过程控制工程第三版1-3章习题ppt
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过程控制系统第三版科学出版社课后题答案讲解
过程控制系统第三版科学出版社课后题答案讲解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？反应器温度控制系统（1）该温度控制系统的方块图反应器温度控制系统方块图（2）被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；控制变量：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。
锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液。
降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。
而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格的控制。
图1-16是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：(1)画出该控制系统方块图；(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么?(3)当蒸汽负荷忽然增加，该系统如何实现自动控制？(1)(2)被控对象：锅炉汽包。
被控变量：锅炉汽包水位。
操纵变量：锅炉给水量。
扰动量：冷水温度、压力、蒸汽压力、流量，燃烧状况等。
(3)当蒸汽负荷突然增加，会导致汽包水位下降，液位变送器检测到液位h下降信号并与设定水位h0进行比较，将偏差信号传给控制器，控制器使执行器动作，增大阀门开度，使冷却水流量增加，从而降低加热室燃烧程度，进一步使得汽包液位升高。
P17-P18，精度等级为用热电偶测温时，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。
《控制工程基础》第3版 课后答案 PPT课件
Y (s) 1
X (s)
k
Pk k
s2
s2 a1s a2
s2
b a1s
a2
Y (s) X (s)
s2
b a1s
a2
s2
(b)
p1
b2 s2
P2
b1 s
L1
a1 s
L2
a2 s2
1 ( a1 s
a2 s2
)
s2
a1s a2 s2
Y (s) 1
X (s)
k
Pk k
b1 s
b2 s2
s 2 a1s a2
s2
b1s b2 a1s
a2
s2
第三章
可得系统的传递函数
1 U o (s) Cs 1 1 U i (s) R 1 RCs 1 4s 1
Cs
Ui
(s)
L[ui
(t)]
1 s
1 s
e 30s
Uo (s)
Ui (s) 4s 1
1 (1 4s 1 s
1 s
T2 (t)
J1Βιβλιοθήκη &&A (t)
D1
&A (t )
T2 (t) k2[A (t) o (t)]
T1(s) k1[i (s) A (s)]
TT12((ss))
T2 (s) J1s
k2[ A (s)
2 A (s) o (s)]
D1s
A
(s)
T2 (t) J2 &&o (t) D2 &o (t)
X i2 (s) 1 G1G2 G4 G1G4G5H1H2 G1G2G4
Xo2(s)
G4G5G6 (1 G1G2 )
过程控制与自动化仪表-第三版-课后答案
（７）简述过程控制系统的设计步骤。
答:
过程控制系统设计的主要步骤:
１。确定控制目标；
２．选择被控参数;
3。选择控制量;
４。确定控制方案；
5。选择控制策略;
6．选择执行器;
7.设计报警和联锁保护系统;
8.系统的工程设计;
9．系统投运、调试和整定调节器的参数。
（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型?试举例说明。
附加误差附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。
3)仪表的精度与最大引用误差直接有关.
（3)某台测温仪表测量的上下限为５00℃~１０0０℃,它的最大绝对误差为±2℃,试确定该仪表的精度等级；
答：ﻫ根据题意可知：最大绝对误差为±2℃
则精度等级
所以仪表精度等级为0.4级
（4）某台测温仪表测量的上下限为１00℃~100０℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃,应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求?
2)比如对安全火花型防爆仪表,还有安全等级方面的考虑等。
（11)构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗?为什么?
答:
1)是的。
2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为:现场仪表必须设计成安全火花型．
２
（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.
第
1
(1)简述过程控制的特点。
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
(2）什么是过程控制系统?试用方框图表示其一般组成。
答:
过程控制系统设计的主要步骤:
１。确定控制目标；
２．选择被控参数;
3。选择控制量;
４。确定控制方案；
5。选择控制策略;
6．选择执行器;
7.设计报警和联锁保护系统;
8.系统的工程设计;
9．系统投运、调试和整定调节器的参数。
（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型?试举例说明。
附加误差附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。
3)仪表的精度与最大引用误差直接有关.
