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。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？并说明该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。
题1-11图反应器温度控制系统
解该温度控制系统的方块图
题解1-11图反应器温度控制系统方块图
其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：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。
若当反应器内的被控温度在干扰作用下升高时，其测量值与给定值比较，获得偏差信号，经温度控制器运算处理后，输出控制信号去驱动控制阀，使其开度增大，冷却水流量增大，这样使反应器内的温度降下来。所以该温度控制系统是一个具有负反馈的闭环控制系统。
1-12 题1-11图所示的温度控制系统中，如果由于进料温度升高使反应器内的温度超过给定值，试说明此时该控制系统的工作情况，此时系统是如何通过控制作用来克服干扰作用对被控变量影响的？
解：当反应器内的温度超过给定值（即升高）时，温度测量元件测出温度值与给定值比较，温度控制器TC将比较的偏差经过控制运算后，输出控制信号使冷却水阀门开度增大，从而增大冷却水流量，使反应器内的温度降下来，这样克服干扰作用对被控变量影响1-13 按给定值形式不同，自动控制系统可分哪几类？
解：按给定值形式不同，自动控制系统可以分为以下三类：
?定值控制系统——给定值恒定的控制系统。
?随动控制系统（自动跟踪系统）——给定值随机变化的系统。
?程序控制系统——给定值按一定时间程序变化的系统。
~~~~~1-19 某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作
用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的±1%（即900?（±1%）=±9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？
题1-19图温度控制系统过渡过程曲线
解最大偏差A=950-900=50（℃）；
超调量B=950-908=42（℃）；
由于B'=918-908=10（℃），所以，衰减比n=B:B'=42:10=4.2；
余差C=908-900=8℃；
振荡周期T=45-9=36(min)；
过渡时间t s=47min。
因为A=50℃<80℃，C=8℃<10
℃，所以，该控制系统能满足题中所给的工艺要求。
~~~~~ 1-20 题l-20(a) 图是蒸汽加热器的温度控制原理图。试画出该系统的方块图，并指出被控对象、被控变量、操纵变量和可能存在的干扰是什么？现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如题1-20(b) 图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、衰减比和余差（提示：该系统为随动控制系统，新的给定值为81℃）。
题1-20图蒸汽加热器温度控制
解蒸汽加热器温度控制系统的方块图如下图所示。
题解1-20图 蒸汽加热器温度控制系统方块图 其中：被控对象是蒸汽加热器；被控变量是出口物料温度；操纵变量是蒸汽流量。 可能存在的干扰主要有：进口物料的流量、温度的变化；加热蒸汽的压力、温度的变化；环境温度的变化等。
该系统的过渡过程品质指标：
最大偏差A =81.5-81=0.5（℃）；
由于B =81.5-80.7=0.8（℃），B '=80.9-80.7=0.2（℃），所以，衰减比n =B :B '=0.8:0.2=4； 余差C =80.7-81= -0.3（℃）。
2-1什么是对象特性？为什么要研究对象特性？
解 对象特性就是的对象的输出-输入关系。
研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系。当采用 自动化装置组成自动控制系统时，首先也必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，设计合理的控制系统，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器。在控制系统投入运行时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数(也称控制器参数的工程整定)，使系统正常地运行。被控对象的特性对自动控制系统的控制质量的影响很大，所以必须对其深入研究。
2-2 何为对象的数学模型？静态数学模型与动态数学模型有什么区别？
解 对象特性的数学描述（方程、曲线、表格等）称为对象的数学模型。
稳态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输入量改变以后输出量的变化情况。稳态与动态是事物特性的两个侧面，可以这样说，动态数学模型是在稳态数学模型基础上的发展，稳态数学模型是对象在达到平衡状态时的动态数学模型的一个特例。
2-8 反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？
解：放大系数K 、时间常数T 和滞后时间τ
放大系数K 在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即
对象的放大系数K 越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K 实质上是对象的灵敏度。
时间常数T 是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳输入量的变化量
输出量的变化量=K
态值的时间。
时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大
对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。滞后现象用滞后时间τ表示。
对象的滞后时间τ，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。
2-11 已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5min，放大系数为10，纯滞后时间为2min，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。
解该对象特性的一阶微分方程为
)(
10
)2
(
)2
(
5t
x
t
y
dt
t
dy
=
+
+
+
2-12 如题2-12图所示的RC电路中，已知R＝5kΩ，C＝2000μF。试画出e i突然由0阶跃变化到5V时的e o变化曲线，并计算出t＝T、t＝2T、t＝3T时的e o值。
题2-12图RC电路
解RC电路的微分方程为
i
o
o e
e
dt
de
T=
+
当e i=5V时，微分方程的解为
e o=5(1-e-t/T) = 5(1-e-t/10) (V)
（该系统的时间常数T=RC=5?103?2000?10-6=10s）
当t=T时，e o=5(1-e-T/T)= 5(1-e-1)=3.16V；
当t=2T时，e o=5(1-e-2T/T)= 5(1-e-2)=4.32V；
当t=3T时，e o=5(1-e-3T/T)= 5(1-e-3)=4.75V。
题解2-12图RC电路的阶跃响应曲线
~~~~2-13 已知一个简单水槽，其截面积为0.5m2，水槽中的液体由正位移泵抽出，即流出流量是恒定的。如果在稳定的情况下，输入流量突然在原来的基础上增加了0.1m3/h，
试画出水槽液位?h 的变化曲线。
解 这是一个积分对象，则 ??====?t t dt A Q dt Q A h 2.05
.01.0111(m)
题解2-13图 水槽液位?h 的变化曲线
~~~~~2-14 为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为t 0=0）突然将燃料气流量从2.5t/h 增加到3.0t/h ，重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如题2-14图所示。假定该对象为一阶对象，试写出描述该重油预热炉特性的微分方程式（分别以温度变化量与燃料量变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。
题2-14图 重油预热炉的
解
（输入）燃料变化量
?
??≥=<=0min),/(6/50)/(5.0;0,0)(t kg h t t t x 由题图知,该系统属于一阶系统，输出量(温度)的变化量y(t)相对于输入(燃料)变化量x(t)的关系(方程)为
)()()(t Kx t y dt
t dy T =+ 当x (t)=A =50/6(kg/min)=const.时，方程的解为
y(t)=KA(1-e -t/T )℃
由题图知，y(∞)=KA =150-120=30℃,则
K =30/A =30/(50/6)=3.6(℃/(kg/min))
首先不考虑延迟，y(t)的变化从t 0=2min 开始，到t 1=8min 时，实际变化时间t=6min ，
由题图知
y(t)=y(6)=30(1-e -6/T )=145-120=25（℃）
由此解出 T=3.35(min)
所以
y(t)=30(1-e -t/3.35)℃
若考虑滞后时间 τ=2min ，则
()?
