《过程控制系统》习题解答
1-1 试简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。
答：第一个阶段50年代前后：实现了仪表化和局部自动化，其特点：
1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表
2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统
3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数
4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响
5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题
第二个阶段60年代来：大量采用气动和电动单元组合仪表，其特点：
1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统
2、计算机系统开始运用于过程控制
3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制）
4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用
第三个阶段70年代以来：现代过程控制的新阶段——计算机时代，其特点：
1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制
2、自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用
3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用
4、集散控制系统的广泛应用
第四个阶段80年代以后：飞跃的发展，其特点：
1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展
2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心
3、过程控制的概念更大的发展，包括先进的管理系统、调度和优化等。
1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？
过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。
一、连续生产过程的自动控制
连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的（如采用控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。
二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成
过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。
三、被控过程是多种多样的、非电量的
现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些过程的机理（如发酵等）复杂，很难用目前过程辨识方法建立过程的精确数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。
四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制
因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制。
五、过程控制方案十分丰富
过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。
过程特性：多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。
单变量控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统。
六、定值控制是过程控制的一种常用方式
过程控制的目的：消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。
1-3 什么是过程控制系统，其基本分类方法有哪些？
过程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。
1、按过程控制系统的结构特点分
1）反馈控制系统：是根据系统被控量的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。
2）前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。
3、前馈—反馈控制系统（复合控制系统）：充分结合两者的有点，大大提高控制质量。
2、按给定值信号的特点来分类
定值控制系统：是指系统被控量的给定值保持在规定值不变，或在小范围附近不变。
2、程序控制系统：是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作，目的是使系统被控量按工艺要求规定的程序自动变化。加热升温或逐次降温等。
3、随动控制系统：是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统，主要作用是克服一切扰动，使控量快速跟随给定值而变化。空气量与燃料量的关系。
1-4 何为集散控制系统，试述其基本组成与各部分的作用原理。
集散控制系统是分布（分散）控制系统(Distributed Control System)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
集散控制系统经历了三代的发展，但从基本机构上来看，他们有相同的
特性，其基本结构可分为三大部分。
现场控制装置：完成模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入量和输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。
操作管理装置：操作员通过操作管理装置了解生产的运行状况，并发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。
通信系统：过程控制装置与操作管理之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换，这就是通信系统。
2-1 何为被控过程及其数学模型，模型一般可分为哪几类，它与过程控制有何关系？
被控过程是指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备。
被控过程的数学模型是指过程在各输入量作用下，其相应的输出量变化函数关系的数学表达式。
过程数学模型的两种描述形式：
非参量形式：即用曲线或数据表格来表示（形象、直观，但对进行系统的设计和综合不方便）。
参量形式： 即用数学方程来表示（方便，描述形式有： 微分方程、传递函数、差分方程、脉冲响应函数、状态方程等）。
2-2 什么是过程通道？什么是过程的控制通道和扰动通道？它们的数学模型是否相同？为什么？
过程通道: 输入量与输出量间的信号联系。 扰动通道: 扰动作用与被控量间的信号联系。 控制通道：控制作用与被控量间的信号联系。
不同，因为同一个系统，通道不同，输入输出关系不同，其数学模型亦不一样。
2-3 从阶跃响应曲线看，大多数被控过程有何特点？
绝大部分工业过程的动态特性具有自衡能力，因此其模型可以近似为以下几类： 近似地以一阶、二阶、一阶加滞后、二阶加滞后特性之一来描述。
2-4 试述研究过程建模的主要目的及其建模方法？ 1.设计过程控制系统和整定调节器参数。 2.进行仿真试验研究。
3.指导生产工艺设备的设计。
4.培训运行操作人员。
机理法：又称数学分析法或者理论建模法，根据过程的内在机理，通过静态与动态物料平衡和能量平衡等关系用数学推导的方法求取过程的数学模型。
试验法：在实际的生产过程中，根据过程的输入、输出的实验数据来获得过程的数学模型。
2-6图示液位控制过程的输入量为q1,流出量为q2、q3 ，液位h 为被控变量，C 为容量系数，并设R 1、R 2、R3均为线性液阻。要求： 1) 列出液位过程的微分方程组； 2) 画出液位控制过程框图； 3) 求取液位过程的传递函数。
q1
12 3 d q d h q q C
t --=，123d d h q q q C t ??-?-?=22h q R ??=，33
h q R ??=
Q 123
()1
11
()H s Q s Cs R R =
++
2-13 已知某液位过程的阶跃相应数值
t/s 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 h/mm 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6 当其阶跃扰动量为20%时要求： 画出液位过程的阶跃响应曲线； 用一阶加滞后环节近似描述
020
=
=1000.2
K , t=[0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600]; h=[0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.6 18.4 19.2 19.6]; hstar=h/20;
spline(hstar(2:14),t(2:14),0.39) 得1128.9t = spline(hstar(2:14),t(2:14),0.63) 得2200.5t =
021=2()T t t -=143.2 12=2t t τ-=57.3
spline(t,hstar, 57.3) 得0.09 较小接近0；
当400.8171.9t T τ=+= spline(t,hstar,171.9) 得0.564 与0.55较接近； 当502343.7t T τ=+= spline(t,hstar,343.7) 得0.889 与0.865较接近； 该过程可用一阶加滞后环节近似描述。
2-18 何为测量和测量误差？什么是仪表的精度等级？若用测量范围为0-200摄氏度的温度计测温，在正常工作条件下，进行数次测量，其误差分别为-0.2,0,0.1,0.3，试确定该仪表的精度等级？
测量：利用一个已知的单位量与被测的同类量进行比较，通过比较可知被测量是已知单位量若干倍的过程。
测量误差--在测量过程中测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值。它反映了测量结果的可靠程度。
绝对误差的最大值为0.3,0.3/200=0.15%，所以精度等级为0.2
2-21 试述在工程应用中，利用热电偶和热电阻测温时，必须注意哪些主要问题？
热电偶要注意补偿导线和冷端温度补偿，
热电偶用于较高温度测量，500度以下用热电阻；热电偶使用时注意正确使用补偿导线的类型并注意配套连接。热电阻测温应该注意三线制接线方法；也可以采用四线制接法。
安装时要求仪表与介质充分接触；注意使用现场的工作环境，合理选择仪表的精度和量程，正确选择安装位置，采用正确安装方法等保证仪表正常工作。
2-29 为什么说温度、流量、液位等过程都可通过压力间接测量？
在工业生产过程中，压力与温度、流量或液位之间成单值函数关系。
2-38 在工程应用中选用液位检测仪表需注意哪些问题？
（1）检测精度对于计量和经济核算的场合，应选用精度等级较高的液位检测仪表，如超声波液位计的精度为±5mm，对于一般检测精度可选用其它的液位计。
（2）工作条件对于测量高温、高压、低温、高粘度、腐蚀性、泥浆等特殊介质或在其他方法难以检测的各种恶劣条件下的某些特殊场合
（3）测量范围：测量范围较大，可选用电容式液位计。
（4）刻度范围：最高液位或上限报警点应为最大刻度的90%；正常液位为最大刻度的50%；最低液位或下限报警点为最大刻度的10%左右。
其他：还要考虑容器的形状、大小；被测介质的状态；现场安装条件；安全性；信号输出方式等问题。
3-3 请归纳一下过程控制系统设计的主要内容。
控制方案的设计：系统设计的核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。
工程设计：在方案设计的基础上进行，包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、信号及联锁保护系统设计等。
工程安装和仪表调校：系统正常运行的前提，安装完毕后要对每台仪表进行单校和对各个回路联校等。
调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。
3-6 什么是直接参数与间接参数？这两者有何关系？选择被控参数应遵循哪些基本原则？
直接参数:直接反应生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。
间接参数: 能间接反应产品质量和产量又与直接参数有单值对应关系的、易于测量的参数作为被控参数。
直接参数与间接参数有单值对应关系。
归纳起来：
1）选择对产品和质量、安全生产、经济运行等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数2）当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数
3）被控参数必须有足够的灵敏度
4）被控参数的选取考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。
3-18 已知模型调节器的传递函数10.17()0.08s
Wc s s
+=
，采用数字PID 算式实现，试分别写出相
应的位置型PID 和增量型PID 算式。设采样周期为T=0.2s 。
10.171
() 2.125(1)0.080.17s Wc s s s
+==+，
位置型PID 0() 2.125() 1.176()k j u k e k e j =??
