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1、第一章 控制系统的基本概念 1.1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含： 自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统。 2.2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？ 答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动 控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动 控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系
2、统常用的术语有： 被控变量 y被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺 参数，如锅炉汽包的水位，反应温度； 给定值（或设定值）ys对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值 ym由检测原件得到的被控变量的实际值； 操纵变量（或控制变量）m受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现 控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号； 干扰 f引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素； 偏差信号（e）被控变量的实际值与给定值之差，即 e=ym - ys 控制信号 u控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？什么是自动控制
3、系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综 合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系 统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带 有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系 统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行 分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程 选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化 工生产中物料和能量的变化过程，即原料成品全过程中物料和能量发生的变
4、化及其流向。 4.4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？ 答：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用； 控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克服干扰作 用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作 用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变 量接近给定值。 5.5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负 反馈
5、系统？反馈系统？ 答：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控 制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装 置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。开环控制是 指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操 纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影 响操纵变量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。定值控制系统要求给定 值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标 上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。另外负反馈其 反馈信号的作用方向与设
6、定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值 控制系统必须是一个闭环负反馈系统。 6.6.在图在图 1-11 的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某 一设定值。一设定值。 试画出该控制系统的方框图；试画出该控制系统的方框图； 方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出 信号又是什么？信号又是什么？ 系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大 ）时，该系统如何实现自动控）时，该系统如何实现自
7、动控 制的？制的？ TC TT 冷物料 蒸汽 热物料 答：如图所示为该控制系统的方框图。 TsT 干扰 作用 作用温度控制 器 执行器换热器 温度测量变送装置 该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给 定值 ys，干扰作用 f，输出为热物料出口温度 T， 当冷物料流量增大 ，则出口温度 y 减小，TT 检测后所得 ym减小，偏差信号 e=ym-ys0，输入调节器后产生控制信号 u，使执行器或调节阀加大阀门开度， 使温度 T 升高，从而实现控制。 7.7.图图 1-12 为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，
8、（1）试画出该系统的方框图；）试画出该系统的方框图； （2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？ LTLC qv1 qv2 （1）如图所示为该控制系统的方框图； - （2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流 量；干扰作用为：进水流量，大气温度等。 8.8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其 中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？ 答：
9、对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的，系统受到扰动作用后， 其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下经过一段时间， 使被控变量回复到新的稳定状态，即系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态 之间的过程称为系统的过度过程。在阶跃干扰作用下，其过度过程曲线有： 发散振荡过程 等幅振荡过程 衰减振荡过程 非振荡的单调过程。 其中衰减振荡和非振荡的单调过程属于稳定的过渡过程，能满足自动控制的要 求，其它的不能。 9.9.试画出衰减比分别为试画出衰减比分别为 n1,n 时的过度过程曲线？时的过度过程曲线？ 答：如图所示： n1，发散 振荡 n1，衰减振荡 n=1，等幅 振荡 10.10
10、.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？表示衰减振荡过程的控制指标有哪些？ 答：表示衰减振荡过程的控制指标有： 最大偏差 A指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大值，即被控变量第 一个波的峰值与给定值的差。 衰减比 n过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比。 hsh 液位控制 器 执行器贮槽 液位测量变送装置 n，单调过程 f 回复时间（过渡时间）ts指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时 间间隔，即整个过渡过程所经历的时间。 差 e( )指过渡过程终了时被控变量新的稳态值与设定值之差。 振荡周期 T过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间 间隔，其倒数称为振荡频率。 第二章 过程装
11、备控制基础 1.1.什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义什么是被控对象的特性？表征被控对象特性的参数有哪些？它们的物理意义 是什么？是什么？ 答：所谓被控对象的特性，是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输出变 量随时间的变化规律（包括变化的大小，速度），描述被控对象特性的参数有 放大系数 K，时间常数 T 和滞后时间 。 K被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。由于放 大系数 K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大系 数是描述对象静态特性的参数。 T时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变 化，达
12、到新的稳态值所需的时间。或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。时间常数 T 是反映被控变量变化快慢的参数， 因此是对象的动态参数。 滞后时间 是纯滞后 0时间 和容量滞后 c 的总和。 输入变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一 般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物 料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间 也是反映对象动态 特性的重要参数。 2.2.为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？为什么说放大系数是对象的静态特性，而时间常数和滞后时间是动态特性？ 答：放
13、大系数 K 表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不 随时间变化的参数，所以 K 是被控对象的静态特性参数。时间常数反映了被控 对象受到输入作用后，输入变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程 的长短，所以是动态特性参数。滞后时间也是描述对象滞后现象的动态参数。 3.3.什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？什么是被控对象的控制通道？什么是干扰通道？ 答：对一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。 由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信 号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。 4.4.在控制系统中，
14、对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？在控制系统中，对象的放大系数，时间常数，滞后时间对控制有什么影响？ 答：对于不同的通道，对象的特性参数（K，T ， ）对控制作用的影响是不 同的。对于控制通道： 放大系数 K 大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的 补偿能力强，余差也小；放大系数 K 小，控制作用的影响不显著，被控变量的 变化缓慢。但 K 太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性 下降。 在相同的控制作用下，时间常数 T 大，则被控变量的变化比较缓慢，此时 对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较大；若时间常数 T 小，则被 控变量变化速
15、度快，不易控制。时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定 困难，因此，需根据实际情况适中考虑。 滞后时间 的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被 控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间 。 对于扰动通道： 放大系数 K 大对控制不利，因为当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量 的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数 k 小，即使扰动较大，对被 控变量仍然不会产生多大影响。 时间常数 T 大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。 纯滞后的存在，相当于将扰动推迟 0时间才进入系统，并不影响控制系 统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影
16、响趋于缓和，被控变量的 变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。 5.5.试从图试从图 2-58 某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞 后时间。后时间。 解：如图所示： k= ( )(0) ( )(0) HH xx 1 ( )(0)HH qv 0 t T 如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应的时间， T=， 10 tt 0 0 如图所示，不存在容量滞后， c 0 c 6.6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基本控制规律？ 答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控 制器的输出信号 P 与输入偏差信号 e 之间的关系。 常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规 律如 PI，PD，PID。 7.7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？什么是双位控制，比例控制