（3)某台测温仪表测量的上下限为５00℃~１０0０℃,它的最大绝对误差为±2℃,试确定该仪表的精度等级；
答：ﻫ根据题意可知：最大绝对误差为±2℃
则精度等级
所以仪表精度等级为0.4级
（4）某台测温仪表测量的上下限为１00℃~100０℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃,应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求?
2)比如对安全火花型防爆仪表,还有安全等级方面的考虑等。
（11)构成安全火花型防爆控制系统的仪表都是安全火花型的吗?为什么?
答:
1)是的。
2）因为安全火花型防爆系统必备条件之一为:现场仪表必须设计成安全火花型．
２
（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.
第
1
(1)简述过程控制的特点。
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
(2）什么是过程控制系统?试用方框图表示其一般组成。
过程控制工程第三版1-3章习题ppt课件
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22
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23
习题2-10
• 单位阶跃响应： y* y(t) y(0)
y() y(0)
• 取： y* (t1 ) 0 .4 , y* (t2 ) 0 .8
查表得： t123,
t243
因为： t1 0.53 0.46
t2
则说明该阶跃响应需要更高级的函数才能拟全的更好，
查表2-2得，n=3
• 为了绕过非线性系统在数学处理上的困难，对于大部分元件和系统来
说，当信号或变量变化范围不大或非线性不太严重时，都可以近似地
线性化，即用线性化数学模型来代替非线性数学模型。一旦用线性化
数学模型来近似地表示非线性系统，就可以运用线性理论对系统进行
分析和设计。
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16
习题2-6 测量变送环节如下：
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15
2-4 什么是线性化？为什么在过程控制中经常 采用近似线性化模型？
• 所谓线性化，就是在一定的条件下作某种近似，或者缩小一些工作范 围，而将非线性微分方程近似地作为线性微分方程来处理。
• 自然界中并不存在真正的线性系统，而所谓的线性系统，也只是在一 定的工作范围内保持其线性关系。实际上，所有元件和系统在不同程 度上，均具有非线性的性质。例如，机械系统中的阻尼器，在低速时 可以看作线性的，但在高速时，粘性阻尼力则与运动速度的平方成正 比，而为非线性函数关系。又例如，电路中的电感，由于磁路中铁心 受饱和的影响，电感值与流过的电流呈非线性函数关系。对于包含有 非线性函数关系的系统来说，非线性数学模型的建立和求解，其过程 是非常复杂的。
习题讲解
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1
第一章P16页思考与习题
全套课件控制工程基础课件
五. 控制系统的基本要求：
• 稳、准、快
– 稳定性：由于系统存在惯性，当系统的各个参数匹配 不妥时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定 性是系统工作的首要条件。
– 准确性：输出量与给定量之间的偏差，随时间变化的 程度，称动态精度偏差；调整过程结束后的偏差，称 静态精度偏差。
– 快速性：在系统稳定的前提下，消除偏差过程的快速 程度。
0
t 0
–
单位斜坡函数：f
t
0 t
t0 t0
L t
四. 控制系统的分类
• 给定量的运动规律分（输入）：恒值系统、程 序控制系统、随动系统
• 系统线性特性分（模型）：线性、非线性
an
d
n 1yt
dt n1
an 2
d n2 yt
dt n2
a0
yt
bm
d mxt
dt m
bm 1
2
液位控制系统的原理图
x＋ i －
调 节器
调 节阀
变 送器
干 扰量 x
液体储罐 o
图 1 - 13 液位控制系统的原理方框图
课程结构 .2
• 重点和难点：自动控制系统的组成及工作原理；自 动控制系统中的有关概念名词及术语。系统的基本 要求；控制系统的分析和设计（综合）过程；系统 原理框图。
