过程控制书习题答案
过程控制课后习题答案
. . . . .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。
~~~~~ 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。
~~~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。
~~~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。
过程控制课后题答案讲解
1.4 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。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？反应器温度控制系统（1）该温度控制系统的方块图反应器温度控制系统方块图（2）被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；控制变量：冷却水流量。
可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。
1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液。
降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。
而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格的控制。
图1-16是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：(1)画出该控制系统方块图；(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?(3)当蒸汽负荷忽然增加，该系统如何实现自动控制？(1)(2)被控对象：锅炉汽包。
被控变量：锅炉汽包水位。
操纵变量：锅炉给水量。
扰动量：冷水温度、压力、蒸汽压力、流量，燃烧状况等。
(3)当蒸汽负荷突然增加，会导致汽包水位下降，液位变送器检测到液位h下降信号并与设定水位h0进行比较，将偏差信号传给控制器，控制器使执行器动作，增大阀门开度，使冷却水流量增加，从而降低加热室燃烧程度，进一步使得汽包液位升高。
2.4 P17-P18，精度等级为0.22.11 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿?其冷端温度补偿的方法有哪几种? 解：（1）热电偶的热电势只有当T0（或t0）恒定是才是被测温度T （或t ）的单值函数。
热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接应用分度表或分度曲线。
若T0≠0℃，则应进行冷端补偿和处理。
（2）冷端温度补偿的方法有：延长导线法，0℃恒温法，冷端温度修正法，冷端温度自动补偿法等。
（完整版）过程控制习题与答案
（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。
过程控制课后习题答案及解析
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。
过程控制部分课后题答案
1100%()y y （2）什么是过程控制系统？试用方框图表示其一般组成。
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。
过程控制系统的一般性框图如图1-1所示：图1-1 过程控制系统的一般性框图（3）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？答：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0.02 ~0.1MPa ；电动Ⅲ型：4~20mADC 或1~5V DC 。
2）数字式仪表的信号：无统一标准。
（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用方框图表示。
答：加热炉控制系统流程图的方框图如图1-3所示：图1-2 加热炉过程控制系统流程（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？答：1）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。
2）各自定义为：衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ；超调量σ：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （）之比的百分数：最大动态偏差A ：在设定值阶跃响应中，系统过渡过程的第一个峰值超出稳态值的幅度；静差，也称残余偏差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s t ：系统从受干扰开始到被控量进入新的稳态值的5%（2%）范围内所需要的时间；振荡频率n：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；上升时间pt ：系统从干扰开始到被控量达到最大值时所需时间；峰值时间p t ：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。
（9）两个流量控制系统如图1-4所示。
试分别说明它们是属于什么系统？并画出各自的系统框图。
图1-4两个流量控制回路示意图答：系统1是前馈控制系统，系统2是反馈控制系统。
系统框图如图1-5如下：控制器r(t)执行器被控过程检测变送装置y(t)_f(t)e(t)u(t)q(t)z(t)TCPC给定值阀管道加热炉热油出口温度PT燃油压力_TT_干扰2干扰1ACAT燃油PTPCTCTT引风机烟气冷油入口热油出口火嘴送风机空气系统1系统2图1-5两个流量控制回路方框图（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？答：1）不是这样。
过程控制习题答案(孙洪成、李大字)
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？为什么？如果物 料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用？ 答：影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。
