量对时间的累积过程。 19、反向运行的情况与正向运行相类似,只是由反组取代了正组。电压、电流、转矩与正向运行相反。 20、反馈控制的一般规律是:要想维持某一被控量不变或少受内部和外部干扰的影响,

只要引入该量的__反馈量__与__给定量__进行比较,用它们的___偏差__进行控制,组成__________即可。 21.直流电动机调压可获得调速,直流电动机调励磁可获得调速。 22.双闭环调速系统在稳定时,控制电压Uct的大小取决于。23.在转速负反馈单闭环有静差调速系统中,突减负载后又进入稳定运行状态,此时晶闸管整流装置的输出电压U d较之负载变化前是(增加、减少、不变)。 24.在单极式可逆PWM变换器中,随着负载的减小,电流将(连续还是 断续),方向将(来回改变还是不变)。 25、若要实现无静差调速,应采用___________________或_____________________等。 26、非独立控制励磁的调速系统的调磁调速部分是_______________的闭环结构。 27、非独立控制励磁的调速系统调磁调速双闭环结构中,电动势环为,励磁电流环为。 28集成运算放大器的最大输出功率是有限的,一般不能直接驱动较大负载电流必须外加 29要满足系统的稳态精度的要求又要保证系统的稳定性,而且还要自有一定的裕量,必须设计合适的,使其达到期的性能指标. 30 在典型Ⅰ型系统中,当ζ=,此时系统对阶跃响应的超调量为。 二、判断题 1、在晶闸管调压调速电路的控制方法中,相位控制由于导通波形是工频正弦波一周期的一部分,低速时转速脉动较大。() 2、在晶闸管调压调速电路的控制方法中,通断控制由于采用了“零”触发的控制方法,几乎不产生谐波污染。( ) 3、静止可控整流器在控制作用的快速性方面是微秒级的,而变流机组是秒级的。() 4、电流转速双闭环调速系统在正常运行时,转速调节器是不会达到饱和状态的。()

过程控制系统习题解答

《过程控制系统》习题解答 1-1 试简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。 答:第一个阶段50年代前后:实现了仪表化和局部自动化,其特点: 1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表 2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统 3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数 4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定,消除或减少主要扰动对生产过程的影响 5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论,主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题 第二个阶段60年代来:大量采用气动和电动单元组合仪表,其特点: 1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能,适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统 2、计算机系统开始运用于过程控制 3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求,相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统(串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制) 4、在过程控制理论方面,现代控制理论的得到了应用 第三个阶段70年代以来:现代过程控制的新阶段——计算机时代,其特点: 1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制 2、自动化技术工具方面有了新发展,以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用 3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用 4、集散控制系统的广泛应用 第四个阶段80年代以后:飞跃的发展,其特点: 1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展 2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心 3、过程控制的概念更大的发展,包括先进的管理系统、调度和优化等。 1-2 与其它自动控制相比,过程控制有哪些优点?为什么说过程控制的控制过程多属慢过程? 过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。 一、连续生产过程的自动控制 连续控制指连续生产过程的自动控制,其被控量需定量控制,而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的(如采用控制系统等),但是其被控量需定量控制,也归入过程控制。 二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具,对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。 三、被控过程是多种多样的、非电量的 现代工业生产过程中,工业过程日趋复杂,工艺要求各异,产品多种多样;动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些过程的机理(如发酵等)复杂,很难用目前过程辨识方法建立过程的精确数学模型,因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。 四、过程控制的控制过程多属慢过程,而且多半为参量控制 因为大惯性、大滞后等特性,决定了过程控制的控制过程多属慢过程;在一些特殊工业生产过程中,采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况,故需要对过程参数进行自动检测和自动控制,所以过程控制多半为参量控制。