控制系统 （线性）
s j
ω
•
复数F表s示 F法x jFy
– 点表示
– 向量表示:模：
P s
, 辐角：0 θ （θ 逆时σ针）
– 三角表示
s r 2 2
– 指数表示 s j r cos jrsin rcos j sin
过程装备与控制工程第章ppt课件
在第二章会详细介绍简单系统的设计与工程整定等知 识，较为详细地介绍几种复杂类型的控制系统。
12
过程装备控制技术与应用
13
过程装备控制技术与应用
1.4.4 按系统克服干扰的方法分 1.反馈控制系统（FBC） 2.前馈控制系统（FFC，属于复杂系统在第二章 详细介绍） 3.前馈-反馈控制系统（FBC-FFC）
5
过程装备控制技术与应用
§1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是针对过程装备的主要参数,即温度、 压力、流量、液位、成分和物性参数进行控制。 过程装备控制要求：安全性、经济性和 稳定性。 自动控制系统的要求：稳、准、快。
控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的 静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应 用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适 的技术手段加以实现
回顾:《机械控制工程基础》§3.5 控制系统的动 态响应指标
20
过程装备控制技术与应用
偏差积分性能指标
误差： e(t)r(t)y(t) e(t)y( )y(t)
平方误差积分性能指标(ISE) 时间平方误差积分性能指标(ITSE) 绝对误差积分性能指标(IAE) 时间绝对误差积分性能指标(ITAE)
衰减振荡过程( 0 1)
非振荡的单调过程( 1)
回顾：《机械控制工程基础》§3.4.2 二阶系统的单位阶跃 响应
17
过程装备控制技术与应用
18
过程装备控制技术与应用
19
过程装备控制技术与应用
过渡， ):
衰减比n ：过渡过程曲线上同方向的相邻两个 波峰之比,一般用n:1表示. 回复时间(过渡过程时间、调整时间) 余差：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：
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
1.4.4 按系统克服干扰的方法分 1.反馈控制系统（FBC） 2.前馈控制系统（FFC，属于复杂系统在第二章 详细介绍） 3.前馈-反馈控制系统（FBC-FFC）
5
过程装备控制技术与应用
§1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是针对过程装备的主要参数,即温度、 压力、流量、液位、成分和物性参数进行控制。 过程装备控制要求：安全性、经济性和 稳定性。 自动控制系统的要求：稳、准、快。
控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的 静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应 用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适 的技术手段加以实现
回顾:《机械控制工程基础》§3.5 控制系统的动 态响应指标
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过程装备控制技术与应用
偏差积分性能指标
误差： e(t)r(t)y(t) e(t)y( )y(t)
平方误差积分性能指标(ISE) 时间平方误差积分性能指标(ITSE) 绝对误差积分性能指标(IAE) 时间绝对误差积分性能指标(ITAE)
衰减振荡过程( 0 1)
非振荡的单调过程( 1)
回顾：《机械控制工程基础》§3.4.2 二阶系统的单位阶跃 响应
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
过渡， ):
衰减比n ：过渡过程曲线上同方向的相邻两个 波峰之比,一般用n:1表示. 回复时间(过渡过程时间、调整时间) 余差：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：
陕西科技大学 过程装备与控制工程 课件 1机械设计(王宁侠)第3章解析
