⼀、单回路控制系统1. 画出图⽰系统的⽅框图：
2. ⼀个简单控制系统总的开环增益（放⼤系数）应是正值还是负值？仪表⾏业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？
3. 试确定习题1中控制器的正反作⽤。若加热变成冷却，且控制阀由⽓开变为⽓关，控制器的正反作⽤是否需要
4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可⽤⼀阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。5. 已知⼴义对象的传递函数为1)S (T e K P S
τP P +-，若P P T τ的⽐值⼀定时，T P ⼤⼩对控制质量有什么影响？为什么？6. ⼀个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。
8. 对图⽰控制系统采⽤线性控制阀。当负荷G 增加后，系统的响应趋于
⾮周期函数，⽽G 减少时，系统响应震9. ⼀个简单控制系统中，控制阀⼝径变化后，对系统质量有何影响？10. 已知蒸汽加热器如图所⽰，该系统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ为蒸汽的冷凝潜热)。
（1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。（2）主要扰动为G 1时，量特性。（3特性。11.
作⽤后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减⽐，⽐例度δ要增加，为什么？
12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分⽅程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应⽤场合。13. 什么叫积分饱和？产⽣积分饱和的条件是什么？
14. 采⽤响应曲线法整定控制器参数，选⽤单⽐例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？⽽选择⽐例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即⽐例度增加，为什么？
15. 采⽤临界⽐例度法整定控制器参数，在单⽐例控制时，δ=2δK (临界⽐例度)，为什么？16. 在⼀个简单控制系统中，若对象的传递函数为)
1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进⾏控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知⼴义对象的传递函数为1)S (T e K P S
τP P +-，采⽤⽐例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。问：(1)T K /τP 在什么数值范围内(即上、下界)，τP /T P 增加时，这⼀⽐值是上升还是下降？(2)K CK 在什么数值范围内(即上、下界)，τP /T P 增加时，K CK 是上升还是下降？
18. ⼀个过程控制系统的对象有较⼤的容量滞后，⽽另⼀系统由于测量点位置造成纯滞后。若对两个系统均采⽤微分控制，试问效果如何？
19. 某⼀温度控制系统，采⽤4:1衰减曲线法进⾏整定，测得系统的衰减⽐例度
δs=25%，衰减振荡周期Ts=10min ，当控制器采⽤P 和PI 控制作⽤时，试求其整定参数值。
20. 有⼀个过程控制系统(采⽤DDZ-Ⅲ型仪表)，当⼴义对象的输⼊电流（即控制器的输出电流）为14mA 时，其被控温度的测量值为
70℃。当输⼊电流突然从14mA 增⾄15mA ，并待被控温度达到稳定时，其测量值为74℃。设测温仪表的量程为50-100℃。同时由实验测得⼴义对象的时间常数T P =3min ，滞后时间τP =1.2min ，试求衰减⽐为4:1时PI 控制器的整定参数值。
21. 某⼀个过程控制系统，利⽤临界⽐例度法进⾏控制器的参数整定。当⽐例度为12%时，系统出现等幅振荡，其临界振荡周期为180s ，试求采⽤PID 控制器时的整定参数值。22. 已知控制系统⽅块图如下：
求：(1)X 作单位跃阶变化时，随动控制系统的余差。(2)F作单位跃阶变化时，定值控制系统的余差。
（题22图）
1⼀个简单控制系统由那⼏部分组成？各有什么作⽤？
2举例说明⼀个简单控制系统，指出在该控制系统中的被控制系统的被控变量、操纵变量和扰动变量。
3常见的过程动态特性的类型有哪⼏种？可⽤什么传递函数来近似描述他们的动态特性？9增⼤过程的增益对控制系统的控制品质指标有什么影响？过程的时间常数是否越⼩越好？为什么？
