（完整word版）过程装备与控制工程课后习题（1）

（完整word版）过程装备与控制工程课后习题（1）
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 给定值（或设定值）y s 测量值y m 操纵变量（或控制变量）m 干扰f 偏差信号（e ）控制信号u 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？答：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制，开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。

定值控制系统要求给定值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。

另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反馈系统。

8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？答：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的，系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态，即系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过度过程。

在阶跃干扰作用下，其过度过程曲线有：①发散振荡过程② 等幅振荡过程③衰减振荡过程④非振荡的单调过程。

其中衰减振荡和非振荡的单调过程属于稳定的过渡过程，能满足自动控制的要求，其它的不能。

1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物
理意义是什么？答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有放大系数K ，时间常数T 和滞后时间τ 。

K ——被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。

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。

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6
3.2%所需时间。

时间常数T 是反映被控变量变化快慢的参数，因此是对象的动态参数。

τ——滞后时间是纯滞后τ0时间和容量滞后τc 的总和。

输入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。

4.在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？答：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，但过渡过程时间较大；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，即使扰动较大，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。

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；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。

6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P 与输入偏差信号e 之间的关系。

常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI ，PD ，PID 。

7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？答：①位式控制器的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。

最常见的是双位控制。

，它们输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。

位式控制器结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。

但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。

②积分控制（P ）是指调节器的输出信号变化量与输入信号变化量e(t)成比例关系：，--比例放大系数，比例控制的伏点是反应快，控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在，即比例控制不能消除余差，因此只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制。

③积分控制（I ）：调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比，即：式中 --积分速度， --积分时间。

积分规律的特点是控制缓慢，但能消除余差。

由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。

④微分控制（D ）--指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比。

即。

--微分时间。

微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性；由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。

故也不单独使用。

8．什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。

答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与
测定值之差。

比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调节器有输出，就必须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能消除余差。

积分控制其输出信号的大小不仅与输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。

只要有偏差，调节器的输出就不断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有存在偏差身先等于的情况下，积分调节器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。

9．为什么积分控制规律一般不单独使用？答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规律。

10．比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控制质量的影响。

答：①比例——比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。

比例度越大，表示比例控制作用越弱。

减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

②积分控制——积分时间T I 表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制作用越强。

积分时间T I 的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。

③微分控制——微分时间T D 是表示微分控制作用强弱的一个参数。

如微分时间T D 越大，表示微分控制作用越强。

增加微分时间T D ，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

12．比例积分微分调节器有什么特点？答：比例积分微分调节器的特点是：①在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具有良好的调节性能。

②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间T I 和微分时间T D 面改变。

17．什么是串级控制系统？它有什么特点？什么情况下采用串级控制？答：串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。

它是由主、副两个控制器串接工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，
以实现对主变量的定值控制。

它的特点有：①能迅速克服进入副回路的干扰。

②能改善被控对象的特征，提高了系统克服干扰的能力。

③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。

串级控制系统主要就用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质量要求较高的场合。

20．什么是前馈控制系统？应用在什么场合？答：前馈控制又称扰动补偿，它是测量进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。

前馈控制主要用于下列场合：①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；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，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。

21.什么是比值控制系统？它有哪几种类型？答：实现两个或两个以上的参数符号一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统，它主要有定比值控制系统和变比值控制系统。

其中定比值系统有三类：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。

22.选择性控制系统的特点是什么？应用在什么场合？答：选择性控制系统的特点是使用选择器，可以在两个或多个调节器的输出端，或在几个变送器输出端对信号进行选择，以适应不同的工况，主要应用在对不稳定工况的控制，可以保证生产工艺过程的安全操作，尽量减少开，停车中的不稳定工况。

23.均匀控制的目的和特点是什么？答：均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾和协调
操作。

均匀控制系统的特点是其控制结果不像其
他控制系统那样，不是为了使被控变量保持不变可，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。

3.测量仪表的主要性能指标有哪些？传感器的主要特性有哪些？
答：测量仪表的主要性能指标有技术，经济及使
用三方面的指标，其中技术方面的有：误差，精度等级，灵敏度，变差，量程，响应时间，漂移等；经济方面的有：使用寿命，功耗，价格等；使用方面的有：操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以
及抗干扰与防护能的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。

传感器的主要特性有：准确性，稳定性，灵敏性。

12热电偶有那些特点？
答：热电偶的特点有：测量精度教高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换成电信号，便于信号远传和象现多点切
换测；测量范围广，可达－200～2000℃，形式多样，适用于各种测量条件。

8．本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？需要采取哪些措施才能保证整个系统达到防爆要求？
答：本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的非本质安全电路和防爆安全栅组成。

采取措施以达到防爆要求的方法有：
① 本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。

② 用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的
电路隔开。

③ 在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。

11．PID 调节器是由哪些基本部分组成的？试分析各部分所完成的功能。

答：PID 调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。

输入电路是检测偏差信号，信号经滤波电路后输出导PID 运算电路。

（输入电路包括偏差检测电路，内给定稳压电源电路，内外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等）。

PID 运算电路：根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调节器实现PID 控制规律的关键环节。

输出电路：将运算电路的输出信号做最后一次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的组后一级，提供调节器的输出信号。

19.气动执行器主要由哪些部分组成的？各部分
的作用是什么？
答：气动执行器由气动执行机构和调节机构两部分组成。

执行机构是执行器的推动装置，它按调节器输出气压信号（20～100KPa ）的大小产生相应的推力，使执行机构推杆产生位移，推动调节机构动作。

调节机构是执行器的调节部分，其内腔直接与被调介质接触，调节流体的流量。

2.计算机控制系统与常规的模拟控制系统相比，有哪些相同与不同点？
答：相同点：控制系统的基本结构相同，有关调节原理和调节过程相同，即都是基于“检测偏差，纠正偏差”的控制原理。

在系统的对象，执行元件，检测元件等环节内部的运动规律与模拟控制系统是相同的。

不同之处：在计算机控制系统中，控制里对控制对象的参数，状态信息的检测和控制结果的输出在时间上是断续的，对检测信号的分析计算是数字化的，而在模拟控制系统中则是连续的，并使用数字控制控制里代替了模拟控制里，并增加了模数转换元件和数模转换元件，给定值也从数字量形式输入计算机。

13．如何提高计算机控制系统的可靠性？
答：为了提高计算机控制系统的可靠性和可维护性，常采用提高元器件的可靠性，设计系统的冗条技术，采取抗干扰措施，采用故障诊断和系统恢复技术以及软件可靠性技术等。