??≥-=-<=--min 2),1(30)(min;2,035.3/)2(t e t y t t y t ττ 微分方程为
)(6.3)2()2(35.3t x t y dt
t dy =+++ττ 系统的特性参数是系统的固有特性，不会随输入信号的变化而变化，因此，前面求解过程中所确定的K 和T 的值是不变的。所以，当燃料变化量x (t)=A =1时，温度变化量的函数表达式为
y τ(t)=y(t -τ)=3.6(1-e -(t -2)/3.35)℃
3-1 什么叫测量过程？
解 测量过程就是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程
3-5 某一标尺为0~1000℃的温度仪表出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分
(1)求出该温度仪表的最大绝对误差值；
(2)确定该温度仪表的精度等级；
(3)如果工艺上允许的最大绝对误差为±8C ，问该温度仪表是否符合要求？
解 (1) 校验数据处理：
+(2)仪表误差：%6.0%1001000
6max ±=?±=δ， 仪表的精度等级应定为1.0级；
(3)仪表的基本误差：?m =1000?(±1.0%)=±10℃, 该温度仪表不符合工艺上的误差要求。
(2)问该压力表是否符合1．0级精度？
解 （1）校验数据处理：
（2）仪表误差：%5.0%10010
005.0max ±=?±=δ； 但是，由于仪表变差为1.2%>1.0%，所以该压力表不符合1.0级精度。
3-7．什么叫压力？表压力、绝对压力、负压力(真空度)之间有何关系？
解 （1）工程上的压力是物理上的压强，即P=F/S （压强）。
（2）绝对压力是指物体所受的实际压力；
表压力=绝对压力-大气压力；
负压力（真空度）=大气压力-绝对压力
3-10．作为感受压力的弹性元件有哪几种？
解 弹簧管式弹性元件、薄膜式弹性元件（有分膜片式和膜盒式两种）、波纹管式弹性元件。
3-11．弹簧管压力计的测压原理是什么？试述弹簧管压力计的主要组成及测压过程。 解：（1）弹簧管压力计的测压原理是弹簧管受压力而产生变形，使其自由端产生相应的位移，只要测出了弹簧管自由端的位移大小，就能反映被测压力p 的大小。
（2）弹簧管式压力计的主要组成：弹簧管（测量元件），放大机构，游丝，指针，表盘。
（3）弹簧管压力计测压过程为：用弹簧管压力计测量压力时，压力使弹簧管产生很小的位移量，放大机构将这个很小的位移量放大从而带动指针在表盘上指示出当前的压力值。
~~~3-14 电容式压力传感器的工作原理是什么？有何特点？
解 见教材第3章3.2.5节。当差动电容传感器的中间弹性膜片两边压力不等时，膜
片变形，膜片两边电容器的电容量变化（不等），利用变压器电桥将电容量的变化转换为电桥输出电压的变化，从而反映膜片两边压力的差异（即压差）。
其特点：输出信号与压差成正比；应用范围广，可用于表压、差压、流量、液位等的测量。
~~~·试简述智能型变送器的组成及特点？
答：智能型变送器的特点是：(1)可进行远程通信，利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择与标定；(2)精确度高，使用与维护方便；(3)通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程；(4)促使变送器与计算机、控制系统直接对话，(5)长期稳定工作能力强，每五年才需校验一次。
3-15 某压力表的测量范围为0～1MPa ，精度等级为1.0级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为0.5MPa 时，标准压力计上读数为0.508MPa ，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？
解 压力表允许的最大绝对误差为
?max =1.0MPa ?1.0%=0.01MPa
在校验点0.5MPa 处，绝对误差为
?=0.5-0.508=-0.008(MPa)
该校验点的测量误差为
%57.1%100508
.0008.0-=?-=δ 故该校验点不符合1.0级精度。
3-16．为什么测量仪表的测量范围要根据测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有何问题？
解 （1）为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作，也考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地，但还必须考虑实际使用时的测量误差，仪表的量程又不宜选得过大。
（2）由于仪表的基本误差?m 由其精度等级和量程决定，在整个仪表测量范围内其大小是一定的，选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值这样会加大测量误差。
3-17 如果某反应器最大压力为0.8MPa ，允许最大绝对误差为0.01MPa 。现用一台测量范围为0~1.6MPa ，精度为l.0级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为0~1.0MPa ，精度为1.0级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。
解 用0~1.6MPa 、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差
?1max =1.6MPa ?1.0%=0.016MPa>0.01MPa(允许值)
该表不符合工艺上的误差要求。
用0~1.0MPa 、精度为l.0级的压力表来进行测量的基本误差
?2max =1.0MPa ?1.0%=0.01MPa>0.01MPa(允许值)
该表符合工艺上的误差要求。
3-18 某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.1~1.6MPa ，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不得大于罐内压力的±5％，试选择一台合适的压力计(类型、测量范围、精度等级)，并说明其理由。
解 空压机缓冲器内压力为稳态压力，其工作压力下限p min =1.1MPa ，工作压力上限p max =1.6MPa 。设所选压力表量程为p ，则根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有
)(13.26.1343443max max MPa p p p p =?=≥?≤ )(3.31.13331min min MPa p p p p =?=≤?≥
根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为0~2.5MPa 的电接点压力表。
根据测量误差要求，测量的最大误差为
?max ≤1.1?5%=0.055(MPa)
则所选压力表的最大引用误差应满足
%2.2%1000
5.2055.0max =?-≤δ 要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。
3-19 某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa ，要求误差不超过0.4MPa ，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度等级)。
解 合成塔控制压力14MPa 为高压，设所选压力表的量程为p ，则
)(3.23143
5MPa p ≈?≥ 根据压力表量程系列（附表1），可选YX-150型、测量范围为0~25MPa 的电接点压力表。
根据测量误差要求，所选压力表的最大允许误差应满足
%6.1%10025
4.0max =?≤δ 要求，故可选精度等级为1.5级的压力表。
3-20 现有一台测量范围为0~1.6MPa ，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为：
试问这台表合格否？它能否用于某空气贮罐的压力测量（该贮罐工作压力为0.8~1.0MPa ，测量的绝对误差不允许大于0.05MPa ）？
解 压力表的校验
表3-1 压力表的校验数据及其数据处理结果
仪表的最大引用误差（从绝对误差和升降变差中选取绝对值最大者做为?m ，求仪表的最大引用误差）
%25.1%1006
.1020.0%100max ±=?±=??±
=?S F m P δ 所以，这台仪表1.5级的精度等级合格。
空气贮罐的压力属稳态压力，且p max =1.0MPa <1.6?2/3MPa ；p min =0.8MPa >1.6?1/3MPa ；最大误差?max =1.6?1.5%=0.024MPa <0.05MPa 。所以这台仪表能用于该空气贮罐的压力测量。
3-24．什么叫节流现象？ 流体经节流装置时为什么会产生静压差？