=+????
∑
增量型PID 算式 {}() 2.125()(1) 1.176()u k e k e k e k ?=--+
4-1 什么叫串级控制系统？
串级控制系统结构可用下图表示：
4-2 与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？ 1、改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作效率 2、大大增强了二次扰动的克服能力 3、一次扰动有较好的克服能力
4、副路参数变化具有一定的自适应能力
4-3 与单回路相比，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、大大增强了对二次扰动的克服能力
212
2()()c c c D c
Q s K K Q s K =，12
c c c K K K 意味着串级副回路的存在能迅速克服进入副回路的二次扰动、
大大减小了二次扰动的影响，提高了控制质量。 2、对一次扰动有较好的克服能力
11022()1
()()()()
c D v m Q s Q s W s W s W s ≈，022()()()1v m W s W s W s <意味着串级控制系统的抗一次扰动的能力要比单回路控制系统略强一些。
4-8 串级控制系统通常可用在哪些场合？ 1、 用于克服对象较大的容量滞后
2、 用于克服对象的纯滞后
3、 用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
4、 用于克服对象的非线性
4-11 前馈控制与反馈控制各有什么特点？
前馈控制与反馈控制的特点：检测：前馈控制测干扰，反馈控制测被控量；效果：克服干扰，前馈控制及时，理论上可实现完全补偿，“基于扰动消除扰动” ；经济性：克服干扰，前馈控制只能一对一，不如反馈控制经济；稳定性：前馈为开环，不存在稳定性问题（只要每个环节都稳定）反馈则不同，稳定性与控制精度是矛盾的；控制规律：前馈控制器的控制规律取决于被控对象和扰动通道的特性，控制规律往往比较复杂 。
4-12 在什么条件下前馈效果最好？
前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使系统得到良好的动态品质。
4-16 冷凝器温度前馈-反馈符合控制系统如图4-23所示。已知扰动通道特性61.05()=411s
f e W s s -+；
控制通道特性80.9()=551
s
o e W s s -+；温度调节器采用PI 规律。试求该复合控制系统中，前馈控制器
的数学模型()m W s ？
621.05() 1.17(551)411()0.9()411551
s
s f m o e W s e s s W s e W s s s -++=-=-=-++
4-19 为什么大滞后过程是一种难控制的过程？它对系统的控制品质影响如何？
由过程控制通道中存在的纯滞后，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动，因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间，被公认为较难控制的过程。
当/T τ增加时，过程中的相位滞后增加而使超调量增大甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故，此外大滞后会降低整个控制系统的稳定性。
4-25 什么叫比值控制系统？常用比值控制方案有哪些？并比较优缺点。
凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。
开环比值控制: 简单、成本低；只有当Q1变化时才起控制作用；Q2变化时Q1不会响应，比例关系被破坏。
单闭环比值控制: 能克服开环比值方案的不足。优点：不但能实现流量的副量跟随主量变化，而且能克服流量干扰等。缺点：主流量不受控。
双闭环比值控制：能克服单闭环主流量不受控的不足。升降负荷比较方便。
变比值控制：在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化。比值只是一种手段，不是最终目的，而第三变量Y(s)往往是产品质量指标。
4-27 设计比值控制系统时需解决哪些主要问题？
4-29 在制药工业中，为了增强药效，需要对某种成分的药物注入一定量的镇定剂、缓冲剂或加入一定的酸或碱，使药物呈现酸性或碱性。这种注入过程一般在一个混合槽中进行。生产要求药物与注入剂混合后的含量必须符合规定的比例。同时在混合过程中不允许药物流量突然发生变化，比免引起混合过程产生局部的化学反应。
为了防止发生要求流量q 产生急剧变化，通常在混合槽前面增加一个停留槽，如图4-93所示，使药物流量先进入停留槽，然后再进入混合槽，同时停留槽设有液位控制，从而使q 经停留槽后的流量q1平缓变化。为了保证药物与注入剂按严格规定的比例数值混合，设计了图示比值控制系统流程图。试由控制流程图画出框图，确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。 V 1 气关式 LC 反作用 F 1C 正作用
V 2 气开式 F 2C 反作用
4-30 什么叫分程控制？怎样实现分程控制？
由一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上控制阀动作的系统称为分程控制系统。
分程控制是通过阀门定位器或电气阀门定位器来实现的。
4-42 什么叫解耦控制，若已知相对增益矩阵为1001??
????，试问这两个回路需要解耦吗，为什么？ 变量间的耦合给过程控制带来了很大困难。而单回路控制系统是最简单的控制方案。因此解决多变量耦合过程控制的最好方法就是解决变量之间不希望的耦合，形成各个独立的单输入单输出控制通道，使得该过程的传递函数为：
1122()0
()
()0
()nm W s W s W s W s ?????
