第1章 緒論 思考題與習題
1-1 過程控制有哪些主要特點？為什么說過程控制多屬慢過程參數控制？
解答：
1．控制對象復雜、控制要求多樣
2. 控制方案豐富
3．控制多屬慢過程參數控制
4．定值控制是過程控制的一種主要控制形式
5．過程控制系統由規范化的過程檢測控制儀表組成
1-2 什么是過程控制系統？典型過程控制系統由哪幾部分組成？
解答：
過程控制系統：一般是指工業生產過程中自動控制系統的變量是溫度、壓力、流量、液位、成份等這樣一些變量的系統。
組成：控制器，被控對象，執行機構，檢測變送裝置。
1-3簡述被控對象、被控變量、操縱變量、擾動（干擾）量、設定（給定）值和偏差的含義？
解答：
被控對象 自動控制系統中，工藝參數需要控制的生產過程、設備或機器等。
被控變量 被控對象內要求保持設定數值的工藝參數。
操縱變量 受控制器操縱的，用以克服擾動的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量。
擾動量 除操縱變量外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。
設定值 被控變量的預定值。
偏差 被控變量的設定值與實際值之差。
1-4按照設定值的不同形式, 過程控制系統可分為哪幾類？
解答：
按照設定值的不同形式又可分為:
1．定值控制系統 定值控制系統是指設定值恒定不變的控制系統.定值控制系統的作用是克服擾動對被控變量的影響,使被控變量最終回到設定值或其附近.以后無特殊說明控制系統均指定值控制系統而言.
2.隨動控制系統 隨動控制系統的設定值是不斷變化的.隨動控制系統的作用是使被控變量能夠盡快地,準確無誤地跟蹤設定值的變化而變化
3.程序控制系統 程序控制系統的設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即設定值按一定的時間程序變化。
1-5 什么是定值控制系統?
解答：
在定值控制系統中設定值是恒定不變的，引起系統被控參數變化的就是擾動信號。
1-6 什么是被控對象的靜態特性？什么是被控對象的動態特性？為什么說研究控制系統的動態比其靜態更有意義？
解答：
被控對象的靜態特性：穩態時控制過程被控參數與控制變量之間的關系稱為靜態特性。
被控對象的動態特性：。系統在動態過程中，被控參數與控制變量之間的關系即為控制過程的動態特性。
在自動化工作中，了解、研究控制系統動態比其靜態更為重要。因為在生產過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的。在擾動引起系統變動后，就需要通過控制裝置不斷地施加控制作用去消除干擾作用的影響，使被控變量保持在工藝生產所規定的技術指標上，以滿足過程控制的要求。一個正常工作的自動控制系統，時時刻刻都受到擾動的頻繁作用，總
是處在一種頻繁的、不間斷的動態過程中。因此說研究控制系統的動態比其靜態更有意義。
1-7 評價控制系統動態性能的常用單項指標有哪些？各自的定義是什么？
解答：
單項性能指標主要有：衰減比、超調量與最大動態偏差、靜差、調節時間、振蕩頻率、上升時間和峰值時間等。
衰減比：等于兩個相鄰的同向波峰值之比n；
過渡過程的最大動態偏差：對于定值控制系統，是指被控參數偏離設定值的最大值A；
超調量：第一個波峰值與最終穩態值y（）之比的百分數；
殘余偏差C： 過渡過程結束后，被控參數所達到的新穩態值y（）與設定值之間的偏差C稱為殘余偏差，簡稱殘差；
調節時間：從過渡過程開始到過渡過程結束所需的時間；
振蕩頻率：過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時間間隔叫振蕩周期或工作周期，其倒數稱為振蕩頻率；
峰值時間：過渡過程開始至被控參數到達第一個波峰所需要的時間。
1-8 圖1-2所示，是某溫度記錄儀上面畫出的曲線圖，試寫出最大偏差、衰減比、余差、振蕩周期，如果工藝上要求控制溫度為（40±2 0C），哪么該控制系統能否滿足要求？
圖1-2 擾動下的溫度響應曲線
解答：
最大偏差：e max= 45－40 = 5 0C
衰減比：n = B / B’= 4 / 1 .
余差：C = 41－40 = 10C
振蕩周期:T= 18 －5 = 13 min
終值在410C,誤差± 1 0C,符合要求.
過程控制系統第二章（對象特性） 習題
2-1．什么是被控過程的數學模型？
2-1解答：
被控過程的數學模型是描述被控過程在輸入（控制輸入與擾動輸入）作用下，其狀態和輸出（被控參數）變化的數學表達式。
2-2．建立被控過程數學模型的目的是什么？過程控制對數學模型有什么要求？
2-2解答：
1）目的： 設計過程控制系統及整定控制參數；
指導生產工藝及其設備的設計與操作；
對被控過程進行仿真研究；
培訓運行操作人員；
工業過程的故障檢測與診斷。
2）要求：總的原則一是盡量簡單，二是正確可靠。階次一般不高于三階，大量采用具有純滯后的一階和二階模型，最常用的是帶純滯后的一階形式。
2-2．簡述建立對象的數學模型兩種主要方法。
2-2解答：
一是機理分析法。機理分析法是通過對對象內部運動機理的分析，根據對象中物理或化學變化的規律(比如三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似處理后推導出的對象特性方程。通過這種方法得到的數學模型稱之為機理模型，它們的表現形式往往是微分方程或代數方程。
二是實驗測取法。實驗測取法是在所要研究的對象上，人為施加一定的輸入作用，然后，用儀器測取并記錄表征對象特性的物理量隨時間變化的規律，即得到一系列實驗數據或實驗曲線。然后對這些數據或曲線進行必要的數據處理，求取對象的特性參數，進而得到對象的數學模型。
5-12 何為測試法建模？它有什么特點？
2-3解答：
1）是根據工業過程輸入、輸出的實測數據進行某種數學處理后得到數學模型。
2）可以在不十分清楚內部機理的情況下，把被研究的對象視為一個黑匣子，完全通過外部測試來描述它的特性。
2-3．描述簡單對象特性的參數有哪些?各有何物理意義?
