第七章过程控制系统习题及答案
《过程控制系统》作业题答案
过程控制系统》思考题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、或等典型规律。
过程控制主要习题参考答案
第一章思考题与习题1－2 图1.6为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。
解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。
当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1. 反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1. 余差(静态偏差）e ：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y(∞)与给定值c 之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2. 衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即：n ＜1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n ＞1,系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率φ4．最大偏差A ：对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C 之差，它衡量被控参数偏离给定值的程度。
孙洪程版过程控制课后答案
第一章思考题及习题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?答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。
同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。
干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。
控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示1.2如何选择控制变量?答：① 所选控制变量必须是可控的。
② 所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。
③ 所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。
④ 所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。
⑤ 所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。
⑥ 在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。
一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量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?答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。
K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。
1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么?答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。
如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。
过程控制课后习题答案及解析
..WORD完美格式..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。
《过程控制系统》思考题答案
《过程控制系统》思考题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。
过程控制系统与仪表课后习题答案完整版汇总
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）。
过程控制系统与仪表习题答案汇总
第1章过程控制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：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：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：由被控过程和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器，调节器和执行器）两部分组成。
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：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：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：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。
1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。
过程控制系统习题答案
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】。
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、to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、to时的热电势之代数和。
只要给出冷端为0C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DDN 皿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 500C 以下测量区域属于浪费。