解：流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁，流体的静压力产生差异的现象，称为节流现象。
流体经节流装置时，由于节流装置前后流体截面的该变，造成流体流速的改变，从而产生节流装置前后的压力差。
3-28 为什么说转子流量计是定压式流量计？
解：转子流量计测量流体流量时，转子前后流体压力的压差?p 为一常数，即
()A
g V p p p f t ρρ-=-=?21=const.（恒量） 3-32 用转子流量计来测气压为0.65MPa 、温度为40℃的CO 2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s ，求CO 2的真实流量（已知CO 2在标准状态时的密度为1.977kg ／m 3）。
解 由题知：p 0=0.101325MPa ，p 1=0.65+0.101325=0.751325(MPa)；T 0=293K ，
T 1=273+40=313（K ）；ρ0=1.293kg/Nm 3；ρ1=1.977kg/Nm 3，Q 0=50L/s 。则 )/(10550313
101325.0977.1293751325.0293.101010101s L Q T p T p Q =?????=?????=ρρ 3-33 用水刻度的转子流量计，测量范围为0～10L/min ，转子用密度为7920kg ／m 3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831kg ／L 苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750kg ／m 3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？
解 由题知ρt =7920kg ／m 3，ρf =0.831kg ／L=831kg ／m 3，ρW =1000／m 3，Q 0=10 L/min 测苯的流量的修正系数为
()()9.01000
)8317920(831)10007920(≈?-?-=--=w f t f w t Q K ρρρρρρ Q r =Q 0/K Q =10/0.9≈11.1(L/min)
所以，苯的流量测量范围为0～11.1L/min 。
当转子材料改为铝时，ρr =2750kg ／m 3，此时测水的流量的修正系数为 ()()21000
2750)10007920(≈--=--=w r w t rQ K ρρρρ Q r0=Q 0/K rQ =10/2=5(L/min)
所以，此时测水的流量的测量范围为0～5L/min
测苯的流量的修正系数为 ()()87.01000
)8312750(831)10002750(=?-?-=--=w f r f w r fQ K ρρρρρρ Q r f =Q r0/K f Q =5/0.87=5.75（L/min ）
所以，此时测苯的流量的测量范围为0～5.75L/min 。
3-36 涡轮流量计的工作原理及特点是什么？
解：（1）涡轮流量计的工作原理：流体在管道中流动时使叶轮旋转，转速与流体的流速成线性关系，磁电感应转换器将叶轮的转速转换成相应的电脉冲信号，反映流体流速的大小。流速与管道截面的乘积就是流体的流量。
（2）涡轮流量计的特点：安装方便、测量精度高、可耐高压、反应快、便于远传、不受干扰、容易磨损等特点。
3-37 电磁流量计的工作原理是什么？它对被测介质有什么要求？
解 电磁流量计的工作原理是基于管道中的导电流体在磁场中流动时切割磁力线而产生感应电动势的电磁感应原理，流体的流速越大，感应电动势也越大，感应电动势与流量成正比。电磁流量计只能用来测量导电液体的流量。
3-46 什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？
解 （1）当被测容器的液位H=0时，差压液位计所感受的压差?p ≠0的现象，称为液位测量时的零点迁移，
3-48 测量高温液体(指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况)时，经常在负压管上装有冷凝罐(见题3-19图)，问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？如要迁移，迁移量应如何考虑？
题3-19图高温液体的液位测量
解：差压液位计正压室压力
p1=ρgh1+ ρgH+p0
负压室压力
p2=ρgh2+ p0
正、负压室的压差
?p=p1-p2= ρgH-(h2-h1) ρg
H=0时，?p= -(h2-h1) ρg。
这种液位测量时，具有“负迁移”现象，为了使H=0时，?p=0，该差压变送器测液位时需要零点迁移，迁移量为(h2-h1) ρg
3-54 什么是热电偶的热电特性？热电偶的热电势由哪两部分组成？
解：（1）将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度(T、T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克（Seebeck）效应。回路中的电势称为热动势，用E AB(T，T0)或E AB(t，t0).
（2）热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。
3-22．常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是什么？为什么要使用补偿导线？并说明使用补偿导线时要注意哪几点？
解：
（1）常用的热电偶有如下几种：
（3）用廉价的补偿导线代替热电偶使冷端远离热端不受其温度场变化的影响并与测量电路相连接。使用补偿导线时要注意：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性；保持延伸电极与热电偶两个接点温度相等。
3-56 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。
3-57试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表？输入、输出信号各是什么？
解：热电偶温度计由热电偶（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号是温度，输出信号是热电势。
热电阻温度计由热电阻（感温元件）、显示仪表和连接导线组成；输入信号是温度，输出信号是电阻。
3-58 用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端（室温）为25C，求设备的温度？如果改用E型热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？
解用K型热电偶测温时，设设备的温度为t，则E(t，25)=20mV，查K型热电偶分度表，E(25，0)=1.000mV。根据中间温度定律，
E(t，0)= E(t，25)+ E(25，0)=20+1.0=21.000 mV
反查K型热电偶分度表，得t=508.4℃
若改用E型热电偶来测次设备温度，同样，根据中间温度定律，测得热电势为
E E(508.4，25)= E K(508.4，0)-E K(25，0)=37678.6-1496.5=36182.1μV≈36.18mV。
3-59 现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400℃，则认为换热器内的温度为430℃对不对？为什么？正确值为多少度？
解认为换热器内的温度为430℃不对。
设换热器内的温度为t，实测热电势为E(t，30)，根据显示仪表指示值为400℃，则有E(t，30)= E(400，0)，由中间温度定律并查镍铬-铜镍（E型）热电偶分度表，有E(t，0)= E(t，30)+ E(30，0)= E(400，0)+ E(30，0)=28943+1801=30744μV
反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度t=422.5℃
3-60．试述热电阻测温原理？常用测温热电阻有哪几种？热电阻的分度号主要有几种？相应的R 0各为多少？
解：（1）热电阻测温原理：电阻－温度效应，即大多数金属导体的电阻值随温度而变化的现象。
（2）常用测温热电阻有：铂热电阻和铜热电阻。
（3）铂热电阻的分度号主要有：
? Pt100，（R 0=100Ω）；
? Pt50，（R 0=50Ω）；
? Pt1000，（R 0=1000Ω）；等
铜热电阻的分度号主要有：
? Cu100，（R 0=100Ω）；
? Cu50，（R 0=50Ω）；等
3-62 用分度号为Ptl00铂电阻测温，在计算时错用了Cul00的分度表，查得的温度为140℃，问实际温度为多少？
解 查Cul00的分度表，140℃对应电阻为159.96Ω，而该电阻值实际为Ptl00铂电阻测温时的电阻值，反查Ptl00的分度表，得实际温度为157℃
