化工自動化及儀表

1、習(xí)題一、填空題：干擾是指除操作變量以外，作用于對象并引起被控變量變化的一切因素；被控對象是指需要實現(xiàn)控制的設(shè)備、機器或生產(chǎn)過程，稱為對象。被控變量是指_對象內(nèi)要求保持給定數(shù)值的工藝變量稱為被控變量。 工藝變量誦常分為直接變量，間接變量，安全變量一三大類:直接變量是指和生產(chǎn)過程有著密切關(guān)系、或者說存在直接關(guān)系的，它的改變決定著產(chǎn)品 的質(zhì)量和數(shù)量。間接變量是指和生產(chǎn)過程沒有直接關(guān)系，并不直接決定著產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。：安全變量是指既和生產(chǎn)過程沒有直接的關(guān)系，同時也不存在間接關(guān)系，但它們影響著生 產(chǎn)的安全性。給定值是被控變量的預(yù)定值稱為給定值。它反映的是工藝過程的具體要求。操作變量是指受到控制裝置操縱

2、，用以使被控變量保持給定值的物料量或能量。 偏差偏差=實際值-給定值 閉環(huán)控制系統(tǒng)誦常包括定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng)是指一被控變量的給定值恒定不變。隨動控制系統(tǒng)是指給定值不斷變化，而且變化是隨機的。程序控制系統(tǒng)是指給定值不斷變化，但x=x(t)是已知的。偏差產(chǎn)生的原因誦常分為由于干擾導(dǎo)致實際值發(fā)生了變化：給定值發(fā)生了變:計量誤差而引起的偏差。三個方面。閉環(huán)控制系統(tǒng)誦常是由檢測元件和變送器：比較機構(gòu)；調(diào)節(jié)裝置；執(zhí)行器四個部分組成的。檢測元件和變送器的作用是把被控變量y (t)轉(zhuǎn)化為測量值z (t), z (t)是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 信號;比較機構(gòu)的作用是計算偏差e (t)；調(diào)節(jié)

3、裝置的作用是依據(jù)偏差的大小、正負(fù)，按 照一定的規(guī)律給出調(diào)節(jié)作用;執(zhí)行器的作用是 接受調(diào)節(jié)器送來的信號p (t)，發(fā)出相關(guān)的信 號，改變操作變量。自動控制系統(tǒng)中流動的是信號流。LC表示的是 液位控制器：L是指 液位：C是指 控制。自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)是指 被控變量y (t)不隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的“靜 態(tài)”；動態(tài)是指一被控變量y(t)隨時間而變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的“動態(tài)”;過渡過程是 指調(diào)節(jié)系統(tǒng)在受到外作用下，從一個平衡狀態(tài)進(jìn)入到新的平衡狀態(tài)的整個過程稱為控制系 統(tǒng)的過渡過程； 干擾的理想形式有 階躍擾動，斜坡擾動，正弦波擾動， 脈沖擾動：過渡過程的主要形式有非周期衰減過程，又叫單調(diào)過

4、程，衰減振蕩過程，等幅振蕩過 程，發(fā)散振蕩過程：定值控制系統(tǒng)衰減比通常規(guī)定在4： 1 范圍內(nèi):隨動控制系統(tǒng)衰減比通常規(guī)定在 10： 1范圍內(nèi)；過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)有衰減比，振蕩周期或頻率，余差，最大偏差或超調(diào)量：過渡時間?？刂普b道是指擾動變量到被控變量之間的信號聯(lián)系，干擾誦道是指做操作變量到被 控變量之間的信號聯(lián)系：描述對象的數(shù)學(xué)模型誦常分為參最模型，非參量模型。 描述對象的反應(yīng)曲線誦常分為有自衡能力的非周期特性，非自衡非周期特性，振蕩特性，反向特性 四種類型。 描述對象特性的三個參數(shù)是指 放大系數(shù)K , 時間常數(shù)T ,滯后時間t : KO的含義是被控變量的變化量與操作變量的變化之比：一般希望該