?=?????
?
1221()()0W s W s ==表示过程无耦合，可按单回路控制方法独立整定调节器参数。
4-43 已知3*3系统各通道静态增益矩阵K 为
0.58-0.36-0.360.73-0.610111K ????=??
????
试求相对增益矩阵，选择最好的控制回路，并分析该过程是否要解耦。
0.62-0.460.84K.*(inv(K)')0100.380.460.16??
??=??????
u3对y1, u2对y2, u1对y3, 需要解耦
4-45 图4-101所示的2*2过程，欲使1y 与2u 和2y 与1u 配对构成两个回路，试求两个装置的数学模型。
111()F W W s =-,222()F W W s =-
4-46 解耦控制系统工程实施中需要注意哪些问题？什么叫部分解耦？它具有什么特点？ 1、稳定性 2、部分解耦
3、解耦系统的简化
部分解耦是一种有选择的解耦，使用时必须首先确定哪些过程是需要解耦的，对此通常有两点可以考虑：
1）被控参数的相对重要性。对重要控制回路解耦。
2）被控参数的响应速度。响应快的被控参数受响应慢的参数通道的影响小；对响应慢的通道解耦。
4-47 什么是模糊集合，什么是清晰集合，它们各有什么特点？ 模糊集合可用隶属函数表示，
1
()(0,1)0A x A x x A x A μ∈??
=????
属于的程度
式中，A 称为模糊集合，由0,1及()A x μ 构成，()A x μ表示元素x 属于模糊集合A 的程度，取值范围是[0，1]，称()A x μ为x 属于模糊集合A 的隶属度。
1、隶属函数的值域为[0,1]，它将普通集合只能取0，1两个值，推广到[0,1]闭区间上连续取
值。隶属函数的值越接近于1，表示元素属于模糊集合的程度越大。反之，越接近于0，表示元素属于模糊集合的程度越小。
2、隶属函数完全刻画了模糊集合，隶属函数是模糊数学的基本概念，不同的隶属函数所描述的模糊集合也不同。
清晰集合可用特征函数表示，
1
()0
A x A x x A μ∈?=?
??
例如“男人”和“女人”这样一对集合是有明确界线的，可用特征函数来表示。然而，对于诸如“速度的快慢”、“年龄的大小”、“温度的高低”等模糊概念没有明确的外延。
4-48 试比较隶属函数与特征函数的相同点和不同点。
1、隶属函数的值域为[0,1]，它将普通集合只能取0，1两个值，推广到[0,1]闭区间上连续取值。
2、隶属函数完全刻画了模糊集合，隶属函数是模糊数学的基本概念，不同的隶属函数所描述的模糊集合也不同。
特征函数可用来表示有明确界线的集合，如“男人”和“女人”这样一对集合。然而，对于诸如“速度的快慢”、“年龄的大小”、“温度的高低”等模糊概念没有明确的外延。
4-52 已知U V ?中的模糊关系Q 和V W ?中的模糊关系R 分别为
10.30.50.20.70.40.600.8Q ????=??????0.610.40.40.20.50.70.70.8R ????=??????
试求U W ?中的合成关系S Q R =和T R Q =。
10.30.50.610.40.610.50.20.70.40.40.20.50.40.40.50.600.80.70.70.80.70.70.8S Q R ????????????===??????????????????
0.610.410.30.50.60.70.50.40.20.50.20.70.40.50.30.50.70.70.80.600.80.70.70.8T R Q ??
????
??
????===??????????????
????
4-53 基本模糊控制器有哪几部分组成，简述各部分在构成控制系统中的作用。
1、模糊化接口（Fuzzy Interface ） 将确定量的转换成模糊量，作为模糊推理机的输入。
2、知识库（Knowledge Base —KB ） 知识库由数据库和规则库两部分构成。
（1）数据库 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值（即经过论域等级离散化以后对应值的集合），若论域为连续域则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。
（2）规则库 模糊控制器的规则库基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成。 3、推理与解模糊接口（Inference and Defuzzy-Interface ）
推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于专家系统中。
4-54 设模糊推理规则为“若A 则B ”，已知123450.40.710.80.3A x x x x x =
++++，123
0.30.71
B u u u =++，
如果输入量为2x ，试用强度转移法求出输入量u 。若输入为5x ，则u 应为多少？
0.30.40.40.30.70.70.3
0.710.30.70.80.30.30.3R ??
??
??
=????
?????? ，[]
[]0.3
0.40.40.30.70.7010000.30.70.70.30.710.30.70.80.30.30.3??
??
??
=????
??????
，
[][]0.3
0.40.40.30.70.7000010.30.30.30.3
0.710.30.70.80.30.30.3??
??
?
?
=????
??????
4-56 解模糊有哪几种算法，试用所列算法计算上题的清晰输出？ 1） 最大隶属度法; 2）重心法
(A×B)=[]0.40.40.40.40.70.40.70.60.410.610.410.60.80.40.80.60.30.30.30.3????????????
=????????????????????
R=(A×B)T1×C=
[][]
0.4
0.40.40.40.70.60.410.60.40.80.60.30.30.30.30.710.3
0.40.40.30.40.40.30.40.40.30.40.40.30.70.70.30.60.60.30.40.40.30.710.30.60.60.30.40.40.30.70.80.30.60.60.30.30.30.30.30.30.3
0.30.3T
???????????=?????
?
?
?
??
?
??
?
??
??
????
??
????
??
??
??
?
