《過程控制與自動化儀表》課程標(biāo)準(zhǔn)、習(xí)題及答案 倪志蓮

“過程控制與自動化儀表”課程標(biāo)準(zhǔn)

招生對象：高中畢業(yè)生及同等學(xué)力者教學(xué)時數(shù)：66H

學(xué)歷層次：高職課程代碼：

修業(yè)年限：仝日制三年學(xué)分?jǐn)?shù)：3.5

適用專業(yè)：電氣自動化技術(shù)類專業(yè)制訂人：

一、課程概述

1.課程定位

“過程控制與自動化儀表”是電氣自動化技術(shù)專業(yè)的核心課程，是針對電氣

自動化設(shè)備裝配調(diào)試崗位的典型工作任務(wù)而設(shè)置的課程。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)

生掌握過程控制基本知識和常用變送器、控制器、執(zhí)行器的基本應(yīng)用，熟悉常用

生產(chǎn)過程自動化設(shè)備和典型過程控制系統(tǒng)，具有過程控制系統(tǒng)的集成、組裝、調(diào)

試、運(yùn)行、維護(hù)、管理等職業(yè)能力。

本課程的前導(dǎo)課程有“電子技術(shù)”、“電機(jī)與電氣控制”、“PLC控制技術(shù)”等,

后續(xù)主要是“崗位綜合實(shí)訓(xùn)”、“頂崗實(shí)習(xí)”等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.設(shè)計(jì)思路

(1)內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)電氣設(shè)備裝配調(diào)試員崗位中的儀表校準(zhǔn)與參數(shù)調(diào)整、過程控制系統(tǒng)裝配

與調(diào)試等典型工作任務(wù)，選擇來源于企業(yè)且涵蓋溫度、流量、壓力、物位等參量

控制的典型過程控制系統(tǒng)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選取液位定值控制系統(tǒng)、溫度定值控

制系統(tǒng)等真實(shí)產(chǎn)品作為課程教學(xué)項(xiàng)目。遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，按照由淺入深、由簡

單到復(fù)雜的原則，進(jìn)行項(xiàng)目序化，將自動控制系統(tǒng)的建模、自動控制系統(tǒng)的分析

及校正無統(tǒng)融合到項(xiàng)目教學(xué)過程中。按控制系統(tǒng)建模、分析及校正、變送器類型

與選擇、執(zhí)行器設(shè)計(jì)與選型、控制器方案設(shè)計(jì)與調(diào)試等系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行維護(hù)的工

作過程，組織精選教學(xué)內(nèi)容。

(2)教學(xué)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目教學(xué)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，采用“理論+實(shí)踐”的方法組織實(shí)施。

教學(xué)過程采用多媒體教學(xué)法、實(shí)踐操作法等教學(xué)方法相結(jié)合，在課堂教學(xué)、仿真

教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)等多種教學(xué)手段的配合下，經(jīng)過理論考核、綜合平時表現(xiàn)及

實(shí)驗(yàn)考核對學(xué)生進(jìn)行綜合評價(jià)，以實(shí)現(xiàn)本課程教學(xué)。

二、課程目標(biāo)

1.掌握典型控制系統(tǒng)建模、性能分析及校正的方法；

2.具備常用帶控制點(diǎn)工藝流程圖的識圖與制圖能力；

3.具備根據(jù)工藝與控制要求，合理選擇變送器、執(zhí)行器的選型及調(diào)試能力；

4.具備根據(jù)工藝和控制要求，合理整定智能PID控制器參數(shù)能力；

5.掌握DCS和FCS控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試方法；

6.具有技術(shù)資料編寫能力；

7.具有一定的溝通能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

三、內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施建議

1.課題/項(xiàng)目安排及學(xué)時分配

在設(shè)計(jì)思路基礎(chǔ)上，按照自動控制基礎(chǔ)到過程控制系統(tǒng)的原則確定項(xiàng)目及學(xué)

時，見表1。

表1課題安排表

課題序號課題名稱學(xué)時H

1控制系統(tǒng)對象建模16

2控制系統(tǒng)分析方法14

3控制系統(tǒng)校正及控制規(guī)律6

4自動化儀表18

5控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工程整定8

6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4

合計(jì)66

2.課題/項(xiàng)目內(nèi)容及實(shí)施

在設(shè)計(jì)思路基礎(chǔ)上，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)難點(diǎn)、教學(xué)實(shí)施建議、教