3-63 用分度号为Cu50、百度电阻比W (100)=R 100/R 0=1.42的铜热电阻测某一反应器内温度，当被测温度为50℃时，该热电阻的阻值R 50为多少？ 若测某一环境温度时热电阻的阻值为92Ω，该环境温度为多少？
解 分度号为Cu50、百度电阻比W (100)=1.42的铜热电阻，其R 0=50Ω，R 100=50?1.42=71Ω。则该铜热电阻测温的灵敏度k 为
21.00
1005071=--=k (Ω/℃) 被测温度为50℃时，电阻值R 50=50Ω+0.21Ω/℃?50℃=60.5Ω。
当测某一环境温度时，若热电阻的阻值R t =92Ω，则对应的环境温度为
t =(92-50)/0.21=200℃。
第4章 显示仪表
4-10 对于标尺始端为0℃的电子电位差计，当热电偶的热端为0℃，冷端为25℃时，问这时应指示多少度？输入信号为多少？若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示多少度？输入信号为多少？
解 当热电偶的热端为0℃，冷端为25℃时，应指示0℃；
输入信号为E (0，25)= -E (25，0)。
若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示0℃；输入信号为E (0，0)=0。
4-12 如题4-12图所示热电偶测温系统，热电偶的型号为K ，请回答：
(1)这是工业上用的哪种温度计？
(2)显示仪表应采用哪种仪表？该仪表的输入信号是多少？应指示多少温度？
题4-12图热电偶测温系统图
解（1）这是工业上用的热电偶温度计。
（2）显示仪表应采用XCZ-101型动圈式显示仪表或电子电位差计显示仪表；仪表的输入信号是K型热电偶的热电势E(600，25)，
E(600，25)= E(600，0) -E(25，0)=24902 -1000=23902（μV）；
指示温度应为600℃（显示仪表内具有冷端温度自动补偿，能直接显示被测温度）。
4-13 测温系统如题4-13图所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160℃时，请计算实际温度t x为多少度？（室温为25℃）
题4-13图测温系统图
解这是工业上用的热电偶温度计。
当与E型热电偶配套的显示仪表指示为160℃、室温为25℃时，显示仪表的输入信号应为E型热电偶在热端为160℃、冷端为25℃时的热电势E E(160，25)。而显示仪表外实际配用的是K型热电偶，其输入的热电势E E(160，25)，实际应为K型热电偶在热端为t x℃、冷端为25℃时的热电势E K(t x，25)，即E K(t x，25)= E E(160，25)。
E E(160，25)= E E(160，0) -E E(25，0)
查E型热电偶分度表E E(160，0) = 10501μV，E E(25，0)=1496.5μV，则
E E(160，25)=10501-1496.5=9004.5μV
E K(t x，0) =E K(t x，25)+ E K(25，0)
=9004.5+1000(查K型热电偶分度表)
=10004.5（μV）
反查K型热电偶分度表，得t x=246.4℃
4-14 试述电子自动平衡电桥的工作原理？当热电阻短路、断路或电源停电时，指针应指在什么地方？为什么？
解电子自动平衡电桥的原理电路如下图所示。
题解4-14图 电子平衡电桥测温原理图
当被测温度为测量下限时，R t 有最小值及R t0，滑动触点应在R P 的左端，此时电桥的平衡条件是
R 3（R t0+R P ）=R 2R 4 （1）
当被测温度升高后，热电阻阻值增加?R t ，滑动触点应右移动才能使电桥平衡，此时电桥的平衡条件是
R 3（R t0+?R t +R P -r 1）=R 2(R 4+ r 1) （2）
用式（1）减式（2），则得
?R t R 3- r 1R 3= R 2r 1
即
t R R R R r ?+=
3
231 （3） 从上式可以看出：滑动触点B 的位置就可以反映热电阻阻值的变化，亦即反映了被测温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。
当热电阻短路时，R t =0，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向左滑动，直至始端；当热电阻断路时，R t =∞，为了使电桥平衡，指针应尽可能地向右滑动，直至终终端；当电源停电时，指针指在任何位置，电桥输出都为0，（电桥“平衡”）。
4-19 有一分度号为Cul00的热电阻，接在配分度号为Ptl00的自动平衡电桥上，指针读数为143℃，问所测实际温度是多少?
解 温度为143℃时，分度号为Ptl00的热电阻阻值（查Ptl00分度表）为154.70Ω。而自动平衡电桥上实际接的是分度号为Cul00的热电阻，利用154.70Ω查Cul00分度表，得所测实际温度为128℃。
4-20有一配K 分度号热电偶的电子电位差计，在测温过程中错配了E 分度号的热电偶，此时仪表指示196℃，问所测的实际温度是多少?此时仪表外壳为28℃。
解 电子电位差计指示196℃，输入信号为
E K (196，28)= E (196，0)- E (28，0)=7.977-1.122=6.855(mV)，
而该热电势实际是由E 型热电偶提供的。设所测的实际温度为t ，则有
E E (t ，0)= E E (t ，28)- E E (28，0)= E K (196，28)+ E E (28，0)=6.855+1.679=8.534(mV) 查E 型热电偶分度表，得所测的实际温度为t =132.2℃ 第5章 自动控制仪表
~~~5-1 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？
解 控制器的控制规律是指控制器的输出信号p 与输入信号e 之间的关系，即
)()(x z f e f p -==
控制器的基本控制规律有：位式控制（其中以双位控制比较常用）；比例控制(P)；积分控制(I)；微分控制(D)。
~~~~5-4 何为比例控制器的比例度？一台DDZ —Ⅱ型液位比例控制器，其液位的测量范围为0~1.2m ，若指示值从0.4m 增大到0.6m ，比例控制器的输出相应从5mA 增大到7mA ，试求控制器的比例度及放大系数。
解 比例控制器的比例度就是指控制器的输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用式子表示为：
%100min max min max ????
? ??--=p p p x x e δ 式中 e ——输入变化量；
p ——相应的输出变化量；
min max x x -——输入的最大变化量，即仪表的量程；
min max p p -——输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。
根据题给条件，该控制器的比例度为
%3.83%1000
105702.14.06.0=?----=δ 对于单元组合仪表，其放大系数为
K P =1/δ=1/83.3%=120%
~~~~5-5 一台DDZ —Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0～1000℃，当指示值变化100℃，控制器比例度为80％，求相应的控制器输出将变化多少？
解 %806.101000100420min max min max ==-?-=--?=p
p x x p p p e δ 控制器的输出变化量 p =1.6/80%=2(mA)
5-9 一台具有比例积分控制规律的DDZ —Ⅱ型控制器，其比例度δ为200％，稳态时输出为5mA 。在某瞬间，输入突然变化了0.5mA ，经过30s 后，输出由5mA 变为6mA ，试问该控制器的积分时间T I 为多少？
解 控制器的放大倍数
K P =1/δ=1/200%=0.5
控制器的输入变化量为A=0.5mA ；控制器的输出变化量为?p=6-5=1(mA)，经历时间t=30s 。由
At T K A K p I
P P +
=? 得 )(105.05.01305.05.0s A K p At K T P P I =?-??=-?=
5-10 某台DDZ —Ⅲ型比例积分控制器，比例度δ为100％，积分时间T I 为2min 。稳态时，输出为5mA 。某瞬间，输入突然增加了0.2mA ，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化到多少？
解 控制器的放大倍数
K P =1/δ=1/100%=1
控制器的积分时间T I =2min ，稳态输出p 0=5mA ；控制器的输入变化量为A =0.2mA 。经历时间t=5min 。则输出变化量
)(7.052.02
12.01mA At T K A K p I P P =??+?=+=? 所以，经历时间5min 后，控制器的输出为
p =p 0+?p =5+0.7=5.7(mA)
~~~5-12 试写出比例积分微分（PID ）三作用控制规律的数学表达式。
解 PID 控制器的控制规律的数学表达式为
???? ?
