过程装备控制技术及应用复习题

1第一章1.简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动(干扰)量、设定(给定)值和偏差的含义?答:自动控制系统中常用的几个术语其含义是:被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。设定值：被控变量的预定值。偏差：被控变量的设定值与实际值之差。3.自动控制系统主要由哪些环节组成?各部分的作用是什么?答：自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等;另一部分是受自动化装置控制的被控对象。在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等)。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号(如气压信号或电流信号)发送给执行器。执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出)被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。4。什么是自动控制系统的过渡过程?在阶跃扰动作用下，其过渡过程有哪些基本形式?哪些过渡过程能基本满足控制要求?答:把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。①发散振荡过程如图1-3(a)所示。它表明当系统受到扰动作用后。被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。②非振荡发散过程如图1-3(b)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设2定值的某一俩作非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。③等幅振荡过程如图1-3(c)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。④衰减振荡过程如图1-3(d)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。⑥非振荡衰减过程如图1-3(e)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧作缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定下来。在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程。能墓本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离给定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。\5、衰减振荡过程的品质指标有哪些?各自的含义是什么?答：衰减振荡过程的品质指标主要有:最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期(或频率)等。其各自的含义是:最大偏差：是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。衰减比：是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。余差：是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。过渡时间：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。振荡周期(或频率)：是指过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间，其倒数为振3荡频率。6，什么是自动控制系统的方块图?它与工艺管道及控制流程图有什么区别?答:自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线(带有箭头的线段)、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式;方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺管道及控制流程图则是在控制方案确定以后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注有相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号、连锁保护系统的图。在工艺管道及控制流程图上设备间的连线是工艺管线，表示物料流动的方向，与方块图中线段的含义截然不同。1．图1-6所示为一自力式贮槽水位控制系统。(1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么?(2)试画出该系统的方块图。(3)试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的?解:(1)该系统中贮槽为被控对象;贮槽中水的液位为被控变量;进水流量为操纵变量。(2)贮槽水位控制系统方块图如图1-7所示。(3)当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量。使水位下降，浮球随之下移，通过杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓，直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。2.在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的4温度下降到规定的数值上。图1-8是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（151.5）℃，如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害影响;如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。(1)指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么?(2)试画出该控制系统的组成方块图。(3)试比较图1-8及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。解：(1)在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器;被控变量为乙烯裂解气的出口温度;操纵变量为气态丙烯的流量。(2)该系统方块图如图1-9所示。(3)在图1-8中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。3.图1-10所示是一反应器温度控制系统示意图。A,B两种物料进人反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度保持不变。图中TT表示温度变送器，TC表示温度控制器。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量变化的扰动各是什么?5解：反应器温度控制系统中被控对象为反应器;被控变量为反应器内温度;操作变量为冷却水流量;干扰为A,B物料的流量、温度、浓度、冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。反应器的温度控制系统的方块图如图1-11所示。4、某发酵过程工艺规定操作温度为(40士2)C。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1-12所示.试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间(按被控变量进入2%)新稳态值即达到稳定来确定)和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求?解：由反应曲线可知:最大偏差A=45一40=5'C余差C=41一40=1℃衰减比第一个波峰值B=45一41=4℃第二个波峰值B'=42一41=1℃第二章3、描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?答：描述对象特性的参数分别是放大系数K、时间常数T、滞后时间放大系数K：放大系数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变化6量之比，即由于放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系.所纵放大系数是描述对象静态特性的参数。时间常数T：时间常数是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数。因此它是对象的一个重要的动态参数。滞后时间：滞后时间是纯滞后时间o和容量滞后c的总和。输出变量的变化落后于输入变量变化的时间称为纯滞后时间，纯滞后的产生一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。容量滞后一般是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。滞后时间也是反映对象动态特性的重要参数。4.什么是控制通道和扰动通道〔干扰通道)?对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、）对控制有什么不同的影响?答：对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道;扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数（K,T,)对控制作用的影响是不同的。对于控制通道:放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小;放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长;若时间常数'I'小，则被控变量变化速度快，7不易控制。时间常数太大或大小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。滞后时间的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。因此，应尽量减小滞后时间。对于扰动通通道;放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大;而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。纯滞后的存在，相当于将扰动推迟时间才进入系统，并不影响控制系统的品质;而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些。因此，对系统是有利的。1.图2-1所示RC电路，设输入变量为Vi输出变量为V0，试列写出该对象输出与输入变量之间的微分方程。解:对象的输出变量为V0，输人变量为Vi根据基尔霍夫定律可得:V.i=iR+Vo(1)中间变量为i，因为:(2)消除中间变量，将(2)式代入(1)得:（3）8(3)式即为RC电路的微分方程。4.图2-1所示RC电路，若已知R=5,C=2.(1}试绘出Vi突然由0阶跃变化到5V时，V。的变化曲线。(2)计算出t=T,t=2T,t=3T时的V。解：(1)由题意，描述RC电路特性的方程式为:方程的解为:由方程解得到如下数据:据此，可有如下曲线:5。为了测定某物料干燥简的对象特性，在to时刻突然将加热蒸汽量从25m3/h增加到928m3/h,物料出口温度记录仪得到的阶跃响应曲线如图2-4所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程(温度变化量作为输出变量，加热蒸汽量的变化量作为输入变量;温度测量仪表的测量范围0---200C;流量测量仪表的测量范围0~40m/h)。1.已知某化学反应器的特性是具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为4.15。放大系数为8.5，纯滞后时间为3.5，试写出描述该对象特性的一阶微分方程式。答：y为输出变量，x为输人变量：4.15dy(t+3.5)/dt十y(t+3.5)=8-5x(t)2.RC电路如图2-5所示。Vi为输人量，V。为输出量。在时间t=。时，闭合开关K.电容开始充电。此时，电压V。随时间的变化规律为:10答：4.某被控对象用实验方法测取对象特性，现得到如图2-7所示的响应曲线，试从图中求出对象的放大系数K、时间常数T及纯滞后时间r11答：第三章2.什么叫仪表的基本误差、测量误差和附加误差?有何区别?答：仪表的基本误差是指在规定条件下仪表的误差。仪表在制造厂出厂前，都要在规定的条件下进行校验。规定条件一般包括环境温度、相对湿度、大气压力、电源电压、电源频率、安装方式等.仪表的基本误差是仪表本身所固有的，它与仪表的结构原理，元器件质量和装配工艺等因素有关，基本误差的大小常用仪表的精度等级来表示。使用仪表测量参数时，侧量的结果不可能绝对准确。这不仅因为仪表本身有基本误差，而且还因为从开始测量到最后读数，要经过一系列的转换和传递过程，其中受到使用条件、安装