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1、第二章 被控对象的数学模型第 一 章 自 动 控 制 系 统 基 本 概 念1.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 ？答:自动控制系统中常用的几个术语其含义是：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，用以克服干扰的影响，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。2.自 动
2、 控 制 系 统 按 其 基 本 结 构 形 式 可 分 为 几 类 ?其 中 闭 环 控 制 系 统 中按 设 定 值 的 不 同 形 式 又 可 分 为 几 种 ?简 述 每 种 形 式 的 基 本 含 义 。答 :自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有倾向控制又有反向联系的自动控制。如图11(a)即是一个闭环自动控制。图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物科出口温度回到设定值上。从图 l1(b)所示的控制系统方块图可
3、以清楚看出，操纵变量( 蒸汽流量)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。在闭环控制系统中，按照没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
4、 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 。 J (a) (b) 图 1-1闭 环 自 动 控 制 基 本 结 构(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 。开 环 控 制 系 统 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
5、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 。开 环 控 制 系 统 分 为 两 种 ， 一 种 按 设 定 值 进 行 控 制 ， 如 图 1-2(a)所 示 。这 种 控 制 方 式 的 操 纵 变 量 (蒸 汽 流 星 )与 设 定 值 保 持 一 定 的 函 数 关 系 ， 当 设定 值 变 化 时 、 操 纵 变 量 随 其 变 化 进 而 改 变 被 控 变 量 。 另 一
6、种 是 按 扰 动 进 行 控 制 ，即 所 谓 前 馈 控 制 系 统 ， 如 图 1-2(b)所 示 。 这 种 控 制 方 式 是 通 过 对 扰 动 情 号 的测 量 ， 根 据 其 变 化 情 况 产 生 相 应 控 制 作 用 。 进 而 改 变 被 控 变 量 。开 环 控 制 系 统 不 能 自 动 地 觉 察 被 控 变 量 的 变 化 情 况 ， 也 不 能 判 断 操 纵 变 量的 校 正 作 用 是 否 适 合 实 际 需 要 。(a)按 设 定 值 进 行 控 制 的 开 环 控 制 系 统 (b)按 扰 动 进行 控 制 的 开 环 控 制 系 统图 1-2 开 环
7、 控 制 系 统 基 本 结 构3.自 动 控 制 系 统 主 要 由 哪 些 环 节 组 成 ?各 部 分 的 作 用 是 什 么 ?答 :自 动 控 制 系 统 主 要 由 两 大 部 分 组 成 。 一 部 分 是 起 控 制 作 用 的 全 套 自 动化 装 置 ， 对 于 常 规 仪 表 来 说 ， 它 包 括 检 测 元 件 及 变 送 器 、 控 制 器 、 执 行 器 等 ；另 一 部 分 是 受 自 动 化 装 置 控 制 的 被 控 对 象 。在 自 动 控 制 系 统 中 ， 检 测 元 件 及 变 送 器 用 来 感 受 被 控 变 量 的 变 化 并 将 它 转换 成
8、 一 种 特 定 的 信 号 (如 气 压 信 号 或 电 压 、 电 流 信 号 等 )。 控 制 器 将 检 测元 件 及 变 送 器 送 来 的 测 量 信 号 与 工 艺 上 需 要 保 持 的 设 定 值 信 号 进 行 比 较 得 出 偏差 ， 根 据 偏 差 的 大 小 及 变 化 趋 势 。 按 预 先 设 计 好 的 控 制 规 律 进 行 运 算 后 ， 将 运算 结 果 用 特 定 的 信 号 (如 气 压 信 号 或 电 流 信 号 )发 送 给 执 行 器 。执 行 器 能 自 动 地 根 据 控 制 器 送 来 的 信 号 值 相 应 地 改 变 流 入 (或 流