过程控制部分习题答案-完整版
第一章思考题与习题1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
5．过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％（根据系统要求）范围内所需要的时间。
它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s 越小，过渡过程进行得越快。
6．峰值时间tp: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。
称为峰值时间tp 。
过程控制主要习题参考答案
第一章思考题与习题1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。
解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。
当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
《过程控制》课后习题答案
第一章思考题与习题1.1 下列系统中哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？①家用电冰箱②家用空调器③家用洗衣机④抽水马桶⑤普通车床⑥电饭煲⑦多速电风扇⑧高楼水箱⑨调光台灯开环控制：③家用洗衣机⑤普通车床⑦多速电风扇⑨调光台灯闭环控制：①家用电冰箱②家用空调器④抽水马桶⑥电饭煲⑧高楼水箱1.2 图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
图1-14 压力自动控制系统图1-15 加热炉温度自动控制系统被控对象：容器P被控变量：罐内压力操纵变量：物料输入流量扰动变量：出口流量系统框图如下：1.3 图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
被控对象：加热炉被控变量：炉内温度操纵变量：燃料流量扰动变量：进料量系统框图如下：1.4 按设定值的不同情况，过程控制系统分为哪几类？过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
1.5 什么是过程控制系统的过渡过程？有哪几种基本形式？过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。
控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单调衰减。
1.6 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。
试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间（设定值为200℃）。
图1-16 题1.6图最大偏差：30℃余差：5℃衰减比：5：1振荡周期：15min调整时间：22min第二章思考题与习题2.1 求取图2-55所示电路的传递函数，图中物理量角标i代表输入，o代表输出。
a）b）图2-55 习题2.1图a）（由分压公式求取）上式中，，。
b）上式中，，2.2 惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？又在什么条件下可近似为积分环节？惯性环节在T很小的时候可近似为比例环节；T很大的时候条可近似为积分环节。
过程控制部分习题答案
第一章 思考题与习题1－3 常用过程控制系统可分为哪几类? 答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
5． 过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％ （根据系统要求）范围内所需要的时间。
它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s 越小，过渡过程进行得越快。
6．峰值时间tp : 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。
过程控制主要习题参考答案
第一章思考题与习题1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。
解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。
当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
过程控制主要习题参考答案
第一章思考题与习题1－2 图为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。
解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。
当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1.反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2 ．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1.余差(静态偏差)e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y( g)与给定值c之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： Bn —Bn v 1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n> 1, 系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率© B BB4 .最大偏差A:对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差, 它衡量被控参数偏离给定值的程度。
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第一章思考题与习题1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
5．过程过渡时间ts ：过渡过程时间定义为从扰动开始到被控参数进入新的稳态值的±5%或±3％（根据系统要求）范围内所需要的时间。
它是反映系统过渡过程快慢的质量指标，t s 越小，过渡过程进行得越快。