學(xué)資源、教學(xué)方法等方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，形成課題教學(xué)設(shè)計(jì)表。

表2課題1教學(xué)設(shè)計(jì)表

課題1控制系統(tǒng)對象建模學(xué)時H16

1.了解過程控制基本組成及評價(jià)指標(biāo)；

2.掌握微分方程建模方法；

3.掌握拉氏變換和傳遞函數(shù)建模方法；

教學(xué)目標(biāo)

4.掌握框圖建模及化簡方法；

5.能時過程控制典型對象進(jìn)行建模；

6.能使用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行建模。

1.過程控制系統(tǒng)組成及評價(jià)指標(biāo)；

2.微分方程、傳遞函數(shù)及系統(tǒng)框圖；

3.典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)；

教學(xué)內(nèi)容

4.框圖變換及化簡；

5.典型被控對象特性及建模；

6.實(shí)驗(yàn)法要模。

重點(diǎn)：典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、對象建模方法

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：框圖變換及化簡

步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用課時

1過程控制系統(tǒng)組成及評價(jià)指標(biāo)多媒體教學(xué)法4

2微分方程、傳遞函數(shù)及系統(tǒng)框圖多媒體教學(xué)法4

3典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)多媒體教學(xué)法2

多媒體教學(xué)法

教學(xué)實(shí)施4框圖變換及化簡2

仿真教學(xué)法

建議

5典型被控對象特性及建模多媒體教學(xué)法2

實(shí)驗(yàn)法建模

6實(shí)踐操作法2

（實(shí)驗(yàn)一：對象的特性測定）

采用“理論+實(shí)踐”的教學(xué)方法開展教學(xué)，對理論分析過程盡量簡化，結(jié)合

MATLAB輔助分析軟件進(jìn)行教學(xué)。

場地：多媒體教室、過程控制實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)資源設(shè)備、工具等：多媒體設(shè)備、電腦及MATLAB軟件

資料：教材、PPT、視頻等

重點(diǎn)：對象模型建立

內(nèi)容：微分方程分析建模、傳遞函數(shù)化筒、典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)

考核評價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)：理論+實(shí)操

方式：平時成績+期末考核

表4課題3教學(xué)設(shè)計(jì)表

課題3控制系統(tǒng)校正及控制規(guī)律學(xué)時H6

1.掌握系統(tǒng)校正的基本概念；

2.掌握雙位控制及特點(diǎn)；

3.掌握比例控制及特點(diǎn)；

教學(xué)目標(biāo)

4.掌握積分控制和比例=積分控制及特點(diǎn)；

5.掌握微分控制和比例-微分控制及特點(diǎn)；

6.掌握PID控制及特點(diǎn)。

1.校正方式及校正裝置；

2.雙位控制及適用條件；

教學(xué)內(nèi)容3.比例、積分、微分控制及適用條件；

4.PI、PD調(diào)節(jié)及仿真效果分析；

5.PID調(diào)節(jié)及仿真效果分析。

重點(diǎn)：PII）調(diào)節(jié)

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：PID調(diào)節(jié)

步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用課時

多媒體教學(xué)法

1校正基本概念2

仿真教學(xué)法

多媒體教學(xué)法

2控制規(guī)律2

仿真教學(xué)法

教學(xué)實(shí)施

建議3實(shí)驗(yàn)四：MATLAB在系統(tǒng)校正中的應(yīng)用實(shí)踐操作法2

采用“理論+實(shí)踐”的教學(xué)方法開展教學(xué)，對理論分析過程盡量簡化，結(jié)合

MATLAB輔助分析軟件進(jìn)行教學(xué)。

場地：多媒體教室、過程控制實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)資源設(shè)備、工具等：多媒體設(shè)備、電腦及MATLAB軟件

資料：教材、PPT、視頻等

重點(diǎn)：PID調(diào)節(jié)

內(nèi)容：校正基本概念、PID調(diào)節(jié)