2012-2013年现代控制系统试题

2012-2013 学年第一学期期末考试试卷 《现代控制系统》研究生课程 2012.12 姓名 学号 班级 成绩 一、 填空(共20分) 1. 非线性系统可能有多个平衡点,是因为 可能存在多个极点 。(2分) 2. 如果一个系统是稳定的,但不是渐近稳定而是临界稳定的,则该系统的最终状态 可能是 在极限环上震荡 。(2分) 3. 系统的鲁棒性是在外界干扰或模型发生变化时系统性能的保持能力 。 (2分) 4. 系统的可观性定义为 对于任一给定的输入u (t ),存在一有限观测时间,使得 此期间测量到的输出y (t ),能唯一地确定系统的初始状态x (t0),则称此状态是可观测的 。线性系统的可观性判据为 可观测性判别矩阵满秩 。用观测器估计的状态进行状态反馈控制而二者又互不影响是基于 分离 原理(4分) 5. 6. 频率响应的输入信号为 正弦信号 。(2分) 7. 线性定常系统的相对稳定性可用 幅值裕度 和 相位裕度 表示。(2分) 8. 已知一个系统开环传递函数为 1) 4)(s 2)(s (s 50 G(s)+++= ,用MATLAB 语言编 程实现该系统的单位负反馈阶跃响应 a=[50],b=[1,7,14,1],sys=tf(a,b) sys1=feedback (sys ,1,-1) (4分)

二、分析和计算题(共80分) 2.1 考虑如下的质量弹簧阻尼系统,每个质量块的质量分别为1m 和2m ,1k 、2k 和3k 为弹簧的弹性系数,1b 、2b 和3b 为速度阻尼系数,列出在外力1e f 和 2e f 的 作用下每个质量块的位移分别为1q 和2q ,利用位移和速度作为状态量、位移1q 和 2q 为输出,写出运动学方程并表达为状态空间的形式。(7分) 题2.1图 2.2 给定性定常系统为: 3 1.75 1.2524 0000 1 00u ---???? ????=+???????????? x x 试设计状态反馈控制器u =-Kx ,希望该系统的闭环极点配置为* 1 4λ=-, * 24λ=-和*35λ=-。(7分) 2.3 如下定常非线性系统 ()2 12122 2211122212 2cos 21sin 3x x x x u x x x x x x y x x u u ?=++??=+++??=++-?? 给出该系统关于 =x 0 的线性化表达式。(7分)

化工仪表及自动化课后答案

1. 化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上,配备上一些自动化装置,代替操作人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上自 动地进行,这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法,称为化工自动化。 ?? 实现化工生产过程自动化的意义: (1)加快生产速度,降低生产成本,提高产品产量和质量。 (2)减轻劳动强度,改善劳动条件。 (3)能够保证生产安全,防止事故发生或扩大,达到延长设备使用寿命,提高设备利用能力的目的。(4)能改变劳动方式,提高工人文化技术水平,为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。 2、化工自动化主要包括哪些内容? 一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。 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、执行器和被控对象等四个环节组成。 4、自动控制系统主要由哪些环节组成? 自动控制系统主要由测量元件与变送器、自动控制器、执行器和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。 6、图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-30 7、TRC-303、FRC-305所代表的意义。 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。 7.方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形,由于各个环节在图中都用一个方块表示,故称之为方块图。 1-8.试分别说明什么是被控对象、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。它可以是恒定的,也可以是能按程序变化的。 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。 8.测量元件与变送器:用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号(如气压信号、电压、电流信号等);控制器:将测量元件与变送器送来的测量信号与工艺上需要保 持的给定值信号进行比较得出偏差,根据偏差的大小及变化趋势,按预先设计好的控制规律进行运算后,将运算结果用特定的信号送住执行器。执行器:能自动地根据控制器送来 的信号值相应地改变流入(或流出)被控对象的物料量或能量,从而克服扰动影响,实现控制要求。 Ex9.被控对象:在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做~。被控变量:被控对象