?++=?dt de T edt T 1e K p D 1P 其中，e —输入变化量；p —相应的输出变化量；K P —放大倍数；T I —称为积分时间；T D —微分时间。
5-13 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点。
解 比例控制规律的特点是反应快，控制及时；存在余差(有差控制)
积分控制规律的特点是控制动作缓慢，控制不及时；无余差(无差控制)
微分控制规律的特点是控制响应快，故有超前控制之称；但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制器。
5-26 请写出下面对应的ACMY-S80的STL 指令
解 （1）LD 00000 （2）LD 00000
OR 00003 LD 00002
LD NOT 00001 OR 00005
OR NOT 00004 LD 00003
AND LD OR NOT 00006
AND 00002 AND LD
OUT -01000 OR LD
AND 00001
OUT 01000
第 6章 执行器
~~~6-1 气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？
解 气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小产生相应的推力F 和直线位移l ，推动控制机构动作，所以它是将控制信号的大小转换为阀杆位移的装置；控制机构是执行器的控制部分，它直接与操纵介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
~~~~6-4 试分别说明什么叫控制阀的流量特性和理想流量特性？ 常用的控制阀理想流量特性有哪些？
解 控制阀的流量特性是指操纵介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系：
??
? ??=L l f Q Q max 式中，相对流量Q/Q max 是控制阀某一开度时流量Q 与全开时流量Q max 之比；相对开度l /L 是控制阀某一开度行程l 与全开行程L 之比。
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。主要有：
?直线流量特性 ??
????-+=L l R R Q Q )1(11max ； ?等百分比（对数）流量特性 ???
??-=1max L l R Q Q ；
?抛物线流量特性 ()()2
1max max ???
? ??=Q Q K L l d Q Q d ； ?快开流量特性 2max )1(11??
????-+=L l R R Q Q 等四种。
~~~~6-7 什么叫控制阀的可调范围？ 在串、并联管道中可调范围为什么会变化？ 解 控制阀的可调范围（可调比）是其所能控制的最大流量Q max 与最小流量Q min 的比值，即 min
max Q Q R = 在串、并联管道中，由于分压和分流作用，可调范围都会变小。
6-8 已知阀的最大流量Q max ＝50m 3/h ，可调范围R ＝30。
（1）计算其最小流量Q min ，并说明Q min 是否就是阀的泄漏量。
（2）若阀的流量特性为直线流量特性，问在理想情况下阀的相对行程l /L 为0.2及0.8时的流量值Q 。
过程控制工程课后作业 答案
第一章纸质作业答案 一、调节阀的流量特性是指通过调节阀的流量与阀杆行程之间的关系。 调节阀的流量特性有线性型，等百分比型，快开型，抛物线型 调节阀流量特性选择的目的主要是从非线性补偿的角度来考虑，利用调节阀的非线性来补偿广义对象中其它环节的非线性，从而使整个广义对象的特性近似为线性。 二、简单控制系统是由一个被控对象、一个测量元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统的典型方块图为 三．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法 四、解： (1) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为 (2) 被控对象：液体贮槽
被控变量：贮槽液位 操纵变量：贮槽出口流量 主要扰动变量：贮槽进口流量 五、解： (1) 选择流入量 Q为操纵变量，控制阀安装在流入管线上， i 贮槽液位控制系统的控制流程图为 为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开形式控制阀，为“+”作为方向。 操纵变量即流入量 Q增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于 i 控制阀与被控对象都是“+”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 (2) 选择流出量 Q为操纵变量，控制阀安装在流出管线上， o 贮槽液位控制系统的控制流程图为
为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关形式控制阀，为“-”作为方向。 操纵变量即流出量 Q增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于 o 控制阀与被控对象都是“-”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。 六、（1）加入积分作用后，系统的稳定性变差，最大动态偏差增大、余差减小 加入适当的微分作用后，系统的稳定性编号，最大动态偏差减小，余差不变。 （2）为了得到相同的系统稳定性，加入积分作用后应增大比例度，加入微分作用后应适当的减小比例度。 第二章纸质作业答案 一．由两个控制器组成，分别接受来自被控对象不同部位的测量信号。一个控制器的输出作为下一个控制器的给定值，后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构来看，两个控制器是串级工作的，称为串级控制系统。 方框图如下 二．答： 前馈控制系统方块图
控制工程基础第三版机械工业出版社课后答案
控制工程基础习题解答 第一章 1-5．图1-10为张力控制系统。当送料速度在短时间内突然变化时，试说明该控制系统的作用情况。画出该控制系统的框图。 图1-10 题1-5图 由图可知，通过张紧轮将张力转为角位移，通过测量角位移即可获得当前张力的大小。 当送料速度发生变化时，使系统张力发生改变，角位移相应变化，通过测量元件获得当前实际的角位移，和标准张力时角位移的给定值进行比较，得到它们的偏差。根据偏差的大小调节电动机的转速，使偏差减小达到张力控制的目的。 框图如图所示。 角位移 题1-5 框图 1-8．图1-13为自动防空火力随动控制系统示意图及原理图。试说明该控制系统的作用情况。
该系统由两个自动控制系统串联而成：跟踪控制系统和瞄准控制系统，由跟踪控制系统 获得目标的方位角和仰角，经过计算机进行弹道计算后给出火炮瞄准命令作为瞄准系统的给定值，瞄准系统控制火炮的水平旋转和垂直旋转实现瞄准。 跟踪控制系统根据敏感元件的输出获得对目标的跟踪误差，由此调整视线方向，保持敏感元件的最大输出，使视线始终对准目标，实现自动跟踪的功能。 瞄准系统分别由仰角伺服控制系统和方向角伺服控制系统并联组成，根据计算机给出的火炮瞄准命令，和仰角测量装置或水平方向角测量装置获得的火炮实际方位角比较，获得瞄准误差，通过定位伺服机构调整火炮瞄准的角度，实现火炮自动瞄准的功能。 控制工程基础习题解答 第二章 2-2．试求下列函数的拉氏变换，假定当t<0时，f(t)=0。 (3). ()t e t f t 10cos 5.0-= 解：()[][ ] ()100 5.05 .010cos 2 5.0+++= =-s s t e L t f L t (5). ()?? ? ? ?+ =35sin πt t f 图1-13 题1-8图 敏感元件
过程控制系统习题答案
过程控制系统习题 答案
什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪几种？ 过程控制系统一般是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。基本分类方法有：按照设定值的形式不同【定值，随动，程序】；按照系统的结构特点【反馈，前馈，前馈-反馈复合】。 热电偶测量的基本定律是什么？常见的冷端补偿方式有哪些 均质材料定律：由一种均匀介质或半导体介质组成的闭合回路中，不论截面和长度如何以及沿长度方向上的温度分布如何，都不能产生热电动势，因此热电偶必须采用两种不同的导体或半导体组成，其截面和长度大小不影响电动势大小，但须材质均匀； 中间导体定律：在热电偶回路接入中间导体后，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响； 中间温度定律：一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、t0时的热电势之代数和。只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端任意温度时的热电势,即 由于冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为某一定值，因此，为减小测量误差，需对热电偶冷端采取补偿措施，使其温度恒定。冷端温度补偿方法有冷端恒温法、冷端补偿器法、冷端温度校正法和补偿导线法。 为什么热电阻常见三线制接法？试画出其接线原理图并加以说明。
电阻测温信号经过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。 对于DDZ－Ⅲ型热电偶温度变送器，试回答： 变送器具有哪些主要功能？ 变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。 什么是变送器零点、零点迁移调整和量程调整？ 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。 大幅度的零点调整叫零点迁移。实用价值是：有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在500～1000度之间变化。如果仪表测量范围在0 ～1000度之间，则500℃以下测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一定的。可经过零点迁移，配合量程调整，使仪表的测量范围在500～1000℃之间，可提高测量精度。
过程控制工程课后习题参考答案-前三章
过程控制工程课后习题参考答案-前三章
过程控制工程 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τ 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一些为好，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。