5、值 大一點： Kf的含義是 被控變量的變化量和擾動幅度之比：一般希望該值小一點： 時間常數(shù)的含當(dāng)七=u0時的充電時間：調(diào)節(jié)通道To 一般應(yīng) 合適：Tf一般應(yīng) 越大。 純滯后產(chǎn)生的原因是；容量滯后產(chǎn)生的原因是一般是由物料傳遞需要通過一定阻力而引起的： 雙容量對象可以看成一個 單容量對象 和一個 純滯后過程 組合；一階對象是指動態(tài)方程都是一階常系數(shù)微分方程； 絕對誤差是指一測量值與真實值之差：相對誤差y是指一某一點的絕對誤差和標(biāo) 準(zhǔn)表在該點的指示值之比。精度不僅和 絕對誤差有關(guān)，也和 儀表的測量范圍有關(guān)。 儀表的精度通常用.相對百分誤差6來表示。儀表等級度值越小，表示儀表精度 高：標(biāo)準(zhǔn)表精度一般為

6、0.05以上。工業(yè)生產(chǎn)上感溫元件通常有 熱電阻， 熱電偶 。 熱電偶溫度計由 熱電偶，測量儀表，連接導(dǎo)線三部分組成；熱電勢eAB和兩方面因素有關(guān)，一是取決于接觸處的金屬性質(zhì)的差異，二是溫度 有 關(guān)。 熱電偶溫度補償方法通常包括校正儀表零點法，補償電橋法 ： 熱電偶溫度變送器結(jié)構(gòu)通常分為輸入電橋，放大電路，反饋電路三個部分;熱電偶的分度表是指t0=0C熱電偶的冷端溫度始終保持在0C上。將E （t，t0）和t之間的一一對應(yīng)關(guān)系作成一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表格：分度號是指 熱電偶的代號： 在高溫區(qū)通常采用熱電偶作為測溫元件，在中、低溫區(qū)誦常采用熱電阻作為 測溫元件； 熱電阻是由 熱電阻（感溫元件），顯示儀表（

7、不平衡電橋或平衡電橋）， 連接 導(dǎo)線三部分組成； 熱電阻溫度變送器結(jié)構(gòu)通常分為輸入電橋，放大電路，反饋電路三個部分;顯示儀表又叫 二次儀表：“XCZ”中各字母代表的含義，X顯示儀表，C 動圈式磁電式，Z指示儀：“XCT”中各字母代表的含義，X顯示儀表，C 動圈式磁電式，T指示調(diào)節(jié)儀：50 .動圈式顯示儀表的外接電阻通常規(guī)定為15歐姆：外接調(diào)整電阻的作用是 使人總保持不變：外接電阻通常由 熱電偶電阻R熱， 補償導(dǎo)線電阻R補， 連接銅導(dǎo) 線電阻R銅，外接調(diào)整電阻R調(diào)四項組成： 基本控制規(guī)律通常包括位式控制（主要指雙位控制），比例控制（P）， 積分控 制，微分控制（D）:比例控制規(guī)律是研究具有比例控

8、制規(guī)律的控制器：比例度6的定義式:/x % x 100%對單元組合儀表，6和、之間的關(guān)系為P /（5 =x 100%KP比例度5越大表示比例控制作用越弱，5越小表示比例控制作用 越強；一般工業(yè)用調(diào)節(jié)器的比例度5在以應(yīng)切范圍內(nèi)；積分調(diào)節(jié)規(guī)律最大的優(yōu)點是能夠消除偏差；輸入一輸出關(guān)系符合P = K, I ledt關(guān)系式的調(diào)節(jié)規(guī)律稱為積分規(guī)律；積分速度的含義是 表示積分控制作用強弱的參數(shù)，越大表示積分作用控制越及 時；微分時間TD的含義是 表示微分控制作用強弱的參數(shù)，越大表示微分作用 微分作用越強： 氣動執(zhí)行器分為兩部分，分別為執(zhí)行機構(gòu)、控制機構(gòu)：與閥芯向下運動時，流通截面積減小 時，叫正裝；當(dāng)閥芯向