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第七章过程控制控制系统习题及答案
一、填空
1. 单回路控制系统由传感器、调节器、执行器和被控对象组成。
2. 一个包含伺服放大器的电动调节阀，实际上是一个以调节器送来的信号为给定值、阀门位置信号为被控参数的单回路控制系统，该系统所采用的调节规律是位式调节规律。
3. 单回路控制器常见的五种控制规律是位式控制规律、比例控制规律、比例积分控制规律、比例微分控制规律及比例积分微分控制规律。
4. 当对象调节通道和测量元件的时间常数T
0较大，纯滞后τ很小，即τ/ T
很
小时，应用微分作用可以获得相当良好的效果。
5. 当对象调节通道时间常数T
较小，系统负荷变化较大时，为了消除干扰引起的余差，除了比例作用外还应采用积分作用。
6. 串级控制系统有两个控制回路。
7. 串级控制系统的内回路是一个随动控制系统，其给定值为外回路中的主调节器输出。
8. 串级控制系统主要用于控制通道时间常数太大的被控系统。
9. 串级控制系统副调节器一般选择比例调节规律，最好不采用积分调节作用，他会牺牲副回路的快速性，彻底消除偏差也不是副回路的职责，微分调节作用也是不能采用的，否则一旦主调节器的输出稍有变化就会引起执行机构的大幅度动作，加大其磨损。
10. 串级控制系统的主调节器最好包含积分控制作用，以保证干扰被彻底克服。
11. 某个干扰能否用前馈控制系统来克服的前提条件是该干扰信号可测量。
12. 单纯的前馈控制系统能实现良好控制效果的前提是能获得相应干扰通道精确的数学模型。
二、选择
1. 串级控制系统的副回路一般采用的调节规律是（A）。
（A）比例调节规律（B）比例积分微分（C）比例微分（D）比例积分2. 对串级控制系统副回路的要求是（B）。
（A）消除稳态误差（B）快速克服主要干扰（C）消除所有干扰（D）消除主干扰3. 单回路控制系统由（A）组成。
（A）控制器、执行器、变送器和被控对象（B）控制器、执行器和变送器（C）输入、反馈、控制器和执行器（D）PID调节器、变送器和电动调节阀
三、判断
1. 串级控制系统有内外两个控制回路，主副两个调节器、两个执行器和两个被控对象。
（×）
只有一个执行器，一个被控对象被分为了主对象和副对象。
2. 采用一步整定法对串级控制系统进行参数整定是考虑到对副变量控制的要求不高，允许它在一定范围内变化这一前提，根据经验先将副调节器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。
（√）
3. 由于串级控制系统副回路具有快速性的特点，所以应将所有干扰包含在副回路中，以使干扰被快速克服。
（×）
如果要将副回路包含所有的干扰，则副回路必然变得冗长而失去其快速性的优点，违背了串级控制系统设计的原则。
4. 串级控制系统中，副回路的控制目的就是稳定副变量。
（×）
串级控制系统中副回路目的是快速克服进入副回路的干扰，稳定副变量不是其目的。
5. 比值控制系统是比例控制系统的另一种说法。
（×）
比值控制是指对两种以上物料进行流量控制，使之保持一定的比例关系，而比例控制特指调节器为比例调节规律的闭环控制系统。
6. 不存在适于所有系统的通用前馈调节器。
（√）
7. 本质上前馈控制属于开环控制系统。
（√）
8. 一个前馈控制系统只能克服一个干扰。
（√）
9. 前馈控制系统可以用PID调节器经过整定后得到良好的效果。
（×）
前馈控制器的数学模型与被控系统的干扰通道的数学模型有关，很难用简单的PID规律来实现，更谈不上有良好的控制效果。
10. 均匀控制系统的作用是实现两种物料的平均问题。
（×）
均匀控制系统的作用是实现两种物料的平衡、匹配。
四、简答
1.简述单回路控制系统的基本组成，并绘制其结构框图。
单回路控制系统是由一个变送器、一个调节器、一个控制器和一个控制对象构成的闭环控制系统。
其结构框图如图所示。
2.绘制单回路控制系统的结构框图并简述其工作原理。
单回路控制系统的结构框图如图所示，以定值控制系统说明其工作原理。
首先系统将给定值同由传感器、变送器检测的的被控参数值（称为反馈）进行比较，获得偏差。
该偏差被送到调节器并根据调节器的调节规律产生相应控制输出，再送到执行器，执行器根据控制信号的大小产生相应的动作（如调节阀阀芯的运动），时被控参数发生变化。
被控参数发生变化后系统的偏差就会发生变化，控制输出就会发生变化，从而引发新一轮的被控参数变化。
一个稳定的控制系统采用的均是负反馈，因此，最终偏差会越来越小，被控参数会越来越接近给定值而实现定值控制。
3.简述单回路控制器常见的四种调节规律及其特点。
单回路控制系统可采用五种调节规律，即位式、比例、比例积分、比例积分微分调节规律。
位式调节规律的输出为开关量，通过执行器的工作与不工作实现对象参数的控制，如由伺服放大器构成的阀门位置控制系统采用的就是位式调节规律，通过电机的正传、反转和停转实现阀门位置的控制。
比例调节规律简单易于实现，但由比例调节规律构成的系统是一个有差系统，系统存在稳态误差。
比例积分调节规律结合了比例的快速性和积分的准确性，系统快速、无稳态误差，但作用导致系统的稳定性变差，超调增加振荡加剧。
比例积分微分调节规律不仅加强了调节系统克服干扰的能力，而且系统的稳定性也显著提高。
引人微分作用不仅可以把比例度相应减小，而且还可以把积分
时间缩短，能够使系统应用缩小的比例度不致产生振荡，采用较强的积分作用而不会造成稳定性的降低。
4.简述串级控制系统的组成，并绘制其结构框图。
串级控制系统由主、副反馈（变送器），主、副调节器，执行器和主、副对象构成，构成两个小闭环。
其结构框图为：
5.简述串级控制系统的工作原理。
串级控制系统由主、副两个回路构成，系统的主调节器根据给定值和主参数（被控参数）间的偏差和自身的调节规律产生输出信号，该信号不是直接送给执行器，而是送个副回路作为副回路的给定值。
副回路根据主调节器送来的控制输出信号与副反馈的偏差和自身的调节规律产生输出信号，去控制执行器的动作，快速克服进入副回路的主要干扰，使整个系统对主要干扰的消除速度得以加快。
6.串级控制系统的副回路是什么控制系统。
串级控制系统的副回路是一个随动系统，它跟随主控制器的输出。
7.串级控制系统主要用于解决什么问题？
主要用于解决控制通道时间常数大的问题。
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11.
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