控制工程期末复习四川理工.docx

1、控制工程期末复习四川理工川理控制工程 复习提纲考题回忆：填空：最后一次可老师讲的肯定要考的，那些空，还是很简单，不偏。选择：我这届考的多选，就是被控变量超控变量选择，锅炉汽包液位过热蒸汽.K变成KI后，比例带或者增益如何改变；解答：smith原理及原理图Gp（S)=.积分饱和概念及反正有一个系统是需要用积分外反馈的，书上有，考了很久想不起了，学弟自己翻书，在书的左下角。大题：我这届的大题，分程；选择性；选择性；串级，串级加前馈，串级+反馈，这是一个大题里的。大题每个题都会问气开气关的选择及原因，正反作用。除了设计题，其余最多就是画方框图。差不多就记得这些了，记得下载，尸兄是赚文库财富的，自动化

2、自己的作业和学校资料都有上传。第一 部分 单回路1. 单回路控制系统一般包含哪几个基本环节？控制系统中的被控对象是指什么？单回路控制系统有4个基本环节组成，即被控对象或者被控过程、测量变送装置、控制器、控制阀；被控对象 是指被控制的生产设备或装置。2. 评价控制系统的性能指标主要有哪两大类？各有什么特点？p44时域控制性能指标：稳定性、准确性、快速性、偏离度。阶跃响应的特征参数衰减比 超调量 回复时间 余差 偏差积分性能指标：偏差积分综合指标3. 偏差平方值积分（ISE）指标作控制器参数的最佳整定与偏差绝对值积分(IAE)指标相比，哪个最大偏差大 ？为什么？ISE指标，是用偏差的平方值来加大对

3、大偏差的考虑程度，着重于抑制过程中的大偏差，IAE具有较快的过渡过程和不大的超调量，是一种常用的误差性能指标。ISE偏差最大。4. 反向响应过程的传函有什么特点？系统的开环传递函数有一个具有正实部的零点，整个过程可以分解为两个相反方向的响应，在不同的时刻其作用的大小不同。5. 受控变量的选择原则？检测点的选取时应注意什么？受控变量的选择原则：尽可能选取直接被控变量，少用间接被控变量；要有代表性、独立可控、灵敏度高、工艺成本低。6. 单容过程与多容过程的阶跃响应曲线形状有何质的差别？ 多容过程响应极为缓慢，响应时间长。7. 什么叫自衡过程？什么叫非自衡过程？自衡过程是指系统中存在着对所关注的变量

4、的变化有一种固有的、自然形式的负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡。具有自平衡能力的过程称为自衡过程。反之，不存在固有反馈作用且自身无法恢复平衡的过程，称为非自衡过程。8. 什么叫系统的开环传递函数？什么叫开环传递函数的动态部分？开环系统（没有反馈的系统）的动态特性，它是开环系统中系统输出的拉氏变换与系统输入的拉氏变换之比，即C(s)/R(s)；在闭环系统中： 假设系统单输入R（s);单输出C(s),前向通道传递函数G（s),反馈为负反馈H(s)：将前向通道传递函数与反馈通路传递函数相乘，即得系统的开环传递函数，假设前向通道传递函数为G(s),反馈通道传递函数为H(s),那么开环传递函数就

5、为H(s)G(s),9. 已知系统开环频率特性KG(j) ，如何求得系统的临界振荡条件？临界振荡条件：| KG(j)|=1且， KG(j)=-180时Wg即为相穿频率。| KG(j)|1时系统不稳定。10. 什么叫临界频率c？什么叫临界开环增益Km ？临界控制增益Kcm 与纯比例调节时的合适的控制增益Kc 有何关系？临界频率c：系统开环传递函数G(j) H(j)与单位圆的交点对应频率为幅穿频率；临界开环增益Km：系统开环传递函数G(j) H(j)根轨迹和虚轴交点对应系统处于临界稳定状态下的增益K,由G(j) H(j)实部虚部为零求得。11. 广义对象各环节静态增益的大小与系统质量有何关系？相对

