《过程控制与自动化仪表》课程标准、习题及答案 倪志莲

“过程控制与自动化仪表”课程标准

招生对象：高中毕业生及同等学力者教学时数：66H

学历层次：高职课程代码：

修业年限：仝日制三年学分数：3.5

适用专业：电气自动化技术类专业制订人：

一、课程概述

1.课程定位

“过程控制与自动化仪表”是电气自动化技术专业的核心课程，是针对电气

自动化设备装配调试岗位的典型工作任务而设置的课程。通过本课程学习，使学

生掌握过程控制基本知识和常用变送器、控制器、执行器的基本应用，熟悉常用

生产过程自动化设备和典型过程控制系统，具有过程控制系统的集成、组装、调

试、运行、维护、管理等职业能力。

本课程的前导课程有“电子技术”、“电机与电气控制”、“PLC控制技术”等,

后续主要是“岗位综合实训”、“顶岗实习”等实践教学环节。

2.设计思路

(1)内容设计

根据电气设备装配调试员岗位中的仪表校准与参数调整、过程控制系统装配

与调试等典型工作任务，选择来源于企业且涵盖温度、流量、压力、物位等参量

控制的典型过程控制系统，结合行业标准，选取液位定值控制系统、温度定值控

制系统等真实产品作为课程教学项目。遵循学生认知规律，按照由浅入深、由简

单到复杂的原则，进行项目序化，将自动控制系统的建模、自动控制系统的分析

及校正无统融合到项目教学过程中。按控制系统建模、分析及校正、变送器类型

与选择、执行器设计与选型、控制器方案设计与调试等系统调试与运行维护的工

作过程，组织精选教学内容。

(2)教学设计

项目教学以教师为主导、学生为主体，采用“理论+实践”的方法组织实施。

教学过程采用多媒体教学法、实践操作法等教学方法相结合，在课堂教学、仿真

教学与实验操作教学等多种教学手段的配合下，经过理论考核、综合平时表现及

实验考核对学生进行综合评价，以实现本课程教学。

二、课程目标

1.掌握典型控制系统建模、性能分析及校正的方法；

2.具备常用带控制点工艺流程图的识图与制图能力；

3.具备根据工艺与控制要求，合理选择变送器、执行器的选型及调试能力；

4.具备根据工艺和控制要求，合理整定智能PID控制器参数能力；

5.掌握DCS和FCS控制系统安装与调试方法；

6.具有技术资料编写能力；

7.具有一定的沟通能力和团结协作精神。

三、内容标准及实施建议

1.课题/项目安排及学时分配

在设计思路基础上，按照自动控制基础到过程控制系统的原则确定项目及学

时，见表1。

表1课题安排表

课题序号课题名称学时H

1控制系统对象建模16

2控制系统分析方法14

3控制系统校正及控制规律6

4自动化仪表18

5控制系统方案设计及工程整定8

6计算机控制系统4

合计66

2.课题/项目内容及实施

在设计思路基础上，从教学目标、教学内容、重点难点、教学实施建议、教

学资源、教学方法等方面进行教学设计，形成课题教学设计表。

表2课题1教学设计表

课题1控制系统对象建模学时H16

1.了解过程控制基本组成及评价指标；

2.掌握微分方程建模方法；

3.掌握拉氏变换和传递函数建模方法；

教学目标

4.掌握框图建模及化简方法；

5.能时过程控制典型对象进行建模；

6.能使用实验法进行建模。

1.过程控制系统组成及评价指标；

2.微分方程、传递函数及系统框图；

3.典型环节传递函数；

教学内容

4.框图变换及化简；

5.典型被控对象特性及建模；

6.实验法要模。

重点：典型环节传递函数、对象建模方法

重点难点

难点：框图变换及化简

步骤内容方法、资源运用课时

1过程控制系统组成及评价指标多媒体教学法4

2微分方程、传递函数及系统框图多媒体教学法4

3典型环节传递函数多媒体教学法2

多媒体教学法

教学实施4框图变换及化简2

仿真教学法

建议

5典型被控对象特性及建模多媒体教学法2

实验法建模

6实践操作法2

（实验一：对象的特性测定）

采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合

MATLAB辅助分析软件进行教学。

场地：多媒体教室、过程控制实训室

教学资源设备、工具等：多媒体设备、电脑及MATLAB软件

资料：教材、PPT、视频等

重点：对象模型建立

内容：微分方程分析建模、传递函数化筒、典型环节传递函数

考核评价

标准：理论+实操

方式：平时成绩+期末考核

表4课题3教学设计表

课题3控制系统校正及控制规律学时H6

1.掌握系统校正的基本概念；

2.掌握双位控制及特点；