自动控制系统习题题目和答案

习题解答(供参考) 习题二 2.2 系统的调速范围是1000~100min r ,要求静差率s=2%,那么系统允许的静差转速降是多少? 解:10000.02(100.98) 2.04(1)n n s n rpm D s ?==??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 。 2.3 某一调速系统,在额定负载下,最高转速特性为0max 1500min n r =,最低转速特性为 0min 150min n r =,带额定负载时的速度降落15min N n r ?=,且在不同转速下额定速降 不变,试问系统能够达到的调速范围有多大?系统允许的静差率是多少? 解:1)调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下) max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?==

2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ,I N =378A ,n N =1430r/min ,Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时,求系统的调速范围。如果s=30%时,则系统的调速范围又为多少?? 解:()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ?==?+= [(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机60,220,305,1000min N N N N P kW U V I A n r ====,主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V ?min/r,求: (1)当电流连续时,在额定负载下的转速降落N n ?为多少? (2)开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少? (3)若要满足D=20,s ≤5%的要求,额定负载下的转速降落N n ?又为多少? 解:(1)3050.180.2274.5/min N N n I R Ce r ?=?=?= (2) 0274.5274.5)21.5%N N S n n =?=+= (3) [(1)]10000.05[200.95] 2.63/min N n n S D s r ?=-=??=

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。

过程控制系统与仪表 习题答案 王再英

过程控制系统与仪表王再英刘淮霞陈毅静编著 习题与思考题解答 机械工业出版社

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

自动控制系统试题

一、选择题 1. 带有比例调节器的单闭环直流调速系统,如果转速的反馈值与给定值相等,则调节器的输出为( A ) A、零; B、大于零的定值 C、小于零的定值; D、保持原先的值不变 1、无静差单闭环调速系统,稳态时,转速的给定值与反馈值相同,此时调节器的输出( D )。 A、为0 B、正向逐渐增大 C、负向逐渐增大 D、保持恒定终值不变 1、下列关于转速反馈闭环调速系统反馈控制基本规律的叙述中,错误的是 A、只用比例放大器的反馈控制系统,其被调量仍是有静差的 B、反馈控制系统可以抑制不被反馈环节包围的前向通道上的扰动 C、反馈控制系统的作用是:抵抗扰动、服从给定 D、系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 3. 无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是( D ) A、消除稳态误差; B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应 C、既消除稳态误差又加快动态响应; D、加快动态响应 4.转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是 ( B ) A.PID B.PI C.P D.PD 4、双闭环调速系统在稳定运行时,控制电压Uct的大小取决于( C )。 A、Idl B、n C、n和Idl D、α和β 4.双闭环调速系统中,在恒流升速阶段时,两个调节器的状态是( A ) A. ASR饱和、ACR不饱和 B. ACR饱和、ASR不饱和 C. ASR和ACR都饱和 D. ACR和ASR都不饱和 4、双闭环直流调速系统的起动过程中不包括 A、转速调节阶段 B、电流上升阶段 C、恒流升速阶段 D、电流下降阶段 4、下列不属于双闭环直流调速系统启动过程特点的是 A、饱和非线性控制 B、转速超调 C、准时间最优控制 D、饱和线性控制 4、转速、电流双闭环调速系统起动时,转速调节器处于 B 。 A、调节状态 B、饱和状态 C、截止状态

大学几乎所有学科的课本答案

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(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