6．峰值时间tp: 从扰动开始到过渡过程曲线到达第一个峰值所需要的时间，（根据系统要求）范围内所需要的时间。
称为峰值时间tp 。
过控答案部分课后答案
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？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？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?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。
1-8 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：第一个波峰值与最终稳1y 态值y （∞）之比的百分数σ；1100%()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。
过程控制课后作业答案
由待定系数法可得： A MK
B MK
2 1
1 2
MK
2 2
C
1 2
最后由拉斯反变换可得：
y ( t ) MK (1
方法二：
y ( t ) MK [1 e
1 1 2
t
t
e
1
2 1 2
1
2
t
e
2
)
(cosh
Gc
1 2
2 K p
(1
1 ( 1 2 ) s
1 2
( 1 2 )
s)
K c (1
Is
D s)
所以，这是一个PID控制器，
8. 利用例5.7A得出的参数，仿真例5.7C的时间响应 Matlab程序： alfa=0.1; kc=4.9; taui=2.0; taud=0.31; Gc=tf(kc*[taui*taud,(taui+taud),1],[alfa*taui*taud,taui,0]); td=0.725; Gm=tf([-td/2 1],[td/2,1]); Km=2.6; Gp=tf(0.8,[4 1]); Ga=tf(0.6,[0.2 1]); Gc1=feedback(Km*Gc*Ga*Gp,Gm); step(Gc1); 分别代入下列每组参数： Cohen-Coon Ziegler-Nichols ITAE (Set point) Ciancone-Marlin (Set point)
第三章作业
1.求 y ( t ) / M k p 1 e t / 在 t
p
/
p
过程控制课后题答案讲解
1.4 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;试画出该温度控制系统的方块图,并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么反应器温度控制系统1该温度控制系统的方块图反应器温度控制系统方块图2被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；控制变量：冷却水流量;可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量,冷却水的压力、温度,环境温度的高低等;1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备;汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数;水位过高,会使蒸汽带液;降低了蒸汽的质量和产量,甚至会损坏后续设备;而水位过低,轻则影响汽液平衡,重则烧干锅炉甚至引起爆炸;因此,必须对汽包水位进行严格的控制;图1-16是一类简单锅炉汽包水位控制示意图,要求：1画出该控制系统方块图；2指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么3当蒸汽负荷忽然增加,该系统如何实现自动控制12被控对象：锅炉汽包;被控变量：锅炉汽包水位;操纵变量：锅炉给水量;扰动量：冷水温度、压力、蒸汽压力、流量,燃烧状况等;3当蒸汽负荷突然增加,会导致汽包水位下降,液位变送器检测到液位h下降信号并与设定水位h0进行比较,将偏差信号传给控制器,控制器使执行器动作,增大阀门开度,使冷却水流量增加,从而降低加热室燃烧程度,进一步使得汽包液位升高;2.4 P17-P18,精度等级为0.22.11 用热电偶测温时,为什么要进行冷端温度补偿其冷端温度补偿的方法有哪几种解：1热电偶的热电势只有当T0或t0恒定是才是被测温度T或t的单值函数;热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的,只有保持T0＝0℃,才能直接应用分度表或分度曲线;若T0≠0℃,则应进行冷端补偿和处理;2冷端温度补偿的方法有：延长导线法,0℃恒温法,冷端温度修正法,冷端温度自动补偿法等; 2.17 AD590是一个电流型集成式温度测量元件,能够从端口输出与绝对温度成比例的电流,然后利用利用10K 电阻将电流信号转换为相应的电压变化值,由变送器送给单片机进行A/D 采样,最后由单片机显示输出,得到测量的温度;2.21 压力表的误差=量程精度可知量程规格为0~1.6、0~2.5、0~4.0MPa,精度等级为1.0时的误差分别为：1.61%=0.016Mpa2.51%=0.025Mpa4.01%=0.04Mpa 精度等级为1.5时误差分别为：1.61.5%=0.024Mpa2.51.5%=0.0375Mpa41.5%=0.06Mpa 精度等级为2.5时误差分别为：1.62.5%=0.04Mpa2.52.5%=0.0625Mpa42.5%=0.1Mpa 由于要求测量误差不大于压力示值的±5%,被测压力变化范围为0.5~1.4MPa,所以最小误差为0.55%=0.025Mpa,以上满足此条件的只有精度等级为1.0量程为0-1.6Mpa 和0-2.5Mpa 的压力表,以及精度等级为 1.5量程为0-1.6Mpa 的压力表,鉴于0.5-1.4Mpa 的测量范围在0-1.6Mpa 的表盘上更容易读数,所以同等条件下选择0-1.6Mpa 的压力表,同样量程的压力表精度为1.0的比精度1.5的贵,所以从成本考虑选择精度为1.5的压力表,所以 选择量程为0-1.6Mpa 精度为1.5的压力表;2.25 因为差压变送器的输出电流信号与输入差压值成正比,故有：6.13p16104∆=可得：Δp=88.4Pa此为对应13.6mA 电流时的差压值; 因为流量与差压平方根成正比,故可得到：320q1044.88= 可得q=297.6m3/h此为对应13.6mA 电流时的被测流量;4.8 如图所示液位过程的输入量为Q1,流出量为Q2,Q3,液位h 为被控参数,C 为容量系数,并设R1、R2、R3均为线性液阻,要求： 