9、下運動時，流誦截面積增大 時，叫反奘；控制閥的理想流量特性包括直線流量特蛆，等百分比流量特性，拋物線流量特性，快開特性：可調(diào)比R的定義式為R = Qmax / Qmin，國產(chǎn)控制閥可調(diào)比R一般為30 :執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)選擇的主要依據(jù)是 安全狀態(tài)：被控變量選擇的原則有 根據(jù)工藝要求，確定直接變量，宜接變量檢測和控制有困難， 則選間接變量、依據(jù)相律，進(jìn)一步縮小被控變量的數(shù)量范圍、根據(jù)控制要求，考察各 個候選被控變量的靈敏度、進(jìn)一步考察工藝變量的工藝合理性：干擾通道存在純滯后時，對被控變量y沒有 影響； 常用的工程整定方法有臨界比例度法、 衰減曲線法、經(jīng)驗湊試法： 經(jīng)驗湊試法的原則是看曲線、作分析

10、、調(diào)參數(shù)、尋最佳： 串級控制系統(tǒng)的特點 兩個檢測變送器、兩個調(diào)節(jié)器、一個控制閥、兩個調(diào) 節(jié)器之間是有信號流將它們串接在一起，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出為另一個調(diào)節(jié)器的輸：對串級控制系統(tǒng)，副控制器作用方向的選擇和 簡單控制系統(tǒng)作用方向 一樣，主控制 器作用方向的選擇和調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型式 無關(guān)；前饋控制系統(tǒng)的特點 這是個開環(huán)控制系統(tǒng)（根據(jù)信號流走向，信號流在被控對象處 斷開）、 一個檢測器只能測出一個干擾，所以前饋控制只能克服一種干擾、前饋控制 是基于不變性原理而工作的，控制及時、有效、前饋控制規(guī)律不是PID，而是采用由“不 變性原理”決定的“專用”控制規(guī)律：前饋控制系統(tǒng)是基于 不變性原理 工作的；

11、 離心泵的控制方案一般包括改變調(diào)節(jié)閥的開啟度、改變泵的轉(zhuǎn)速、改變回流 量： 精餾塔的控制方案中，通常選擇塔頂溫度、塔底溫度、靈敏板溫度、 中間溫度、 溫差控制作為間接被控變量;二、問答題：過渡過程的基本形式有哪幾種（用圖表示）？簡要闡述其特點；工業(yè)生產(chǎn)一般需要什么 類型的過渡過程？解：非周期衰減過程，又叫單調(diào)過程：特征：被控變量沒有來會(沿|軸)的波動，沿 著一側(cè)作緩慢的變化，最后穩(wěn)定下來；衰減振蕩過程：特征：被控變量上下波動，但振幅逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一個值上面;等幅振蕩過程：特征：振幅不變；發(fā)散振蕩過程：特征：振幅不斷增大，被控變量最終遠(yuǎn)離給定值；工業(yè)生產(chǎn)一般需要衰減振蕩過程試闡述下圖所

12、示的溫度控制系統(tǒng)為開環(huán)的原因？閉環(huán)控制系統(tǒng)分為哪三類？簡要闡述各類的特點。解：1、定值控制系統(tǒng)：特點：被控變量的給定值恒定不變;2、隨動控制系統(tǒng)：特點：給定值不斷變化，而且變化是隨機的;3、程序控制系統(tǒng)：特點：給定值不斷變化，但x=x(t)是已知的。畫出簡單控制系統(tǒng)的方塊圖，并簡要闡述各環(huán)節(jié)的作用。圖4解：a.b.c.d.5.檢測元件和變送器：把被控變量y (t)轉(zhuǎn)化為測量值z (t)，z (t)是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。0，比較機構(gòu)：作用是計算偏差e (t)。調(diào)節(jié)裝置：依據(jù)偏差的大小、正負(fù)，按照一定的規(guī)律給出調(diào)節(jié)作用。執(zhí)行器：接受調(diào)節(jié)器送來的信號p (t)，發(fā)出相關(guān)的信號，改變操作變量。對下列液位控制