自动控制系统练习题

1.我们通常按照控制系统是否设有反馈环节来进行分类:设有反馈环节的,称为闭环控制系统;不设有反馈环节的,称为开环控制系统。 2.反馈控制可以自动进行补偿,这是闭环控制的一个突出的优点。 3.自动控制系统按输入量变化的规律分为:恒值控制系统、随动系统、过程控制系统。 4.恒值控制系统、随动系统各有什么特点? 5.恒值控制系统是最常见的一类自动控制系统,如自动调速系统、恒温控制系统、恒张力控制系统等。 6.自动控制系统的性能通常是指系统的稳定性、稳态性能和动态性能。 7.对任何自动控制系统,首要的条件便是系统能稳定正常运行。 8.系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度,它表明了系统的准确程度。若稳态误差等于0,则系统称为无静差系统;若稳态误差不等于0,则称为有静差系统。 9.我们通常把系统的输出量进入并一直保持在某个允许的足够小的误差范围(称为误差带)内,即认为系统已进入稳定运行状态。 10.动态性能指标通常用最大超调量、调整时间、振荡次数来衡量。 11.最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能,调整时间反映了系统的快速性,稳态误差反映了系统的准确度。一般说来,我们总是希望最大超调量小一点,振荡次数少一点,调整时间短一些,稳态误差小一点。总之,希望系统能达到稳、快、准。 12.书15页1-5判断下列系统属于哪一类系统?电饭煲、空调机、燃气热水器、仿形加工机床、母子钟系统、自动跟踪雷达、家用交流稳压器、数控加工中心、啤酒生产自动线。 13.常用的转速检测元件有直流测速发电机、交流测速发电机、光电传感器、增量编码盘等。 14.转子是电动机的转动部分,通常称它为电枢。 15.直流电动机结构的主要特征是具有换向器和电刷。 16.直流电动机的转速n的大小,主要取决于电枢电压Ua. 17.直流电动机的起动转矩很大,这也是直流电动机的一大优点(起动时还要注意起动电流不可过大)。 18.直流电动机不允许直接起动。通常采取的办法是降低加在电枢两端的电压,或在电枢回路中串接附加起动电阻。 19.直流调速系统中调速采用的主要方法是:改变电枢电压Ua来改变转速。 20.对笼型三相异步电动机,变频调速是高性能调速的主要方式。 21.晶闸管电路有许多保护环节,其中主要是过电压保护和过电流保护。 22.单相晶闸管交流调压电路,可以采用两只反并联的普通晶闸管(也可采用一只双向晶闸管)与负载电阻串联构成主电路。 23.双极晶体管(BJT)有空穴和电子两种载流子参与导电,是全控型器件。 24.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的特性兼有MOSFET和BJT的优点。 25.以下()是半控型器件。晶闸管二极管双极晶体管绝缘栅双极型晶体管 26.在经典控制理论中,通常采用的方法为时域分析法、频率特性法、根轨迹法。 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34.

电工学概论习题答案_第四章

4-1. 怎样从三相异步电动机的结构特征来区别笼型和绕线型? 答:转子绕组的作用是产生感应电动势、流过电流和产生电磁转矩,其结构型式有笼型和绕线型两种,笼型转子的每个转子槽中插入一根铜导条,在伸出铁心两端的槽口处,用两个短路铜环分别把所有导条的两端都焊接起来。如果去掉铁心,整个绕组的外形就像一个笼子,所以称为笼型转子。绕线型转子的绕组和定子相似,是用绝缘导线嵌放在转子槽内,联结成星形的三相对称绕组,绕组的三个出线端分别接到转子轴上的三个滑环(环与环,环与转轴都互相绝缘),在通过碳质电刷把电流引出来。 4-2. 怎样使三相异步电动机改变转向? 答:将同三相电源相联接的三个导线中的任意两根的对调一下,三相异步电动机改变转向。 4-3. 已知一台三相笼型异步电动机的额定功率N P =3kW ,额定转速N n =2880r/min 。试求 (1)磁极对数;(2)额定时的转差率N s ;(3)额定转矩N T 。 解:(1) 同步转速03000/min n r =,因此电动机磁极对数p 为1; (2) 00300028804%3000 N n n s n --=== (3) 9.55 N N N P T n ==9.95N m ? 4-4. 已知Y112M-4型异步电动机的技术数据为N P =4kW ,△接法,额定电压N U =380V ,N n =1440r/min ,额定电流N I =8.8A ,功率因数cos N ?=0.82,效率N η=84.5%。试求(1)磁极对数; (2)额定运行时的输入功率1N P ; (3)额定时的转差率N s ; (4)额定转矩N T 。 解:(1) 同步转速01500/min n r =,因此电动机磁极对数p 为2; (2) 1 4.73N N N P P kW η== (3) 00150014404%1500 N n n s n --=== (4) 9.55 N N N P T n ==26.5N m ? 4-5. 已知Y132M-4型异步电动机的额定功率N P 为7.5kW ,额定电流N I =15.4A ,额定转速