3.掌握比例控制及特点；

教学目标

4.掌握积分控制和比例=积分控制及特点；

5.掌握微分控制和比例-微分控制及特点；

6.掌握PID控制及特点。

1.校正方式及校正装置；

2.双位控制及适用条件；

教学内容3.比例、积分、微分控制及适用条件；

4.PI、PD调节及仿真效果分析；

5.PID调节及仿真效果分析。

重点：PII）调节

重点难点

难点：PID调节

步骤内容方法、资源运用课时

多媒体教学法

1校正基本概念2

仿真教学法

多媒体教学法

2控制规律2

仿真教学法

教学实施

建议3实验四：MATLAB在系统校正中的应用实践操作法2

采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合

MATLAB辅助分析软件进行教学。

场地：多媒体教室、过程控制实训室

教学资源设备、工具等：多媒体设备、电脑及MATLAB软件

资料：教材、PPT、视频等

重点：PID调节

内容：校正基本概念、PID调节

考核评价

标准：理论+实操

方式：平时成绩+期末考核

表5课题4教学设计表

课题4自动化仪表学时H18

1.能进行仪表的连接及准确度选择；

2.掌握温度测量仪表的种类及选型；

3.掌握压力测量仪表的种类及选型；

教学目标4.掌握流量测量仪表的种类及选型；

5.掌握物位测量仪表的种类及选型；

6.掌握数字调节器的使用方法；

7.掌握调节阀的类型及使用方法。

1.仪表基本概念（信号制、连接方法及准确度）；

2.各种温度检测仪表的种类及使用；

3.各种压力检测仪表的种类及使用；

教学内容4.各种流量检测仪表的种类及使用；

5.各种物位检测仪表的种类及使用；

6.AI818的使用；

7.气动与电动调节阀的使用。

重点：各种仪表的选型

重点难点

难点：调节器的使用

步骤内容方法、资源运用课时

1自动化仪表概述多媒体教学法2

2温度变送器多媒体教学法4

差压变送器多媒体教学法

34

（实验五：压力变送器的调校）实践操作法

教学实施4流量变送器多媒体教学法2

建议5液位变送器多媒体教学法2

6控制器多媒体教学法2

7执行器多媒体教学法2

采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合

图片等多媒体教学工具进行教学。

场地：多媒体教室、过程控制实训室

教学资源设备、工具等：多媒体设备、电脑及MCGS组态软件

资料：教材、PPT、视频等

重点：各种仪表的选型及使用

内容：仪表的选型、数字调节器及执行器使用

考核评价

标准：理论+实操

方式：平时成绩+期末考核

表6课题5教学设计表

课题5控制系统方案设计及工程整定学时H8

1.掌握带控制点的工艺流程图的识图方法；

2.掌握简单控制系统设计及参数整定的方法；

3.了解复杂控制系统设计及参数整定的方法；

教学目标4.掌握典型控制单元的控制方案。

1.工艺流程图绘制与识图；

2.简单控制系统方案设计及参数整定：

教学内容3.复杂控制系统方案设计；

4.典型单元控制方案的分析与设计。

重点：简单控制系统方案设计及参数整定

重点难点

难点：复杂控制系统方案设计

步骤内容方法、资源运用课时

1工艺流程图绘制与识图多媒体教学法2

简单控制系统及工程整定多媒体教学法

24

（实验六：单回路液位定值控制系统）实践操作法

教学实施多媒体教学法

3复杂控制系统2

建议实践操作法

采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合

MATLAB仿真工具进行教学。

场地：多媒体教室、过程控制实训宣

教学资源设备、工具等：多媒体设备、电脑及MCGS组态软件

资料：教材、PPT、视频等

重点：简单控制系统方案设计

内容：工艺流程图识图、简单控制系统方案设计及参数整定

考核评价

标准：理论+实操

方式：平时成绩+期末考核

表7课题6教学设计表

课题6计算机控制系统学时H4

1.了解计算机控制系统结构与分类；

2.掌握集散控制系统体系及软硬件功能；

3.掌握PLC液位控制系统的安装与调试；

教学目标

1.计算机控制系统结构与分类；

2.集散控制系统体系结构；

教学内容3.PLC液应控制系统；

重点：集散控制及现场总线控制

重点难点

难点：系统组建

步骤内容方法、资源运用课时

1计算机控制系统概述多媒体教学法・

2集散控制系统多媒体教学法2

教学实施

建议

3现场总线控制系统多媒体教学法]