10某温度控制系统已经正常运⾏，由于原温度变送器（量程200`300℃）损坏，改⽤量程为0`500℃的同分度号的温度变送器，控制系统会出现什么现象？应如何解决？
13增⼤积分时间对控制系统的控制品质有什么影响？增⼤微分时间对控制系统的控制品质有什么影响？14什么是积分饱和现象？举例说明如何防⽌积分饱和。15纯⽐例控制时，⽐例度与临界⽐例度之间有什么近似关系？
6.1说明⼀下名词术语的含义：被动对象、被控变量、操纵变量、扰动（⼲扰）量、设定（给定）值、偏差。答：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——受控制器操作的，⽤以克服⼲扰的影响，使被控变量保持设定值的物料或能量。扰动量——除操作变量外，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。
6.3下列控制系统中，哪些是开环控制，哪些是闭环控制？A．定制控制B．随动控制C．前馈控制D．程序控制答：C——开环控制；A、B、D——闭环控制。
（程序控制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。）
6.6在⽯油化⼯⽣产过程中，常常利⽤液态丙烯汽化吸收裂解⽓体的热量，使裂解⽓体的温度下降到规定数值上。图6-3是⼀个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是⼄烯裂解⽓，其温度要求控制在（15±1.5）℃。如果温度太⾼，冷却后的⽓体会包含过多的⽔分，对⽣产造成有害影响；如果温度太低，⼄烯裂解⽓会产⽣结晶析出，杜塞管道。
图6-3
（１）指出系统中被控对象、被控变量和操作变量各是什么？（２）试画出该控制系统的组成⽅块图。
答：（１）被控对象为丙烯冷却器；被控变量为⼄烯裂解⽓的出⼝温度；操作变量为⽓态丙烯的流量。（３）该系统的⽅块图如图6-4所⽰。
图6-4
6.7图6-5所⽰是以反应温度控制系统⽰意图。Ａ、Ｂ两种物料进⼊反映，通过改变进⼊夹套的冷却⽔流量来控制反应器内的温度保持不变。图中ＴＴ表⽰温度变送器，ＴＣ便是温度控制器。试画出该温度控制系统的⽅块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么？
图6-5
答：反应器温度控制系统中被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操作变量为冷却⽔流量；⼲扰为Ａ、Ｂ物料的流量、温度、浓度、冷却⽔的温度、压⼒及搅拌器的转速。反应器的温度控制系统的⽅块图如图6-6所⽰。
图6-6
6.8⼄炔发⽣器是利⽤电⽯和⽔来产⽣⼄炔⽓装置。为了降低电⽯消耗量，提⾼⼄炔的收率，确保⽣产安全，设计了如图6-7所⽰温度控制系统。⼯艺要求发⽣器温度控制在（８０±１）℃。试画出该温度控制系统的⽅块图，并指出图中的被控对被控变量、操作变量及可能存在的扰动。
图6-7
答：⼄炔发⽣器温度控制系统⽅块图如图6-8所⽰（图中T、T O分别为⼄炔发⽣器温度及其设定值）。
图6-8
被控对象：⼄炔发⽣器；被控变量：⼄炔发⽣器内温度；操纵变量：冷⽔流量；
扰动量：冷⽔温度、压⼒；电⽯进料量、成分等。
6.9图6-9所⽰为⼀列管式换热器。⼯艺要求出⼝物料温度保持恒定。经分析如果保持物料⼊⼝流量和蒸汽流量基本恒定，则温度的波动将会减⼩到⼯艺允许的误差范围之内。现分别设计了物料⼊⼝流量和蒸汽流量两个控制系统，以保持出⼝物料温度恒定。
图6-9
（1）试画出对出⼝物料温度的控制系统⽅块图；
（2）指出该系统是开环控制系统还是闭环控制系统，并说明理由。答：（1）控制系统⽅块图如图6-10所⽰。
图6-10
（2）控制系统为开环控制系统。从⽅块图可以看出，对物料⼊⼝流量和蒸汽流量均为闭环控制系统；⽽对于出⼝物料温度，未经过测量变送环节反馈到系统输⼊端，没有形成闭环系统。
6.15 图6-14是⼀个典型的衰减振荡过程曲线，衰减振荡的品质指标有以下⼏个：最⼤偏差、衰减⽐、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）。请分别说明其含义。
图6-14
答：（1）最⼤偏差――是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最⼤数值。图中A表⽰最⼤偏差。最⼤偏差描述了被控变量偏离设定值的程度，最⼤偏差愈⼤，被控变量偏离设定值就越远，这对于⼯艺条件要求较⾼的⽣产过程是⼗分不利的。
（2）衰减⽐――是指过渡过程曲线上同⽅向第⼀个波的峰值与第⼆个波的峰值之⽐。图中衰减⽐n＝B:B’。对于衰减振荡⽽⾔，n总是⼤于1的。若n接近1，控制系统的过渡过程曲线接近于等幅振荡过程；若n⼩于1，则为发散振荡过程；n越⼤，系统越稳定，当n 趋于⽆穷⼤时，系统接近⾮振荡衰减过程。根据实际操作经验，通常取n＝4～10为宜。