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第1章思考题与习题 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：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? 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？二者之间有什么关系？ 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。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 二者之间的关系： 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性？ 解答： 稳态： 对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达 到一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静 止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 动态： 从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统 又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 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； y与最终稳态值y（∞）之比的百分数σ； 超调量：第一个波峰值 1
《控制工程基础》王积伟_第二版_课后习题解答(完整)
第一章 3 解：1)工作原理：电压u2反映大门的实际位置，电压u1由开（关）门开关的指令状态决定，两电压之差△u＝u1－u2驱动伺服电动机，进而通过传动装置控制 大门的开启。当大门在打开位置，u2＝u 上：如合上开门开关，u1＝u 上 ，△u＝0， 大门不动作；如合上关门开关，u1＝u 下 ，△u<0，大门逐渐关闭，直至完全关闭， 使△u＝0。当大门在关闭位置，u2＝u 下：如合上开门开关，u1＝u 上 ，△u>0，大 门执行开门指令，直至完全打开，使△u＝0；如合上关门开关，u1＝u 下 ，△u＝0，大门不动作。 2)控制系统方框图 4 解：1)控制系统方框图
2)工作原理： a)水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值h ’由浮球顶杆的长度给定，杠杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。当有扰动（水的使用流出量和给水压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），通过杠杆机构是进水阀的开度增大（减小），进入水箱的水流量增加（减小），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），进水阀开度增大（减小）量减小，直至达到新的水位平衡。此为连续控制系统。 b) 水箱是控制对象，水箱的水位是被控量，水位的给定值h ’由浮球拉杆的长度给定。杠杆平衡时，进水阀位于某一开度，水位保持在给定值。当有扰动（水的使用流出量和给水压力的波动）时，水位发生降低（升高），浮球位置也随着降低（升高），到一定程度后，在浮球拉杆的带动下，电磁阀开关被闭合（断开），进水阀门完全打开（关闭），开始进水（断水），水位升高（降低），浮球也随之升高（降低），直至达到给定的水位高度。随后水位进一步发生升高（降低），到一定程度后，电磁阀又发生一次打开（闭合）。此系统是离散控制系统。 2-1解： （c ）确定输入输出变量（u1，u2） 22111R i R i u += 222R i u = ?-= -dt i i C u u )(1 1221 得到：11 21221222 )1(u R R dt du CR u R R dt du CR +=++ 一阶微分方程 （e ）确定输入输出变量（u1，u2） ?++=i d t C iR iR u 1 211 R u u i 2 1-=
自动控制原理课后习题答案解析
目录 1自动控制系统的基本概念 1.1内容提要 1.2习题与解答 2自动控制系统的数学模型 2.1内容提要 2.2习题与解答 3自动控制系统的时域分析 3.1内容提要 3.2习颗与他答 4根轨迹法 4.1内容提要 4.2习题与解答 5频率法 5.1内容提要 5.2习题与解答 6控制系统的校正及综合 6.1内容提要 6.2习题与解答 7非线性系统分析 7.1内容提要 7.2习题与解答 8线性离散系统的理论基础 8.1内容提要 8.2习题与解答 9状态空间法 9.1内容提要 9.2习题与解答 附录拉普拉斯变换 参考文献 1自动控制系统的基本概念 1. 1内容提要 基本术语：反馈量，扰动量，输人量，输出量，被控对象； 基本结构：开环，闭环，复合； 基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动； 基本要求：暂态，稳态，稳定性。 本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输人量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答 题1-1图P1-1所示，为一直 流发电机电压白动控制系统示 意图。图中，1为发电机；2为减速器； 3为执行电机；4为比例放大器； 5为可调电位器。 (1)该系统有哪些环节组成， 各起什么作用” (2)绘出系统的框图，说明当 负载电流变化时，系统如何保持发 电机的电压恒定 (3)该系统是有差系统还是无 差系统。 (4)系统中有哪些可能的扰动， 答 (1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、 发电机等环节组成。 给定环节:电压源0U 。用来设定直流发电机电压的给定值。 比较环节:本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电 压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的 中间环节:比例放大器。它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动 执行机构工作。该环节又称为放大环节 执行机构:该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。该环节的 作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值，改变发电机的磁场，调节发 电机的输出电压 被控对象:发电机。其作用是供给负载恒定不变的电压. 检测环节跨接在发电机电枢两端、且与电压源0U 反极性相接到比 例放大器输人端的导线。它的作用是将系统的输出量直接反馈到系统的 输人端。 (2)系统结构框图如图1-5所示。当负载电流变化如增大时，发电 机电压下降，电压偏差增大，偏差电压经过运算放大器放大后，控制可逆 伺服电动机，带动可调电阻器的滑动端使励磁电流增大，使发电机的电压 增大直至恢复到给定电压的数值上，实现电压的恒定控制。 图P1-7电压自动控制系统示意图
过程控制系统与仪表习题答案
第3章 习题与思考题 3-1 什么是控制器的控制规律控制器有哪些基本控制规律 解答： 1）控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。 2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。 3-2 双位控制规律是怎样的有何优缺点 解答： 1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。 2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。 3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。 3-3 比例控制为什么会产生余差 解答： 产生余差的原因：比例控制器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系： 为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。 3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消除余差 解答： 1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：? =edt T y 11 2）当有偏差存在时，输出信号将随时间增大（或减小）。当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。 3-5 什么是积分时间试述积分时间对控制过程的影响。 解答：
1）?=edt T y 1 1 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。只有当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。 2） 在实际的控制器中，常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱，在数值上，T i =1／K i 。显然，T i 越小，K i 就越大，积分作用就越强，反之亦然。 3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA ，若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA ，某时刻，输入阶跃增加，试问经过5min 后，输出将由5mA 变化为多少 解答： 由比例积分公式：??? ? ??+=?edt T e P y 111分析： 依题意：%1001==p K p ，即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋； 稳态时：y 0＝5mA ， 5min 后：mA edt T e P y y )7.05()52.02 12.0(151110±=??±±?+=???? ??++ =? 3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响调整比例度时要注意什么问题 解答：P74 1）控制器的比例度P 越小，它的放大倍数p K 就越大，它将偏差放大的能力越强，控制力也越强，反之亦然，比例控制作用的强弱通过调整比例度P 实现。 2）比例度不但表示控制器输入输出间的放大倍数，还表示符合这个比例关系的有效输入区间。一表的量程是有限的，超出这个量程的比例输出是不可能的。 所以，偏差的变化使控制器的输出可以变化全量程（16mA ），避免控制器处于饱和状态。 3-8 理想微分控制规律的数学表达式是什么为什么常用实际为分控制规律 解答：