考核評價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)：理論+實(shí)操

方式：平時成績+期末考核

表5課題4教學(xué)設(shè)計(jì)表

課題4自動化儀表學(xué)時H18

1.能進(jìn)行儀表的連接及準(zhǔn)確度選擇；

2.掌握溫度測量儀表的種類及選型；

3.掌握壓力測量儀表的種類及選型；

教學(xué)目標(biāo)4.掌握流量測量儀表的種類及選型；

5.掌握物位測量儀表的種類及選型；

6.掌握數(shù)字調(diào)節(jié)器的使用方法；

7.掌握調(diào)節(jié)閥的類型及使用方法。

1.儀表基本概念（信號制、連接方法及準(zhǔn)確度）；

2.各種溫度檢測儀表的種類及使用；

3.各種壓力檢測儀表的種類及使用；

教學(xué)內(nèi)容4.各種流量檢測儀表的種類及使用；

5.各種物位檢測儀表的種類及使用；

6.AI818的使用；

7.氣動與電動調(diào)節(jié)閥的使用。

重點(diǎn)：各種儀表的選型

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：調(diào)節(jié)器的使用

步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用課時

1自動化儀表概述多媒體教學(xué)法2

2溫度變送器多媒體教學(xué)法4

差壓變送器多媒體教學(xué)法

34

（實(shí)驗(yàn)五：壓力變送器的調(diào)校）實(shí)踐操作法

教學(xué)實(shí)施4流量變送器多媒體教學(xué)法2

建議5液位變送器多媒體教學(xué)法2

6控制器多媒體教學(xué)法2

7執(zhí)行器多媒體教學(xué)法2

采用“理論+實(shí)踐”的教學(xué)方法開展教學(xué)，對理論分析過程盡量簡化，結(jié)合

圖片等多媒體教學(xué)工具進(jìn)行教學(xué)。

場地：多媒體教室、過程控制實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)資源設(shè)備、工具等：多媒體設(shè)備、電腦及MCGS組態(tài)軟件

資料：教材、PPT、視頻等

重點(diǎn)：各種儀表的選型及使用

內(nèi)容：儀表的選型、數(shù)字調(diào)節(jié)器及執(zhí)行器使用

考核評價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)：理論+實(shí)操

方式：平時成績+期末考核

表6課題5教學(xué)設(shè)計(jì)表

課題5控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工程整定學(xué)時H8

1.掌握帶控制點(diǎn)的工藝流程圖的識圖方法；

2.掌握簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)整定的方法；

3.了解復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)整定的方法；

教學(xué)目標(biāo)4.掌握典型控制單元的控制方案。

1.工藝流程圖繪制與識圖；

2.簡單控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)整定：

教學(xué)內(nèi)容3.復(fù)雜控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；

4.典型單元控制方案的分析與設(shè)計(jì)。

重點(diǎn)：簡單控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)整定

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：復(fù)雜控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用課時

1工藝流程圖繪制與識圖多媒體教學(xué)法2

簡單控制系統(tǒng)及工程整定多媒體教學(xué)法

24

（實(shí)驗(yàn)六：單回路液位定值控制系統(tǒng)）實(shí)踐操作法

教學(xué)實(shí)施多媒體教學(xué)法

3復(fù)雜控制系統(tǒng)2

建議實(shí)踐操作法

采用“理論+實(shí)踐”的教學(xué)方法開展教學(xué)，對理論分析過程盡量簡化，結(jié)合

MATLAB仿真工具進(jìn)行教學(xué)。

場地：多媒體教室、過程控制實(shí)訓(xùn)宣

教學(xué)資源設(shè)備、工具等：多媒體設(shè)備、電腦及MCGS組態(tài)軟件

資料：教材、PPT、視頻等

重點(diǎn)：簡單控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

內(nèi)容：工藝流程圖識圖、簡單控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及參數(shù)整定

考核評價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)：理論+實(shí)操

方式：平時成績+期末考核

表7課題6教學(xué)設(shè)計(jì)表

課題6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)學(xué)時H4

1.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分類；

2.掌握集散控制系統(tǒng)體系及軟硬件功能；

3.掌握PLC液位控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試；

教學(xué)目標(biāo)

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分類；

2.集散控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；

教學(xué)內(nèi)容3.PLC液應(yīng)控制系統(tǒng)；

重點(diǎn)：集散控制及現(xiàn)場總線控制

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：系統(tǒng)組建

步驟內(nèi)容方法、資源運(yùn)用課時

1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述多媒體教學(xué)法?

