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第一章 自动控制基础知识
二、问答题：
1.如图1，这是自动控制系统的原理框图，试指出各个环节的名称（即ABCD四个环节），并说明各个环节的输入和输出的信号名称。
图1 控制系统原理框图
答：A：调节器 B：执行机构 C：控制对象 D：测量环节
r（t）:给定值 b（t）:测量值 e（t）:偏差 p（t）:调节器输出，调节指令 q（t）:调节动作 f（t）:外界扰动信号 y（t）:被控量
2.画出自动控制系统的方框图，并简述各个组成单元的特点。
1）控制对象：被控制的机器、设备或装置。要控制的运行参数称为被控量。 2）测量单元：测量被控量，并转换为标准信号，作为反馈信号送到调节器。组
成：传感器和变送器
3）调节单元：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，
即给定值输入和测量值输入。
4）执行机构：接受调节单元送来的控制信号，改变物质或能量流量，作用于被
控对象。
3.扰动的定义是什么？基本扰动和外部扰动有何区别？
答：引起被控量变化的一切因素称为扰动。显然，扰动量是控制对象的输入量。扰动量可以分为两类：一类是轮机人员无法控制的扰动，称为外部扰动；另一类是轮机人员可以控制的扰动，称为基本扰动。在图中，有两个信号线指向控制对象，它们分别是基本扰动（执行机构的输出）和外部扰动。基本扰动和外部扰动区别在于是否可以控制。
4. 何为反馈？正负馈和负反馈有何区别？
答：被调量的变化经测量单元反送到控制系统的输入端，这个过程称之为反馈。
反馈分为正反馈和负反馈两种。正反馈是指经反馈后可以加强闭环系统输入效应，亦即使偏差e增加。负反馈是指经反馈后可以减弱闭环系统输入效应，亦即使偏差e减小。显然只有负反馈才能随时对被控量的给定值和测量值进行比较，使偏差e不断减小进而保持被控量的稳定在给定值或给定值附近。
5. 简述反馈控制系统的动态过程？
答：从受到扰动开始到达到新的平衡状态的过程就是动态过程，也称为过渡过程。系统经常会受到扰动，系统的平衡状态因而会经常遭到破坏。在实际运行中，调节阀开度的变化量往往会过头，使被控量在向给定值恢复过程中，出现反向偏差，即被控量会围绕给定值上下波动，以后在调节器控制作用下，波动越来越小，最终被控量会稳定在新稳态值（给定值或给定值附近），系统达到一个新的平衡。
6. 静态偏差的定义是什么？
答：静态偏差也称稳态偏差ε，是指在扰动和调节的共同作用下，调节过程结束后，被调参数的新稳态值与给定值之间的偏差，也称为静差。显然，稳态偏差越小，系统的静态精度越高。
7. 何谓上升时间tr和峰值时间tp？其物理意义是什么？
图3 改变给定值的控制系统动态过程曲线
答：对于改变给定值的控制系统，上升时间表示从原来给定值上升到新给定值所
花时间，用Tr来表示；峰值时间是指从原来状态上升到最大动态偏差值时所花时间，用Tp表示，如图3所示。
8.控制系统常采用的典型输入信号有哪几种？
答：主要有阶跃信号、速度信号、加速度信号及脉冲信号等。其中阶跃信号对系统影响最大，所以一般用阶跃信号来评价控制系统的性能。
9.评定定值控制系统动态过程品质有哪些指标?调节器控制作用强弱
对这些指标有何影响?
答：(l)最大动态偏差emax，这是动态精度指标，调节作用强，emax↓，动态精度高；
(2)衰减率?，这是稳定性指标，调节作用强，?↓，稳定性降低； (3)振荡次数N。这也是稳定性指标，调节作用强，N↑，稳定性降低； (4)过渡过程时间ts:这是系统反应快慢的指标，调节作用太强或太弱都会使ts↑。
(5)静态偏差?，这是静态精度指标，调节作用强，?↑，静态精度高。
10.评定改变给定值的控制系统动态过程品质有哪些指标?调节器控制作用强弱对这些指标有何影响?
答：(1)超调量?P,这是稳定性指标，调节作用强,?P ↑，稳定性降低。 (2)上升时间tr,这是系统反应快慢的指标，调节作用强，系统反应快，tr↓； (3)峰值时间tp,这也是系统反应快慢的指标，调节作用强，系统反应快，tr↓；
(4)振荡次数N。这是稳定性指标，调节作用强，N↑，稳定性降低;
(5)过渡过程时间ts。这是系统反应快慢的指标，调节作用太强或太弱，都会使ts↑；
(6)静态偏差?，这是静态精度指标，调节作用强，?↑，静态精度高。
12.写出各种调节规律优缺点、参数调整及适用场合。
答：各种调节器的优缺点、参数调整及适用场合如下表。
名称
双位式
优缺点
优：结构简单 缺：精度差
参数调整 上下限值调整通过改变销钉位置来进行
适应场合
控制质量要求不高的场合，如蒸汽压力控制，液位控制等。
精度要求不高的场合，如液位、压力控制。 实际中不单独使用。 对精度要求高的场合使用。应用最广，多数系统可使用。
实际中不单独使用。液位系统不适用
对惯性大，延迟时间长的系统适应
比例（P）
优：结构简单，调节快，比例带PB，PB↑，比缺：精度差存在静态偏差 例作用减小 优：精度高，无差调节 缺：振荡性强
优：精度高，无差调节；
积分时间TI，TI↑，积分作用减弱
比例带PB，积分时间TI 。由于积分作用，PB要比纯比例调节值高20％
微分时间TD，TD↑，微分作用增强
TD。PB可以比纯比例调
积分（I）
比例积分（PI） 调节迅速，无滞后
缺：最大动态偏差较大
微分（D）
优：能超前调节 缺：对静差无作用 缺：存在静差
比例微分（PD）
优：能超前调节调节迅速 比例带PB，微分时间
节值低20％
比例积分微分（PID）
优：能超前调节，调节迅速，精度高，性能完美 缺：系统复杂，成本高， 比例带PB，积分时间TI，微分时间TD。
适用于对象容量滞后和惯性较大、不允许有静差的系统。
14PB对动态过程品质的影响：
PB小，比例作用强，系统的稳定性差，但最大动态偏差变小，静态偏差变小；
PB大，比例作用弱，系统的稳定性好，但最大动态偏差变大，静态偏差变大。 当PB过大或过小时，过渡过程时间都会加长
15比例作用主导，及时响应偏差 积分作用辅助，消除静态偏差
衡量PI作用的参数：比例系数K和积分时间Ti Ti小，积分输出大，积分作用强； Ti大，积分输出小，积分作用弱； 16微分时间Td衡量微分作用强弱
Td大，微分消失慢，微分作用强； Td小，微分消失快，微分作用弱。 17
18.在双位系统中，用压力继电器检测压力信号，若压力下限调
在0.45MPa，幅差旋纽调在3档，则压力上限值为多少？（幅差范围0.07~0.25MPa）
答：
x?P?PH?PL?0.07?(0.25?0.07)10
x?3,PL?0.45MPa
则，PH?0.574MPa
19. 有一温度控制系统，量程是30～100℃，对应的气压信号是
0.02～0.1MPa，在一次
比例带测试中，当t=50℃时调节器输出为0.098 MPa，当t=42℃时调节器输出为0.088MPa,问比例带带是多大?放大倍数K是多大?
答：放大倍数：