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第3章 习题与思考题3-1 什么是控制器的控制规律?控制器有哪些基本控制规律?解答:1)控制规律:是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。2)基本控制规律:位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。3-2 双位控制规律是怎样的?有何优缺点?解答:1)双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负,控制器的输出为最大或最小。2)缺点:在位式控制模式下,被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡,无法稳定在设定值上。这是由于双位控制器只有两个特定的输出值,相应的控制阀也只有两个极限位置,总是过量调节所致。3)优点:偏差在中间区内时,控制机构不动作,可以降低控制机构开关的频繁程度,延长控制器中运动部件的使用寿命。3-3 比例控制为什么会产生余差?解答:产生余差的原因:比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系:为了克服扰动的影响,控制器必须要有控制作用,即其输出要有变化量,而对于比例控制来讲,只有在偏差不为零时,控制器的输出变化量才不为零,这说明比例控制会永远存在余差。3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消除余差?解答:1)积分控制作用的输出变化量y是输入偏差e的积分:2)当有偏差存在时,输出信号将随时间增大(或减小)。当偏差为零时,输出停止变化,保持在某一值上。因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。3-5 什么是积分时间?试述积分时间对控制过程的影响。解答:1)积分时间是控制器消除偏差的调整时间,只要有偏差存在,输出信号将随时间增大(或减小)。只有当偏差为零时,输出停止变化,保持在某一值上。2) 在实际的控制器中,常用积分时间Ti来表示积分作用的强弱,在数值上,Ti=1K i 。显然,Ti越小,K i 就越大,积分作用就越强,反之亦然。3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为420mA,若将比例度设为100%、积分时间设为2min、稳态时输出调为5mA,某时刻,输入阶跃增加0.2mA,试问经过5min后,输出将由5mA变化为多少?解答:由比例积分公式:分析:依题意:,即K p =1, TI= 2 min , e0.2;稳态时:y05mA,5min后:3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响?调整比例度时要注意什么问题?解答:P741)控制器的比例度P越小,它的放大倍数就越大,它将偏差放大的能力越强,控制力也越强,反之亦然,比例控制作用的强弱通过调整比例度P实现。2)比例度不但表示控制器输入输出间的放大倍数,还表示符合这个比例关系的有效输入区间。一表的量程是有限的,超出这个量程的比例输出是不可能的。所以,偏差的变化使控制器的输出可以变化全量程(16mA),避免控制器处于饱和状态。3-8 理想微分控制规律的数学表达式是什么?为什么常用实际为分控制规律?解答:1)2)由于理想微分运算的输出信号持续时间太短,往往不能有效推动阀门。实际应用中,一般加以惯性延迟,如图3-7所示,称为实际微分。3-9 试写出比例、积分、微分(PID)三作用控制规律的数学表达式。解答:3-10 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点,积分和微分为什么不单独使用?解答:1)比例控制及时、反应灵敏,偏差越大,控制力越强;但结果存在余差。2)积分控制可以达到无余差;但动作缓慢,控制不及时,不单独使用。3)微分控制能起到超前调节作用;但输入偏差不变时,控制作用消失,不单独使用。3-11 DDZ-型基型控制器由哪几部分组成?各组成部分的作用如何?解答:P791)组成如图3-11所示。2)作用参照P79。3-12 DDZ-型控制器的软手动和硬手动有什么区别?各用在什么条件下?解答:1)软手动操作是指调节器的输出电流I0与手动操作的输入信号成积分关系;硬手动操作是指调节器的输出电流I0与手动操作的输入信号成比例关系。2)软手动操作:系统投运硬手动操作:系统故障3-13 什么叫控制器的无扰动切换?在DDZ-型调节器中为了实现无扰切换,在设计PID电路时采取了哪些措施? 解答:P84 1)调节器进行状态转换后,输出值不发生跳动,即状态转换无冲击。 2)CM、CI。P85中。3-14 PID调节器中,比例度P、积分时间常数、微分时间常数分别具有什么含义?在调节器动作过程中分别产生什么影响?若将取、取0,分别代表调节器处于什么状态? 解答: 比例度P含义:使控制器的输出变化满量程时(也就是控制阀从全关到全开或相反),相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。比例作用的强弱取决于比例度的大小。积分时间常数含义:越小,积分作用越强;越大积分作用越弱;若将取,则积分作用消失。微分时间常数含义:越大,微分作用越强;取0,微分作用消失。3-15 什么是调节器的正/反作用?在电路中是如何实现的?解答:1)正作用:偏差=测量值-给定值;反作用:偏差=给定值-测量值。2)运放输入端的切换开关实现的。3-16 调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式?输出电路是怎样将输出电压转换成420mA电流的?解答:1)采用差动输入方式,可以消除公共地线上的电压降带来的误差。2)参照P83下的输出电路。3-18 给出实用的PID数字表达式,数字仪表中常有哪些改进型PID算法? 解答:1) P91式(3-18)2)改进的算法:
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