13、對象，試?yán)L圖說明被控變量的變化情況。變化情況如右圖所示：自身有能力達(dá)到新的平衡狀態(tài)隨q增大，h增高，隨h增高的增高，Q也隨之變大，最終達(dá)到新的平衡當(dāng)輸入流量作階躍變化，試?yán)L圖說明被控變量h1、h2的變化情況。解：變化圖線如下:隨著hl的增高，q1會隨之而增大，則h2也會隨之而升高，但是h2開始變化比較緩慢，因 為這時/hl增加不多；/h 1增加越高，ql也增加越高，h2的速度會逐漸加快；而h2的升 高，也必然導(dǎo)致q0的加大，即最后階段h2的變化呈現(xiàn)平緩趨勢熱電偶冷端溫度為什么必須要進(jìn)行補償？試簡要說明補償步驟和原理。解：原因：一是冷端和熱端很靠近，所以熱端溫度必然影響到冷端溫度；二是熱電偶在

14、使用過程中，冷端總是暴露在空氣中，冷端溫度必然受到周圍環(huán)境的影響。所以要進(jìn)行補償。第一：補償導(dǎo)線的使用(解決冷端溫度恒定)；第二：冷端溫度修正法，原理：熱電偶 產(chǎn)生的熱電勢為：虱,t )=虱,0)一虱,0)校儀零即:E(t,0)二虱,t0)+虱0,0)試簡要說明補償電橋法的工作原理。工作蔬800 TC解：假設(shè)在某一時刻，冷端溫度為t0=0C，顯示儀表指針指向800 r，這是實際溫度。此時 電橋平衡，a點的電位Ua=Ub（b點電位）。如果另外一個時刻，冷端溫度上升，t0微C）。 電橋中的電阻R1、R2、R3是由錳銅絲繞制而成的，電阻值穩(wěn)定。Rt由銅絲繞制成的，電 阻值隨溫度的變化而變化。通常將R

15、t和熱電偶的冷端連在一起。介質(zhì)溫度升高，電阻值升 高；溫度下降，電阻值也下降?，F(xiàn)在冷端溫度t0升高,Rt也升高。電橋恒壓電源電壓為R1和Rt組成的橋臂電流壓電源負(fù)極電位為通常R1R即:始時：Ua=u b，現(xiàn)在負(fù)極串聯(lián)了一個電源。0伏特），則:R- P 就 t - ER1則a點的電位（假設(shè)恒R升高，tEERRhJ二tj E ，|_IrR 1+ R 1_ trE，RRiu也升高。因為開Ia Eu u 。這實際上相當(dāng)于在熱電偶的I C1什么是“三線制”？引入“三線制”的作用是什么？解：“三線制”：從熱電阻引出三根導(dǎo)線，其中與熱電阻相連的兩根導(dǎo)線分別接入橋路的 兩個相鄰橋臂上，第三根導(dǎo)線與穩(wěn)壓電源的負(fù)

16、極相連。作用：當(dāng)環(huán)境溫度變化時，兩根導(dǎo)線 電阻同時變化，便可抵消對儀表讀數(shù)的影響。結(jié)合下圖，簡要說明電子電位差計的工作過程。說明：日是由錳銅絲繞制而成的滑線電阻，線性度非常好，由 穩(wěn)壓電源供電，電流是恒定的，6是檢流計，靈敏度很高，E 是被測的未知電勢。測量過程：移動觸點:，BC上的電壓差UC = IRC = R.七 當(dāng)移動C時，UBC也跟著改變，當(dāng),UC時，檢流計指針 不會指向零，只有典=U時，流過檢流計的電流=0。 這時E= U。根據(jù)觸點位置，便可以直接讀出值也小。 又U =IR*，所以根據(jù)電喉直接讀相。BC BCBCBC11.結(jié)合下圖簡要闡述雙位控制的過渡過程的特征。雙位調(diào)節(jié)示意圖初始狀