2集散控制系統(tǒng)多媒體教學(xué)法2

教學(xué)實(shí)施

建議

3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)多媒體教學(xué)法]

采用“理論+實(shí)踐”的教學(xué)方法開展教學(xué)，對理論分析過程盡量簡化，結(jié)合

集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行教學(xué)。

場地：多媒體教室、過程控制實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)資源設(shè)備、工具等：多媒體設(shè)備、電腦

資料；教材、PPT、視頻等

重點(diǎn)：集散控制及現(xiàn)場總線控制

內(nèi)容：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類、集散控制及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組建方法。

考核評價(jià)

標(biāo)準(zhǔn)：理論+實(shí)操

方式：平時成績+期末考核

四、考核評價(jià)

課程考核分平時成績考核和學(xué)期期末考核兩部分。平時成績考核包括作業(yè)、

出勤率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分。學(xué)期期末考核包括應(yīng)知考核和應(yīng)會考核兩部分，采用

集中考核的方式。課程考核內(nèi)容如表8所示。

表8課程考核內(nèi)容

考核形式考核內(nèi)容分值比例

作業(yè)10

平時考核出勤10

實(shí)驗(yàn)報(bào)告10

應(yīng)知考核40

學(xué)期考核

應(yīng)會考核30

合計(jì)100

五、教學(xué)實(shí)施條件

1.師資基本條件

教師應(yīng)具有企業(yè)經(jīng)歷，熟悉本行業(yè)技術(shù)動態(tài)，具有扎實(shí)的專業(yè)知識和熟練的

過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試技能，具備較強(qiáng)的語言表達(dá)能力及教學(xué)組織能力。

2.實(shí)踐教學(xué)條件

為配合課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，配有過程控制實(shí)訓(xùn)室作為教學(xué)場地。過程控制

實(shí)訓(xùn)室配有“THJ-4型高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺”4套及各類控制對象，可實(shí)

現(xiàn)智能儀表、PLC和DDC三種掙制。通過流量掙制系統(tǒng)安裝與調(diào)試、液位控制系

統(tǒng)安裝與調(diào)試、鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，可培養(yǎng)工業(yè)測量

儀表應(yīng)用、過程控制系統(tǒng)安裝調(diào)試技能，同時使學(xué)生能熟悉相關(guān)崗位工作技能、

學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、培養(yǎng)職業(yè)素質(zhì)。

3.教學(xué)資源條件

（1）教材的編寫與使用建議

教材編寫以本課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，遵循知識夠用為度，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力。

知識內(nèi)容應(yīng)與教學(xué)項(xiàng)目緊密相關(guān)，并適當(dāng)拓寬知沃面。

（2）其他教學(xué)資源

課程配有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，不僅教師可以利用這些資源進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生也可以

通過課程資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源應(yīng)包括：課程標(biāo)準(zhǔn)、任務(wù)書、電

子課件、電子教材、在線測試、視頻動畫庫、圖片庫、虛擬仿真庫等內(nèi)容。

六、其它建議和說明

1.教學(xué)建議

（1）課程教學(xué)建議盡量降低理論知識難度，用MATLAB輔助分析軟件進(jìn)行仿

真教學(xué)。

（2）本課程對實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及操作技能要求較高，建議由專業(yè)技能熟練的骨干

教師或企業(yè)技術(shù)人員擔(dān)任主講教師。

（3）在教學(xué)過程中，適當(dāng)安排學(xué)生去企業(yè)實(shí)地參觀學(xué)習(xí)，提高感性認(rèn)識。

通過認(rèn)識企業(yè)生產(chǎn)流程，掌握過程控制系統(tǒng)組建方法，提高教學(xué)效果。

2.參考手冊：

（1）PCS7過程控制集成軟件使用手冊

（2）MCGS組態(tài)軟件使用手冊

（3）化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)

3.參考教材

（1）倪志蓮過程控制與自動化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，2014.1

（2）侯志林過程控制與自動化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社2007.8

（3）張李冬過程控制技術(shù)及其應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社2007.1

（4）唐繼英現(xiàn)場總線技術(shù)，天津工業(yè)大學(xué)出版社2008.7

第一章思考題與習(xí)題

1.1下列系統(tǒng)中哪些屬于開環(huán)控制，哪些屬「閉環(huán)控制？

①家用電冰箱②家用空調(diào)器③家用洗衣機(jī)④抽水馬桶⑤普通車床⑥電飯煲⑦多

速電風(fēng)扇⑧高樓水箱⑨調(diào)光臺燈

開環(huán)控制：③家用洗衣機(jī)⑤普通車床⑦多速電風(fēng)扇⑨調(diào)光臺燈

閉環(huán)控制：①家用電冰箱②家用空調(diào)器④抽水馬桶⑥電飯煲⑧高樓水箱

1.2圖1-14所示為一壓力自動控制系統(tǒng)，試分析該系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、操縱