（3）余差――是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。图中C表⽰余差。余差是⼀个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，⼀般希望它为0或在⼀预定的允许范围内。
（4）过渡时间――是指控制系统受到扰动作⽤后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。从理论上讲，对于具有⼀定衰减⽐的衰减振荡过程，要完全达到新的平衡状态需要⽆限长的时间。所以在实际应⽤时，规定只要被控变量进⼊新的稳态值的±5％(或±2％)的范围内，且不再越出时为⽌所经历的时间。过渡时间短，说明系统恢复稳定快，即使⼲扰频繁出现，系统也能适应；反之，过渡时间长，说明系统稳定慢，在⼏个同向扰动作⽤下，被控变量就会⼤⼤偏离设定值⽽不能满⾜⼯艺⽣产的要求。⼀般希望过渡时间愈短愈好。
（5）振荡周期（或频率）――振荡周期是指过渡过程同向波峰（或波⾕）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。在衰减⽐相同的条件下，周期与过渡时间成正⽐。⼀般希望振荡周期短些好。6.26填空。
（1）根据实践经验的总结发现，除少数⽆⾃衡的对象以外，⼤多数对象均可⽤_____、_____、_____、_____这4种典型的动态特性来加以近似描述。
（2）为了进⼀步简化，也可以将所有的对象的动态特性都减化为_____的形式，⽤传递函数可以表⽰为_____。
（3）在对象传递函数表达式W(s) 中，K表⽰对象的_____，T表⽰对象的_____，表⽰对象的_____。答：（1）⼀阶；⼆阶；⼀阶加纯滞后；⼆阶加纯滞后。（2）⼀阶加纯滞后；W（s）＝e-s(3)静态放⼤系数；时间常数；纯滞后时间。
6.41什么是简单控制系统？试画出简单控制系统的典型⽅块图。
答：所谓简单控制系统，通常是指由⼀个被控对象、⼀个检测元件及传感器（或变送器）、⼀个调节器和⼀个执⾏器所构成的单闭环控制系统，有时也称为单回路控制系统。简单控制系统的典型⽅块图如图6-34所⽰。
图6-34
6.43被控对象、调节阀、调节器的正、反作⽤⽅向各是怎样规定的？
答：被控对象的正、反作⽤⽅向规定为：当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作⽤”；反之，被控变量随操纵变量的增加⽽降低的对象属于“反作⽤”。
调节阀的作⽤⽅向由它的⽓开、⽓关型式来确定。⽓开阀为“正”⽅向，⽓关阀为“反”⽅向。
如果将调节阀的输⼊偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的调节器称为“正作⽤”调节器；反之，调节器的输出信号随偏差的增加⽽减⼩的称为“反作⽤”调节器。6.44单参数控制系统中，调节器的正反作⽤应怎样选择？答：先做两条规定：
（1）⽓开调节阀为＋A，⽓关调节阀为－A；（2）调节阀开⼤，被调参数上升为＋B，下降为－B。则A·B=“＋”调节器选反作⽤；A·B=“－”调节器选正作⽤。
例如，图6-35中，阀为⽓开＋A，阀开⼤，液位下降－B，则（＋A）·（－B）＝“－”调节器选正作⽤。
图6-35
6.45图6-36中，控制系统的调节器应该选⽤正作⽤⽅式，还是反作⽤⽅式？
(a) (b)
(c) (d) (e)图6-36
答：(a)――正作⽤；(b) ――正作⽤；(c) ――反作⽤；(d) ――正作⽤；(e) ――反作⽤；
6.46图6-37中的液⾯调节回路，⼯艺要求故障情况下送出的⽓体中也不许带有液体。试选取调节阀⽓开、⽓关型式和调节器的正、反作⽤，再简单说明这⼀调节回路的⼯作过程。答：因⼯艺要求故障情况下送出的⽓体不许带液，故当⽓源压⼒为零时，阀门应打开，所以调节阀是⽓关式。当液位升⾼时，要求调节阀开度增⼤，由于所选取的是⽓关调节阀，故要求调节阀输出减少，调节器是反作⽤。其⼯作过程如下：液体↑→液位变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↑→液体输出↑→液位↓。
图6-37
6.47图6-38所⽰为加热炉温度控制系统。根据⼯艺要求，出现故障时炉⼦应当熄⽕。试说明调节阀的⽓开、⽓关型式，调节器的正、反作⽤⽅式，并简述控制系统的动作过程。
图6-38
答：故障情况下⽓源压⼒为零，应切断燃料，以确保炉⼦熄⽕。故要求调节阀为⽓开式，⽓源中断时关闭。
当炉温增⾼时，要求燃料量减少，即减⼩调节阀开度。由于是⽓开阀，所以要求调节器输出减⼩，应选⽤反作⽤调节器。
控制系统的动作过程为：