自动控制原理试题库(含答案)

课程名称: 自动控制理论 (A/B 卷 闭卷) 一、填空题(每空 1 分,共15分) 1、反馈控制又称偏差控制,其控制作用是通过 与反馈量的差值进行的。 2、复合控制有两种基本形式:即按 的前馈复合控制和按 的前馈复合控制。 3、两个传递函数分别为G 1(s)与G 2(s)的环节,以并联方式连接,其等效传递函数为()G s ,则G(s)为 (用G 1(s)与G 2(s) 表示)。 4、典型二阶系统极点分布如图1所示, 则无阻尼自然频率=n ω , 阻尼比=ξ , 该系统的特征方程为 , 该系统的单位阶跃响应曲线为 。 5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+, 则该系统的传递函数G(s)为 。 6、根轨迹起始于 ,终止于 。 7、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ?ωτωω--=--,则该系统的开环传递函数为 。 8、PI 控制器的输入-输出关系的时域表达式是 , 其相应的传递函数为 ,由于积分环节的引入,可以改善系统的 性能。 二、选择题(每题 2 分,共20分) 1、采用负反馈形式连接后,则 ( ) A 、一定能使闭环系统稳定; B 、系统动态性能一定会提高; C 、一定能使干扰引起的误差逐渐减小,最后完全消除; D 、需要调整系统的结构参数,才能改善系统性能。 2、下列哪种措施对提高系统的稳定性没有效果 ( )。 A 、增加开环极点; B 、在积分环节外加单位负反馈; C 、增加开环零点; D 、引入串联超前校正装置。 3、系统特征方程为 0632)(23=+++=s s s s D ,则系统 ( ) A 、稳定; B 、单位阶跃响应曲线为单调指数上升; C 、临界稳定; D 、右半平面闭环极点数2=Z 。

(完整版)过程控制系统与仪表习题答案第三章

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: e K y p = 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 1 1

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 11 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0.2mA ,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 =+0.2; 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

《现代控制系统理论》第3版课后习题问题详解96894

《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图,并建立其状态空间表达式。 图1-27系统方块结构图 解:系统的模拟结构图如下: 图1-30双输入--双输出系统模拟结构图 系统的状态方程如下: u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x p p p p n p b 161116613153 46 1 5141313322211 +-- =+-==++--== =??? ?? ? 令y s =)(θ,则1x y =

所以,系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 []????? ? ??? ? ??????????=??????? ???????????????+?????? ?????????????????????????? ????????????? ?----- =????????????????????????????? ?65432116543211111111 2654321000001000000 0000 0001001000000 000001 0x x x x x x y u K K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p p p n p b 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量,求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程,和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 U 图1-28 电路图 解:由图,令32211,,x u x i x i c ===,输出量22x R y = 有电路原理可知:? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+--=?? ? 写成矢量矩阵形式为:

化工自动化及仪表习题与答案 华理

《化工自动化及仪表》补充习题与答案 1.某物料加热后与添加料混合,工艺要求混合时物料温度θo稳定,工艺采用改变换热器 蒸汽流量Qs来稳定罐内温度θo 。影响θo的因素有:阀前蒸汽压力Ps,冷物料流量Qi和温度θi ,环境温度θc等。 1)画出温度控制系统的方块图; 2)指出该控制系统的被控变量、操纵变量、被控对象及扰动; 3)若蒸汽阀前压力Ps突然变大时,简述该系统的控制过程。 解: 添加剂 1)略 2)罐内温度θo ;蒸汽流量Qs;混合罐;阀前蒸汽压力Ps,冷物料流量Qi和温度θi ,环境温度θc 3)Ps↑→Qs↑→θo↑→ e↑→ Qs↓ 2. 图a为流量控制系统,主要克服阀前压力P1波动来稳定流量Q1 。图 b是储槽液位控制 系统,主要克服Q2流量变化的扰动,保持液位稳定。 1)指出两图中的各控制系统的被控变量、操纵变量、被控过程及主要扰动; 2)若采用图a系统来控制液位,试比较与图b系统的不同点。 图a 图b 解:1)图a:Q1;Q1;管道;P1 图b:h;Q1;储液槽;Q1、Q2 2)前馈a:开环控制,控制及时 b:闭环控制,控制不及时 3.某换热器的温度控制系统(设定值是30℃)在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出衰减比、最大偏差、余差、回复时间。