變量和擾動變量是什么？而出該系統(tǒng)的框圖。

圖1-14壓力自動控制系統(tǒng)圖1-15加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)

被控對象：容器P

被控變量：罐內(nèi)壓力

操縱變量：物料輸入流量

擾動變量：出口流量

系統(tǒng)框圖如下:

出口流量

1.3圖1-15所示是一加熱爐溫度自動控制系統(tǒng)，試分析該系統(tǒng)中的被控對象、被控變量、

操縱變量和擾動變量是什么？畫出該系統(tǒng)的框圖。

被控對象：加熱爐

被控變量：爐內(nèi)溫度

操縱變量：燃料流最

擾動變量：進(jìn)料量

系統(tǒng)框圖如下：

1.4按設(shè)定值的不同恃況，過程控制系統(tǒng)分為哪幾類？

過程控制系統(tǒng)分為三類：定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

1.5什么是過程控制系統(tǒng)的過渡過程？有哪兒種基本形式？

過程控制系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程稱為過程控制系統(tǒng)的過渡

過程?？刂葡到y(tǒng)過渡過程有五種基本形式：發(fā)散振蕩、單調(diào)發(fā)散、等幅振蕩、衰減振蕩和單

調(diào)衰減。

1.6某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如圖1-16所示。試

分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和調(diào)整時間（設(shè)定值為2009）。

圖1-16題L6圖

最大偏差：30℃

余差：5℃

衰減比:5：1

振蕩周期：15min

調(diào)整時間：22min

第二章思考題與習(xí)題

2.1求取圖2-55所示電路的傳遞函數(shù)，圖中物理量角標(biāo)i代表輸入，。代表輸出。

a）凡⑸書S+1（由分壓公式求?。?/p>

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慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可近似為比例環(huán)節(jié)？又在什么條件下可近似為積分環(huán)節(jié)？

慣性環(huán)節(jié)在T很小的時候可近似為比例環(huán)節(jié)：T很大的時候可近似為積分環(huán)節(jié)。

2.3一個比例積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)相連接能否簡化為一個比例環(huán)節(jié)？

一個比例積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)相連接不能簡化為一個比例環(huán)節(jié)。

2.4化簡圖2-56a、b、c所示系統(tǒng)的框圖，并求取系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

習(xí)題2.4圖a)

C(s)_[G](s)G,(s)-當(dāng)⑸口⑸

R(s)-1+[G。)5(s)-品⑸限⑸為(s)

a/

習(xí)題2.4圖b)

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

b)麗\+GiG)G*)5(sW5(s)G3c+5(8)5c

習(xí)題2.4圖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已知系統(tǒng)的零極點(diǎn)形式的傳遞函數(shù)如下，試將其輸入到MATLAB的工作空間中,

并轉(zhuǎn)換成有理函數(shù)形式。

lOs+10

有理函數(shù)式:G(s)=

s44-9y3+26s4+24s

2.6求下列兩個傳遞函數(shù)在串聯(lián)、并聯(lián)和負(fù)反饋連接時的等效傳遞函數(shù)。

s+1

G⑸=—...-----

s~+2.9+3

GzGA」

5+1

(1)串聯(lián)時的等效傳遞函數(shù)

G(s)=

($2+25+3)

（2）并聯(lián)時的等效傳遞函數(shù)

（3）負(fù)反饋連接時的等效傳遞函數(shù)

5+1、$-+25+3

G（s）=77亦或G⑸=…+小+1）

2.7已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下所示，判別各閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

40

①G(s)=

s(0.Is+1)

40

閉環(huán)傳遞函數(shù):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/

根的實(shí)部為負(fù),系統(tǒng)穩(wěn)定。

100

②G(s)=

100

閉環(huán)傳遞函數(shù):①⑶=

52+100

特征方程：W）=52+100

特征根：5112=±10；

根的實(shí)部為0,系統(tǒng)不穩(wěn)定。

10(0.01s+1)

③G(s)=

52(0.LV+1)

0.15+10

閉環(huán)傳遞函數(shù)：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

實(shí)根為負(fù)，但兩個虛根的實(shí)部為正，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

10(0.45+1)

④G(s)=

siO.ls+l)