进料↓→温度↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料量↓→炉温↓。反之，由于各种原因引起炉温↓→调节器输出↑→调节阀开度↑→燃料量↑→炉温↑。
6.48请判定图6-39所⽰温度控制系统中，调节阀和调节器的作⽤型式。
图6-39
（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；（2）当物料为温度过⾼时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化⽔时；（4）当物料为温度过⾼时易结焦或分解的介质，调节介质为待加热的软化⽔时。答：（1）⽓关调节阀，正作⽤调节器；（2）⽓开调节阀，反作⽤调节器；（3）⽓开调节阀，正作⽤调节器；（4）⽓关调节阀，反作⽤调节器。
6.49图6-40为⼀蒸汽加热器，它的主要作⽤是对⼯艺介质加热，要求此介质出⼝温度恒定。（1）选择被控变量和控制变量，组成调节回路，并画出⽅块图。
（2）决定调节阀的⽓开、⽓关型式和调节器的正反作⽤。（3）当被加热的流体为热敏介质时，应选择怎样的调节⽅案为好？
图6-40
答：（1）⽅块图见图6-41。
图6-41
（2）对于⾮热敏介质或易结晶介质，调节阀应选⽓关式，调节器的作⽤⽅向应是正作⽤。（3）对于热敏介质，为防⽌局部过热⽽⽓化，调节参数不宜为蒸汽⽽选冷凝⽔为好。即将调节阀装于冷凝⽔管线上。
6.50图6-42为⼀液体储槽，需要对液位加以⾃动控制。为安全起见，储槽内液体严格禁⽌溢出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的⽓开、⽓关型式及调节器的正、反作⽤。
图6-42
（1）选择流⼊量Qi为操纵变量；（2）选择流出量Qo为操纵变量。
答：(1)当选择流⼊量Qi为操纵变量时，调节阀安装在流⼊管线上，这时，为了防⽌液体溢出，在调节阀膜头上⽓源突然中断时，调节阀
应处于关闭状态，所以应选⽤⽓开型式调节阀，为“＋”作⽤⽅向。这时，操纵变量即流⼊量Qi增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“＋”作⽤⽅向。
由于调节阀与对象都是“＋”作⽤⽅向，为使整个系统具有负反馈作⽤，调节器应选择反作⽤⽅向；
(2)当选择流出量Qo为操纵变量时，调节阀安装在流出管线上，这时，为了防⽌液体溢出，在调节阀膜头上⽓源突然中断时，调节阀应处于全开状态，所以应选⽤⽓关型式调节阀，为“－”作⽤⽅向。这时，操纵变量即流出量Qo增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“－”作⽤⽅向。
由于选择流出量Qo为操纵变量时，对象与调节阀都是“－”作⽤⽅向，为使整个系统具有负反馈作⽤，应选择反作⽤⽅向的调节器。6.51有⼀冷却器，以冷却⽔作为冷剂来冷却物料温度，现选择冷却⽔流量为操纵变量，物料出⼝温度被控变量。试确定在下述3种情况下的调节阀⽓开、⽓关型式和调节器的正、反作⽤。（1）被冷却物料温度不能太⾼，否则对后续⽣产不利；（2）被冷却物料温度不能太低，否则易凝结；
（3）冷却器置于室外，⽽该地区冬季温度最低达0℃以下。答：(1)应选⽓关型调节阀、反作⽤式调节器；(2)应选⽓开型调节阀、正作⽤式调节器；(3)应选⽓关型调节阀、反作⽤式调节器；
6.53什么是⽐例、积分、微分调节规律？在⾃动控制中起什么作⽤？
答：⽐例调节依据“偏差的⼤⼩”来动作，它的输出与输⼊偏差的⼤⼩成⽐例。⽐例调节及时、有⼒，但有余差。它⽤⽐例度δ来表⽰其作⽤的强弱，δ愈⼩，调节作⽤愈强，⽐例作⽤太强时，会引起振荡。
积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成⽐例，只有当余差消失时，积分作⽤才会停⽌，其作⽤是消除余差。但积分作⽤使最⼤动偏差增⼤，延长了调节时间。它⽤积分时间T来表⽰其作⽤的强弱，T愈⼩，积分作⽤愈强，但积分作⽤太强时，也会引起振荡。
微分调节依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输⼊偏差变化的速度成⽐例，其效果是阻⽌被控变量的⼀切变化，有超前调节的作⽤，对滞后⼤的对象有很好的效果。它使调节过程偏差减⼩，时间缩短，余差也减⼩（但不能消除）。它⽤微分时间Td来表⽰其作⽤的强弱，Td⼤，作⽤强，但Td太太，也会引起振荡。6.54填空
在PID调节中，⽐例作⽤是依据______来动作的，在系统中起着______的作⽤；积分作⽤是依据______来动作的，在系统中起着______的作⽤；微分作⽤是依据______来动作的，在系统中起着______的作⽤。答：偏差的⼤⼩；稳定被控变量；偏差是否存在；消除余差；偏差变化速度；超前调节。6.55 在什么场合下选⽤⽐例（P）、⽐例积分（PI）、⽐例积分微分（PID）调节规律?