(A1×B1)T2=[]000100000000000 模糊输出为[]0.30.40.4
最大隶属度法(u2+u3)/2;重心法：(0.3*u1+0.4*u2+0.4*u3)/1.1
4-57 基本模糊控制器有哪些设计内容，其转移系数e k 、c k 、u k 如何选定？ 1、定义输入输出变量
2、定义所有变量的模糊化条件
3、设计控制规则库
4、设计模糊推理结构
5、选择精确化策略的方法
确定各输入、输出变量的变化范围，量化等级和量化因子K ,k ,k e c u 。例如，三个语言变量的量化等级
都为9级，即
x,y,z={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}
误差e 的论域为[-50,50]，误差变化de 的论域为[-150,150]。控制输出u 的论域为[-64,64]。则各比例因子为：
K =4/50,k =4/150,k =64/4=16e c u
4-58 讨论基本模糊控制器在实际应用的缺点，你认为应从哪些途径加以改进，简述某种方法的思路。
基本模糊控制器在实际应用的缺点：
1、固定转换系数将难以同时满足动态和静态的要求，一种改善的方法是在输入不同的时候设置不同的转换系数，例如将偏差分成几个区域，每个区域有不同的系数，随着偏差的减小，系数也跟着减小，这样小偏差就不会产生大的超调。
2、基本模糊控制器相当于PD 控制，所以静态性能不理想，如果能实现PI 控制的功能，就可以做到无静态偏差，这个设想可通过改变规则来得到。
3、基本模糊控制器存在着控制性能的缺陷，基本的补救方法就是增加积分作用，构成一个混合结构，称为模糊PID 控制器。
4、基本模糊控制器的参数都是事先一次设置好的，这些参数允许不是唯一的，这就会带来控制结果的分散，无法加以优化。当过程参数出现变化时，它有相对较好的鲁棒性，但控制性能的偏离也较大。自适应控制是提高控制品质和鲁棒性的有效手段，自适应的本来意义是能自动辨识被控过程参数或状态的变化，并随之在线修正控制器的参数，使过程输出跟踪某个参考输出，或者达到某种性能指标的最优。
5-1 什么是集散系统？集散系统的特点是什么？
集散系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C 技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
DCS 具有如下几个突出的特点：1.分散控制，集中管理；2.采用局域网通信技术；3.采用模块化结构，系统扩展方便
5-2 与仪表控制系统相比较，集散系统有哪些相同处？有哪些不同处？
集散控制系统的特点 DCS 控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比， 具有很显著的特点。 1、系统构成灵活。从总体上看，DCS 就是由各个工作站通过网络通信 系统组网而成的。你可以把他现象成“因特网”。根据生产需求，你可以 随时加入或者撤去工作站。
系统组态很灵活。2、操作管理便捷。DCS 的人机反馈都是通过CRT 跟键盘、鼠标等实现的。你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。3、控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。4、信息资源共享。你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在DCS 系统中，并且权限够大，你就能了解到你要的任何参数。5、安装、调试方便。相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线。DCS 系统算是很方便了。6、安全可靠性高。
5-3 与计算机直接控制相比较，集散系统有哪些共同点？有哪些不同点？
与计算机直接控制相比较，集散系统有控制功能分散、危险分散，而参数显示和操作高度集中的优点。
思考题答案 1.1直流电动机有哪几种调速方式？各有那些特点？ 答：a改变电枢回路电阻调速法外加电阻Radd的阻值越大，机械特性的斜率就越大，相同转矩下电动机的转速越低b减弱磁通调速法减弱磁通只能在额定转速以上的范围内调节转速c调节电枢电压调速法调节电枢电压调速所得的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速以下实现平滑调速。 1.2为什么直流PWM变换器-电动机系统比相控整流器-电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：a PWM变换器简单来讲调节的是脉冲串的宽度，直流成分没有受到破坏，也就是说其最大值=峰值是不变的，变的是平均值； b 相控整流，是由交流整流得到的直流，虽然也是平均值在变，但是其最大值、峰值也是随着导通角的大小时刻在变，且导通角越小波形的畸变越严重。从而影响了电机的输出特性。 答：直流PWM变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。其中直流PWM变换器的时间常数Ts 等于其IGBT控制脉冲周期（1/fc），晶闸管整流装置的时间常数Ts通常取其最大失控时间的一半（1/（2mf）。因fc通常为kHz级，而f通常为工频（50或60Hz）为一周内），m整流电压的脉波数，通常也不会超过20直流PWM变换器间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。 1.4简述直流PWM 变换器电路的基本结构。 答：直流PWM 变换器基本结构如图，包括IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整流滤波后送往直流PWM 变换器，通过改变直流PWM 变换器中IGBT的控制脉冲占空比，来调节直流PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。 1.5 答：不会
2012-2013 学年第一学期期末考试试卷 《现代控制系统》研究生课程 2012.12 姓名 学号 班级 成绩 一、 填空（共20分） 1. 非线性系统可能有多个平衡点，是因为 可能存在多个极点 。（2分） 2. 如果一个系统是稳定的，但不是渐近稳定而是临界稳定的，则该系统的最终状态 可能是 在极限环上震荡 。（2分） 3. 系统的鲁棒性是在外界干扰或模型发生变化时系统性能的保持能力 。 （2分） 4. 系统的可观性定义为 对于任一给定的输入u （t ），存在一有限观测时间，使得 此期间测量到的输出y （t ），能唯一地确定系统的初始状态x （t0），则称此状态是可观测的 。线性系统的可观性判据为 可观测性判别矩阵满秩 。用观测器估计的状态进行状态反馈控制而二者又互不影响是基于 分离 原理（4分） 5. 6. 频率响应的输入信号为 正弦信号 。（2分） 7. 线性定常系统的相对稳定性可用 幅值裕度 和 相位裕度 表示。（2分） 8. 已知一个系统开环传递函数为 1) 4)(s 2)(s (s 50 G(s)+++= ,用MATLAB 语言编 程实现该系统的单位负反馈阶跃响应 a=[50]，b=[1,7,14,1]，sys=tf(a,b) sys1=feedback （sys ，1，-1） （4分）
二、分析和计算题（共80分） 2．1 考虑如下的质量弹簧阻尼系统，每个质量块的质量分别为1m 和2m ，1k 、2k 和3k 为弹簧的弹性系数，1b 、2b 和3b 为速度阻尼系数，列出在外力1e f 和 2e f 的 作用下每个质量块的位移分别为1q 和2q ，利用位移和速度作为状态量、位移1q 和 2q 为输出，写出运动学方程并表达为状态空间的形式。（7分） 题2.1图 2．2 给定性定常系统为： 3 1.75 1.2524 0000 1 00u ---???? ????=+???????????? x x 试设计状态反馈控制器u =-Kx ，希望该系统的闭环极点配置为* 1 4λ=-， * 24λ=-和*35λ=-。（7分） 2．3 如下定常非线性系统 ()2 12122 2211122212 2cos 21sin 3x x x x u x x x x x x y x x u u ?=++??=+++??=++-?? 给出该系统关于 =x 0 的线性化表达式。（7分）