2-3解答：
描述對象特性的參數分別是放大系數K、時間常數T、滯后時間。
放大系數K放大系數K在數值上等于對象處于穩定狀態時輸出的變化量與輸入的變
化量之比，即
由于放大系數K反映的是對象處于穩定狀態下的輸出和輸入之間的關系，所以放大系數是描述對象靜態特性的參數。
時間常數T時間常數是指當對象受到階躍輸入作用后，被控變量如果保持初始速度變
化，達到新的穩態值所需的時間。或當對象受到階躍輸入作用后，被控變量達到新的穩態值的63．2％所需時間。
時間常數T是反映被控變量變化快慢的參數，因此它是對象的一個重要的動態參數。
滯后時間滯后時間是純滯后時間和容量滯后的總和。
輸出變量的變化落后于輸入變量變化的時間稱為純滯后時間，純滯后的產生一般是由于介質的輸送或熱的傳遞需要一段時間引起的。容量滯后一般是因為物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。
滯后時間也是反映對象動態特性的重要參數。
5-6 什么是自衡特性？具有自衡特性被控過程的系統框圖有什么特點？
2-3解答：
1）在擾動作用破壞其平衡工況后，被控過程在沒有外部干預的情況下自動恢復平衡的特性，稱為自衡特性。
2）被控過程輸出對擾動存在負反饋。
5-7 什么是單容過程和多容過程？
2-3解答：
1）單容：只有一個儲蓄容量。
2）多容：有一個以上儲蓄容量。
2-4．什么是控制通道和擾動通道(干擾通道)?對于不同的通道，對象的特性參數(K、T、)對控制有什么不同的影響?
2-4解答：
對于一個被控對象來說，輸入量是擾動量和操縱變量，而輸出是被控變量。由對象的輸入變量至輸出變量的信號聯系稱為通道。操縱變量至被控變量的信號聯系稱為控制通道；擾動量至被控變量的信號聯系稱為擾動通道。
一般來說，對于不同的通道，對象的特性參數(K、T、)對控制作用的影響是不同的。
對于控制通道：
放大系數K大，操縱變量的變化對被控變量的影響就大，即控制作用對擾動的補償能力強，余差也小；放大系數K小，控制作用的影響不顯著，被控變量的變化緩慢。但K太大，會使控制作用對被控變量的影響過強，使系統的穩定性下降。
在相同的控制作用下，時間常數T大，則被控變量的變化比較緩慢，此時對象比較平穩，容易進行控制，但過渡過程時間較長；若時間常數T小，則被控變量變化速度快，不易控制。時間常數太大或太小，在控制上都將存在一定困難，因此，需根據實際情況適中考慮。
滯后時間的存在，使得控制作用總是落后于被控變量的變化，造成被控變量的最大偏差增大，控制質量下降。因此，應盡量減小滯后時間。
對于擾動通道：
放大系數K大對控制不利，因為，當擾動頻繁出現且幅度較大時，被控變量的波動就會很大，使得最大偏差增大；而放大系數K小，既使擾動較大，對被控變量仍然不會產生多大影響。
時間常數T大，擾動作用比較平緩，被控變量變化較平穩，對象較易控制。
純滯后的存在，相當于將擾動推遲時間才進入系統，并不影響控制系統的品質；而容量滯后的存在，則將使階躍擾動的影響趨于緩和，被控變量的變化相應也緩和些，因此，對系統是有利的。
2-5．實驗測取對象特性常用的方法有哪些?各自有什么特點?
2-5解答：
實驗測取對象特性常用的方法有階躍響應曲線法、矩形脈沖法。
階躍響應曲線法是當對象處于穩定狀態時，在對象的輸入端施加一個幅值已知的階躍擾動，然后測量和記錄輸出變量的數值，就可以畫出輸出變量隨時間變化的曲線。根據這一響應曲線，再經過一定的處理，就可以得到描述對象特征的幾個參數。階躍響應曲線法是一種比較簡單的方法。如果輸入量是流量，只需將閥門的開度作突然的改變，便可認為施加了一個階躍擾動，同時還可以利用原設備上的儀表把輸出量的變化記錄下來，既不需要增加儀器設備，測試工作也不大。但由于一般的被控對象較為復雜，擾動因素較多，因此，
在測試過程中，不可避免地會受到許多其他擾動因素的影響而使測試精度不高。為了提高精度就必須加大輸入量的幅度，這往往又是工藝上不允許的。因此，階躍響應曲線法是一種簡易但精度不高的對象特性測定方法。