9、出 )被控 变 量 的 物 料 量 或 能 量 ， 克 服 扰 动 的 影 响 ， 最 终 实 现 控 制 要 求 。6.什 么 是 自 动 控 制 系 统 的 方 块 图 ?它 与 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 有 什 么区 别 ?答 :自 动 控 制 系 统 的 方 块 图 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 方 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
10、 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J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 待 性 进行 分 析 和 研 究 。而 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 则 是 在 控 制 方 案 确 定 以 后 ， 根 据 工 艺 设 计 给 出 的流 程 图 ， 按 其 流 程 顺 序 标 注 有 相 应 的 测 量 点 、 控 制 点 、 控 制 系 统 及 自 动 信 号 、连 锁 保
11、护 系 统 的 图 。 在 工 艺 管 道 及 控 制 流 程 图 上 设 备 间 的 连 线 是 工 艺 管 线 ， 表示 物 料 流 动 的 方 向 ， 与 方 块 图 中 线 段 的 含 义 截 然 不 同 。7.什 么 是 控 制 系 统 的 静 态 与 动 态 ?为 什 么 说 研 究 控 制 系 统 的 动 态 比 其静 态 更 有 意 义 ?答 :在 自 动 化 领 域 内 ， 把 被 控 变 量 不 随 时 间 而 变 化 的 平 衡 状 态 称 为 控 制 系统 的 静 态 。 在 这 种 状 态 下 ， 自 动 控 制 系 统 的 输 入 (设 定 值 和 干 扰 )及 输
12、 出(被 控 变 量 )都 保 持 不 变 ， 系 统 内 各 组 成 环 节 都 不 改 变 其 原 来 的 状 态 ， 它 们 输 入 、输 出 信 号 的 变 化 率 为 零 。 而 此 时 生 产 仍 在 进 行 ， 物 料 和 能 量 仍 然 有 进 有 出 。 因此 ， 静 态 反 映 的 是 相 对 平 衡 状 态 。系 统 的 动 态 是 被 控 变 量 随 时 间 而 变 化 的 不 平 衡 状 态 。 当 一 个 原 来 处 于 相 对平 衡 状 态 的 系 统 ， 受 到 扰 动 作 用 的 影 响 ， 其 平 衡 状 态 受 到 破 坏 ， 被 控 变 量 偏 离设 定
13、 值 ， 此 时 ， 控 制 器 就 会 改 变 原 来 的 状 态 ， 产 生 相 应 的 控 制 作 用 ， 改 变 操 纵变 量 克 服 扰 动 的 影 响 ， 力 图 恢 复 平 衡 状 态 。从 扰 动 发 生 ， 经 过 控 制 ， 直 到 系 统 重 新 建 立 平 衡 ， 在 这 段 时 间 中 整 个 系 统都 处 于 变 动 状 态 中 。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
14、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 繁 的 、 不 间 断的 动 态 过 程 中 。 因 此 说 研 究 控 制 系 统 的 动 态 比 其 静 态 更 有 意 义 。8. 在 进 行 控 制 系 统 研 究 中 ， 典 型 的 输
15、入 信 号 形 式 有 哪 些 ?为 什 么常 采 用 阶 跃 信 号 作 为 系 统 的 输 入 信 号 ？答 :在 进 行 控 制 系 统 研 究 中 ， 为 了 便 于 分 析 和 比 较 不 同 系 统 的 性 能 ， 通 常以 阶 跃 函 数 、 树 坡 (速 度 )函 数 、 抛 物 线 (加 速 度 )函 数 、 脉 冲 因 数 等 时 间 函数 信 号 作 为 典 型 的 输 入 信 号 。在 分 析 、 研 究 自 动 控 制 系 统 时 ， 常 采 用 阶 跃 信 号 作 为 系 统 的 输 入 信 号 。 因为 ， 阶 跃 信 号 具 有 突 发 性 ， 且 持 续 时
16、间 较 长 ， 对 被 控 变 量 的 影 响 较 大 。 另外 阶 跃 信 号 的 数 学 表 示 形 式 简 单 ， 容 易 实 现 ， 便 于 分 析 、 实 验 和 计 算 。 如 果一 个 控 制 系 统 能 够 有 效 地 克 服 这 种 扰 动 的 影 响 ， 那 么 对 于 其 他 比 较 缓 和 的 扰 动也 一 定 能 取 得 很 好 的 校 正 效 果 。9.什 么 是 反 馈 ?什 么 是 正 反 馈 和 负 反 馈 ？ 负 反 馈 在 自 动 控 制 中 有 什 么 重要 意 义 ？答 :把 系 统 (或 环 节 )的 输 出 信 号 直 接 或 经 过 一 些 环 节 重 新 引 回 到 输 入 端 的作 法 叫 做 反 馈 。反 馈 信 号 的 作 用 方 向 与 设 定 信 号 相 反 、 即 偏 差 信 号 为 两 者 之 差 ， 这 种 反 馈叫 做 负 反 馈 ； 反 之 为 正 反 馈 。在 控