的循环特征r的变应力(通常取r=-1或r=0)加于标准试件，经过N 次循环后不发生疲劳破坏时的最大应力称为疲劳极限应力σrN。 通过实验，可以得到不同的σrN时相应的循环次数N，将结果绘 制成疲劳曲线。典型的疲劳曲线如图3-3所示。在循环次数约 为103以前，相当于曲线中的AB段，材料试件发生破坏的最大 应力值基本不变，或者说下降得很小，因此我们把在应力循环 次数N≤103时的变应力强度看做是静应力强度的状况。
已知以上五个参数中的任意两个参数就可以确定出变应力 的类型和特征。几种典型的变应力的循环特性和应力特点如表 3-1所示。
第3章 机械零件的疲劳强度计算
当零件(例如弹簧)受变切应力作用时，以上概念仍然 适用，只需将公式中的σ改成τ即可。
第3章 机械零件的疲劳强度计算
3.2 材料的疲劳特性
3.2.1 材料的疲劳曲线 疲劳曲线是用一批标准试件进行疲劳实验得到的。以规定
相等而符号相反，即σmax＝-σmin, 如图3-1(a)所示。例如，转动 的轴上作用一方向不变的径向力，则轴上各点的弯曲应力都属 于对称循环变应力。
第3章 机械零件的疲劳强度计算
2) 脉动循环变应力 脉动循环变应力中的σmin＝0，如图3-1(b)所示。例如，齿
轮轮齿单侧工作时的齿根弯曲应力就属于脉动循环变应力。 3) 非对称循环变应力 非对称循环变应力中最大应力σmax和最小应力σmin的绝对
第3章 机械零件的疲劳强度计算 图 3-3 典型的疲劳曲线
第3章 机械零件的疲劳强度计算
1. 有限寿命区 曲线的BC段，随着循环次数的增加，使材料疲劳破坏的最大 应力不断下降。仔细检查试件在这一阶段的破坏断口状况，总能 见到材料已发生塑性变形的特征。C点相应的循环次数大约为 104(也有文献中认为约在105，现在工程实际上多以104为准)。这一 阶段的疲劳破坏，因为已伴随着材料的塑性变形，所以用应变-循 环次数来说明材料的行为更符合实际。因此，人们把这一阶段的 疲劳现象称为应变疲劳。由于应力循环次数相对很少，所以也叫 低周疲劳。有些机械零件在整个使用寿命期间应力变化次数只有 几百到几千次，但应力值较大，故其疲劳属于低周疲劳范畴。例 如飞机起落架、炮筒和压力容器等的疲劳均属于低周疲劳。但对 绝大多数通用零件来说，当其承受变应力作用时，其应力循环次 数一般都大于104，所以本章不讨论低周疲劳问题。
已知以上五个参数中的任意两个参数就可以确定出变应力 的类型和特征。几种典型的变应力的循环特性和应力特点如表 3-1所示。
第3章 机械零件的疲劳强度计算
当零件(例如弹簧)受变切应力作用时，以上概念仍然 适用，只需将公式中的σ改成τ即可。
第3章 机械零件的疲劳强度计算
3.2 材料的疲劳特性
3.2.1 材料的疲劳曲线 疲劳曲线是用一批标准试件进行疲劳实验得到的。以规定
相等而符号相反，即σmax＝-σmin, 如图3-1(a)所示。例如，转动 的轴上作用一方向不变的径向力，则轴上各点的弯曲应力都属 于对称循环变应力。
第3章 机械零件的疲劳强度计算
2) 脉动循环变应力 脉动循环变应力中的σmin＝0，如图3-1(b)所示。例如，齿
轮轮齿单侧工作时的齿根弯曲应力就属于脉动循环变应力。 3) 非对称循环变应力 非对称循环变应力中最大应力σmax和最小应力σmin的绝对
第3章 机械零件的疲劳强度计算 图 3-3 典型的疲劳曲线
第3章 机械零件的疲劳强度计算
1. 有限寿命区 曲线的BC段，随着循环次数的增加，使材料疲劳破坏的最大 应力不断下降。仔细检查试件在这一阶段的破坏断口状况，总能 见到材料已发生塑性变形的特征。C点相应的循环次数大约为 104(也有文献中认为约在105，现在工程实际上多以104为准)。这一 阶段的疲劳破坏，因为已伴随着材料的塑性变形，所以用应变-循 环次数来说明材料的行为更符合实际。因此，人们把这一阶段的 疲劳现象称为应变疲劳。由于应力循环次数相对很少，所以也叫 低周疲劳。有些机械零件在整个使用寿命期间应力变化次数只有 几百到几千次，但应力值较大，故其疲劳属于低周疲劳范畴。例 如飞机起落架、炮筒和压力容器等的疲劳均属于低周疲劳。但对 绝大多数通用零件来说，当其承受变应力作用时，其应力循环次 数一般都大于104，所以本章不讨论低周疲劳问题。
过程控制系统工程设计PPT课件
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
1. 控制系统对象的机理分析
无 为 1.2 被控对象输出机理分析。输出量是过程参数，但 而 是不一定是系统的目标参数，二者关系需要分析。 治 例如：空调的输出是制冷（热）量，并非是目标参数，