45+10

閉環(huán)傳遞函數(shù)：=

0.1/+/+4$+10

特征方程：^(S)=S3+1052+405+100

特征根：SI2=-1.9±3.5/,門=-6.1

實(shí)根為負(fù)，兩個虛根的實(shí)部為負(fù)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

10(0.455+1)

⑤G(s)=

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

37.5s+83.33

閉環(huán)傳遞函數(shù):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

實(shí)根為負(fù)，兩個虛根的實(shí)部為負(fù)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.8試?yán)L制下列系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性曲線。

5

①G(s)=

25+1

由一個比例環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成。

(1)對數(shù)幅頻特性的繪制

低頻段：K=5,L(0),g=2OlgK=14JB,斜率為OdB/dec。

中高頻段：T=2s,則交接頻率3=0.5rad/s。

在低頻段為OdB/dec的直線,經(jīng)(o=O.5rad/s處，遇-慣性環(huán)節(jié),降低20dB/dec,成為

-20dB/dec的斜線。

(2)對數(shù)相頻特性的繪制

交接頻率a）=0.5rad/s處繪制慣性環(huán)節(jié)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)

將傳遞函數(shù)整理為

10

G(s)=

(55+1)(0.2S+1)

由一個比例環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)組成。

（1）對數(shù)幅頻特性的繪制

低頻段：K=10,L（e）〃7=201gK=2（WB,斜率為OdB/dec。

中高頻段：Ti=5s＞則交接頻率a）i=0.2rad/s；T2=0.2s,則交接頻率Q）2=5rad/s。

在低頻段為OdB/dec的直線，經(jīng)3i=0.2rad/s處，遇一慣性環(huán)節(jié)，降低20dB/dec,成為

-20dB/dec的斜線。再經(jīng)o）2=5rad/s處，再遇一慣性環(huán)節(jié)，降低20dB/dec,成為-40dB/dec的

斜線。

（2）對數(shù)相頻特性的繪制

交接頻率（0i=0.2rad/s處繪制第一個慣性環(huán)節(jié)的-45。位置。交接頻率o）2=5rad/s處繪制第

二個慣性環(huán)節(jié)的-135。位置。

25($+02)

③G(s)=

S2(5+10)

將傳遞函數(shù)整理為

0.5(55+1)

G(s)=

?(0.15+1)

由一個比例環(huán)節(jié)、一個比例微分環(huán)節(jié)、一個慣性環(huán)節(jié)和兩個積分環(huán)節(jié)組成。

(1)對數(shù)幅頻特性的繪制

低頻段：K=0.5,3]=201gK=—6clB，斜率為-40dB/dcc。

中高頻段:Ti=5s,則交接頻率必=0.2rad/s；T2=0.1s,則交接頻率s=10rad/s。

在低頻段為-4()dB/dcc的斜線，經(jīng)?=0.2rad/s處，遇一比例微分環(huán)節(jié)，增加20dB/dcc,

成為-20dB/dec的斜線。再經(jīng)a)2=10rad/s處，再遇一慣性環(huán)節(jié)，降低20dB/dec,成為-40dB/dec

的斜線。

(2)對數(shù)相頻特性的繪制

有兩個積分環(huán)節(jié)，相位從-180。開始繪制，在交接頻率⑼=0.2「ad/s處繪制比例微分環(huán)節(jié)

的-135。位置。交接頻率@=5rad/s處繪制第二個慣性環(huán)節(jié)的-135。位置。

2.9已知某調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特性如圖2-57所示，試寫出該調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

“何I

圖2-57習(xí)題2.9圖

此環(huán)節(jié)有4個交接頻率，分別是：

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

此環(huán)節(jié)低頻漸近線為OdB/dec水平線，所以不含積分環(huán)節(jié)。另由水平線高度為20dB,

則MM|gi=201gK=20JB可得K=10。因此，由圖可得出其傳遞函數(shù)為

?、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已知某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

/X0.001(1+1005)2_______

時―52(1+1()5)(1+0.1255)(1+0.055)

試?yán)L出系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。

該傳遞函數(shù)由一個比例環(huán)節(jié)、兩個積分環(huán)節(jié)、兩個比例微分環(huán)節(jié)及三個慣性環(huán)節(jié)組成。