《过程控制系统》习题解答 1-1 试简述过程控制的发展概况及各个阶段的主要特点。 答：第一个阶段50年代前后：实现了仪表化和局部自动化，其特点： 1、过程检测控制仪表采用基地式仪表和部分单元组合式仪表 2、过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统 3、被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数 4、控制的目的是保持这些过程参数的稳定，消除或减少主要扰动对生产过程的影响 5、过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题 第二个阶段60年代来：大量采用气动和电动单元组合仪表，其特点： 1、过程控制仪表开始将各个单元划分为更小的功能，适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统 2、计算机系统开始运用于过程控制 3、过程控制系统方面为了特殊的工艺要求，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统（串级控制、比值控制、均匀控制、前馈控制、选择性控制） 4、在过程控制理论方面，现代控制理论的得到了应用 第三个阶段70年代以来：现代过程控制的新阶段——计算机时代，其特点： 1、对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算系统进行多参数综合控制 2、自动化技术工具方面有了新发展，以微处理器为核心的智能单元组合仪表和开发和广泛应用 3、在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用 4、集散控制系统的广泛应用 第四个阶段80年代以后：飞跃的发展，其特点： 1、现代控制理论的应用大大促进了过程控制的发展 2、过程控制的结构已称为具有高度自动化的集中、远动控制中心 3、过程控制的概念更大的发展，包括先进的管理系统、调度和优化等。 1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？ 过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。 一、连续生产过程的自动控制 连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的（如采用控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。 二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。 三、被控过程是多种多样的、非电量的 现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些过程的机理（如发酵等）复杂，很难用目前过程辨识方法建立过程的精确数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。 四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制 因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制。
电力拖动自动控制系统复习（14电气工程本） 一．题型 填空（20）、选择（10）、简答（30）、计算（40） 二．各章节内容提要 （一）绪论——基本概念 1.运动控制系统的组成（电动机、功率放大与变换装置、控制器、相应的传感器）【P1】【填空】 2.直流电机的数学模型简单，转矩易于控制。交流电机具有结构简单等优点，但其动态数学模 型具有非线性多变量强耦合的性质。【P3】【填空】 3.转矩控制是运动控制的根本问题，磁链控制与转矩控制同样重要。【P5】【填空】 4.典型的生产机械负载转矩特性主要包含恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机与泵类负载 特性。【P5】【填空】 （二）第2章 1．基本概念 （1）直流调速转速公式、方法。【P7】【填空】 公式：方法：1）调节电枢供电电压U； 2）减弱励磁磁通； 3）改变电枢回路电阻R （2）可控直流电源（G-M系统、V-M系统、PWM变换器）【P9】【填空】 （3）增设平波电抗器来抑制电流脉动，总电感量的计算。【P12】【选择题】 三相桥式 三相半波 单相桥式 （4）失控时间的选择【p15】【选择题】 整流电路形式最大失控时间 单相半波20 10 单相桥式（全波）10 5 三相半波 6.67 3.33 三相桥式 3.33 1.67 ★★★★（5）PWM调速系统的优越性表现【p16】【简答题】 ○1主电路简单，需要的电力电子器件少；
○2开关频率高，电路容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小； ○3低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； ○4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； ○5电力电子器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； ○6直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高 （6）不可逆PWM系统中，γ与ρ的关系。【P17】 γ=ρ （7）泵升电压【P20】【填空题】 对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高 （8）调速系统的稳态性能指标S与D及相互之间的关系。【P21-22】【填空题】 ○1——额定负载时的最高和最低转速 => ○2最低速 => 空载转速 ○3例： ★★★★（9）开环系统与闭环系统比较（4点结论）【P29-30】【简答题】 ○1闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 ○2闭环系统的静差率要比开环系统小得多。 ○3当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 ○4要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 ★★★★（10）闭环系统能减少稳态转速降的实质问题是什么？结合图形分析【P31】【简答题】闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。 （11）反馈控制规律（3点）【P31】【简答题】 ○1比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统 ○2反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定 ○3系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度
第2章 2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？ 答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。特点略。 2-2 简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。 答：直流 PWM 变换器基本结构如图，包括 IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。 2-3 直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？ 答：脉动直流电压。 2=4 为什么直流 PWM 变换器-电动机系统比 V-M 系统能够获得更好的动态性能？ 答：直流 PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。其中直流 PWM 变换器的时间常数 Ts 等于其 IGBT 控制脉冲周期（1/fc），而晶闸管整流装置的时间常数 Ts 通常取其最大失控时间的一半（1/（2mf）。因 fc 通常为 kHz 级，而 f 通常为工频（50 或60Hz）为一周内），m 整流电压的脉波数，通常也不会超过 20，故直流 PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。 2=5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？ 答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流 PWM 变换器的输出。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。 2-6 直流 PWM 变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？答：为电动机提供续流通道。若二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压。 2-7 直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？ 答：不是。因为若开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时，就已经开始下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。2-8 泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？ 答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时，由于二极管整流器的单向导电性，使得电动机由动能转变为的电能不能通过整流装置反馈回交流电网，而只能向滤波电容充电，造成电容两端电压升高。泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿。应合理选择滤波电容的容量，或采用泵升电压限制电路。 2-9 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中，反电动势减小，于是电枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负载增加，稳态时，电机转速会较增加之前降低。 2-10 静差率和调速范围有何关系？静差率和机械特性硬度是一回事吗？举个例子。 答：D=（nN/△n）（s/（1-s）。静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的，）而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的。 2-11 调速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系？为什么必须同时提才有意义？ 答：D=（nN/△n）（s/（1-s）。因为若只考虑减小最小静差率，则在一定静态速降下，允许）的调速范围就小得不能满足要求；而若只考虑增大调速范围，则在一定静态速降下，允许的最小转差率又大得不能满足要求。因此必须同时提才有意义。 2-12 转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁
过程控制系统复习题 一.选择题（每题2分，共10题，共20分） 1.过程控制系统由几大部分组成，它们是：( C ) A.传感器、变送器、执行器 B.控制器、检测装置、执行机构、调节阀门 C. 控制器、检测装置、执行器、被控对象 D. 控制器、检测装置、执行器 2. 在简单控制系统中，接受偏差信号的环节是( B )。 A .变送器 B. 控制器, C. 控制阀 D. 被控对象 3. 串级控制系统主、副对象的时间常数之比，T01/T02＝( )为好，主、副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。 A. 3～10 B. 2～8 C. 1～4 D. 1～2 4. 过渡过程品质指标中，余差表示( )。 A.新稳态值与给定值之差 B.测量值与给定值之差 C.调节参数与被调参数之差 D.超调量与给定值之差 5.PID调节器变为纯比例作用，则( )。 A. 积分时间置∞、微分时间置∞ B. 积分时间置0、微分时间置∞ C. 积分时间置∞，微分时间置0 D. 积分时间置0，微分时间置0 6.( )在阀芯行程比较小时，流量就比较大，随着行程的增加，流量很快地达到最大。 A. 快开流量特性 B. 线性流量特性 C. 抛物线流量特性 D. 等百分比流量特性 7.闭环控制系统是根据( )信号进行控制的。 A.被控量 B.偏差 C.扰动 D.给定值 8.衡量控制准确性的质量指标是( )。 A.衰减比 B.过渡过程时间 C.最大偏差 D.余差 9.对象特性的实验测取常用的方法是( )。 A.阶跃响应曲线法 B.频率特性法 C.比例积分法D．最小二乘法 10.用于迅速启闭的切断阀或两位式调节阀应选择( )的调节阀。 A.快开特性B．等百分比特性C．线性 D.抛物线特性 11.调节具有腐蚀性流体，可选用( )阀。 A.单座阀 B.双座阀 C.蝶阀D．隔膜阀 12.调节阀接受调节器发出的控制信号，把( )控制在所要求的围，从而达到生产过程的自动控制。 A. 操纵变量 B.被控变量 C. 扰动量 D. 偏差 13.串级调节系统主调节输出信号送给( )。 A．调节阀B．副调节器 C. 变送器 D. 主对象 14.在阶跃扰动作用下，过程控制系统的过渡过程出现的形式如下，( )是一种稳定控制系统 A.发散振荡过程 B.等幅振荡过程 C.衰减振荡过程 D.非振荡发散过程 15. 串级控制系统参数整定步骤应为( )。 A. 先主环，后副环 B.先副环后主环 C.只整定副环 D.没有先后顺序 16. 引起被调参数偏离给定值的各种因素称( )。 A.调节 B.扰动 C.反馈 D.给定
运动控制直流部分复习题 一、填空： 1. 调速系统的稳态性能指标主要是指和静差率。 2. 采用V-M系统，当系统处于深调速状态时，功率因数将较。 3. 直流调速系统中，晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成环节， 时间常数称为。 4. 晶闸管-电动机转速、电流双闭环调速系统中，环为内环，环为 外环。 5. 双惯性环节校正成典型Ⅰ型系统，引入的调节器是调节器。 6 直流调速的方法包括改变电枢回路电阻调速、调速和减弱磁通调速。7．闭环调速系统对于_ 的扰动具有抑制作用，而对于_ _的扰动则无能为力。 8．转速、电流双闭环调速系统中，调节_ _的限幅值可以调节系统最大电流；调节_ _的限幅值可以调节UPE的最大输出电压。 9．双极性直流PWM变换器的占空比，当时，输出平均电压为正，要使输出平均电压为负，应使。 二、选择题 1.下列说法正确的是（） A 积分调节器的输出决定于输入偏差量的历史过程。 B 比例控制可以使系统在偏差电压为零时保持恒速运行。 C 比例调节器可以实现无静差。 D 采用积分调节器动态相应快。 2.双闭环调速系统中电流调节器具备的作用为（） A 对负载变化起抗扰作用。 B 对电网电压波动起及时抗扰作用。 C 输出限幅决定允许的最大电流。 D 使转速跟随转速给定电压变化。 3.双闭环调速系统中转速调节器不具备的作用为（） A 对负载变化起抗扰作用。 B 对电网电压波动起及时抗扰作用。 C 输出限幅决定允许的最大电流。 D 使转速跟随给定电压变化。 4.在工程设计中，如果将系统校正成典型Ⅰ型系统的过程，KT值取为（）时为无超调。
A B C D 5. 采用工程设计法的双闭环直流调速系统中，电流环设计成典型（）型系统，引入的电流调节器为（）调节器。 A ⅠPI B ⅡPI C ⅠP D ⅡP 6. G-M直流调速系统中的G指的是哪一种直流电源（）。 A 直流发电机； B 静止整流器； C 脉宽调制电源； D 以上情况均可能。 三、分析与简答 1.在调速系统中，为什么在开环系统中晶闸管整流装置的控制电压前面没有加放大器，而在闭环之后要添加放大器？ 2. 双闭环调速系统中，电流调节器的作用各是什么？ 3.采用双极型PWM变换器的调速系统，当电动机停止时，电枢电流是否等于零，为什么？ 4. 假设某转速单闭环调速系统的电源电压突然降低，则该调速系统将如何进行 调节，请结合稳态结构图加以说明。 5. 转速、电流双闭环直流调速系统设计后，ASR限幅对应倍额定电流，但是在空 载额定励磁稳速运行时突加额定转矩负载，转速不能回到给定转速，请分析原因？ 6. 在转速、电流双闭环直流调速系统中，两个调节器均采用PI调节器。当系统带 额定负载运行时，转速反馈线突然断线，试分析系统进入稳态后调节器、转速、电枢电流的情况。 7. 写出直流电动机反馈闭环调速系统的临界放大系数表达式，并请说明表达式中各个参数含义。 8. 请写出双闭环调速系统起动过程的三个特点。 9. 请简述H型双极式PWM变换器的缺点。 四、设计题 1、某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 直流电动机220V、136A、1460r/min，C e=r，允许过载倍数λ=。 晶闸管装置放大系数40。 电枢回路总电阻Ω。 时间常数T l=，T m=。 电流反馈系数β=A（≈10V/），转速反馈系数α=r（≈10V/n N）。 将电流环校正成典型Ⅰ型系统，取KT=；将转速环校正成典型Ⅱ型系统，取h=5。电流环滤波时间常数；转速环滤波时间常数。 请选择并设计各调节器参数。 2、有一转速、电流双闭环调速系统,已知电动机参数为：P N =，U N =220V， I N=28A，n N=1490 r/min，电枢回路电阻R=Ω,允许电流过载倍数λ=，电 磁时间常数T L=，机电时间常数T m=，主电路采用三相桥式整流电路，触 发整流环节的放大倍数Ks=35，整流电装置内阻R res=Ω，平均失控时间常
运动控制系统 课后习题答案 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少 解：10000.02(100.98) 2.04(1) n n s n rpm D s ?==??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不变， 试问系统能够达到的调速范围有多大系统允许的静差率是多少 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=Ω。相控整流器内阻Rrec=Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少 解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ?==?+= [(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 某龙门刨床工作台采用 V-M 调速系统。已知直流电动机
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交直流调速系统期末考试(运动控制系统)