过程控制技术课后作业答案详解
过程控制与自动化仪表课后作业详解 第一章 P15 2-1. （1）简述图1-6所示系统的工作原理，画出控制系统的方框图并写明每一方框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。 LT LC 1 Q 2 Q A 图1-6 控制系统流程图 答： 1）图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节Q 1（流量）来实现液位控制的作用。 2）框图如图1-7所示： 控控控LC 控控控 控控控控 A 控控控控LT _ 2() Q t () 1Q t () r t () e t () u t h 图1-7 控制系统框图 3）控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e (t )、控制量u (t )；执行器输入输出分别为：控制量u (t )、操作变量Q 1 (t ) ；被控对象的输入输出为：操作变量Q 1 (t ) 、扰动量Q 2 (t ) ，被控量h ；所用仪表为：控制器（例如PID 控制器）、调节阀、液位测量变送器。 2-3某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于或等于5％，要求设计的定值控制系统，在设定值作最大阶跃干扰时的过渡过程曲线如图所示。要求： 1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间； 2）说明该系统是否满足工艺要求。 答： 1）稳态误差：e(∞)=810-800=10 衰减比：n=B 1/B 2=(850-810)/(820-810)=4 最大超调量：σ=(850-810)/810=4.9% 假设以系统输出稳定值的2%为标准，则810*2%=16.2，则 过渡过程时间：ts=17min
(完整版)自动控制原理课后习题及答案
第一章 绪论 1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说 明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非 线性，定常，时变）？ （1）22 ()()() 234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2）()2()y t u t =+ （3）()()2()4()dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4）() 2()()sin dy t y t u t t dt ω+= （5）22 ()() ()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2() ()2() dy t y t u t dt +=
最新过程控制练习题(带答案)
练习题 一、填空题1．定比值控制系统包括：（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）。 2．控制阀的开闭形式有（气开）和（气关）。3．对于对象容量滞后大和干扰较多时，可引入辅助变量构成（串级）控制系统，使等效对 象时间常数（减少），提高串级控制系统的工作频率。 4．测量滞后包括测量环节的（容量滞后）和信号测量过程的（纯滞后）。5．锅炉汽包水位常用控制方案为：（单冲量水位控制系统）、（双冲量控制系统）、（三冲量控制系统）。 6．泵可分为（容积式）和（离心式）两类，其控制方案主要有：（出口直接节流）、（调节泵的转速）、（调节旁路流量）。 7．精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（约束条件控制）和（质量控制）。 1.前馈控制系统的主要结构形式包括：单纯的前馈控制系统、（前馈反馈控制系统）和（多变量前馈控制系统）。 2.反馈控制系统是具有被控变量负反馈的闭环回路，它是按着（偏差）进行控制的；前馈控制系统是按（扰动）进行的开环控制系统。 3.选择性控制系统的类型包括：（开关型）、（连续型）和（混合型）。 4.常用控制阀的特性为（线性）、（快开）、（对数）、和（抛物线）特性。 5.阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的（快速性）、（经济性）、（合理性）、和（有效性）基础上发展起来的一种控制系统。 6.压缩机的控制方案主要有：（调速）、（旁路）和节流。 7.化学反应器在石油、化工生产中占有很重要的地位，对它的控制一般有四个方面，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（质量控制）和（约束条件控制）。 二、简答题1．说明生产过程中软保护措施与硬保护措施的区别。 答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。而硬保护措施将使得生产设备停车。 2．前馈控制主要应用在什么场合？答：前馈控制主要用于下列场合： （1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（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，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。 3．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答：串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。
过程控制-李文涛-课后习题答案
不知道谁弄的 和我们要求的课后作业相似度很大，值得参考，另外答案准确度应该还行。 T1.6 （1）最大偏差A —被控变量偏离给定值的最大数值 （给定值为800） A=843-800=43 C 超调量B —第一个波峰值与新稳定值之差 B=843-808=35C 衰减比B1：B2 — 相邻两个波峰值之比 ( 843-808)/(815-808)=5 余差值 被控变量的新稳定值与给定值之偏差C=808-800=8C 振荡周期 过渡过程同向两个波峰间间隔时间为周期T=20-5=15min 工艺规定的操作温度为800±9） C ，表示给定值为800C ，余差为9C ,由（1）得出的最大偏差A=43C <50C ，余差C=8C <9C ，所以该系统满足要求。 T2.8 （1 ） （2）由图可知： ,22030250,30s T s 10%)10*196/()0196(/)]0()([ x y y k （阶跃扰动为稳态值的10%，即k=10） （P36）计算法：阶跃响应表达式)(/)()(0 y t y t y )(0)(10)2()( t t e t T t y （1.1）
选取t1=140s,t2=250s 对应)2(),1(0 0t t h h ，其中t2>t1> 由式（1.1）可得e h T t t ) 21(01)1( ，e h T t t )22(01)2( 取自然对数并联立求解，得)] 2(1ln[)]1(1ln[1200t t t t T h h ； （1.2) )] 2(1ln[)]1(1ln[)] 2(1ln[1)]1(1ln[20000t t t t t t h h h h (1.3) 为计算方便，选取632.0)2(,39.0)1(00 t t h h 代入式（1.2）和（1.3）则 T=2（t2-t1)=s 220)140250(2 ; s t t 302501402212 ; 10%)10*196/()0196(/)]0()([ x y y k 。 T3.9 (1)影响物料出口温度的主要因素有：蒸汽压力、流量，冷物料温度、压力、流量。 (2)被控参数选热物料的出口温度，因为它直接决定着产品的质量；调节参数选蒸汽流量，因为它可以控制。 (3)从工艺安全和经济性的角度考虑，应该保证在系统发生故障时，调节阀处于闭合状态，避免因换热器温度过高而发生损坏和不必要的浪费。所以选择气开式。 (4) 被控参数为热物料的出口温度，因此调节规律选择PID 。温度变送器Km 为"+"；调节阀为气开，即Kv 为"+"；对于被控对象，当阀门开度增大时，热物料的出口温度升高，即K0为"+"。由于组成系统的各个环节的静态系数相乘为"+"，所以调节器的Kp 为"+"，即为反作用。 (5) T3.10 大修后变送器的量程由500℃变为300-200=100℃，变送器的放大倍数将发生变化，从而导致广义对象特性放大倍数发生变化： 032.005004200 K ，00516.0200 300420'K K 系统的过渡过程将会发生变化，系统可能不稳定，此时，应该减小PID 调节器的比例放大系数，使p p K K 51' ，以
自动控制原理课后习题及答案
第一章绪论 1-1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1)优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作 用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2)缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化， 外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。 它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证 明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉 子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？ （1） 2 2 ()()() 234()56() d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2） ()2() y t u t =+ （3） ()() 2()4() dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4） () 2()()sin dy t y t u t t dt ω += （5） 2 2 ()() ()2()3() d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6） 2 () ()2() dy t y t u t dt += （7） () ()2()35() du t y t u t u t dt dt =++? 解答：（1）线性定常（2）非线性定常（3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常 （7）线性定常