而空调的目标参数是室内温度；
和 加热炉的输出与目标参数是同一个变量，即温度； 谐 炼钢的输出参数是终点碳值、终点温度； 发 炼铁的输出是铁水与炉渣； 展 电动机的输出是速度与电流等。
无
为
而 治
过程控制系统工程设计
和 谐 发 展
北京科技大学自动化学院
2020/4/13
目录
无
为 控制系统对象的机理分析
而 治
控制目标与性能指标
控制系统的信息反馈与执行机构
和 控制系统的结构设计与功能分配
谐 控制系统的综合指标
发 展
大型控制系统的设计步骤
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400#
原ABPLC5/40L系统 DP+ L1-L5电动活套传动系统profibus DP
图2-1 基础自动化控制系统总体配置图
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5.控制系统的综合指标
无
为 系统性能价格比
而 治
系统安全性指标
系统运行率指标
和 系统可维护性
谐 系统可扩展性
发 展
系统生命周期
直流电动机的输入量是电枢电压、电流、磁场电流等。
输入参数往往也是一个子系统。例如：炼钢中的氧枪，炼 铁中的热风炉。
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2020/4/13
2. 控制目标与性能指标
无
为 2.1 控制目标
控制工程基础第三版
图 1-2 （3）车玩具的职能方块图如图 1-3 所示，为开环系统。
图 1-3 （4）船自动舵的职能方块图如图 1-4 所示，为闭环系统。
图 1-4 （5）灯自动开关的职能方块图如图 1-5 所示，为开环系统。
图 1-5
-1-
1-4 解：系统输入量：被记录的电压信号 U2 系统输出量：记录笔的位移 L 被控对象：记录笔
（b）
- 12 -
（c）
2-11 解： （a）
（b）
- 13 -
（c）
（d）
2-12 解： （a）
- 14 -
（b）
- 15 -
2-13 解： （a）
（b）
- 16 -
2-14 解：
2-15 解： （1）
（2）
- 17 -
2-16 解：
2-17 解：
- 18 -
2-18 解： 以题可画出方块图如下：
第一章
1-1 解： （1）B 1-2 解： 开环 闭环 优点 简单，不存在稳定性问题 精度高，抗干扰 缺点 精度低，不抗干扰 复杂，设计不当易振荡 （2） B （3）B （4）A
1-3 解： （1）自行车打气如图 1-1 所示职能方块图，为闭环系统。
图 1-1 （2）普通电烙铁的职能方块图如图 1-2 所示，为开环系统。
e−s ) = e t −1 ⋅ 1(t − 1) S −1
-4-
（5）: f (t ) = (−te − t + 2e − t − 2e −2t ) ⋅ 1(t ) 8 15 15 ⋅ t 8 15 − 2 15 −1 15 2 （6）: f (t ) = L ( )= e sin t ⋅1(t ) 15 2 1 2 15 2 (S + ) + ( ) 2 2 1 （7）: f (t ) = (cos 3t + sin 3t ) ⋅1(t ) 3 2-3 解： （1） 对原方程取拉氏变换，得：
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非自衡过程：与自衡过程不同，当输入发生变化时， 非自衡过程不能够自发地趋于新的平衡状态。
习题2-2
• 液阻：凡是能局部改变液流的通流面积使液流产生 压力损失（阻力特性）或在压力差一定情况下，分 配调节流量（控制特性）的液压阀口以及类似结构， 如薄壁小孔、短孔、细长孔、缝隙等，都称之为液 阻。各种液阻都应满足流量压力方程。液阻可类似 电阻用R=P/q确定,P与液位差ΔH有关。
R1 Q1
h1
Q2 R2
C1
(1) 列写过程微分方 程组;
(2) 画出方框图;
Q12
(3) 求传递函数
h2
R12
C2
R3 Q3
Gp
(s)
H 2 (s) Q1 ( s)
习题2-3: 列写状态方程
R1 Q1
h1
Q2 R2
C1
物料平衡方程:
C1
dh1 dt
Q1 Q2
Q12 ,
C2
dh2 dt
Q12 Q3
3）集散控制系统：同时适应管理与控制两方面的需 要，一方面使用若干个控制器完成系统的控制任 务，每个控制器实现一定的控制目标，可以独立 的完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输 出等功能；另一方面，强调穦的集中性。
