过程控制系统第2章 对象特性 习题与解答

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。

时间常数T 时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变 化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63．2％所需时间。

时间常数T 是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。 滞后时间τ滞后时间τ是纯滞后时间0τ和容量滞后c τ的总和。

输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。

滞后时间τ也是反映对象动态特性的重要参数。

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？

2-3解答：

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。

2-4．什么是控制通道和扰动通道(干扰通道)?对于不同的通道，对

τ)对控制有什么不同的影响?

象的特性参数(K、T、

2-4解答：

对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。

一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、τ)对控制作用的影响是不同的。

对于控制通道：

放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K 太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。

在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间τ。

对于扰动通道：

放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。

τ时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟

而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。

2-5．实验测取对象特性常用的方法有哪些?各自有什么特点?

实验测取对象特性常用的方法有阶跃响应曲线法、矩形脉冲法。

阶跃响应曲线法是当对象处于稳定状态时，在对象的输入端施加一个幅值已知的阶跃扰动，然后测量和记录输出变量的数值，就可以画出输出变量随时间变化的曲线。根据这一响应曲线，再经过一定的处理，就可以得到描述对象特征的几个参数。阶跃响应曲线法是一种比较简单的方法。如果输入量是流量，只需将阀门的开度作突然的改变，便可认为施加了一个阶跃扰动，同时还可以利用原设备上的仪表把输出量的变化记录下来，既不需要增加仪器设备，测试工作也不大。但由于一般的被控对象较为复杂，扰动因素较多，因此，在测试过程中，不可避免地会受到许多其他扰动因素的影响而使测试精度不高。为了提高精度就必须加大输入量的幅度，这往往又是工艺上不允许的。因此，阶跃响应曲线法是一种简易但精度不高的对象特性测定方法。

矩形脉冲法是当对象处于稳定状态时，在时间0t 突然加一幅度为A 的阶跃扰动，到1t 时突然除去，这时测得输出变量随时间变化的曲线，称为矩形脉冲特性曲线。矩形脉冲信号可以视为两个方向相反、幅值相等、相位为0t —1t 的阶跃信号的叠加。可根据矩形脉冲特性曲线，用叠加法作图求出完整的阶跃响应曲线，然后就可以按照阶跃响应曲线进行数据处理，最后得到对象的数学模型。采用矩形脉冲法求取对象特性，由于加在对象上的扰动经过一段时间后即被除去。因此，扰动的幅值可以取得较大，提高了实验的精度。同时，对象的输出又不会长时间偏离设定值，因而对正常工艺生产影响较小。