6、放大系数 控制通道的稳态特性由控制通道放大系数K0表征从控制有效性考虑，K0应适当的大一些干扰通道的稳态特性由干扰通道放大系数Kf表征希望Kf小一些，Kf越小干扰变量对被控变量的影响就越小 12. 影响控制系统性能的因数有哪些？增益的影响、时间常数的影响、时滞的影响、扰动进入系统位置的影响、时间常数匹配的影响、被控变量与操作变量的选择。13. 主要扰动的选择原则？对对象影响最大最明显包含干扰最多的扰动14. 操纵变量的选择办法？操纵变量选择的原则一：当多个输入变量都影响被控变量时，从稳态性质考虑，应该选择其中放大系数大的可控变量作为操纵变量。 操纵变量选择的原则二：操纵变量一般应比其他干扰对被

7、控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择操纵变量，使控制通道的放大倍数适当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响尽可能小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。 操纵变量选择的原则三：还要考虑工艺的合理性与生产的经济性15. 阀的流量特性？畸变系数？控制阀流量特性 ：理想流量特性是控制阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为固有流量特性。工作流量特性是在工作状况下（压降变化）控制阀的流量特性。控制阀出厂所提供的流量特性指理想流量特性。理想流量特性可分为线性、等百分比（对数）、抛物线、双曲线、快开、平方根等多种类型。畸变系数：控制

8、阀的理想流量特性是在阀两端压降恒定条件下的流量特性，实际应用时，控制阀两端的压降下降，因此，控制阀理想流量特性发生畸变，16. 阀的气开，气关特性及选择？ 首先要从生产安全出发,即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀回复到全关，气关阀回复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。 从保证产品质量出发，当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量，如精馏塔回流量控制阀常采用气关式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态,防止不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量 从降低

9、原料、成品、动力损耗来考虑。 从介质的特点考虑。17. 用调节阀特性对整个系统特性作补偿的原理是什么？通过合理选择调节阀的流量特性，实现广义对象增益的近似线性。18. P、PI、PID控制规律的适用场合？比例控制 优点：比例控制克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。 缺点：在过渡过程终了时存在余差 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺允许被控变量存在余差的场合。 比例积分控制 优点：系统在过渡过程结束时无余差缺点：系统的超调量、振荡周期都会相应增大，过渡时间也会相应增加。 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺不允许被控变量存在余差的场合。 比例积分微分控制 综合了比例、积分、微分控

10、制规律的优点。适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。 19. 微分作用的使用应注意的问题？去噪；对纯滞后无用；对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。20. 控制器正反作用选择？21. 控制器参数的工程整定的方法？又叫经验法，临界比例度法、衰减震荡法、响应曲线法22. 临界比例度法的步骤？ 1 将控制器的积分时间放在最大值（ ），微分时间放在最小值（ ），比例度 放在较大值后，让系统投入运行。2 逐渐减小比例度，且每改变一次 ，都通过改变设定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察系统的输出，直到过渡过程出现等幅振荡为止，如图所示。此时的过渡过程称为临界振荡过程。3

11、按表中的相应公式，求出控制器的各整定参数。4 将控制器的比例度换成整定后的值，然后依次放上积分时间和微分时间的整定值。23. 响应曲线法整定参数的步骤？将控制器放在纯比例作用，在干扰作用下，从大到小地逐渐改变控制器的比例度，直至系统出现4：1衰减比为止，这时的比例度称为衰减比例度S ，周期称为衰减周期Ts。然后按表中的经验公式计算出控制器的各参数整定数值。24. 如何测取广义对象的阶跃响应？已知阶跃响应，如何求K、T、？先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10以内），在此同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。把对象作为具有时滞的一阶对象来处理：式中

12、 K0对象放大系数；T0对象时间常数；对象时滞。=时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔T0=被控变量y完成全部变化量的63.2所需时间另外一种确定和T0的方法，是把达到39和63响应的时间读出来，分别用t0.39和t0.63来表示，按下式计算T0= 2（t0.63- t0.39）= 2 t0.39- t0.63 25. 什么叫“积分饱和”？它有什么危害？如何防止？积分饱和：对于一个有积分功能的偏差，控制器的积分作用就会对偏差进行累积来改变控制器的输出。如果这时阀门已达到饱和（已全开或全关），而无法继续进行调节，那么偏差将无法消除。然而由于积分作用，控制器的输出仍在增加直到它达到某个极