控制工程基础课后答案
第二章 2.1求下列函数的拉氏变换 （1）s s s s F 2 32)(23++= （2）4310)(2+-=s s s F （3）1)(!)(+-= n a s n s F （4）36 )2(6 )(2++=s s F （5） 2222 2) ()(a s a s s F +-= （6）)14(21)(2 s s s s F ++= （7）52 1 )(+-= s s F 2.2 （1）由终值定理：10)(lim )(lim )(0 ===∞→∞ →s t s sF t f f （2）1 10 10)1(10)(+-=+= s s s s s F 由拉斯反变换：t e s F L t f ---==1010)]([)(1 所以 10)(lim =∞ →t f t 2.3（1）0) 2()(lim )(lim )0(2 =+===∞ →→s s s sF t f f s t )0()0()()()](['2''0 ' 'f sf s F s dt e t f t f L st --==-+∞ ? )0()0()(lim )(lim '2''0f sf s F s dt e t f s st s --=+∞ →-+∞ +∞→? 1 )2()(lim )0(2 2 2 ' =+==+∞→s s s F s f s (2)2 ) 2(1 )(+= s s F , t te s F L t f 21)]([)(--==∴ ,0)0(2)(22' =-=--f te e t f t t 又，1 )0(' =∴f 2.4解：dt e t f e t f L s F st s --?-==202)(11 )]([)( ??------+-=2121021111dt e e dt e e st s st s
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。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 在自动化工作中，了解、研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过程控制的要求。一个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的频繁作用，总是处在一种频
现代控制理论第版课后习题答案
现代控制理论第版课后习 题答案 Prepared on 22 November 2020
《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 解：系统的模拟结构图如下： 系统的状态方程如下： 令y s =)(θ，则1x y = 所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y = 有电路原理可知：? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+-- =? ? ? 写成矢量矩阵形式为： 1-4 两输入1u ，2u ，两输出1y ，2y 的系统，其模拟结构图如图1-30所示，试求其状态空间表达式和传递函数阵。 解：系统的状态空间表达式如下所示： 1-5系统的动态特性由下列微分方程描述 列写其相应的状态空间表达式，并画出相应的模拟结构图。 解：令.. 3. 21y x y x y x ===，，，则有
相应的模拟结构图如下： 1-6 （2）已知系统传递函数2 )3)(2() 1(6)(+++=s s s s s W ,试求出系统的约旦标准型的实现， 并画出相应的模拟结构图 解：s s s s s s s s s W 31 233310)3(4)3)(2()1(6)(22++++- + +-=+++= 1-7 给定下列状态空间表达式 []??? ? ? ?????=???? ??????+????????????????????----=??????????321321321100210311032010x x x y u x x x x x x ‘ （1） 画出其模拟结构图 （2） 求系统的传递函数 解： （2）???? ??????+-+-=-=31103 201 )()(s s s A sI s W 1-8 求下列矩阵的特征矢量 （3）???? ??????---=6712203 010 A 解：A 的特征方程 0611667122301 23=+++=?? ?? ??????+---=-λλλλλλλA I 解之得：3,2,1321-=-=-=λλλ
过程控制练习题带答案
练习题 一、填空题 1．定比值控制系统包括：（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）。 2．控制阀的开闭形式有（气开）和（气关）。 3．对于对象容量滞后大和干扰较多时，可引入辅助变量构成（串级）控制系统，使等效对象时间常数（减少），提高串级控制系统的工作频率。 4．测量滞后包括测量环节的（容量滞后）和信号测量过程的（纯滞后）。 5．锅炉汽包水位常用控制方案为：（单冲量水位控制系统）、（双冲量控制系统）、（三冲量控制系统）。 6．泵可分为（容积式）和（离心式）两类，其控制方案主要有：（出口直接节流）、（调节泵的转速）、（调节旁路流量）。 7．精馏塔的控制目标是，在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益最大或总成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统，分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（约束条件控制）和（质量控制）。 1. 前馈控制系统的主要结构形式包括：单纯的前馈控制系统、（前馈反馈控制系统）和（多变量前馈控制系统）。 2. 反馈控制系统是具有被控变量负反馈的闭环回路，它是按着（偏差）进行控制的；前馈控制系统是按（扰动）进行的开环控制系统。 3. 选择性控制系统的类型包括：（开关型）、（连续型）和（混合型）。 4. 常用控制阀的特性为（线性）、（快开）、（对数）、和（抛物线）特性。 5. 阀位控制系统就是在综合考虑操纵变量的（快速性）、（经济性）、（合理性）、和（有效性）基础上发展起来的一种控制系统。 6. 压缩机的控制方案主要有：（调速）、（旁路）和节流。 7. 化学反应器在石油、化工生产中占有很重要的地位，对它的控制一般有四个方面， 分别是：物料平衡控制、（能量平衡控制）、（质量控制）和（约束条件控制）。 二、简答题 1．说明生产过程中软保护措施与硬保护措施的区别。 答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。而硬保护措施将使得生产设备停车。 2．前馈控制主要应用在什么场合？ 答：前馈控制主要用于下列场合： (1)干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时； (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，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。 3．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答：串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允
机械控制工程基础课后答案
1-1机械工程控制论的研究对象与任务是什么? 解机械工程控制论实质上是研究机械一r_程技术中广义系统的动力学问题。具体地讲，机械工程控制论是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历的由内部的固有特性所决定的整个动态历程;研究这一系统及其输入、输出二者之间的动态关系。 机械工程控制论的任务可以分为以下五个方面: (1)当已知系统和输人时，求出系统的输出(响应)，即系统分析。 (2)当已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制。 (3)当已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计。 (4)当系统的输人和输出己知，求系统的结构与参数，即系统辨识。 (5)输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波与预测。 1.2 什么是反馈?什么是外反馈和内反馈? 所谓反馈是指将系统的输出全部或部分地返送回系统的输入端，并与输人信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。 所谓外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。 所谓内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。 1.3 反馈控制的概念是什么?为什么要进行反馈控制? 所谓反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。 在实际中，控制系统可能会受到各种无法预计的干扰。为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力，人们必须利用反馈原理对系统进行控制，以实现控制系统的任务。 1.4闭环控制系统的基本工作原理是什么? 闭环控制系统的基本工作原理如下: (1)检测被控制量或输出量的实际值; (2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值; (3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。 这种基于反馈原理，通过检测偏差再纠正偏差的系统称为闭环控制系统。通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。 1.5对控制系统的基本要求是什么? 对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性。 稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。 准确性是衡量控制系统性能的重要指标。准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。 快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。