采用“理论+实践”的教学方法开展教学，对理论分析过程尽量简化，结合

集散控制系统及现场总线控制系统实训装置进行教学。

场地：多媒体教室、过程控制实训室

教学资源设备、工具等：多媒体设备、电脑

资料；教材、PPT、视频等

重点：集散控制及现场总线控制

内容：计算机控制系统分类、集散控制及现场总线控制系统组建方法。

考核评价

标准：理论+实操

方式：平时成绩+期末考核

四、考核评价

课程考核分平时成绩考核和学期期末考核两部分。平时成绩考核包括作业、

出勤率和实验报告三部分。学期期末考核包括应知考核和应会考核两部分，采用

集中考核的方式。课程考核内容如表8所示。

表8课程考核内容

考核形式考核内容分值比例

作业10

平时考核出勤10

实验报告10

应知考核40

学期考核

应会考核30

合计100

五、教学实施条件

1.师资基本条件

教师应具有企业经历，熟悉本行业技术动态，具有扎实的专业知识和熟练的

过程控制系统设计及调试技能，具备较强的语言表达能力及教学组织能力。

2.实践教学条件

为配合课程教学目标的实现，配有过程控制实训室作为教学场地。过程控制

实训室配有“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”4套及各类控制对象，可实

现智能仪表、PLC和DDC三种挣制。通过流量挣制系统安装与调试、液位控制系

统安装与调试、锅炉温度串级控制系统安装与调试等项目实训，可培养工业测量

仪表应用、过程控制系统安装调试技能，同时使学生能熟悉相关岗位工作技能、

学习标准和规范、培养职业素质。

3.教学资源条件

（1）教材的编写与使用建议

教材编写以本课程标准为依据，遵循知识够用为度，重点培养学生实践能力。

知识内容应与教学项目紧密相关，并适当拓宽知沃面。

（2）其他教学资源

课程配有网络教学资源，不仅教师可以利用这些资源进行教学，学生也可以

通过课程资源进行自主学习。课程网络教学资源应包括：课程标准、任务书、电

子课件、电子教材、在线测试、视频动画库、图片库、虚拟仿真库等内容。

六、其它建议和说明

1.教学建议

（1）课程教学建议尽量降低理论知识难度，用MATLAB辅助分析软件进行仿

真教学。

（2）本课程对实践经验及操作技能要求较高，建议由专业技能熟练的骨干

教师或企业技术人员担任主讲教师。

（3）在教学过程中，适当安排学生去企业实地参观学习，提高感性认识。

通过认识企业生产流程，掌握过程控制系统组建方法，提高教学效果。

2.参考手册：

（1）PCS7过程控制集成软件使用手册

（2）MCGS组态软件使用手册

（3）化工装置工艺系统工程设计国家标准

3.参考教材

（1）倪志莲过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2014.1

（2）侯志林过程控制与自动化仪表，机械工业出版社2007.8

（3）张李冬过程控制技术及其应用，机械工业出版社2007.1

（4）唐继英现场总线技术，天津工业大学出版社2008.7

第一章思考题与习题

1.1下列系统中哪些属于开环控制，哪些属「闭环控制？

①家用电冰箱②家用空调器③家用洗衣机④抽水马桶⑤普通车床⑥电饭煲⑦多

速电风扇⑧高楼水箱⑨调光台灯

开环控制：③家用洗衣机⑤普通车床⑦多速电风扇⑨调光台灯

闭环控制：①家用电冰箱②家用空调器④抽水马桶⑥电饭煲⑧高楼水箱

1.2图1-14所示为一压力自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、操纵

变量和扰动变量是什么？而出该系统的框图。

图1-14压力自动控制系统图1-15加热炉温度自动控制系统

被控对象：容器P

被控变量：罐内压力

操纵变量：物料输入流量

扰动变量：出口流量

系统框图如下:

出口流量

1.3图1-15所示是一加热炉温度自动控制系统，试分析该系统中的被控对象、被控变量、

操纵变量和扰动变量是什么？画出该系统的框图。

被控对象：加热炉

被控变量：炉内温度

操纵变量：燃料流最

扰动变量：进料量

系统框图如下：

1.4按设定值的不同恃况，过程控制系统分为哪几类？

过程控制系统分为三类：定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1.5什么是过程控制系统的过渡过程？有哪儿种基本形式？

过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过程控制系统的过渡

过程。控制系统过渡过程有五种基本形式：发散振荡、单调发散、等幅振荡、衰减振荡和单

调衰减。

1.6某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。试

分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和调整时间（设定值为2009）。

图1-16题L6图

最大偏差：30℃

余差：5℃

衰减比:5：1

振荡周期：15min

调整时间：22min

第二章思考题与习题

2.1求取图2-55所示电路的传递函数，图中物理量角标i代表输入，。代表输出。

a）凡⑸书S+1（由分压公式求取）

K="(g+J)

上式中&+-，4=舄G,

e、q（sK(4+1)

熊）=777T

b)(T2S+D

上式中K=4/&,石=&G,TAG

2.2惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？又在什么条件下可近似为积分环节？

惯性环节在T很小的时候可近似为比例环节：T很大的时候可近似为积分环节。

2.3一个比例积分环节和一个比例微分环节相连接能否简化为一个比例环节？

一个比例积分环节和一个比例微分环节相连接不能简化为一个比例环节。

2.4化简图2-56a、b、c所示系统的框图，并求取系统的闭环传递函数。

习题2.4图a)

C(s)_[G](s)G,(s)-当⑸口⑸

R(s)-1+[G。)5(s)-品⑸限⑸为(s)

a/

习题2.4图b)

C(s)二____________________GR)GM5⑹G,G)___________

b)丽\+GiG)G*)5(sW5(s)G3c+5(8)5c

习题2.4图c)

C(s)__________________G](S)5(S)G3(S)__________________

c)-1+GWG3(S)-Gx(S)G2(S)H,(S)+G2(S)(73(S)H2(S)

2.5已知系统的零极点形式的传递函数如下，试将其输入到MATLAB的工作空间中,

并转换成有理函数形式。

lOs+10

有理函数式:G(s)=

s44-9y3+26s4+24s

2.6求下列两个传递函数在串联、并联和负反馈连接时的等效传递函数。

s+1

G⑸=—...-----

s~+2.9+3

GzGA」

5+1

(1)串联时的等效传递函数

G(s)=

($2+25+3)

（2）并联时的等效传递函数

（3）负反馈连接时的等效传递函数

5+1、$-+25+3

G（s）=77亦或G⑸=…+小+1）

2.7已知系统的开环传递函数如下所示，判别各闭环系统的稳定性。

40

①G(s)=

s(0.Is+1)

40

闭环传递函数:①⑶=

0.1/+s+40

特征方程：N(s)=『+]0s+40

特征根：8二=一5±J5V-15=一5±19.4/

根的实部为负,系统稳定。

100

②G(s)=

100

闭环传递函数:①⑶=

52+100

特征方程：W）=52+100

特征根：5112=±10；

根的实部为0,系统不稳定。

10(0.01s+1)

③G(s)=

52(0.LV+1)

0.15+10

闭环传递函数：①(s)=

0.lb。+S?+0.1$+10

特征方程：w)=.y3+io.?2+5+100

特征根：5]2=0.38±3y,53=-10.8

实根为负，但两个虚根的实部为正，系统不稳定。

10(0.45+1)

④G(s)=

siO.ls+l)

45+10

闭环传递函数：=

0.1/+/+4$+10

特征方程：^(S)=S3+1052+405+100

特征根：SI2=-1.9±3.5/,门=-6.1

实根为负，两个虚根的实部为负，系统稳定。

10(0.455+1)

⑤G(s)=

(0.4s+l)(0.5s+l)(0.6s+l)

37.5s+83.33

闭环传递函数:①(s)=

/+6.1671+505+91.67

特征方程：N(s)=53+6.16752+505+91.67

特征根：S[2=-LM±6.1J,53=-2.2

实根为负，两个虚根的实部为负，系统稳定。

2.8试绘制下列系统的对数频率特性曲线。

5

①G(s)=

25+1

由一个比例环节和一个惯性环节组成。

(1)对数幅频特性的绘制

低频段：K=5,L(0),g=2OlgK=14JB,斜率为OdB/dec。

中高频段：T=2s,则交接频率3=0.5rad/s。

在低频段为OdB/dec的直线,经(o=O.5rad/s处，遇-惯性环节,降低20dB/dec,成为

-20dB/dec的斜线。

(2)对数相频特性的绘制

交接频率a）=0.5rad/s处绘制惯性环节的-45。位置。

/dB

20

OdB'dec

14

10

I0<y/(rad/s)

