热工过程自动调节习题集超全的

第一章答案1-1 试列举生产过程或生活中自动调节的例子,并分别说出它们各自的被调量,调节作用量以及可能受到的各种扰动.。

答：汽包锅炉给水自动调节系统被调量汽包水位H 调节量W 扰动蒸汽量D 锅炉燃烧率过热蒸汽温度自动控制系统过热蒸汽温度减温水流量变化扰动：蒸汽流量变化烟气量变化再热蒸汽温度自动控制系统再热蒸汽出口温度烟气量扰动：受热面机会给水温度的变化燃料改变过量空气系数的变化燃烧过程自动控制气压Pt 过剩空气系数a 炉膛负压S1 调节量：燃烧量B 送风量V 引风量G 扰动：燃烧率负荷（汽轮机调节门开度汽轮机进气流量）以电厂锅炉运行中炉膛压力的人工控制为例，被调量是炉膛压力，调节量是引风量，各种扰动包括内扰和扰，如炉膛负荷送风量等。

在锅炉过热蒸汽温度控制系统中，被调量是过热器出口过热蒸汽温度。

在锅炉负荷控制系统中，被调量是主蒸汽压力，调节粮食锅炉燃料量，扰动是汽机进汽量。

1-2 实际生产过程中常采用哪几种类型的自动调节系统答:按给定值信号的特点分类,有:恒值调节系统,程序调节系统和随机调节系统.按调节系统的结构分类,有:反馈调节系统,前馈调节系统和前馈-反馈的复合调节系统.按调节系统闭环回路的树木分类：单回路调节系统多回路调节系统按调节作用的形式分类：连续调节系统离散调节系统按系统特性分类：线性调节系统非线性调节系统1-3 为什么在自动调节系统中经常采用负反馈的形式答:自动调节系统采用反馈控制的目的是消除被凋量与绐定值的偏差.所以控制作用的正确方向应该是:被调量高于绐定值时也就是偏差为负时控制作用应向减小方向,当被调量低于给定值时也就是偏差为正时控制作用应向加大方向,因此:控制作用的方向与被调量的变化相反,也就是反馈作用的方向应该是负反馈.负反馈是反馈控制系统能够完成控制任务的必要条件.1-4 前馈调节系统和反馈调节系统有哪些本质上的区别答:反馈调节系统是依据于偏差进行调节的,由于反馈回路的存在,形成一个闭合的环路,所以也称为闭环调节系统.其特点是:(1)在调节结束时,可以使被调量等于或接近于给定值;(2)当调节系统受到扰动作用时,必须等到被调量出现偏差后才开始调节,所以调节的速度相对比较缓慢.而前馈调节系统是依据于扰动进行调节的,前馈调节系统由于无闭合环路存在,亦称为开环调节系统.其特点是:(1)由于扰动影响被调量的同时,调节器的调节作用已产生,所以调节速度相对比较快;(2)由于没有被调量的反馈,所以调节结束时不能保证被调量等于给定值.1-5 如何用衰减率来判断调节过程的稳态性能答:衰减率ψ作为稳定性指标比较直观形象,在系统的调节过程曲线上能够很方便地得到它的数值.ψ=1是非周期的调节过程,ψ=0是等幅振荡的调节过程,0<ψ<1是衰减振荡的调节过程, ψ<0是渐扩振荡的调节过程.1-6 从系统方框图上看,调节系统的调节过程形态取决于什么答:取决于被调对象和调节器的特性.1-7 基本的自动调节系统除被调对象外还有哪几个主要部件它们各自的职能是什么答:组成自动调节系统所需的设备主要包括:(1)测量单元:用来测量被调量,并把被调量转换为与之成比例(或其他固定函数关系)的某种便于传输和综合的信号.(2)给定单元:用来设定被调量的给定值,发出与测量信号同一类型的给定值信号.(3)调节单元:接受被调量信号和给定值信号比较后的偏差信号,发出一定规律的调节指令给执行器. (4)执行器:根据调节单元送来的调节指令去推动调节机构,改变调节量.第二章习题2-1 求下列函数的拉普拉斯反变换(1)4)2)((3)1)(()(++++=S S S S S s F (2) )1(1)(2+=S S s F(3)23)(23++=S S S s F (4)1)(2)(3)(4)(2+++=S S S s F解: (1)3/81/43/8(s)24F S S S =++++∴24313()848t tf t e e --=++ (2)21(s)1SF S S =-+∴()1cos f t t =-(3)81(s)321F S S S -=-++++∴'2()()3()8t tf t t t e e δδ--=-+- (4)2122(s)4(2)2(1)F S S S ⎡⎤--=++⎢⎥+++⎣⎦∴22()488t t tf t te e e ---=--+ 2-2 试求下图所示环节的动态方程、静态方程和传递函数。

（a ）水箱：输入量为q 1，输出量为h ，水箱截面积为F 。

(b)阻容电路：输入量为u 1，输出量为u 2，已知电阻R 和电容C 1、C 2。

(c)阻容电路：输入量为u 1，输出量为u 2，已知电阻R 1、R 2和电容C 。

(a)C（b)(c)题2-2图解: (a)动态方程:121h(q q )dt F =-⎰ 或 12dh F q q dt=- 12()()()FsH s Q s Q s =-,设初始值10200q q ==,则传递函数：1()1()H s Q s Fs=(b)写出基本方程式：12R u u i R-= 1121()C d u u C i dt-=1R C i i i =+22du C i dt=消去中间变量，整理得动态方程：2112211()du duRC RC u RC u dt dt++=+ 传递函数：21112()1()1U s RC s U s RC s RC s +=++ 静态方程：21u u = (c) 写出基本方程式：22u i R =11R u iR =Cdu C i dt= 112C R u u u u =++消去中间变量，整理得动态方程：211222()du duR C R C u R C dt dt++= 传递函数：22112()()1U s R CsU s R Cs R Cs =++ 2-3 试分别根据比例环节、积分环节、惯性环节、微分环节、纯迟延环节的动态方程式，推导出其相应的传递函数及阶跃响应式，并画出相应的阶跃响应曲线及静态特性曲线。