答：⽐例调节规律适应于负荷变化较⼩、纯滞后不太⼤⽽⼯艺要求不⾼、⼜允许有余差的调节系统。
⽐例积分调节规律适⽤于对象调节通道时间常数较⼩、系统负荷变化较⼤（需要消除⼲扰引起的余差）、纯滞后不⼤（时间常数不是太⼤）⽽被调参数不允许与给定值有偏差的调节系统。
⽐例积分微分调节规律适⽤于容量滞后较⼤、纯滞后不太太、不允许有余差的对象。6.56填空
调节器的⽐例度δ越⼤，则放⼤倍数Kc______，⽐例调节作⽤就______，过渡过程曲线就______，但余差也______。积分时间Ti越⼩，则积分速度______，积分特性曲线的斜率______，积分作⽤______，消除余差______。微分时间Td越⼤，微分作⽤______。答：越⼩；越弱；平稳；越⼤；越⼤；越⼤；越强；越快；越强。6.61判断（是为√，⾮为×）
（1）对纯滞后⼤的调节对象，为克服其影响，可引⼊微分调节作⽤来克服。（2）当调节过程不稳定时，可增⼤积分时间或加⼤⽐例度，使其稳定。（3）⽐例调节过程的余差与调节器的⽐例度成正⽐。
（4）调节系统投运时，只要使调节器的测量值与给定值相等（即⽆偏差）时，就可进⾏⼿、⾃动切换操作。（5）均匀控制系统的调节器参数整定可以与定值控制系统的整定要求⼀样。
答：1. ×;2. √;3. √;4. ×;5. ×。
6.67调节器参数整定的任务是什么？⼯程上常⽤的调节器参数整定有哪⼏种⽅法？
答：调节器参数整定的任务是：根据已定的控制⽅案，来确定调节器的最佳参数值（包括⽐例度δ、积分时间Ti、微分时间Td），以便使系统能获得好的调节质量。
调节器参数整定的⽅法有理论计算和⼯程整定两⼤类，其中常⽤的是⼯程整定法。属于调节器参数的⼯程整定法主要有临界⽐例度法、衰减曲线法和经验凑试法等。6.68什么是临界⽐例度法？有何特点？
答：临界⽐例度法是在纯⽐例运⾏下通过试验，得到临界⽐例度δk和临界周期Tk，然后根据经验总结出来的关系，求出调节器各参数值。
这种⽅法⽐较简单，易于掌握和判断，适⽤于⼀般的控制系统。但是不适⽤于临界⽐例度⼩的系统和不允许产⽣等幅振荡的系统，否则易影响⽣产的正常进⾏或造成事故。6.73什么是衰减曲线法？有何特点？
答：衰减曲线法是在纯⽐例运⾏下，通过使系统产⽣衰减振荡，得到衰减⽐例度δs和衰减周期Ts（或上升时间T升），然后根据经验总结出来的关系求出调节器各参数值。
这种⽅法⽐较简便，整定质量⾼，整定过程安全可靠，应⽤⼴泛，但对于⼲扰频繁、记录曲线不规则的系统难于应⽤。6.83选择。
某控制系统采⽤⽐例积分作⽤调节器。某⼈⽤先⽐例后加积分的凑试法来整定调节器的参数。若⽐例带的数值已基本合适，在加⼊积分作⽤的过程中，则（）。A.应适当减⼩⽐例带；B.应适当增加⽐例带；C.⽆需改变⽐例带。答：B。
因为随着积分作⽤的增强，系统过渡过程的振荡将加剧，所以为了使系统得到与⽤纯⽐例作⽤相同的衰减⽐或达到同样的调节质量，应适当增加调节器的⽐例带。这就相当于减少了放⼤倍数。对⼆阶系统将会使衰减系数增⼤。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容