1-3
• P:被控变量，储罐：被控对象 • U:控制变量， 进气流量：操纵变量 • 被控变量：被控对象需要维持在其理想值
Q12
h2
Q2
h1 R2
, Q3
h2 R3
,
R12
C2
R3 Q3
Q12
h1 h2 R12
将流量方程代入物料平衡方程, 即得到过程状态方程
习题2-3: 状态方程传递函数表示
C1
dh1 dt
Q1
Q2
Q12 ,
C2
dh2 dt
Q12 Q3
Q2
h1 R2
, Q3
h2 R3
,
Q12
h1 h2 R12
习题讲解
第一章P16页思考与习题
1-1 自动控制系统主要由哪里些环节组成？各环节 起什么作用？
答：自动控制系统由被控对象、测量变送 器、执行器（控 制阀）和控制器组成。
被告控对象：是指被控制的生产设备或装置。 测量变送器：用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换
为标准信号作为输出。 执行器：常用的是控制阀，接受来自控制器的命令信号，用
于改变控制阀的开度。 控制器：它将被告控变量的测量值班与设定值进行比较，得
出偏差信号e(t)，并按一定规律性输出控制信号u(t)。
1-2 试讨论比较常见的计算机控制装置的系统 结构与特点
1）直接数字控制：计算灵活，不仅能实现典型的 PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。
2）集中型计算机控制系统：可实现解耦控制、联锁 控制等各种更复杂的控制功能；信息集中，便于 实现操作管理与优化生产；灵活性大，控制回路 的增减、控制方案的改变可由软件来实现；人机 交互好，操作方便。
• 利用方框图等效变换; • 直接用传递函数计算公式; • 通过求解传递函数方程组.
C1sH 1 ( s)
Q1 ( s)
H1(s) R2
H1(s) H2 R12
(s)
,
C2sH 2 (s)
H1(s) H2(s) R12
H 2 (s) R3
2-4 什么是线性化？为什么在过程控制中经常 采用近似线性化模型？
• 所谓线性化，就是在一定的条件下作某种近似，或者缩小一些工作范 围，而将非线性微分方程近似地作为线性微分方程来处理。
• 自然界中并不存在真正的线性系统，而所谓的线性系统，也只是在一 定的工作范围内保持其线性关系。实际上，所有元件和系统在不同程 度上，均具有非线性的性质。例如，机械系统中的阻尼器，在低速时 可以看作线性的，但在高速时，粘性阻尼力则与运动速度的平方成正 比，而为非线性函数关系。又例如，电路中的电感，由于磁路中铁心 受饱和的影响，电感值与流过的电流呈非线性函数关系。对于包含有 非线性函数关系的系统来说，非线性数学模型的建立和求解，其过程 是非常复杂的。
hsp e(t) 液位
控制器
流出 控制阀
控制对象
P(t)
测量变送
假设控制阀为气关阀，控制器为反作用，偏差为 指定值与测量值之差。
习题2-1工业过程中被控对象的动态特性有哪 些特点？
答：根据输出相对于输入变化的响应情况可将过程 分为两大类：自衡过程和非自衡过程。
自衡过程：当输入变化时，无需外加的任何控制作 用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称 为自衡性。自衡过程包括纯滞后过程、单容过程 和多容过程。
的工艺变量，也是测量变送的输入。 • 控制变量：控制器的输出电信号。 • 操作变量：执行器的操作对象，对被控变
量有影响。 • 扰动变量:影响被控变量的变量（除了操作
变量）。
Psp e(t)
压力 控制器
干扰通道
进气 控制阀
P(t)
控制对象
测量变送
1-4 以图1-16所示的液位控制系统为例，当进料量 Qi突然增大时，详细说明系统如何运用反馈控制机 制来实现液位定值控制之目的。
• 或者,当液体流过一段较长的管道或各种阀孔、弯管 及管接头时，由于流动液体各质点之间以及液体与 管壁之间的相互摩擦和碰撞会产生阻力，这种阻碍 液体流动的阻力称为液阻。液阻的大小由流量和压 力决定
（1）据液体力学原理有：
AdH dt Q1 Q2 Q3
Ad H dt Q1 Q2 Q3
H Q2 Q2 Q20 R2
H1(s)
1 C1s
Q1(s)
Q2 (s)
Q12
(s),
H2
(s)
1 C2s
Q12
(s)
Q3 (s)
Q2 (s)
H1(s) R2
, Q3 (s)
H 2 (s) R3
,
Q12 (s)
H1(s) H2(s) R12
由以上传递函数方程,可画出相 应的方框图.