17、態(tài)假設(shè)：開始心。電磁閥關(guān)閉，時丁開。-當(dāng)h （t） h時，超過給定值，浮子推開K，斷電，由于 中間區(qū)的存在，K未立即關(guān)上，液位繼續(xù)上升；直到h（t） =h時，K全關(guān)，Q=0，液位下降。下降到最低點，開始循環(huán)。1為什么說比例控制作用一定產(chǎn)生余差？說明理由?；究刂埔?guī)律有哪些？簡要說明5、T、TD對過渡過程的影響。解：基本控制規(guī)律通常包括1）位式控制（主要指雙位控制），2）比例控制（P），3）積 分控制（I） ，4）微分控制（D）；5：比例控制最大優(yōu)點：反映非常迅速，能很快地克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下TI短，積分作用增強，系統(tǒng)振蕩加劇，穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。Td太大，微分作用強，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩；

18、而Td太小或為零，表示微分作用弱或沒有，對系統(tǒng) 無影響。為什么說等百分比特性又叫對數(shù)特性？與線性特性相比它具有什么優(yōu)點？控制通道、干擾通道存在純滯后時，試分別分析它對被控變量的影響。解：如果t0=0，操作變量對y（t）的影響如圖中A所示；當(dāng)純滯后為T0時，曲線A平移到 B位置，曲線A和C之間的合成就是曲線D，曲線B和C之間的合成為曲線E。很顯然， E和D相比惡化多了。控制通道的純滯后應(yīng)盡量減少。當(dāng)干擾通道存在純滯后時，結(jié)論是沒有影響。如下圖，曲線C表示沒有滯后存在，干擾變量對被控變 量的影響，當(dāng)滯后為Tf時，C平移到C位置。但在Tf時間內(nèi)，由于y（t）沒有變化，操作變量對y（t）也沒有影響，所

19、以控制結(jié)果也一樣，僅僅延遲了滯后時間Tf試分析雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和兩個簡單控制系統(tǒng)相比有哪些優(yōu)越性？解：1)a、擾動作用于副對象和簡單控制系統(tǒng)相比較，當(dāng)擾動嚴(yán)重時，由于z2、pl同時變動，使得控制作用非常迅速； 而當(dāng)擾動較小時，由于副對象調(diào)節(jié)通道的滯后時間比整個對象的滯后時間要短得多，所以控 制也同樣非常及時。結(jié)論：干擾作用于副對象時，串級控制系統(tǒng)明顯優(yōu)越于簡單控制系統(tǒng)b、擾動作用于主對象串級控制系統(tǒng)優(yōu)越于簡單控制系統(tǒng)。c、擾動同時作用于主、副對象2)特征：-1、對進(jìn)入副回路的擾動具有較迅速、較強的克服能力；-2、可以改善對象特性；-3、可以消除調(diào)節(jié)閥的非線性的影響；-4、可兼顧兩個變量。如圖

20、1所示換熱器，由工藝分析得知：冷物料流量Q1的變化為主要干擾，冷物料出口溫 度。2為被控變量，蒸汽流量。2為操作變量，設(shè)所有參數(shù)不隨時間而變化，試基于不變性原Q2相 Q23 1j冷徹粕溫廢！H幻 冷物fel出口溫度甲：孫粕無屋：日土茶汽流宣副理設(shè)計相應(yīng)的控制方案，并寫出過程及各環(huán)節(jié)的作用。對精密精餾，為克服壓力的微小波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，可以采取溫差控制，試說明理 由。解：選取雙溫差的理由是由壓降而引起的溫差，不僅出現(xiàn)在頂部，也出現(xiàn)在底部，這種因負(fù) 荷引起的溫差，在作相減后就相互抵消。雙溫差控制的實質(zhì)是一種控制精餾塔進(jìn)料板附近的組成分布，使得產(chǎn)品質(zhì)量合格的辦法。它可以保證工藝上最好的溫度分布曲