13、限值并停留在那里，这种情况成为积分饱和。后果：使系统不稳定，可能使产品质量不好，对操作人员的安全构成威胁。防止：（1）当积分输出达到上限值时撤去积分作用，保留比例作用(P)，构成PI-P控制器。这样在偏差减小时，控制器输出能更快脱离上限或下限值；（2）当积分输出达到上限值时使积分输出为零，则保持在上限值或下限值。；基本方式：1.积分分离法2.变速积分 PID 控制算法3.超限削弱积分法4.有效偏差法5.抗积分饱和26. 什么是不完全微分？什么叫微分先行？当信号突变时，PID控制的微分项输出的控制量可能比较大，尤其是阶跃信号时，微分项急剧增加，容易引起调节过程的振荡，导致系统的动态品质下降。不完

14、全微分PID控制算法就是采用一个带惯性的微分环节来克服常规PID控制的这一缺点。它的控制结构如图所示微分先行PID控制是只对输出量进行微分，而对给定指令不起微分作用，因此它适合于给定指令频繁升降的场合，可以避免指令的改变导致超调过大。它的控制结构如图上所示。第二部分 复杂控制 串级系统1. 复杂控制系统分哪两类？各包含哪些系统？包含串级控制系统、均匀控制系统、比值控制系统、分程控制系统、前馈控制系统、多冲量控制系统 。2. 串级系统的“鲁棒性”是指什么？能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响系统的“鲁棒性”增强。注意：主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。3. 什么叫

15、串控制级系统？串级系统有什么特点（优点）？一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的控制器称作串级控制，两个控制器都有自己的测量输入，只有主控制器有独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行器，这样组成的系统叫做串级控制系统。特点：（1）副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；（2）能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性”增强）;（3）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。4. 略述串级系统的设计原则（设计前提、副变量选择、主副控制器控制规律选取、主副控制器防积

16、分饱和）。（1）设计前提：单回路控制系统不能满足控制精度；（2）副变量选择：具有能够检测的副变量且主要干扰包含于副回路中；（3）副对象选择：副对象之后不能太大，以保证副回路快速响应性能，将具有显著非线性或时变特性的部分归于副对象中；（4）主副控制器控制规律选取：主控制器采用PID控制器，流量作副变量的系统副控制器采用PI控制器，温度作副变量的系统副控制器采用微分先行控制器；（5）主控制器防积分饱和：采用主控制器自身输出信号y2经副变量测量环节成为ym2作为积分反馈信号，如图所示；（6）副控制器防积分饱和：当积分输出达到上限值时撤去积分作用，保留比例作用(P)，构成PI-P控制器。这样在偏差减小

17、时，控制器输出能更快脱离上限或下限值；当积分输出达到上限值时使积分输出为零，则保持在上限值或下限值。；基本方式：1.积分分离法2.变速积分 PID 控制算法3.超限削弱积分法4.有效偏差法5.抗积分饱和。5. 如何确定控制器的正、反作用？副控制器：先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。主控制器：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“反”作用，反之，则应选“正”作用。6. 串级系统投运？（必须确保

18、无扰动切换，并用先副后主的原则）前馈控制1. 什么叫前馈控制？为什么前馈控制又称“扰动控制”？P60前馈控制：针对可测量干扰量采用合适的控制作用改变控制量以达到被控变量不受干扰影响的控制规律；基于不变性原理组成的控制系统称为前馈控制系统，是根据不变性原理对干扰进行补偿的开环控制系统。因为前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。2. 在讨论前馈控制时，所谓“不变性原理”是指什么？P61指：通过前馈控制器的校正作用消除扰动达到控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。包括：绝对不变性、误差不变性、稳态不变性、选择不变性。3. 前馈与反馈控制有哪些本质差

19、异（从控制的结构、控制的质量、稳定性诸方面来分析）？P62 前 馈 控 制 反 馈 控 制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强4. 怎样在静态前馈的基础上添加动态前馈（步骤）？（1）在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节或微分环节，以达到对干扰作用的近似