习题2-3: 过程传递函数方框图
H1(s)
1 C1s
Q1(s)
Q2
(s)
Q12
(s),
H 2 (s)
1 C2s
Q12
(s)
Q3
(s)
Q1(s)
1
+_
+_
C1s
Q12
Q2
H2 H1 _
+
1 R2
Q2 (s)
H1(s) R2
, Q3 (s)
H 2 (s) R3
,
Q12 (s)
H1(s) H2(s) R12
1
R12
+_
1
C2s
H2(s)
1 R3
习题2-3: 计算输入输出传递函数
Q3
Q3
Q30
H R3
R2R3 ASH (S ) R2R3Q1(Sபைடு நூலகம்) R3H (S ) R2H (S )
G(S) H(S)
R2 R3
Q1(S ) R2R3 AS R3 R2
（2）过程的方框图
Q1(S )
R2 R3 R2 R3 AS R3 R2
H (S)
习题 2-3: 机理建模举例
习题2-2
• 液阻：凡是能局部改变液流的通流面积使液流产生 压力损失（阻力特性）或在压力差一定情况下，分 配调节流量（控制特性）的液压阀口以及类似结构， 如薄壁小孔、短孔、细长孔、缝隙等，都称之为液 阻。各种液阻都应满足流量压力方程。液阻可类似 电阻用R=P/q确定,P与液位差ΔH有关。
R1 Q1
h1
Q2 R2
C1
(1) 列写过程微分方 程组;
(2) 画出方框图;
Q12
(3) 求传递函数
h2
R12
C2
R3 Q3
Gp
(s)
H 2 (s) Q1 ( s)
习题2-3: 列写状态方程
R1 Q1
h1
Q2 R2
C1
物料平衡方程:
C1
dh1 dt
Q1 Q2
Q12 ,
C2
dh2 dt
Q12 Q3
3）集散控制系统：同时适应管理与控制两方面的需 要，一方面使用若干个控制器完成系统的控制任 务，每个控制器实现一定的控制目标，可以独立 的完成数据采集、信号处理、算法实现与控制输 出等功能；另一方面，强调穦的集中性。
1-3
• P:被控变量，储罐：被控对象 • U:控制变量， 进气流量：操纵变量 • 被控变量：被控对象需要维持在其理想值
Q12
h2
Q2
h1 R2
, Q3
h2 R3
,
R12
C2
R3 Q3
Q12
h1 h2 R12
将流量方程代入物料平衡方程, 即得到过程状态方程
习题2-3: 状态方程传递函数表示
C1
dh1 dt
Q1
Q2
Q12 ,
C2
dh2 dt
Q12 Q3
Q2
h1 R2
, Q3
h2 R3
,
Q12
h1 h2 R12
习题讲解
第一章P16页思考与习题
1-1 自动控制系统主要由哪里些环节组成？各环节 起什么作用？
答：自动控制系统由被控对象、测量变送 器、执行器（控 制阀）和控制器组成。
被告控对象：是指被控制的生产设备或装置。 测量变送器：用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换
为标准信号作为输出。 执行器：常用的是控制阀，接受来自控制器的命令信号，用
于改变控制阀的开度。 控制器：它将被告控变量的测量值班与设定值进行比较，得
出偏差信号e(t)，并按一定规律性输出控制信号u(t)。
1-2 试讨论比较常见的计算机控制装置的系统 结构与特点
1）直接数字控制：计算灵活，不仅能实现典型的 PID控制规律，还可以分时处理多个控制回路。
2）集中型计算机控制系统：可实现解耦控制、联锁 控制等各种更复杂的控制功能；信息集中，便于 实现操作管理与优化生产；灵活性大，控制回路 的增减、控制方案的改变可由软件来实现；人机 交互好，操作方便。
• 利用方框图等效变换; • 直接用传递函数计算公式; • 通过求解传递函数方程组.
