过程控制与集散系统课后习题答案

rt1y3y)(ysty0图1.3过程控制系统阶跃响应曲线1-1过程控制系统中有哪些类型的被控量温度、压力、流量、液位、物位、物性、成分1-2过控系统有哪些基本单元构成，与运动控制系统有无区别被控过程或对象、用于生产过程参数检测的检测仪表和变送仪表、控制器、执行机构、报警保护盒连锁等其他部件过程控制，是一种大系统控制，控制对象比较多，可以想象为过程控制是对一条生产线的控制，运动控制是生产线内某个部件的具体控制。1-4衰减比和衰减率衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。衡量振荡过程衰减程度的指标。衰减率是经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相当于衰减率Ψ=0.75到0.9。若衰减率Ψ=0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。1-5最大动态偏差和超调量有何异同最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡过程开始的第一个波峰（y1）。最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。调节时间ts是从过渡过程开始到结束的时间。5%范围内所需时间就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。振荡频率β是振荡周期的倒数。在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡频率越高，调节时间越短。振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控制系统快速性的指标。过程控制的目标安全性稳定性经济性过程工业的特点强调实时性和整体性/全局优化的重要性/安全性要求过程控制系统的特点/被控过程的多样性/控制方案的多样性/被控过程属慢过程、多参数控制/定值控制/过程控制多种分类方法过程控制系统的性能指标/稳定性、准确性/快速性2-1什么是对象的动态特性，为什么要研究它研究对象特性通常以某种形式的扰动输入对象，引起对象输出发生相应的变化，这种变化在时域或者频域上用微分方程或者传递函数进行描述，称为对象的动态特性。动态特性：被控参数随时间变化的特性y(t)研究被控对象动态特性的目的是据以配合合适的控制系统，以满足生产过程的需求。2-2描述对象动态特性的方法有哪些参数描述法/传递函数描述/差分方程描述/状态空间描述非参数描述法---响应曲线/阶跃响应/脉冲响应/频率响应/噪声响应:白噪声、M序列2-3过控中被控对象动态特性有哪些特点1)对象的动态特性是不振荡的2）对象动态特性有延迟3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的2-4单容对象放大系数K和时间常数T各与哪些因素有关，K、T大小对动态特性的影响T反映对象响应速度的快慢K是系统的稳态指标/K大，系统的灵敏度高2-5对象的纯滞后时间产生的原因是什么纯延迟现象产生的原因是由于扰动发生的地点与测定被控参数位置有一定距离。具有自平衡能力的双容对象的传递函数1)()()()(21221sTTsTTKsUsHsG有纯延迟时sesTTsTTKsUsHsG01)()()()(21221具有自平衡能力的多容对象若还有纯延迟4PID调节原理4-1，P、I、D控制规律各有何特点，那些是有差、无差调节，为了提高控制系统的稳定性，消除控制系统的误差，应该选择那些调节规律P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例u=KpeP调节对偏差信号能做出及时反应，没有丝毫的滞后有差调节,(放大系数越小，即比例带越大，余差就越大)比例带δ大,调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长比例调节的特点：（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u=Ke（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。若对象较稳定,则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快积分调节（I调节)调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，或者说调节器的输出与偏差信号的积分成正比，只要偏差存在，调节器的输出就会不断变化积分调节作用能自动消除余差./无差调节稳定作用比P调节差滞后特性使其难以对干扰进行及时控制增大积分速度，调节阀的速度加快，但系统的稳定性降低微分调节（D调节）调节器的输出u与被调量或其偏差e对于时间的导数成正比微分调节只与偏差的变化成比例，变化越剧烈，由微分调节器给出的控制作用越大微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后微分调节不能消除余差，有差调节01234567800.20.40.60.811.21.41.61.8StepResponseTime(sec)AmplitudeK=0.2K=1K=10K=100比例调节作用：是按比例反应系统的偏差系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。02040608010012000.20.40.60.811.21.41.61.8StepResponseTime(sec)AmplitudeTi=1Ti=5Ti=10Ti=inf积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.8StepResponseTime(sec)AmplitudeTd=0.5Td=1Td=10Td=0微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。