化工仪表及自动化习题解答

2020-8-12《化工仪表与自动化》习题解答化工0801/0802/0803班用1--28ChemicalIndustryAutomationandInstrument化工仪表及自动化习题解答第一章解答p151.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：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，用以克服扰动的影响，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。2.自动控制系统按其基本结构形式可分为几类?其中闭环系统中按设定值的不同形式又可分为几种?简述每种形式的基本含义.答：自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统.闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制.如图1-1(a)即是一个闭环自动控制.图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号,并与设定值相比较得到偏差的大小和方向,调整蒸汽阀门的开度,改变蒸汽流量,使热物料出口温度回到设定值上.从图1-1(b)所示的控制系统方块图可以清楚看出,操纵变量(蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变量,而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量.从信号传递关系上看,构成一个闭合回路.（a）（b）（b）图1-1闭环自动控制基本结构控制器执行器对象测量变送扰动被控变量设定值TCTT蒸汽冷物料热物料2020-8-12《化工仪表与自动化》习题解答化工0801/0802/0803班用2--28ChemicalIndustryAutomationandInstrument在闭环控制系统中,按照设定值的不同形式又可分为:(1)定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.(2)随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化（3）程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。开环控制系统是指控制器与被控制对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看，未构成闭合回路。开环控制系统分为两种，一种按设定值进行控制，如图1-2（a）所示。这种控制方式的操纵变量（蒸汽流量）与设定值保持一定的函数关系，当设定值变化时，操纵变量随其变化进而改变被控变量。另一种是按扰动进行控制，即所谓前馈控制系统，如图1-2（b）所示。这种控制方式是通过对扰动信号的测量，根据其变化情况产生相应控制作用，进而改变被控变量。（a）按设定值进行控制的开环系统（b）按扰动进行控制的开环系统图1-2开环控制系统基本结构开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况，也不能判断操纵变量的校正作用是否适合实际需要。3．自动控制系统主要由那些环节组成？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，它包含检测元件及变送器、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化成一种特定的信号（如气控制装置FT控制装置2020-8-12《化工仪表与自动化》习题解答化工0801/0802/0803班用3--28ChemicalIndustryAutomationandInstrument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到偏差，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：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。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，被控变量在设定值的某一侧作非振荡变化，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。⑤非振荡衰减过程如图l—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，能基本满足控制要求。2020-8-12《化工仪表与自动化》习题解答化工0801/0802/0803班用4--28ChemicalIndustryAutomationandInstrument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。5．什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、信号先（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征的数学表达式；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。采用方块图可直观的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。6．什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？答：在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态成为控制系统的静态。在这种状态下，自动控制系统的输入（设定值和干扰）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行，物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于相对平衡状态的系统，受到扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离设定值。此时，控制器就会改变原来的状态，产生相应的控制作用，改变操纵变量克服扰动的影响，力图恢复平衡状态。从扰动发生，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这段时间内整个系统都处在变动状态中。在自动化工作中，了解、研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过程控制的要求。一个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的频繁作用，总是处在一种频繁的、不间断的动态过程中。因此说研究控制系统的动态比其静态更有意义。7．什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？负反馈在自动控制中有什么重要意义？答：把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新引入输入端的作法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫负反馈；反之为正反馈。在控制系统中采用负反馈，是因为当被控变量受到扰动后，若使其升高，则反馈信号升高，经过比较，偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使执行器动作，施加控制作用，其作用方向与扰动方向相反，致使被控变量下降，这样就达到了控制的目的。2020-8-12《化工仪表与自动化》习题解答化工0801/0802/0803班用5--28ChemicalIndustryAutomationandInstrument第二章解答p321．什么是被控对象特性?什么是被控对象的数学模型?研究被控对象特性有什么重要意义?答：被控对象特性是指被控对象输入与输出之间的关系。即当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输入量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。在生产过程中，存在着各种各样的被控对象。这些对象的特性各不相同。有的较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的却很难操作，工艺变量容易产生大幅度波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉对象特性，才能使工艺生产在最佳状态下运行。因此，在控制系统设计时，首先必须充分了解被控对象的特性，掌握它们的内在规律，才能选择合适的被控变量、操纵变量，合适的测量元件和控制器，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。特别在设计新型的控制系统时，例如前馈控制、解耦控制、自适应控制、计算机最优控制等，更需要考虑被控对象特性。2．简述建立对象的数学模型两种主要方法。答：一是机理分析法。机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析，根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等)，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型，它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。二是实验测取法。实验测取法是在所要研究的对象上，人为施加一定的输入作用，然后，用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律，即得到一系列实验数据或实验曲线。然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理，求取对象的特性参数，进而得到对象的数学模型。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量之比，即输入的变化量输出的变化量K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，所以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2020-8-12《化工仪表与自动化》习题解答化工0801/0802/0803班用6--28ChemicalIndustryAutomationandInstrument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0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