C1sH 1 ( s)
Q1 ( s)
H1(s) R2
H1(s) H2 R12
(s)
,
C2sH 2 (s)
H1(s) H2(s) R12
H 2 (s) R3
2-4 什么是线性化？为什么在过程控制中经常 采用近似线性化模型？
• 所谓线性化，就是在一定的条件下作某种近似，或者缩小一些工作范 围，而将非线性微分方程近似地作为线性微分方程来处理。
• 自然界中并不存在真正的线性系统，而所谓的线性系统，也只是在一 定的工作范围内保持其线性关系。实际上，所有元件和系统在不同程 度上，均具有非线性的性质。例如，机械系统中的阻尼器，在低速时 可以看作线性的，但在高速时，粘性阻尼力则与运动速度的平方成正 比，而为非线性函数关系。又例如，电路中的电感，由于磁路中铁心 受饱和的影响，电感值与流过的电流呈非线性函数关系。对于包含有 非线性函数关系的系统来说，非线性数学模型的建立和求解，其过程 是非常复杂的。
hsp e(t) 液位
控制器
流出 控制阀
控制对象
P(t)
测量变送
假设控制阀为气关阀，控制器为反作用，偏差为 指定值与测量值之差。
习题2-1工业过程中被控对象的动态特性有哪 些特点？
答：根据输出相对于输入变化的响应情况可将过程 分为两大类：自衡过程和非自衡过程。
自衡过程：当输入变化时，无需外加的任何控制作 用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称 为自衡性。自衡过程包括纯滞后过程、单容过程 和多容过程。
的工艺变量，也是测量变送的输入。 • 控制变量：控制器的输出电信号。 • 操作变量：执行器的操作对象，对被控变
量有影响。 • 扰动变量:影响被控变量的变量（除了操作
变量）。
Psp e(t)
压力 控制器
干扰通道
进气 控制阀
P(t)
控制对象
测量变送
1-4 以图1-16所示的液位控制系统为例，当进料量 Qi突然增大时，详细说明系统如何运用反馈控制机 制来实现液位定值控制之目的。
• 或者,当液体流过一段较长的管道或各种阀孔、弯管 及管接头时，由于流动液体各质点之间以及液体与 管壁之间的相互摩擦和碰撞会产生阻力，这种阻碍 液体流动的阻力称为液阻。液阻的大小由流量和压 力决定
（1）据液体力学原理有：
AdH dt Q1 Q2 Q3
Ad H dt Q1 Q2 Q3
H Q2 Q2 Q20 R2
H1(s)
1 C1s
Q1(s)
Q2 (s)
Q12
(s),
H2
(s)
1 C2s
Q12
(s)
Q3 (s)
Q2 (s)
H1(s) R2
, Q3 (s)
H 2 (s) R3
,
Q12 (s)
H1(s) H2(s) R12
由以上传递函数方程,可画出相 应的方框图.
习题2-3: 过程传递函数方框图
H1(s)
1 C1s
Q1(s)
Q2
(s)
Q12
(s),
H 2 (s)
1 C2s
Q12
(s)
Q3
(s)
Q1(s)
1
+_
+_
C1s
Q12
Q2
H2 H1 _
+
1 R2
Q2 (s)
H1(s) R2
, Q3 (s)
H 2 (s) R3
,
Q12 (s)
H1(s) H2(s) R12
1
R12
+_
1
C2s
H2(s)
1 R3
习题2-3: 计算输入输出传递函数
Q3
Q3
Q30
H R3
R2R3 ASH (S ) R2R3Q1(Sபைடு நூலகம்) R3H (S ) R2H (S )
G(S) H(S)
R2 R3
Q1(S ) R2R3 AS R3 R2
（2）过程的方框图
Q1(S )
R2 R3 R2 R3 AS R3 R2
H (S)
习题 2-3: 机理建模举例