1列出过程的微分方程组； 2画出过程的方框图；3求过程的传递函数W0S ＝HS/Q1S ；解：1根据动态物料平衡关系,流入量＝流出量：过程的微分方程的增量形式：中间变量：消除中间变量：同除 R2+R3 得到：令：上式可写为：2Laplace 变换得到：传递函数:dtdh )Q Q (Q 321=+-dth d C)Q Q (Q 321∆∆∆∆=+-22R hQ ∆∆=33R hQ ∆∆=h )R R (dthd R CR Q R R 2332132∆∆∆++=hdthd R R R CR Q R R R R 323213232∆∆∆++=+3232R R R R R +=h dthd CRQ R 1∆∆∆+=)S (H )S (CRSH )S (RQ 1+=1RCS R)s (Q )s (H )s (W 10+==3 过程的方框图：4.11 该对象具有純滞后的一阶对象,放大系数K 805.2-3120-160k ==由一阶对象的而输出响应⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆∆T A t -e 1k θ带入数据可得T=2/ln2已知純滞后时间为2,则可列出微分方程以及传递函数的表达式; 4.12解：方法一：图解法由图可以看出：过程应该用一阶加延时系统;20120)0()(00==-∞=x y y K从图中得到：τ＝40s, T ＝260－40＝220sS S e S e TS K s W 40001220201)(--+=+=τ 方法二：计算法在图中取yt 1＝0.33 y ∞ yt 2＝0.39y ∞ yt 3＝0.632 y ∞ yt 4＝0.7 y ∞ 得t 1＝125s t 2 ＝140s t 3 ＝ 225s t 4 ＝260ss 150)t t (2T 231=-≈ s 55t t 2321=-≈τs 1688.0t t T 142=-≈s 572tt 3412=-≈τ 可见数据很接近,于是：s 1592T T T 210=+=s 562210=+=τττ 过程数学模型：S S e S e TS K s W 56001159201)(--+=+=τ 7.8 选择第二个,因为F2干扰不进入主控回路对系统有较大影响,串级特性是在副回路中消除干扰;。
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第一章思考题与习题1.1 下列系统中哪些属于开环控制，哪些属于闭环控制？①家用电冰箱②家用空调器③家用洗衣机④抽水马桶⑤普通车床⑥电饭煲⑦多速电风扇⑧高楼水箱⑨调光台灯开环控制：③家用洗衣机⑤普通车床⑦多速电风扇⑨调光台灯闭环控制：①家用电冰箱②家用空调器④抽水马桶⑥电饭煲⑧高楼水箱1.2 图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
图1-14 压力自动控制系统图1-15 加热炉温度自动控制系统被控对象：容器P被控变量：罐内压力操纵变量：物料输入流量扰动变量：出口流量系统框图如下：1.3 图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。
被控对象：加热炉被控变量：炉内温度操纵变量：燃料流量扰动变量：进料量系统框图如下：1.4 按设定值的不同情况，过程控制系统分为哪几类？过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
1.5 什么是过程控制系统的过渡过程？有哪几种基本形式？过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡过程。
控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单调衰减。
1.6 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。
试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间（设定值为200℃）。
图1-16 题1.6图最大偏差：30℃余差：5℃衰减比：5：1振荡周期：15min调整时间：22min第二章思考题与习题2.1 求取图2-55所示电路的传递函数，图中物理量角标i代表输入，o代表输出。
a）b）图2-55 习题2.1图a）（由分压公式求取）上式中，，。
b）上式中，，2.2 惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？又在什么条件下可近似为积分环节？惯性环节在T很小的时候可近似为比例环节；T很大的时候条可近似为积分环节。
2.3 一个比例积分环节和一个比例微分环节相连接能否简化为一个比例环节？一个比例积分环节和一个比例微分环节相连接不能简化为一个比例环节。
2.4 化简图2-56a、b、c所示系统的框图，并求取系统的闭环传递函数。
习题2.4图a）a）习题2.4图b ）b ）)(1s G )(2s G )(3s G )(1s H )(2s H )(s C )(s R --++++习题2.4图c ）c ）2.5 已知系统的零极点形式的传递函数如下，试将其输入到MATLAB 的工作空间中，并转换成有理函数形式。
)4)(3)(2()1(10)(++++=s s s s s s G有理函数式：ss s s s s G 242691010)(234++++=2.6 求下列两个传递函数在串联、并联和负反馈连接时的等效传递函数。
321)(21+++=s s s s G11)(2+=s s G （1）串联时的等效传递函数）（321)(2++=s s s G（2）并联时的等效传递函数()353442232+++++=s s s s s s G（3）负反馈连接时的等效传递函数421)(2+++=s s s s G 或()()14232)(22+++++=s s s s s s G2.7已知系统的开环传递函数如下所示，判别各闭环系统的稳定性。
①)11.0(40)(+=s s s G闭环传递函数：401.040)(2++=Φs s s 特征方程：4010)(2++=s s s N特征根：j j s 4.19515552,1±-=-±-= 根的实部为负，系统稳定。
②2100)(ss G =闭环传递函数：100100)(2+=Φs s 特征方程：100)(2+=s s N 特征根：j s 102,1±= 根的实部为0，系统不稳定。
③)11.0()101.0(10)(2++=s s s s G 闭环传递函数：101.01.0101.0)(23++++=Φs s s s s 特征方程：10010)(23+++=s s s s N 特征根：j s 338.02,1±=，s 3=-10.8实根为负，但两个虚根的实部为正，系统不稳定。