一．判断题（正确的打√，错误的打×，答案填在题号的前面） 1. （dui ）交 - 直 - 交电压型变频器采用电容滤波，输出交流电压波形是规则矩形波。 2. （错）变频调速效率高，调速范围大，但转速不能平滑调节，是有级调速。 3. （对）有静差调速系统是依靠偏差进行调节的，而无静差调速系统则是依靠偏差对作用时间的积累进行调节的 4. （错）电动机的机械特性愈硬，则静差度愈大，转速的相对稳定性就愈高。 5. （dui ）转速负反馈调速系统能够有效抑制一切被包围在负反馈环内的扰动作用。 6. （ dui）SPWM 即正弦脉宽调制波形，是指与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲列。 7. （cuo ）在一些交流供电的场合，可以采用斩波器来实现交流电动机的调压调速。 8. （错）转速负反馈单闭环无静差调速系统采用比例调节器。 9. （dui ） PWM 型变频器中的逆变器件采用高频、大功率的半控器件。 10. （对）矢量变换控制的实质是利用数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，一个是用来产生旋转磁动势的励磁电流分量，一个是用来产生电磁转矩的转矩分量。 __________________________________________________
二．填空题 1. 根据公式，交流异步电动机有三种调速方法： ① _调压 __ 调速、②__ 串电阻 __ 调速、③ ___变励 磁磁通 _ 调速。 3. IGBT 全称为 __绝缘栅双极晶闸管__ ，GTO 全称为 _门极可关断晶体管__ ， GTR 全称为 _电力晶体管 ______________ 。 4. 异步电动机的变频调速装置，其功能是将电网的恒压恒频交流电变换成变压变频的交流电，对交流电动机供电，实现交流无级调速。 三、选择题 1、变频调速中的变频电源是（C ）之间的接口。 （A）市电电源（B）交流电机（C）市电电源与交流电机 （D）市电电源与交流电源 2、调速系统的调速范围和静差率这两个指标（ B ）。（A）互不相关（B）相互制约（C）相互补充（D）相互平等 3、电压型逆变器的直流端（ D ）。 （A）串联大感器（B）串联大电容 __________________________________________________
习题解答（供参考） 2.1试分析有制动电流通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的？ 解：减小控制电压，使U g1 得正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U d 降低，使得E>U d，电机流过反向电流，电机进入制动状态。0 t< t on 时，通过二极管VD1续流，在t on t 2.4 直流电动机为P N =74kW, U N =220V，I N =378A，n N =1430r/min， Ra=0.023Ω 。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？ 0.1478 当s=20%时 D n N s 1430 0.2 3.1 n(1 s) 115 (1 0.2) 当s=30%时 D n N s 1430 0.3 5.33 n(1 s) 115 (1 0.3) 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机 P N 60kW,U N 220V , I N 305 A, n N 1000r min ，主电路总电阻R=0.18 Ω ,Ce=0.2V?min/r,求： 1) 当电流连续时，在额定负载下的转速降落n N 为多少？ 2) 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率S N 多少？ 3) 若要满足D=20,s≤5%的要求，额定负载下的转速降落n N 又为多少? 解：(1) n N I N R 305 0.18 C e 0.2 274.5rpm (2) s N n N 274.5 n 1000 274.5 21.5% 4-1. 怎样从三相异步电动机的结构特征来区别笼型和绕线型？ 答：转子绕组的作用是产生感应电动势、流过电流和产生电磁转矩，其结构型式有笼型和绕线型两种，笼型转子的每个转子槽中插入一根铜导条，在伸出铁心两端的槽口处，用两个短路铜环分别把所有导条的两端都焊接起来。如果去掉铁心，整个绕组的外形就像一个笼子，所以称为笼型转子。绕线型转子的绕组和定子相似，是用绝缘导线嵌放在转子槽内，联结成星形的三相对称绕组，绕组的三个出线端分别接到转子轴上的三个滑环（环与环，环与转轴都互相绝缘），在通过碳质电刷把电流引出来。 4-2. 怎样使三相异步电动机改变转向？ 答：将同三相电源相联接的三个导线中的任意两根的对调一下，三相异步电动机改变转向。 4-3. 已知一台三相笼型异步电动机的额定功率N P ＝3kW ，额定转速N n ＝2880r/min 。试求 (1)磁极对数；(2)额定时的转差率N s ；(3)额定转矩N T 。 解：(1) 同步转速03000/min n r =，因此电动机磁极对数p 为1； (2) 00300028804%3000 N n n s n --=== (3) 9.55 N N N P T n ==9.95N m ? 4-4. 已知Y112M-4型异步电动机的技术数据为N P ＝4kW ，△接法，额定电压N U ＝380V ，N n ＝1440r/min ，额定电流N I ＝8.8A ，功率因数cos N ?=0.82，效率N η＝84.5%。试求(1)磁极对数; (2)额定运行时的输入功率1N P ; (3)额定时的转差率N s ; (4)额定转矩N T 。 解：(1) 同步转速01500/min n r =，因此电动机磁极对数p 为2； (2) 1 4.73N N N P P kW η== (3) 00150014404%1500 N n n s n --=== (4) 9.55 N N N P T n ==26.5N m ? 4-5. 已知Y132M-4型异步电动机的额定功率N P 为7.5kW ，额定电流N I ＝15.4A ，额定转速 过程控制系统复习题 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998 过程控制系统复习题 一.选择题（每题2分，共10题，共20分） 1.过程控制系统由几大部分组成，它们是：( C ) A.传感器、变送器、执行器 B.控制器、检测装置、执行机构、调节阀门 C. 控制器、检测装置、执行器、被控对象 D. 控制器、检测装置、执行器 2. 在简单控制系统中，接受偏差信号的环节是( B )。 A .变送器 B. 控制器, C. 控制阀 D. 被控对象 3. 串级控制系统主、副对象的时间常数之比，T01/T02＝( )为好，主、副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。 A. 3～10 B. 2～8 C. 1～4 D. 1～2 4. 过渡过程品质指标中，余差表示( )。 A.新稳态值与给定值之差 B.测量值与给定值之差 C.调节参数与被调参数之差 D.超调量与给定值之差 调节器变为纯比例作用，则( )。 A. 积分时间置∞、微分时间置∞ B. 积分时间置0、微分时间置∞ C. 积分时间置∞，微分时间置0 D. 积分时间置0，微分时间置0 6.( )在阀芯行程比较小时，流量就比较大，随着行程的增加，流量很快地达到最大。 A. 快开流量特性 B. 线性流量特性 C. 抛物线流量特性 D. 等百分比流量特性 7.闭环控制系统是根据( )信号进行控制的。 A.被控量 B.偏差 C.扰动 D.给定值 8.衡量控制准确性的质量指标是( )。 A.衰减比 B.过渡过程时间 C.最大偏差 D.余差 9.对象特性的实验测取常用的方法是( )。 A.阶跃响应曲线法 B.频率特性法 C.比例积分法 D．最小二乘法 10.用于迅速启闭的切断阀或两位式调节阀应选择( )的调节阀。 A.快开特性 B．等百分比特性 C．线性 D.抛物线特性 11.调节具有腐蚀性流体，可选用( )阀。 A.单座阀 B.双座阀 C.蝶阀 D．隔膜阀 12.调节阀接受调节器发出的控制信号，把( )控制在所要求的范围内，从而达到生产过程的自动控制。 A. 操纵变量 B.被控变量 C. 扰动量 D. 偏差 13.串级调节系统主调节输出信号送给( )。 A．调节阀 B．副调节器 C. 变送器 D. 主对象 14.在阶跃扰动作用下，过程控制系统的过渡过程出现的形式如下，( )是一种稳定控制系统 A.发散振荡过程 B.等幅振荡过程 C.衰减振荡过程 D.非振荡发散过程 15. 串级控制系统参数整定步骤应为( )。 A. 先主环，后副环 B.先副环后主环 C.只整定副环 D.没有先后顺序 16. 引起被调参数偏离给定值的各种因素称( )。 A.调节 B.扰动 C.反馈 D.给定 17.依据所测物理量的不同, 控制系统可分为( )。 A.压力控制系统、物位控制系统、流量控制系统、温度控制系统等 B.指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等 C.离散型和连续型 习题解答（供参考） 习题二 2.2 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解：10000.02(100.98) 2.04(1)n n s n rpm D s ?