20、补偿。（2）相对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加强延迟作用，反应慢的给它加强微分作用。根据两通道的特性适当调整、的数值，使两通道反应合拍便可以实现动态补偿，消除动态偏差。5. “前馈加反馈控制”是怎样产生的？P64前馈控制系统仍然存在偏差：（1）实际工业对象存在多个扰动，前馈控制系统仅对几个固定扰动专门校正，其他干扰没有加以控制；（2）受前馈控制模型精度的限制；（3）控制仪表做了近似处理。引入反馈对被控变量进行检验，克服多种扰动。6. 前馈控制适用在什么场合？(1)干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。 (2)主要干扰是可测而不可控的变量。(3) 当对象的

21、控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时。大纯滞后控制1. 什么样的过程称为大纯滞后过程？答：一般认为，若纯滞后时间与过程的时间常数T之比大于1.0，则称该过程为具有大纯滞后的工艺过程。2. Smith预估控制的思想是什么？答：基本思想是将纯滞后环节移至控制回路外，一方面由于控制回路不包括纯滞后环节，其控制频率可大幅度提高，控制性能也将显著改善；另一方面，由于新的控制回路的输出与实际对象的输出仅包括一个纯滞后环节，稳态特性完全相同，动态特性也相似。3. 内模控制结构？注意问题？适应性控制1. *什么叫适应性控制？适用场合？答：适应控制系统能自动的调整控制器的参数，以补偿过程特性或环境条件的

22、变化。2. 什么是鲁棒控制？与自适应有何区别？关联和解耦1. 什么叫相对增益？知道几个特殊相对增益值的含义。相对增益用来描述多变量系统中各控制回路之间的关联大小的增益；相对增益为 2. 相对增益阵的求取。相对增益阵性质。P117相对增益阵性质:行列代数和均为13. 什么叫正相关？对于22系统，当kij为正的个数是奇数时，所有的相对增益都在01之间，称为正相关；4. 如何选择变量配对？答：需要对该对象进行相对增益分析。若对象为典型的非线性系统，首先要在某稳态工作点附近进行线性化，再应用相对增益的概念对其进行关联分析。应该选择 最接近1的变量配对。5. 关联对系统稳定性的影响如何？什么叫半边耦合？

23、6. 关联系统控制器参数整定。7. 怎样用前馈法和矩阵法实现解耦控制？答：前馈法：方案一，动态线性前馈解耦。方案二，静态线性前馈解耦。比值控制1. 比值控制的目的是什么？目的是为了实现几种物料按一定比例混合，使生产能安全、正常的进行。2. 各类比值控制的优缺点及适用场合是什么？答：定比值控制系统：（1）开环比值控制：优点：结构简单 缺点：无法保证两流量的比值 适用场合：当副流量较平稳且流量比值要求不高的场合。（2）闭环比值控制：优点：两种物料流量的比值较为精确，实施也较方便 缺点：进入的总流量不固定，可能使整个反应器的热平衡遭到破坏，甚至造成严重事故。 适用场合：非直接去化学反应器的场合 （3

24、）双闭环比值控制系统：优点：既能实现两个流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平衡 缺点：所用仪表较多，投资较高变比值控制系统：优点：按照某一工艺指标自动修正流量比值。 适用场合：当系统中存在其他干扰时。3. 比值控制的实现方案及计算（包括仪表量程选取）？P72答：实施方案：相乘方案和相除方案。4. 比值控制的投运？P74答：与单回路控制相同，是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态的过程。5. 用乘法器实现的变比值控制系统，与采用加法器实现的前馈加反馈控制，在性能上有何区别？6. 用乘法器或除法器实现的比值控制，其流量比值的调整具体是改变什么参数？这些参数与流量比值的关系如何？均匀控制1.

25、什么叫均匀控制？特点？p101均匀控制:完全不同于单纯的液位控制系统，要求液位与出料 同时“均匀”地变化。 特点: (1)不同于常规的定值控制系统，而对被控变量与操纵变量都有平稳的要求；(2)为解决被控变量与操纵变量都希望平稳这一对矛盾，只能要求被控变量与操纵变量都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。(3)均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。2. 均匀控制与一般的定值控制有何不同？同上3. 均匀控制器的参数整定方法及原则？p102.（1）对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律，按单回路工程整定法确定其PI参数。（2）对于主调节