④)11.0()14.0(10)(2++=s s s s G 闭环传递函数：1041.0104)(23++++=Φs s s s s 特征方程：1004010)(23+++=s s s s N 特征根：j s 5.39.12,1±-=，s 3=-6.1实根为负，两个虚根的实部为负，系统稳定。
⑤)16.0)(15.0)(14.0()145.0(10)(++++=s s s s s G闭环传递函数：67.9150167.633.835.37)(23++++=Φs s s s s特征方程：67.9150167.6)(23+++=s s s s N 特征根：j s 1.697.12,1±-=，s 3=-2.2 实根为负，两个虚根的实部为负，系统稳定。
2.8 试绘制下列系统的对数频率特性曲线。
①125)(+=s s G 由一个比例环节和一个惯性环节组成。
（1）对数幅频特性的绘制低频段：K=5，()dB K L 14lg 201===ωω，斜率为0dB/dec 。
中高频段：T=2s ，则交接频率ω=0.5rad/s 。
在低频段为0dB/dec 的直线，经ω=0.5rad/s 处，遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-20dB/dec 的斜线。
（2）对数相频特性的绘制交接频率ω=0.5rad/s 处绘制惯性环节的-45位置。
②)5)(2.0(10)(++=s s s G将传递函数整理为)12.0)(15(10)(++=s s s G由一个比例环节和两个惯性环节组成。
（1）对数幅频特性的绘制低频段：K=10，()dB K L 20lg 201===ωω，斜率为0dB/dec 。
中高频段：T 1=5s ，则交接频率ω1=0.2rad/s ；T 2=0.2s ，则交接频率ω2=5rad/s 。
在低频段为0dB/dec 的直线，经ω1=0.2rad/s 处，遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-20dB/dec 的斜线。
再经ω2=5rad/s 处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-40dB/dec 的斜线。
（2）对数相频特性的绘制交接频率ω1=0.2rad/s 处绘制第一个惯性环节的-45位置。
交接频率ω2=5rad/s 处绘制第二个惯性环节的-135位置。
③)10()2.0(25)(2++=s s s s G 将传递函数整理为)11.0()15(5.0)(2++=s s s s G由一个比例环节、一个比例微分环节、一个惯性环节和两个积分环节组成。
（1）对数幅频特性的绘制低频段：K=0.5，()dB K L 6lg 201-===ωω，斜率为-40dB/dec 。
中高频段：T 1=5s ，则交接频率ω1=0.2rad/s ；T 2=0.1s ，则交接频率ω2=10rad/s 。
在低频段为-40dB/dec 的斜线，经ω1=0.2rad/s 处，遇一比例微分环节，增加20dB/dec ，成为-20dB/dec 的斜线。
再经ω2=10rad/s 处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-40dB/dec 的斜线。
（2）对数相频特性的绘制 有两个积分环节，相位从-180开始绘制，在交接频率ω1=0.2rad/s 处绘制比例微分环节的-135位置。
交接频率ω2=5rad/s 处绘制第二个惯性环节的-135位置。
2.9 已知某调节器的对数幅频特性如图2-57所示，试写出该调节器的传递函数。
图2-57 习题2.9图此环节有4个交接频率，分别是：ω1=0.8rad/s （T 1=1.25s ），ω2=4rad/s （T 2=0.25s ），ω3=8rad/s （T 3=0.125s ），ω4=100rad/s （T 4=0.01s ）。
此环节低频渐近线为0dB/dec 水平线，所以不含积分环节。
另由水平线高度为20dB ，则()dB K L 20lg 201===ωω可得K=10。
因此，由图可得出其传递函数为)101.0)(125.1()1125.0)(125.0(10)1)(1()1)(1()(4132++++=++++=s s s s s T s T s T s T K s G2.10 已知某系统的开环传递函数为())05.01)(125.01)(101()1001(001.022s s s s s s G k ++++=试绘出系统的开环对数幅频特性。
该传递函数由一个比例环节、两个积分环节、两个比例微分环节及三个惯性环节组成。
低频段：K=0.001，()dB K L 60lg 201-===ωω，斜率为-40dB/dec 。
中高频段：T 1，2=100s ，则交接频率ω1，2=0.01rad/s ；T 3=10s ，则交接频率ω3=0.1rad/s ；T 4=0.125s ，则交接频率ω4=8rad/s ；T 5=0.05s ，则交接频率ω5=20rad/s 。
在低频段为-40dB/dec 的斜线，经ω1，2=0.01rad/s 处，遇两个比例微分环节，增加40dB/dec ，成为0dB/dec 的直线。
再经ω3=0.1rad/s 处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-20dB/dec 的斜线。
再经ω4=8rad/s 处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-40dB/dec 的斜线。
再经ω5=20rad/s 处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec ，成为-60dB/dec 的斜线。
2.11 已知系统框图如图2-58所示，试用开环对数频率特性曲线判断闭环系统的稳定性。
10)4(42++s s s )(s R )(s C -图2-58 习题2.11图)15.025.025.0(10)125.025.0(10)4(40)(222+⨯⨯+=++=++=s s s s s s s s s s GK=10，()dB K L 20lg 201===ωω，有一个积分环节，斜率为-20dB/dec 。
T=0.5s ，交接频率ω=2rad/s，ξ=0.25。
由开环对数频率特性曲线可知，当L(ω)过0dB 线时，φ(ω)在-180线的下方，即γ<0，系统不稳定。
2.12 已知单位负反馈系统的开环传递函数为)15.0)(11.0(10)(++=s s s s G试绘制系统的对数频率特性曲线，并求出幅值穿越频率c ω和相位裕量γ。