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

中高頻段:Ti,2=100s,則交接頻率@,2=0.01rad/s；T3=10s,則交接頻率⑴3=04rad/s；

T4=0.125s,則交接頻率(o$=8rad/s；T5=0.05s,則交接頻率g=20rad/s。

在低頻段為-40dI3/dcc的斜線，經(jīng)(01.2=0.01rad/s處，遇兩個比例微分環(huán)節(jié)，增加40dB/dcc,

成為OdB/dec的直線。再經(jīng)g=0.1rad/s處，再遇?慣性環(huán)節(jié)，降低20dB/dec,成為-20dB/dec

的斜線。再經(jīng)①4=8rad/s處，再遇一慣性環(huán)節(jié)，降低20dB/dec,成為-40dB/dec的斜線。再經(jīng)

35=20rad/s處，再遇一，慣性環(huán)節(jié)，降低20dB/dec,成為-60dB/dec的斜線。

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)

輸入：

?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已知系統(tǒng)框圖如圖2-58所示，試用開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2-58習(xí)題2.11圖

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,有一個積分環(huán)節(jié)，斜率為-20dB/dec。

T=0.5s,交接頻率①=2rad/s,4=0.250

L?)

/dB

由開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線可知，當(dāng)L3)過OdB線時，＜p3)在-180。線的下方，即產(chǎn)0,

系統(tǒng)不穩(wěn)定。

MATLAB求解：

?、4040

G(s)=—-------=—；---------

s(s+5+4)￡+s~+4s

輸入：

?Gl=tf([40],[l,1,4,0])

?margin(Gl)

BodeDiagram

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

50

m

p

)

號

芒

號

50

_1Oo

-9O-

_135-

0

8

P

)18O

s8_一

e

=

d5

_Z2-

27O-

_一

T

1D10°101102

Frequency(rad/sec)

2.12已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

________10

G(s)=

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

試?yán)L制系統(tǒng)的對數(shù)頻率特性曲線，并求出幅值穿越頻率&和相位裕量產(chǎn)。

K=10,=201gK=20dB,有一個積分環(huán)節(jié)，斜率為-20dB/dec。

T尸0.5s,則交接頻率?二2rad/s；T2=O.ls,則交接頻率（O2=lOrad/s。

由圖可知穿越頻率ox-4rad/s。

則相位裕量

/=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)

輸入：

?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已知某系統(tǒng)框圖如圖2-59所示，試用MATLAB分析該閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能。

R⑸4C(s)

―?-----------------------?-------------------------------------------1

_s(s+l)

圖2-59習(xí)題2.13圖

在MATLAB中依次輸入以下指令：

?num=[4]

?den=[l,l,OJ

?Gl=tf(num,den)

?G2=fecdback(GLl)

?step(G2)

可得到階躍響應(yīng)曲線如下：

StepResponse

1.5

則系統(tǒng)各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)為：

上升時間-0.943s,峰值時間tp=1.6ls,超調(diào)量o%=44.4%,調(diào)整時間k=7.()6s(±2%誤差帶)。

2.14某最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性的漸近特性如圖2-60所示，試寫出系統(tǒng)開環(huán)

傳遞函數(shù)，并求此系統(tǒng)的相位穩(wěn)定裕量

穿越頻率

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已知某系統(tǒng)框圖如圖2-61所示，設(shè)輸入量為?/)=6/(將尸改成/),擾動量為

單位階躍信號，試求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差《及穩(wěn)態(tài)值C")。

I-O(s)

+

圖2-61習(xí)題2.15圖

由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可知：

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

s~s

則在輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差％「為

6

「一sR(s)

essr=hm----------=同——=0-3

iok&aSTO20

、

*['1+(V+~V)J]a[1+—I

CJ(2s

在擾動信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差&d為

s1

xlim----￡)(5)=lim----=0.5

k、as*2s

總猿態(tài)誤差為

I=eJJ,?X+5C4e,-0.3+0.5=0.8

c(Oy=-0.8=8

2.16如圖2-62所示，已知系統(tǒng)I和II的開環(huán)對數(shù)幅頻特性，試比較這兩個系統(tǒng)的性能。

(圖中原L(同,7=4()dB改為心(同“曰=30dB,coc=70iad/s改為coc=62rad/s)

系統(tǒng)II

圖2-62習(xí)題2.16圖

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穩(wěn)態(tài)性能：從系統(tǒng)I到系統(tǒng)H,系統(tǒng)由0型變?yōu)镮型，對階躍信號由有靜差