==??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 。 2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落 15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不变， 统允许的静差率是多少？ 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511 D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？ 解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ?==?+= [(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V ?min/r,求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落N n ?为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少？ （3）若要满足D=20,s ≤5%的要求，额定负载下的转速降落N n ?又为多少? 解：(1)3050.180.2274.5/min N N n I R Ce r ?=?=?= 《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 图1-27系统方块结构图 解：系统的模拟结构图如下： 图1-30双输入--双输出系统模拟结构图 系统的状态方程如下： u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x p p p p n p b 161116613153 46 1 5141313322211 +-- =+-==++--== =??? ?? ? 令y s =)(θ，则1x y = 所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 []????? ? ??? ? ??????????=??????? ???????????????+?????? ?????????????????????????? ????????????? ?----- =????????????????????????????? ?65432116543211111111 2654321000001000000 0000 0001001000000 000001 0x x x x x x y u K K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p p p n p b 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 U 图1-28 电路图 解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y = 有电路原理可知：? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+--=?? ? 写成矢量矩阵形式为： 精品文档过程控制系统考试试题汇总(预测) 编辑：郭长龙河南工业大学 一：填空题28分 1?过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程、测量变送等环节组成。 2.过程控制系统由工程仪表和被控过程两部分组成。 3?过程控制仪表的测量变送环节由传感器和变送器两部分组成。 4.过程检测仪表的接线方式有两种：电流二线制四线制、电阻三线制 5?工程中，常用引用误差作为判断进度等级的尺度。 6?压力检测的类型有三种，分别为：弹性式压力检测、应变式压力检测、压阻式压力检测 7?调节阀按能源不同分为三类：气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀&电动执行机构本质上是一个位置伺服系统。 9 ?气动执行结构主要有薄膜式和活塞式两大类。 10. 理想流量特性有四类，分别是直线、对数、抛物线、快开。 11. 过程数学模型的求取方法有三种，分别是机理建模、试验建模、混合建模。 12?PID调节器分为模拟式和数字式两种。 13?造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。 14?自动控制系统稳定运行的必要条件是：闭环回路形成负反馈。 15?DCS的基本组成结构形式是三点一线”。 二：名词解释20分 1?过程控制：指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。 2?积分饱和：在积分控制范围内，积分控制输出与偏差的时间积分成正比，当控制输出达到一定限制后就不在继续上升或下降，这就是积分饱和现象。 3?串级控制系统：值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，由副控制器的输入去操纵调节阀，从而对住被控变量具有更好的控制效果。 4?比例控制系统：凡是两个或多个参数自动维持一定比例关系的过程控制系统，称为比例控制系统。5均匀控制系统：控制量和被控量在一定范围内都缓慢而均匀的变化的系统，称为均匀控制系统。6?超驰控制系统：指在一个控制系统中，设有两个控制器，通过高低值选择器选出能适应安全生产状态的控制信号，实现对生产过程的自动化控制。 7?分程控制系统：一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上调节阀动作的系统称为分程控制系统。 8?阀位控制系统：是综合考虑快速性、有效性、经济性和合理性的一种控制系统。 9?集散控制系统：是把控制技术、计算机技术、图像显示技术及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视控制和管理的系统。 10?现场总线：是指将现场设备与工业控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分枝的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。 三：简答题32分 1?什么是PID，它有哪三个参数，各有什么作用？怎样控制？ 答：PID是比例-积分-微分的简称。其三个参数及作用分别为： (1 )比例参数KC,作用是加快调节，减小稳态误差。 (2)积分参数Ki，作用是减小稳态误差，提高无差度 精品文档 考试题型及分数分配 1 判断题（20分，10~20小题）范围广， 2 选择题（20分，10~20小题）内容深，细节区分 3 填空题（10分，10小题） 4 设计题（10分，2小题） 5 简述题（10分，2小题） 6 无传感器算法：磁链、转矩的计算算法 异步电动机转子磁链和定子磁链的估算、转矩的估算 7 分析计算题（20分，3小题） 直流调速系统 一判断题 1弱磁控制时电动机的电磁转矩属于恒功率性质只能拖动恒功率负载而不能拖动恒转矩负载。（Ⅹ） 2采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M法适用于测高速，T法适用于测低速。（√） 3只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。（√） 4直流电动机变压调速和降磁调速都可做到无级调速。（√） 5静差率和机械特性硬度是一回事。（Ⅹ） 6带电流截止负反馈的转速闭环系统不是单闭环系统。（Ⅹ） 的大小并非仅取决于速度7电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压U k *的大小。（√） 定 U g 8双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。（Ⅹ） 9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。（Ⅹ） 10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。（√）11双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。（Ⅹ） 与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。（Ⅹ） 12α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段（√）13转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。（Ⅹ） 14 电压闭环相当于电流变化率闭环。（√） 15 闭环系统可以改造控制对象。（√） 16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形电工学概论习题答案_第四章
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