4-2，调节器P、PI、PD动作规律对系统控制质量的影响PI,比例积分调节的特点：具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，可以加快调整作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。对于一般调节对象，均可用比例积分调节，比例带和积分时间选择合适，基本可以满足生产工艺要求。PD,比例微分调节的特点:PD调节也是有差调节微分调节有提高控制系统稳定性的作用适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带微分动作太强容易导致调节阀开度向两端饱和在PD调节中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助调节作用。PD调节器的抗干扰能力很差微分调节动作对于纯迟延过程是无效的%100)(1yy)()(yre31yy131yyyp24-3，什么是积分饱和，引起它的原因是，如何消除如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。积分饱和产生的条件1、调节器长期处于开环状态2、调节器具有积分控制作用3、调节器输入偏差长期得不到校正抗积分饱和的措施、限制PI调节器的输出/积分分离法/遇限削弱积分法4-4一个自动控制系统，在比例控制的基础上分别增加适当的积分、微分作用，问这两种情况对系统的稳定性、最大动态偏差、余差分别有何影响为了得到相同的系统稳定性，应如何调整调节器的比例带，理由I作用：稳定性变差，最大动态偏差变大，消除残差。D作用：稳定性变好，最大动态偏差减小，不能消除残差。2.I作用：因为积分调节使系统稳定性变差，故可适当增大比例带，减弱比例调节作2.D作用：因为分微调节使系统稳定性变好，故可适当减小比例带，增强比例调节作4-5微分动作规律克服被控对象的纯延迟和容积延迟的效果如何，克服外扰如何纯迟延对象：在延迟时间段由于对象不发生变化，故微分作用在此阶段不起作用。此段时间过后对象的变化速率一定，故微分作用起作用，且强度保持不变。容积迟延对象：对象从一开始便一直变化，且变化速率不定，顾此阶段内微分作用存在且随时间变化。最后对象不再变化时，微分作用消失，不再起作用。4-6增大积分时间对控制系统的控制品质有什么影响，增大微分时间呢增大积分时间TI，稳定性提高、振荡减慢、调节过程减慢、振荡频率降低适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带，TD超出某一上限值后，变得不稳定4-7计算题求比例带(4.5)%1001%100)/()/(minmaxminmaxminmaxminmaxeeuuKuuueeePemax–emin-----偏差信号范围，即仪表量程umax–umin-----调节器输出信号范围，即控制器输出的工作范围4-14什么是数字PID位置型控制算法和增量式控制算法(1）增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。（2）增量型算法得出的是控制的增量，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作影响大4-15为什么在计算机控制装置中通常采用增量式PID控制算法增量式PID控制算法的优点不累加误差，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算精度对控制量的计算影响较小；得出的是控制量的增量，误动作影响小；增量型算法不对偏差做累加，因而也不易引起积分饱和；易实现手动到自动的无冲击切换。PID控制的优点①原理简单，使用方便；②适应性强；③鲁棒性强；控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。④对模型依赖少。比例作用是依据___偏差的大小___来动作的，在系统中起着____稳定被控变量的作用；积分作用是依据___偏差是否存在___来动作的，在系统中起着__消除余差____的作用；微分作用是依据____偏差变化速度__来动作的，在系统中起着__超前调节____的作用。5-1什么是串级控制系统，画出原理图就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。5-2传级控制系统与单回路相比有什么特点(1)串级系统由于副回路的存在,使等效副对象时间常数减小，改善了对象的特性,使系统工作频率提高。(2)串级控制系统有较强的抗干扰能力，特别是干扰作用于副环的情况下,系统的抗干扰能力会更强。(3)串级系统具有一定的自适应能力。5-3举例说明串级控制系统克服干扰的工作过程如，在整个系统处于稳定状态下，燃料压力突然升高。结果，二次干扰对主变量的影响在副回路中得以克服。若，二次干扰对主变量的影响较强，则通过主回路进一步加以抑制。5-9参数整定计算题整定参数的方法可分为以下三种：逐步逼近法、一步整定法、两步整定法6-1比值控制系统的结构形式有几种，以及各自工作过程以实现两个或两个以上物料保持一定比例关系为目的的控制系统。开环比值控制单闭环比值控制双闭环比值控制变比值控制6-6为什么4:1整定方法不适合比值控制系统单闭环比值控制系统、双闭环的副流量回路、变比值回路均为随动控制系统，希望副流量跟随主流量变化，始终保持固定的配比关系。出现4：1振荡时，固定配比关系不能保证。6-8设置均匀控制的目的是什么，特点？使两个有关联的被控变量在规定范围内缓慢地、均匀地变化，前后设备在物料的供求上相互兼顾、均匀协调的系统。两被控变量都是变化的两个被控变量的调节过程是缓慢的两个被控变量的变化在工艺允许的范围内6-10均匀控制的与单回路系统有何异同单：一对一控制咯，不是正作用就是反作用。响应快，效果好。环节少，故障少。7-1前馈控制与反馈控制各自特点？在前馈中