I°3/(rad/s)

10

②G(s)=

(5+(12)(5+5)

将传递函数整理为

10

G(s)=

(55+1)(0.2S+1)

由一个比例环节和两个惯性环节组成。

（1）对数幅频特性的绘制

低频段：K=10,L（e）〃7=201gK=2（WB,斜率为OdB/dec。

中高频段：Ti=5s＞则交接频率a）i=0.2rad/s；T2=0.2s,则交接频率Q）2=5rad/s。

在低频段为OdB/dec的直线，经3i=0.2rad/s处，遇一惯性环节，降低20dB/dec,成为

-20dB/dec的斜线。再经o）2=5rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec,成为-40dB/dec的

斜线。

（2）对数相频特性的绘制

交接频率（0i=0.2rad/s处绘制第一个惯性环节的-45。位置。交接频率o）2=5rad/s处绘制第

二个惯性环节的-135。位置。

25($+02)

③G(s)=

S2(5+10)

将传递函数整理为

0.5(55+1)

G(s)=

?(0.15+1)

由一个比例环节、一个比例微分环节、一个惯性环节和两个积分环节组成。

(1)对数幅频特性的绘制

低频段：K=0.5,3]=201gK=—6clB，斜率为-40dB/dcc。

中高频段:Ti=5s,则交接频率必=0.2rad/s；T2=0.1s,则交接频率s=10rad/s。

在低频段为-4()dB/dcc的斜线，经®=0.2rad/s处，遇一比例微分环节，增加20dB/dcc,

成为-20dB/dec的斜线。再经a)2=10rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec,成为-40dB/dec

的斜线。

(2)对数相频特性的绘制

有两个积分环节，相位从-180。开始绘制，在交接频率⑼=0.2「ad/s处绘制比例微分环节

的-135。位置。交接频率@=5rad/s处绘制第二个惯性环节的-135。位置。

2.9已知某调节器的对数幅频特性如图2-57所示，试写出该调节器的传递函数。

“何I

图2-57习题2.9图

此环节有4个交接频率，分别是：

o)i=0.8rad/s(Ti=1.25s),g=4rad/s(T2=0.25s),cD?=8rad/s(T3=0.125s),ct)4=1OOrad/s

(T4=0.01S)O

此环节低频渐近线为OdB/dec水平线，所以不含积分环节。另由水平线高度为20dB,

则MM|gi=201gK=20JB可得K=10。因此，由图可得出其传递函数为

〜、K(T,s+l)(7；s+l)10(0.255+1)(0.1255+1)

G(5)=-------------:-----=--------------------------

(率+1)(7>+1)(1.25s+1)(0.015+1)

2.10已知某系统的开环传递函数为

/X0.001(1+1005)2_______

时―52(1+1()5)(1+0.1255)(1+0.055)

试绘出系统的开环对数幅频特性。

该传递函数由一个比例环节、两个积分环节、两个比例微分环节及三个惯性环节组成。

低频段：K=O.(X)I,A(3]g[=201gK=-60d8,斜率为-40dB/dec。

中高频段:Ti,2=100s,则交接频率@,2=0.01rad/s；T3=10s,则交接频率⑴3=04rad/s；

T4=0.125s,则交接频率(o$=8rad/s；T5=0.05s,则交接频率g=20rad/s。

在低频段为-40dI3/dcc的斜线，经(01.2=0.01rad/s处，遇两个比例微分环节，增加40dB/dcc,

成为OdB/dec的直线。再经g=0.1rad/s处，再遇•惯性环节，降低20dB/dec,成为-20dB/dec

的斜线。再经①4=8rad/s处，再遇一惯性环节，降低20dB/dec,成为-40dB/dec的斜线。再经

35=20rad/s处，再遇一，惯性环节，降低20dB/dec,成为-60dB/dec的斜线。

MATLAB求解:

0.001(1+IPOs)2_______0.016(s+100)2

G4)=

./(i+lQs)(i+0.125S)(1+0.05s)s2(5+().1)($+8乂s+20)

