过程控制系统课后习题

第二章

1什么是对象特性？为什么要研究对象特性？

答：研究对象特性是设计控制系统的基础；为了能使控制系统能安全投运并进行必要的调试；优化操作。

2什么是对象的数学模型？静态数学模型与动态数学模型有什么区别？

答：对对象特性的数学描述就叫数学模型。

静态：在输入变量和输出变量达到平稳状态下的情况。

动态：输出变量和状态变量在输入变量影响下的变化情况。

3建立对象的数学模型有什么意义？

答：1,控制系统的方案设计；

2控制系统的调试和调节器参数的确定；

3制定工业过程操作优化方案；

4新型控制方案及控制策略的确定；

5计算机仿真与过程培训系统；

6设计工业过程的故障检测与诊断系统。

4建立对象的数学模型有哪两种方法？

答：机理建模和实验建模。

机理建模：由一般到特殊的推理演绎方法，对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，根据对象或生产过程的内部机理，经过合理的分析简化而建立起描述系统各物理量动静态性能的数学模型。

实验建模步骤：1确定输入变量与输出变量信号；2测试；3对数据进行回归分析。

5反应对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？他们对自动控制系统有什么影响？

答：K—放大系数。对象从新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。

T—时间参数。时间参数表示对象受到输入作用后，被控变量的变化快慢。

桃—停滞时间。输入发生变化到输出发生变化之间的时间间隔。

6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？

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y与最终稳态值y之比的百分数；

残余偏差C：过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态Y与设定值之间的偏差。

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。

第三章

12选择调节器控制规律的依据是什么？若已知过程的数学模型，怎样来选择pid控制规律？

1根据桃0/T0比值来选择。若比值小于，选PI，若在与之间，选用PI或者PID，若大于，就需要用到串级控制。

2根据过程特性来选择控制器的控制规律。 P：过渡时间短，克服干扰能力大。常用于负荷变化小，自平衡能力强，对象控制通道中的滞后时间与时间常数之比小，允许余差存在，控制质量要求不高的场合。

PI：适合用于调节通道滞后小，负荷变化小，不允许有余差的场合。

PD：积分消除余差，微分提高系统稳定性。适合用于调节通道滞后大的场合。

PID：对象控制通道中的滞后时间与时间常数之比大，通道滞后大控制要求较高。

13一个自动控制系统，在比例控制的基础上分别增加：1适当的积分作用；2适当的微分作用。试问：

（1）这两种情况对系统的稳定性，最大动态偏差，余差分别有什么影响？

（2）为了得到相同的系统稳定性，应如何调整系统调节器的比例度，说明理由

(1)P，减小余差，稳定性不变，最大动态偏差不变

D,增强系统稳定性，最大动态偏差减小，余差不变

（2）1将控制器的积分时间放在最大值，微分时间放在最小值，比例度放在最大值后，让系统投入运行。2逐渐减小比例度，且每改变一次，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同事观察系统输出，直到过渡过程出现等幅振荡为止。此时为临界比例度和临界振荡周期。3根据临界比例度和临界周期，根据相应公式求出控制器的个整定参数。4将控制器的比例度换成正定的值，然后依次按积分时间和微分时间设置为整定值，加入干扰后，还可以适当调整。

15

第四章

1．什么叫串级控制系统？绘制其结构方框图。

串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，有一个控制器的给定由外部设定。

2．与单回路控制系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？

多了一个副回路，形成双闭环。特点：主控制器输出改变副控制器的设定值，故副回路构成的是随动系统，设定值是变化的。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

3．为什么说串级控制系统由于存在一个副回路而具有较强的抑制扰动的能力？

①副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了干扰对主变量的影响；

②引入副回路，改善了副对象的特性(减小副对象的相位滞后)，提高了主回路的响应速度，提高了干扰的抑制能力；

③副回路可以按照主回路的要求对副变量进行精确控制；

④串级系统提高了控制系统的鲁棒性。

4．串级控制系统在副参数的选择和副回路的设计中应遵循哪些主要原则？

①将主要干扰包括在副回路；

②副回路尽量包含多的干扰；

③为保证副回路的快速响应，副对象的滞后不能太长；

④为提高系统的鲁棒性，将具有非线性时变部分包含于副对象中；

⑤需要对流量实现精确的跟踪时，将流量选为副对象。

5．串级控制系统通常可用在哪些场合？

* 应用于容量滞后较大的过程

* 应用于纯时延较大的过程

* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程

* 应用于参数互相关联的过程

* 应用于非线性过程

6．前馈控制与反馈控制各有什么特点？绘制前馈控制系统结构方框图。

前馈：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；

动作“及时” ；

只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；

具有指定性补偿的局限性；

控制规律取决于被控对象的特性。

反馈：基于偏差来消除偏差；

“不及时”的控制；

存在稳定性问题；

对各种扰动均有校正作用；

控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。

7．在什么条件下前馈控制效果最好？为什么一般不单独使用前馈控制方案？准确地掌握过程扰动通道的特点wf（s）及控制通道的特性wo（s）

准确求出前馈控制wm（s）；克服可测不可控的扰动

前馈控制室基于扰动的控制，扰动不止一个，难于把握

属于开环控制，易受其他扰动干扰而无法控制

其克服可测不可控的扰动，对于系统中其他扰动无抑制作用

8．试述前馈控制系统的整定方法。

⑴前馈控制器的选择

①用模拟表实施通过特定的前馈控制器，或采用运算单元自行构造；

②用软件实现

⑵参数整定

①单纯的前馈控制，可视工艺要求进行参数整定；先调整，然后调整T1、T2

②前馈—反馈相结合，先整定反馈系统，再重复步骤①。

9．什么是比值控制系统？常用的比值控制方案有哪些？并比较其优缺点，绘制各比值控制方案结构方框图。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统

开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统