2-4 试求下图 所示各环节对输入作用的响应，画出响应曲线。

(a)(b)(c)r(t)=0.5*1(t)r(t)=1(t)r(t)=0.5t题2-4图解: (a)()0.5*1()()0.5/r t t R s s =⇒=2122()()0.5(0.5)0.5C s R s s s s s s===-+++0.5()2(1)t c t e -=-(b)()1()()1/r t t R s s =⇒=22121()()(2)(1)(2)(1)12C s R s s s s s s s s s===-+++++++2()12t t c t e e --=-+(c)2()0.5()0.5/r t t R s s =⇒=2251 2.5 6.25 6.25()()1 2.5(0.4)1 2.5C s R s s s s s s s===-++++ 0.4() 2.5 6.25 6.25t c t t e -=-+2-5 试简化下图所示方框图，并求传递函数)()(s R s C 。

(a)(b)习题2-5图解:（a ）()(1()3())2()()12()1()2()2()1()C s G s G s G s R s G s H s G s H s G s +=++ (b)()1()(11())2()()11()1()1()C s G s H s G s R s H s G s H s +=++2-6 试简化下图所示方框图，并分别求出传递函数(a))()(11s R s C 、(b))()(21s R s C 、(c))()(12s R s C 、(d))()(22s R s C 。

题2-6图解: 令2()=0Rs ，则方框图简化为(a)1111234()()()1()()()()C s G s R s G s G s G s G s =+(c)123211234()()()()()1()()()()G s G s G s C s R s G s G s G s G s =+ 令1()=0R s ，则方框图简化为(b)341121234()()()()()1()()()()G s G s G s C s R s G s G s G s G s -=+ (d) 3221234()()()1()()()()G s C s R s G s G s G s G s =+2-7 试简化下图所示方框图，并求传递函数)()(s R s C 及)()(s N s C 。

题2-7图答案: 令()=0N s ，则方框图简化为()1()2()()11()2()1()2()4()C s G s G s R s G s G s G s G s G s =++ 令()=0R s ，则方框图简化为()12()3()1()2()4()()11()2()1()2()4()C s G s G s G s G s G s N s G s G s G s G s G s ++=++ 2-8 双容水箱如下图所示，试确定输入量q 1和输出量h 2之间的传递函数,画出系统方框图，并求当输入量q 1作单位阶跃扰动时,输出量h 2(t)的响应函数。

答案:11121112()()()dh A q q A sH s Q s Q s dt=-⇒=- 21211111()()q h Q s H s R R =⇒= 22232223()()()dh A q q A sH s Q s Q s dt =-⇒=- 32322211()()q h Q s H s R R =⇒= 消去中间变量，整理得2211122()()(1)(1)H s R Q s R A s R A s =++ 当1111()()q t Q s s=⇒=， 2221212211221122211221122()11(1)(1)R A R R A R R R A R A R A R A H s R A s R A s s s s s R A R A ---==++++++ 11222121222211221122()t t R A R A R R A R A h t R eeR A R A R A R A --=-+--第四章习题4-1 调节系统如图4-13所示，试分别求当K =10和K =20时，系统的阻尼比 ζ、无阻尼自然振荡频率ωn 、单位阶跃响应的超调量M p 、峰值时间t p 、衰减率ψ、调节时间t s 和稳态误差e (∞)，并讨论K 的大小对过渡过程性能指标的影响。

解:系统的闭环传递函数为2()10()()1010C s KG s R s S S K==++ 二阶系统传递函数的通用形式为'222()2nn nK G s S S ωζωω=++ 二式比较，可得, K ’=1n ω=ζ=K =10时，10n ω=0.5ζ==由此可以求得：阻尼振荡频率8.66(/)d rad s ωω====峰值时间 0.363()8.66p d t s ππω=== 超调量0.57716.3%p M e e πζπ--===衰减率2 1.1541197.3%e e πζπψ--=-=-=调节时间 采用2%的误差带：440.8()5s nt s ζω≈== 采用5%的误差带：330.6()5s nt s ζω=== 稳态误差0'2220()1()1()lim 11[()]lim 1lim 21'0S S nS n n e c SC s S G s S K S S K ωζωω→→→∞=-∞=-=-⋅=-++=-=K =20时，n ω=ζ==阻尼振荡频率13.23(/)d rad s ωω===峰值时间 0.237()13.23p d t s ππω===超调量0.25839.3%p M e e πζπ--===衰减率20.5161180.4%e e πζπψ--=-=-=调节时间 采用2%的误差带：440.8()5s nt s ζω≈== 采用5%的误差带：330.6()5s nt s ζω=== 稳态误差 ()1'0e K ∞=-=4-2 调节系统如图4-14所示，试分别求出当系统的瞬态响应为ψ=0.75和ψ=0.9时的δ值。