过程控制与集散系统课后习题答案

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t

y y )

(∞y t y

图1.3 过程控制系统阶跃响应曲线

1-1过程控制系统中有哪些类型的被控量

温度、压力、流量、液位、物位、物性、成分

1-2过控系统有哪些基本单元构成，与运动控制系统有无区别

被控过程或对象、用于生产过程参数检测的检测仪表和变送仪表、控制器、执行机构、报警保护盒连锁等其他部件

过程控制，是一种大系统控制，控制对象比较多，可以想象为过程控制是对一条生1-4衰减比和衰减率 衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。

衡量振荡过程衰减程度的指标。 衰减率是经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。 衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。 一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相当于衰减率Ψ=0.75到0.9。 若衰减率Ψ =0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。

1-5最大动态偏差和超调量有何异同

最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，

表现在过渡 过程开始的第一个波峰（y1）。 最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。 超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。 余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。 调节时间ts 是从过渡过程开始到结束的时间。 理论上应该为无限长。一般认为当被控量进入其稳态值的5%范围内所需时间 就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。

振荡频率β是振荡周期的倒数。

在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡 频率越高，调节时间越短。振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控 制系统快速性的指标。

过程控制的目标 安全性 稳定性 经济性

过程工业的特点 强调实时性和整体性/全局优化的重要性/安全性要求

过程控制系统的特点 / 被控过程的多样性 / 控制方案的多样性/被控过程属慢过程、多参数控制/定值控制/过程控制多种分类方法 过程控制系统的性能指标/稳定性、准确性/快速性

2-1什么是对象的动态特性，为什么要研究它

研究对象特性通常以某种形式的扰动输入对象，引起对象输出发生相应的变化，这种变化在时域或者频域上用微分方程或者传递函数进行描述，称为对象的动态特性。 动态特性：被控参数随时间变化的特性y(t)

研究被控对象动态特性的目的是据以配合合适的控制系统，以满足生产过程的需求。 2-2描述对象动态特性的方法有哪些

参数描述法 /传递函数描述/差分方程描述/状态空间描述

非参数描述法---响应曲线/阶跃响应/脉冲响应/频率响应/噪声响应:白噪声、M 序列 2-3过控中被控对象动态特性有哪些特点

1)对象的动态特性是不振荡的 2）对象动态特性有延迟

3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的

2-4单容对象放大系数K 和时间常数T 各与哪些因素有关，K 、T 大小对动态特性的 影响

T 反映对象响应速度的快慢

K 是系统的稳态指标/K 大，系统的灵敏度高 2-5对象的纯滞后时间产生的原因是什么

纯延迟现象产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一定距离。 具有自平衡能力的双容对象的传递函数1

)()()()(+++=

∆∆=

s T T s T T K

s U s H s G

有纯延迟时

e s T T s T T K

s U s H s G 01

)()()()(τ+++=∆∆=

具有自平衡能力的多容对象

若还有纯延迟

4 PID 调节原理

4-1，P 、I 、D 控制规律各有何特点，那些是有差、无差调节，为了提高控制系统的稳定性，消除控制系统的误差，应该选择那些调节规律

P 调节中，调节器的输出信号u 与偏差信号e 成比例 u = Kp e P 调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后 有差调节,(放大系数越小，即比例带越大，余差就越大)

比例带δ大,调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长

比例调节的特点：

（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u = K e （2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。 （3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。

若对象较稳定,则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快 积分调节（I 调节)

调节器的输出信号的变化速度du/dt 与偏差信号e 成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，

只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化 积分调节作用能自动消除余差./无差调节 稳定作用比P 调节差

滞后特性使其难以对干扰进行及时控制

增大积分速度，调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低 微分调节（D 调节）

调节器的输出u 与被调量或其偏差e 对于时间的导数成正比

微分调节只与偏差的变化成比例，变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大 微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后 012345678

0.20.40.60.811.2

1.41.61.8Step Response

Time (sec)

A m p l i t u d e

K=0.2K=1K=10K=100

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差

但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

Ti=1Ti=5Ti=10Ti=inf

积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti 大则积分作用弱。

加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。

Td=0.5Td=1Td=10Td=0

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作

%

100)

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⨯∞=y y σ)()(∞-=∞y r e 31y y =η1

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