输入：

»Gl=zpk([-100,-100],[0,0,-0.1,-8,-20],[0.016])

»margin(Gl)

BodeDiagram

Gm=Inf,Pm=-93.1deg(at0.995rad/sec)

200

1oo

m

p

)o

B

p

r

m

u1oo

CeB

w2

oo

3oo

_0

_5

618

822

P_0

)27

31

36

_5

-0

10-310'210'110°101102103io4

Frequency(rad/sec)

2JI已知系统框图如图2-58所示，试用开环对数频率特性曲线判断闭环系统的稳定性。

图2-58习题2.11图

4()10_________10

5(52+5+4)5(0.25$2+0.25s+1)sQSj+2x0.25x0.5s+1)

K=l()./,(〃))g=201gK=2(W8,有一个积分环节，斜率为-20dB/dec。

T=0.5s,交接频率①=2rad/s,4=0.250

L®)

/dB

由开环对数频率特性曲线可知，当L3)过OdB线时，＜p3)在-180。线的下方，即产0,

系统不稳定。

MATLAB求解：

〜、4040

G(s)=—-------=—；---------

s(s+5+4)£+s~+4s

输入：

»Gl=tf([40],[l,1,4,0])

»margin(Gl)

BodeDiagram

Gm=-20dB(at2rad/sec),Pm=-69.5deg(at3.74rad/sec)

50

m

p

)

号

芒

号

50

_1Oo

-9O-

_135-

0

8

P

)18O

s8_一

e

=

d5

_Z2-

27O-

_一

T

1D10°101102

Frequency(rad/sec)

2.12已知单位负反馈系统的开环传递函数为

________10

G(s)=

.v(0.Lv+1)(0.5.94-1)

试绘制系统的对数频率特性曲线，并求出幅值穿越频率&和相位裕量产。

K=10,=201gK=20dB,有一个积分环节，斜率为-20dB/dec。

T尸0.5s,则交接频率®二2rad/s；T2=O.ls,则交接频率（O2=lOrad/s。

由图可知穿越频率ox-4rad/s。

则相位裕量

/=180°-90°-arctan(0.5x4)-arctan。1x4)=90。一63.4°-21.8°=4.8°

MATLAB求解:

10200

G(s)=

s(0.Is+l)(().5s+1)心+1()+2)

输入：

»GI=zpk([0],[0,0,-l0,-2],[200])

»margin(Gl)

BodeDiagram

Gm=1.58dB(at4.47rad/sec),Pm=3.94deg(at4.08rad/sec)

sm

pB

ue

罩

1

50

-90

gG

)p

sgo

ce18

d225

10°101102103

Frequency(rad/sec)

2.13已知某系统框图如图2-59所示，试用MATLAB分析该闭环系统的动态性能。

R⑸4C(s)

―►-----------------------►-------------------------------------------1

_s(s+l)

图2-59习题2.13图

在MATLAB中依次输入以下指令：

»num=[4]

»den=[l,l,OJ

»Gl=tf(num,den)

»G2=fecdback(GLl)

»step(G2)

可得到阶跃响应曲线如下：

StepResponse

1.5

则系统各项动态性能指标为：

上升时间-0.943s,峰值时间tp=1.6ls,超调量o%=44.4%,调整时间k=7.()6s(±2%误差带)。

2.14某最小相位系统的开环对数幅频特性的渐近特性如图2-60所示，试写出系统开环

传递函数，并求此系统的相位稳定裕量

穿越频率

CDc=lrad/so

10

G(s)=

5(0.055+1)(105+1)

/=180°-90°-arctan(0.05xl)-arctan(10x1)=90°-2.86°-84.29°=2.85°

2.15已知某系统框图如图2-61所示，设输入量为«/)=6/(将尸改成/),扰动量为

单位阶跃信号，试求系统的稳态误差《及稳态值C")。

I-O(s)

+

图2-61习题2.15图

由系统的结构图可知：

k、=2,V1=0,k-y=1(),v,=1,cr=1,R(s)=—,D(s)=—

s~s

则在输入信号作用下的稳态误差％「为

6

「一sR(s)

essr=hm----------=同——=0-3

iok&aSTO20

、

*['1+(V+~V)J]a[1+—I

CJ(2s

在扰动信号作用下的稳态误差&d为

s1

xlim----£)(5)=lim----=0.5

k、as*2s

总猿态误差为

I=eJJ,•X+5C4e,-0.3+0.5=0.8

c(Oy=-0.8=8

2.16如图2-62所示，已知系统I和II的开环对数幅频特性，试比较这两个系统的性能。

(图中原L(同,7=4()dB改为心(同“曰=30dB,coc=70iad/s改为coc=62rad/s)