26、器，一般应选择纯比例规律，即积分时间足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而同时确保液位不超出允许范围。有时为减少液位的调节余差，可引入少量的积分作用，但积分时间应大于纯比例控制下系统对于主要扰动的恢复时间。（3）当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波动，可对液位测量信号进行低通滤波。原则：（1）先以保证液位不会超过允许波动范围的角度来设置控制器参数（2）修正控制器参数，使液位最大波动接近允许范围，其目的是充分利用储罐的缓冲作用，使输出流量尽量平稳。分程和阀位控制1. 什么叫分程控制？目的？实现（包括阀形式和区间选择及调整）？分程控制：一台控制器按输出信号不同区间操作不同阀门的

27、控制方式；目的：扩大控制阀的可调范围，改善控制系统品质，满足工艺操作的特殊要求；实现 ：(1)确定阀的气开气关特性；（2）决定分程区间阀形式：区间选择及调整：例题：设大、小两个调节阀的最大流通能力分别为CAmax=100，CBmax=4，可调范围RA=RB=30，两个阀均为气开阀，试求两个阀并联后的可调范围。解：因为 故，可得小阀的最小流通能力为当大、小阀并联组合在一起时，阀的最小流通能力为0.133，最大流通能力为104，所以调节阀的可调范围为分程后阀的可调范围比用单个阀的可调范围约增大了26.1倍，大大扩展了可调范围。2. 阀位控制器的结构形式及参数整定？答：整定：第一步：在阀位控制器处于

28、手动的情况下，按单回路系统整定方法整定主控制器的参数。第二步：将整定好的主控制器参数放好，使主控制器处于自动状态，然后按单回路系统整定方法整定阀位控制器的参数。3. 分程和阀位控制的区别？选择性控制1. 什么叫超驰控制？答：超驰控制又叫选择性控制又叫取代控制。一般来说，凡是在控制回路中引入选择器的系统都可以称为选择性控制系统。2. 生产上为什么要设置起软保护作用的超驰控制系统？为能维持生产的持续运转，避免停车。3. 选择性控制中为什么要考虑防积分饱和？“限幅法”是怎样起防积分饱和的？因为选择性控制中往往有一个控制器具有积分作用，会产生积分饱和；限幅法：用高低值限幅器，使控制器积分反馈信号限制在

29、某个区间。4. 采用“外反馈法”实现防积分饱和的原理是什么？它在超驰控制系统中的应用有什么特点？原理：控制器在开环情况下，采用外部信号作为积分反馈信号，从而切断了积分正反馈，防止了进一步偏差积分作用。第三章部分 典型单元控制流体输送设备的控制1. 流体输送设备的控制有哪几个特点？a控制通道的对象时间常数小,只需采用PI调节器，无须引入微分作用； b测量信号通常带有高频噪声,应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；c静态非线性,应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。2. 如何确定出离心泵的工作点？对于各种控制方案，分析不同控制方法的优

30、缺点？答：泵的特性曲线与管路特性曲线的交点即离心泵的工作点。3. 容积泵的控制方案与离心泵的控制方案有何不同？容积式泵的流量控制特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案（但应这两个回路的动态关联）。4. 什么叫喘振？压缩机为什么要设置防喘振控制？喘振：当压缩机负荷降低到一定程度时，气体的排送可能会出现强烈的震荡，并使压缩机机身也出现剧烈的振动，这种现象称为压缩机的“喘振”，喘振式离心式压缩机固有的特性。 由于喘振现象会严重损坏压缩机机体，这在实际生产过程中是不允许的。因此，在离心式压缩机控制中，要设置防喘振控制。5. 防喘振控制有哪几种控制方案？固定极限流量法的原理

31、，并说明它的缺点？（1）固定极限法防喘振控制；（2）可变极限防喘振控制其原理：当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的入量等于或大于设定值.缺点：当压缩机的转速变化时，如按高转速取给定值，势必在低转速时给定值偏高，能耗过大；如按低转速取给定值，则在高转速时仍有因给定值偏低而使压缩机产生喘振的危险。因此，当压缩机的转速不恒定时，不宜采用这种控制方案。 6. 试详述由表压变送器转换为绝压变送器的原理。你能否举一翻三设计一只由摄氏温度变送器转换为绝对温度变送器的转换器（采用气动表）。设：绝对温度摄氏温度273传热设备控制1. 传热设备有哪些动态特点？对控制规律作如何考虑？答：a，工艺介质入口温度对其出口温度的影响，