轉(zhuǎn)變?yōu)闊o靜差，穩(wěn)態(tài)性能明顯改善。

②穩(wěn)定性：從系統(tǒng)I到系統(tǒng)II,增益減小，使相位裕量y有所增加(y由

48.1。-59.0。)，穩(wěn)定性改善，。與N均有減小。

③快速性：從系統(tǒng)I到系統(tǒng)H,妣由62rad/s^30rad/s,調(diào)整時間小快速性變

差。

第三章思考題與習(xí)題

3.1圖3-31為某單位負(fù)反饋系統(tǒng)校正前、后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線，比較系統(tǒng)校正

前后的性能變化。

L(⑼

IdB

圖3-31習(xí)題3.1圖

加入串聯(lián)P校正裝置，提高系統(tǒng)增益后：

1）使系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增加。

2）增益提高，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度改善。

3.2什么是比例控制規(guī)律、積分控制規(guī)律和微分控制規(guī)律？它們各有什么特點(diǎn)？

當(dāng)控制器的輸出變化量與輸入變化量（即設(shè)定值和測量值之間的偏差）成比例時，這就

是比例（P）控制。比例控制能實(shí)現(xiàn)被控變量在過渡過程結(jié)束后，能穩(wěn)定在某一個值上。

積分控制是控制器的輸出變化量與輸入偏差值6隨時間的變化成正比的控制規(guī)律，

亦即控制器的輸出變化速度與輸入偏差值成正比。在積分控制時，余差最終會等于零。

理想微分控制是指控制器的輸出變化量△"與輸入偏差e的變化速度成正比的控制規(guī)

律。微分控制卻是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行動作的。從而有可能避免產(chǎn)生較大的偏差，且可

以縮短控制時間。

3.3什么是比例度、積分時間和微分時間？它們對過渡過程有什么影響？

比例度5就是指控制器輸入的相對變化量與相應(yīng)的輸出相對變化量之比的百分?jǐn)?shù)。比例

度6來衡量比例控制作用的強(qiáng)弱。

使用比例控制器控制系統(tǒng)時，控制器在閉環(huán)運(yùn)行下比例度b對系統(tǒng)過渡過程的影響。

1）比例控制是有余差的控制，余差的大小與比例度5有關(guān)，與負(fù)荷的變化量有關(guān)。在

同樣的負(fù)荷變化擾動下，比例度越小，比例增益越大，余差越?。辉谙嗤壤认?，負(fù)荷變

化量越大，余差越大。

2）不論是在設(shè)定值變化還是負(fù)荷（擾動）變化的情況下，比例度5越小，系統(tǒng)的振蕩

也越劇烈，穩(wěn)定性越差。當(dāng)5太小時，系統(tǒng)可能出現(xiàn)等幅振蕩，甚至發(fā)散振蕩；反之，則系

統(tǒng)越穩(wěn)定。

積分時間不定義為：在階躍偏差作用下，控制器的輸出達(dá)到比例輸出的兩倍所經(jīng)歷的

時間。

積分時間不對系統(tǒng)過渡過程的影響。隨著支減小，積分作用增強(qiáng)，消除余差較快，但

控制系統(tǒng)的振蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；7；過小，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。不小，擾動作用

下的最大偏差下降，振蕩頻率增加。

微分時間久是時間常數(shù)丁的K倍。

微分時間外的大小對系統(tǒng)過渡過程的影響。若取A太小，則對系統(tǒng)的控制指標(biāo)沒有影

響或影響甚微；選取適當(dāng)?shù)娜撸到y(tǒng)的控制指標(biāo)將得到全面的改善；但若不取得過大，即

引入太強(qiáng)的微分作用，反而可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振蕩。

3.4某混合器出口溫嗖控制系統(tǒng)如圖3-32a所示，系統(tǒng)框圖如圖3-32b所示，其中

8=5.4,K2=l,Ka=1.48,7；=5min,.=2.5min,調(diào)節(jié)器比例增益為（，F(xiàn)

為一擾動信號，利用Simulink仿真輔助分析：

1）當(dāng)△尸=10,人分別為2.4和0.48時系統(tǒng)的干擾階躍響應(yīng)7；⑺。

2）當(dāng)=2時的系統(tǒng)設(shè)定值階躍響應(yīng)"（f）。

3）分析調(diào)節(jié)器比例增益/對設(shè)定值階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)的不同影響。

b）系統(tǒng)框圖

圖3-32習(xí)題3.4圖

1）當(dāng)AF=10,為2.4時系統(tǒng)的干擾階躍響應(yīng)

8

I……7|……；............I

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

IIf?..................:H

-1/：：