30 354575 T/ 解:1)n= 'B B =35 453575--=4 2)|e max |=|B+C |=B-r=75-30=45 3)e (∞)=r-y (∞)=30-35=-5 4)估测:32min 4. 已知某换热器被控变量是出口温度θ,操纵变量是蒸汽流量Q 。在蒸汽流量作阶跃变化时,出口温度响应曲线如图所示。该过程通常可以近似作为一阶滞后环节来处理。试估算该控制通道的特性参数K 、T 、τ。 40 43 解:1)放大系数=40 -43=0.3 2)时间常数的θ所对应的时间) 3)纯滞后τ=1min 5. 如果用K 热电偶测量温度,其仪表指示值是600℃,而冷端温度是65℃,则实际温度是665℃,对不对?若不对,正确值应为多少,为什么? 解答:不对。 因为E(θ)=E(θ,θ0)+E(θ0,0) 所以600=535+65 正确温度应为535℃ 6. 何谓变送器零点调整、零点迁移和量程调整,试举一例说明之。 7. 热电偶配接温度变送器测温时,为什么除了要确定测量温度的范围外,还需确定分度号?若电动Ⅱ型温度变送器量程为0~150℃,当介质为90℃时,该变送器的输出为多少mA ?若采用电动Ⅲ型温度变送器,量程和介质温度同上,则变送器的输出又为多少mA ? (设ΔI ∝Δθ) 解:1)每一个分度号与一个热电偶一一对应。

自动控制原理试题库(含答案)

一、填空题(每空 1 分,共15分) 1、反馈控制又称偏差控制,其控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的。 2、复合控制有两种基本形式:即按输入的前馈复合控制和按扰动的前馈复合控制。 3、两个传递函数分别为G 1(s)与G 2(s)的环节,以并联方式连接,其等效传递函数为()G s ,则G(s)为G1(s)+G2(s)(用G 1(s)与G 2(s) 表示)。 4、典型二阶系统极点分布如图1所示, 则无阻尼自然频率= n ω 阻尼比=ξ ,0.7072 = 该系统的特征方程为2220s s ++= , 该系统的单位阶跃响应曲线为衰减振荡。 5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+, 则该系统的传递函数G(s)为 105 0.20.5s s s s +++。 6、根轨迹起始于开环极点,终止于开环零点。 7、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ?ωτωω--=--,则该系统的 开环传递函数为(1) (1)K s s Ts τ++。 8、PI 控制器的输入-输出关系的时域表达式是 1 ()[()()]p u t K e t e t dt T =+ ?, 其相应的传递函数为 1 [1] p K Ts + ,由于积分环节的引入,可以改善系统的稳态性 能。 1、在水箱水温控制系统中,受控对象为水箱,被控量为水温。 2、自动控制系统有两种基本控制方式,当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时,称为开环控制系统;当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时,称为闭环控制系统;含有测速发电机的电动机速度控制系统,属于闭环控制系统。 3、稳定是对控制系统最基本的要求,若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡,则该系统稳定。判断一个闭环线性控制系统是否稳定,在时域分析中采用劳斯判据;在频域分析中采用奈奎斯特判据。 4、传递函数是指在零初始条件下、线性定常控制系统的输出拉氏变换与输入拉

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