系统II

图2-62习题2.16图

10

53二

(01s+1)(002"】)

31.6

G(5)=

25(0.02,$'+1)

%=l80°-arctan(0.1x62)-arclan(0.02x62)=180o-80.8o-51.1o=48.1°

/2=18OO-9O-arctan(O.O2x30)=90°-31°=59°

①稳态性能：从系统I到系统H,系统由0型变为I型，对阶跃信号由有静差

转变为无静差，稳态性能明显改善。

②稳定性：从系统I到系统II,增益减小，使相位裕量y有所增加(y由

48.1。-59.0。)，稳定性改善，。与N均有减小。

③快速性：从系统I到系统H,妣由62rad/s^30rad/s,调整时间小快速性变

差。

第三章思考题与习题

3.1图3-31为某单位负反馈系统校正前、后的开环对数幅频特性曲线，比较系统校正

前后的性能变化。

L(⑼

IdB

图3-31习题3.1图

加入串联P校正装置，提高系统增益后：

1）使系统的相对稳定性降低，超调量增加。

2）增益提高，系统的稳态精度改善。

3.2什么是比例控制规律、积分控制规律和微分控制规律？它们各有什么特点？

当控制器的输出变化量与输入变化量（即设定值和测量值之间的偏差）成比例时，这就

是比例（P）控制。比例控制能实现被控变量在过渡过程结束后，能稳定在某一个值上。

积分控制是控制器的输出变化量与输入偏差值6随时间的变化成正比的控制规律，

亦即控制器的输出变化速度与输入偏差值成正比。在积分控制时，余差最终会等于零。

理想微分控制是指控制器的输出变化量△"与输入偏差e的变化速度成正比的控制规

律。微分控制却是根据偏差的变化趋势进行动作的。从而有可能避免产生较大的偏差，且可

以缩短控制时间。

3.3什么是比例度、积分时间和微分时间？它们对过渡过程有什么影响？

比例度5就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。比例

度6来衡量比例控制作用的强弱。

使用比例控制器控制系统时，控制器在闭环运行下比例度b对系统过渡过程的影响。

1）比例控制是有余差的控制，余差的大小与比例度5有关，与负荷的变化量有关。在

同样的负荷变化扰动下，比例度越小，比例增益越大，余差越小；在相同比例度下，负荷变

化量越大，余差越大。

2）不论是在设定值变化还是负荷（扰动）变化的情况下，比例度5越小，系统的振荡

也越剧烈，稳定性越差。当5太小时，系统可能出现等幅振荡，甚至发散振荡；反之，则系

统越稳定。

积分时间不定义为：在阶跃偏差作用下，控制器的输出达到比例输出的两倍所经历的

时间。

积分时间不对系统过渡过程的影响。随着支减小，积分作用增强，消除余差较快，但

控制系统的振荡加剧，系统的稳定性下降；7；过小，可能导致系统不稳定。不小，扰动作用

下的最大偏差下降，振荡频率增加。

微分时间久是时间常数丁的K倍。

微分时间外的大小对系统过渡过程的影响。若取A太小，则对系统的控制指标没有影

响或影响甚微；选取适当的冗，系统的控制指标将得到全面的改善；但若不取得过大，即

引入太强的微分作用，反而可能导致系统产生剧烈的振荡。

3.4某混合器出口温嗖控制系统如图3-32a所示，系统框图如图3-32b所示，其中

8=5.4,K2=l,Ka=1.48,7；=5min,.=2.5min,调节器比例增益为（，F

为一扰动信号，利用Simulink仿真辅助分析：

1）当△尸=10,人分别为2.4和0.48时系统的干扰阶跃响应7；⑺。

2）当=2时的系统设定值阶跃响应"（f）。

3）分析调节器比例增益/对设定值阶跃响应和干扰阶跃响应的不同影响。

b）系统框图

图3-32习题3.4图

1）当AF=10,为2.4时系统的干扰阶跃响应

8

I……7|……；............I

6****T.................................:....................:.................."...........•・・・・・・..............：....................?*'

IIf•..................:H

-1/：：