21、線，來代替單純 的控制塔的一端溫度（或溫差）。三、判斷題圖4所示是原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)，試問: 這是個什么類型的控制系統(tǒng)？畫出它的方塊圖； 解：串級控制系統(tǒng)；也就是有氣就開，沒氣就關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)選氣開。確定主、副控制器的正、反作用（應(yīng)說明過程）；解：副回路中執(zhí)行器操作方式的選擇由生產(chǎn)的安全性決定，副控制器的作用方向?qū)凑照麄€ 副回路必須構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)的原則進(jìn)行選擇，根據(jù)副回路負(fù)反饋的要求，被控對象為正作用 方向，所以副調(diào)節(jié)器應(yīng)選反作用方向。如果燃料的壓力是經(jīng)常波動的，上述系統(tǒng)應(yīng)如何改進(jìn)（繪出實物圖）？試畫出它的方塊圖， 并確定主、副控制器的正、反作用（應(yīng)說明過程）。圖5所示是簡單貯槽液位控制

22、系統(tǒng)，為安全起見，貯槽內(nèi)液體嚴(yán)格禁止抽空，試在下面 兩種情況下，分別確定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式及控制器的正、反作用。以Qj為操縱變量；以Q：為操縱變量。解：（1）為安全起見，在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，即沒有控制信號，控制閥應(yīng)處于關(guān)閉狀 態(tài)，也就是有氣就開，沒氣就關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)選氣開。（2）為安全起見，在自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，即沒有控制信號，控制閥應(yīng)處于打開狀態(tài)， 也就是沒氣就開，有氣就關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)選氣關(guān)。假定在如圖所示的反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)中，反應(yīng)器內(nèi)需維持一定溫度，以利反應(yīng)進(jìn)行，但 溫度不允許過高，否則有爆炸危險。試確定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式和控制器的正、反作用。試確定下圖所示兩個系統(tǒng)中執(zhí)行器

23、的正、反作用及控制器的正、反作用。（a）為一加熱器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能過高，否則容易分解;（b）為一冷卻器出口物料溫度控制系統(tǒng)，要求物料溫度不能太低，否則容易結(jié)晶。加熱劑冷削四、計算題圖2所示是一反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)示意圖，工藝要求反應(yīng)器溫度需要控制，通過冷卻水流 量的變化可以達(dá)到溫度控制的目的。試畫出該系統(tǒng)的方塊圖，并指出被控對象、被控變量、 操縱變量和可能的干擾？現(xiàn)因生產(chǎn)因素的變化，要求反應(yīng)溫度從開始的120C提高到122C，當(dāng)給定值作階躍變化后，被控變量的變化曲線如圖所示，試求該系統(tǒng)的過渡過程最大偏差、衰減比和余差。的品質(zhì)指標(biāo):解：操作變量：冷卻水流量；可能干擾：冷卻水溫

24、度變化和物料流量變化；最大偏差 A = 122. 8 120. 0 = 2.8C余差C = 121. 2 120. 0 = 1. 2C衰減比 第一個波峰B = 122.8 121.2 = 1.6C第二個波峰 B = 121.6 121.2 = 0.4C1.6兩=4 :1為測量某反應(yīng)器的對象特性，在某瞬間突然將參加反應(yīng)的反應(yīng)物的流量從1t/h增加到 1.5t/h,這時反應(yīng)器出口溫度的階躍變化曲線如圖3所示。假設(shè)該對象為二階對象(可以 看成由一個一階對象和純滯后對象組成)，試寫出描述該對象的微分方程(反應(yīng)物的流量 為輸入量，反應(yīng)器出口溫度為輸出量)，并解出反應(yīng)物的流量作單位階躍變化時反應(yīng)器出 口溫度變化量的函數(shù)表達(dá)式。現(xiàn)用一支鎳鉻一銅鎳熱電偶測某換熱器內(nèi)的溫度，其冷端溫度為30C，顯示儀表的機械 零點在0C時，這時指示值為400C，則認(rèn)為換熱器內(nèi)的溫度為430C對不對？為什么？正 確值為多少度？解：不對，因為此時冷端溫度為30C，而儀表的指